(57)【要約】      （修正有）【課題】被測定物中の糖度を非接触あるいは非破壊にて識別する。【解決手段】テラヘルツ発生装置によって構成される１０ＧＨｚから１０ＴＨｚの発振周波数を持つ電磁波発生源を用い、適した周波数の発振素子を用い、被測定物に前記発生電磁波を照射しその透過あるいは反射強度を得ることによって、被測定物中の糖度およびその分布状況を得ることを可能にした。また測定ビームを細く絞った測定により、被測定物あるいは本発明の検査システムのどちらかを掃引することによって、被測定物中の糖度の分布を画像化できる。さらに、サンプリングした液体試料中の糖度測定に関しても、液体セル中の試料に非破壊・被接触にて糖度の高感度検出を可能にした。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ発生装置によって構成される１０ＧＨｚ−１０ＴＨｚの範囲の電磁波発生源を用い、少なくとも前記電磁波の発生手段、集光手段、および検出手段によって構成される検査システムであって、電磁波を被測定物に照射したときの透過強度あるいは反射強度を測定し、被測定物中に含まれる糖度や血糖値を検知することを可能にした、糖度検査方法および検査システム。
【請求項２】
前記検査システムにおいて、発生手段、集光手段、および検出手段を一体化したプローブ構造とし、このプローブを被測定物に接近あるいは接触させることにより被測定物中に含まれる糖度や血糖値を検知することを可能にした、請求項１に記載の糖度検査方法および検査システム。
【請求項３】
前記検査システムにおいて、被測定物の表面をフィルムで覆い、フィルム表面付近からの透過あるいは反射強度を測定することにより、被測定物中に含まれる糖度や血糖値およびその分布状況を高感度に測定することを可能にした、請求項１に記載の糖度検査方法および検査システム。
【請求項４】
前記フィルムとして、ポリ塩化ビニリデン製フィルム、ポリ塩化ビニル製フィルム、あるいはポリエチレンフィルムのいずれかを用いることを特徴とする、請求項３に記載の糖度検査方法および検査システム。
【請求項５】
前記検査システムにおいて、被測定物となる液体成分をろ紙、あるいはニトロセルロース紙にしみ込ませ、そのまま乾燥、または湿潤した状態でラミネート加工を施した試料を被測定物として用いることを特徴とする請求項１に記載の糖度検査方法および検査システム。
【請求項６】
前記テラヘルツ発生装置が、タンネットダイオード、ガンダイオード、インパットダイオード、量子カスケードレーザ、ｐ型ゲルマニウムレーザ、共鳴トンネルダイオード等の素子、バックワードオシレータ等の電子管、高周波トランジスタを用いた発振器、自由電子レーザ、テラヘルツ時間領域分光によるテラヘルツ発生法、およびテラヘルツパラメトリック発振器、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生器のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の糖度検査方法および検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、果物、生体、あるいは液体試料を被測定物とし、前記被測定物に電磁波を照射し、その透過強度あるいは反射強度を測定することによって、非破壊・非接触にてこれらに含有される糖度を検知することを特徴としており、農産物管理、医療現場、食品管理などの分野で有効な評価方法となり得る。
【背景技術】
【０００２】  果物の糖度はこれまで、抽出した果汁を用いた光による屈折率測定などにより決定されてきた。果物に対し非破壊・非接触にて測定する方法のニーズの高まりから、赤外光を用いた糖度検出が試験的に用いられているものの、赤外光では液体に対する侵入深さが浅く、また被測定物の表面状態によって測定結果が大きくばらつくという問題があった。このため、抽出したサンプルの破壊検査による糖度測定を採用していることから、商品と測定サンプルとの違いなどが、問題となっていた。【０００３】  また、人の血液中の血糖値測定に関しては、従来は酵素電極法や酵素比色法が用いられており、抽出した血液の反応を用いた測定が行われるため、糖尿病患者はたびたび指先に針を刺し、血液を必要量サンプリングしなければならず、肉体的あるいは精神的負担になっている部分があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は、従来の可視光や赤外線を用いた糖度測定における、液体サンプル抽出に伴う問題点を克服し、１０ＧＨｚ−１０ＴＨｚの範囲の電磁波を用いることにより、非破壊・非接触における被測定物の高精度糖度検出を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上記問題を解決するために、本発明では、テラヘルツ発生装置によって構成される１０ＧＨｚから１０ＴＨｚの発振周波数を持つ電磁波発生源を用い、適した周波数の発振源を用い、被測定物に前記発生電磁波を照射しその透過あるいは反射強度を得ることによって、被測定物中の糖度およびその分布情報を得ることを可能にしている。また、液体試料についてはポリ塩化ビニリデン製ラップ、ポリ塩化ビニル製ラップ、あるいはポリエチレンラップなどのフィルムを介した測定によって、フィルム周辺に凝集した糖水溶液による電磁波の散乱あるいは反射成分を測定することで、糖度の高感度検出を実現している。
【発明の効果】
【０００６】  本発明の糖度検査方法および検査システムは、テラヘルツ発生装置によって構成される１０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲の電磁波発生源を用い、媒質や測定対象物に応じて適した波長を選択し、被測定物中の糖度を非接触あるいは非破壊にて識別することが可能となる。また測定ビームを細く絞った測定により、被測定物あるいは検査システム光学部のどちらかを掃引することによって、被測定物中の糖度の分布を画像化できる。【０００７】  また、サンプリングした液体試料中の糖度測定に関しても、試料に対し非破壊・被接触にて糖度の高感度検出が可能である。このため、本発明による糖度検査方法および検査システムは、農産物管理、医療現場、食品管理などの分野でその有効性が期待される。
【実施例１】
【０００８】  本発明による糖度検査方法および検査システムに用いるダイオード発振素子の共振器構造を図１に示した。共振器は金属製の共振器基本構造１にステム２、スライディングショート３、バイアスピン４、方形導波路５、ホーンアンテナ６、石英スタンドオフ７、ダイオード素子８、および金リボン９によって形成される。石英スタンドオフ７、およびダイオード素子８の底面側はステム２上に圧着され、それぞれの上面側は金リボン９によって接続される。バイアスピン４はλ／４のチョーク構造を有し、スタンドオフ７に接するように設置され、ダイオード素子８に必要な直流バイアスを供給する。バイアスピン４と石英スタンドオフ７の接点付近と、スライディングショート３で囲む空間長で共振器を形成し、共振器に蓄えられた電磁波は方形導波路５を通してホーンアンテナ６より外部に出力される。タンネットダイオードの素子構造は図２に示したようにｎ＋ＧａＡｓ基板結晶８１に低濃度電子密度のＧａＡｓｎ−層８２、さらに高濃度電子密度のＧａＡｓｎ＋層８３、その上に高濃度正孔密度のＧａＡｓｐ＋層８４をエピタキシャル成長により形成する。エピタキシャル成長された後は基板８１を１０〜５０μｍ程度まで薄く加工し、ｐ＋層８４側をステム２に接するようにボンディングされ、共振器構造内に設置される。【０００９】  タンネットダイオード発振素子により基本波室温連続発振する電磁波発生器を１０ＧＨｚ〜１ＴＨｚの範囲で作製できる。例えばＷＲ１２（３．０９９ｍｍ×１．５４９ｍｍ）を基準にした導波管共振器構造では発振周波数レンジが６０〜９０ＧＨｚである。適した導波管サイズと共振器構造、さらには適したダイオード構造を選ぶことにより、１０ＧＨｚ〜１ＴＨｚの範囲で発振する任意のタンネットダイオードを作製・実現した。例えば文献（Ｊ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，Ｐ．Ｐｌｏｔｋａ，Ｈ．Ｍａｋａｂｅ，Ｔ．Ｋｕｒａｂａｙａｓｈｉ，ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，１５，５９７，２００５）【００１０】  発振器としてガンダイオード、インパットダイオード、タンネットダイオード、量子カスケードレーザ、ｐ型ゲルマニウムレーザ、共鳴トンネルダイオード等の素子、パックワードオシレータ等の電子管、高周波トランジスタを用いた発振器、自由電子レーザ、テラヘルツ時間領域分光によるテラヘルツ発生法、およびテラヘルツパラメトリック発振器、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生器などを用いることができ、１０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲で任意の電磁波波長を選択できる。【００１１】  特にＧａＰテラヘルツ波発生法を用いた場合は０．１５〜７ＴＨｚという他に類を見ない広範囲において波長可変で高出力のテラヘルツ電磁波の発生が実現されているので、（例えば、Ｔ．Ｔａｎａｂｅ，Ｋ．Ｓｕｔｏ，Ｊ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ，Ｔ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｓａｉｔｏ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ９３，４６１０、２００３）一つの光源でありながらテラヘルツ電磁波の任意の周波数を広範囲に選択できる特徴を持っている。ＧａＰテラヘルツ波発生法では、第１のポンプ光に波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い、第２のポンプ光源す���わち波長可変光源としてインジェクションシーディング装置を具備したオプティカルパラメトリックオシレータ（ＯＰＯ）を用いる。また第２の方法として、ポンプ光としてＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥ（Ｃｒ添加カンラン石）レーザを用いることもできる。このレーザはＣｒの準位を用いているためにインジェクションシーディングなしのＯＰＯに比べて線幅が極めて狭い。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザは波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザを用い励起される。Ｃｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザの波長可変範囲は、１．１５μｍから１．３５μｍまでの範囲であり、二つのＣｒ：ＦＯＲＳＴＥＲＩＴＥレーザをポンプ光源として用い、一方を固定波長で、他方を波長可変ポンプ光源として用い、インジェクションシーディングなしで差周波発生させることができる。
【実施例２】
【００１２】  図３は、タンネットダイオード発振素子を用いた液体セルによる透過強度測定方法およびシステムを説明する図である。発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は、発振素子１０の出口付近に設置されたレンズ１１によって平行ビームとされ、液体セル１２の液体充填部１３を透過させて、レンズ１１による集光の後、検出器１９でその強度を検出する。液体セルはテフロン（ＰＴＦＥ）を材料として用い作製された。被測定物１４は液体試料であり、液体導入チューブ１５、および液体試料導入口１６を経て、液体セル１２中に充填され、液体放出口１７を経て放出される。実際の測定では液体放出口１７の後に、真空排気装置を接続し、液体充填部１３の液体を放出するとともに、測定する液体試料を順次置換し導入した。１８は電磁波の透過方向を可視化したものである。またパルス発生器２０は発振素子１０をオンオフするために用いられており、１〜４ｋＨｚ、デューティ０．５を代表的な値として用いている。検出器１９で検出した信号はロックイン増幅器２１を介して、コンピュータ２２に出力された。【００１３】  図４に発振素子として２００ＧＨｚで発振するタンネットダイオードを用い、グルコース水溶液の各濃度に対する電磁波透過率を測定した例を示した。液体セルに充填される液体の厚みは３００μｍとした。この結果より、水溶液中のグルコース濃度の増加に対応して、電磁波透過率が線形に上昇する傾向があることがわかった。この電磁波透過率は糖濃度０の場合を１とした時の電磁波透過強度である。またこの測定において人の血液や血清、および点滴用液輸剤を用いた場合についても同様に、含有されるグルコース量を同定することが可能であった。【００１４】  以上述べたように、本願発明による液体セルを用いた透過特性測定では、０．１％程度の濃度の糖度を精度良く測定できることから、果物や野菜の果汁糖度、点滴用液輸剤のグルコース量、さらには血液や血清中の血糖値を精度良く測定できる。
【実施例３】
【００１５】  図５は糖を含む被測定物１４の透過イメージングに関する測定方法および測定システムを説明する図である。被測定物１４付近でビーム系を細く絞るとともに、焦点付近に円錐型のアパーチャ２４を取り付けることによってビーム径をさらに小さく絞り、イメージング時の高分解能を実現している。他の装置構成は図３に示したものとほぼ同様であるが、この装置は被測定物１４用の駆動機構２３を具備し、試料の各測定点における電磁波透過強度を測定し、マッピングすることで透過イメージ像を得ることを可能にしている。【００１６】  図６（上）は各濃度のグルコース水溶液に浸したろ紙３１をラミネート加工したサンプル形状を表している。各々のろ紙にしみ込ませたグルコース水溶液の濃度は、Ａ；０ｍｇ／ｄｌ、Ｂ；５００ｍｇ／ｄｌ、Ｃ；１０００ｍｇ／ｄｌ、Ｄ；２０００ｍｇ／ｄｌ、Ｅ；３０００ｍｇ／ｄｌ、Ｆ４５００ｍｇ／ｄｌである。ラミネート試料３０は水分の蒸発を防ぎ、ろ紙中のグルコース水溶液濃度を保つことによって、安定に糖度測定を行い得るサンプル形成方法として有効である。図６（下）は２００ＧＨｚの電磁波を用いて測定したラミネート試料３０の透過イメージング画像を説明するための模式図である。透過イメージング画像３２にはろ紙透過画像３３が含まれ、グルコース濃度の増加とともに２００ＧＨｚの電磁波透過強度が強くなり、画像濃淡に明確な違いが見られることが示されている。各濃淡に対応する透過強度データをプロットしたものが図７である。イメージングで得られた透過強度においても液体セルによる測定と同様に水溶液のグルコース濃度の増加に対応して、電磁波透過率が線形に上昇する傾向があることがわかった。この電磁波透過率は糖含有なしの場合の純水における透過率を１としている。
【実施例３】
【００１７】  図８に示したのは、ダイオード発振素子を用いた被測定物の反射強度測定方法およびシステムを説明する図である。発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は、発振素子１０の出口付近に設置されたレンズ１１によって平行ビームとされ、ビームスプリッタ２５を通過した後、被測定物１４付近に設置されたレンズ１１によりビーム径を細く絞るとともに、アパーチャ２４によってビーム径をさらに小さく絞り、被測定物１４に照射する。被測定物１４はフィルム２６によって覆われており、被測定物が果物の場合、フィルム２６は果物の皮に相当し、人体の場合にはフィルム２６は皮膚に相当し、被測定物１４は血液に相当する。被測定物１４は、ステージ２７を介してアパーチャ２４の出射口付近に設置される。照射された電磁波はフィルム２６を透過し、被測定物１４の内部で反射あるいは散乱され、アパーチャ２４を被測定物側から通過し、レンズ１１で平行ビームにされた後、ビームスプリッタ２５で反射され、レンズ１１を経由して検出器１９に導かれる。このように電磁波照射側に戻ってくる電磁波成分を測定していることから、便宜上反射強度測定と称しているが、被測定物１４の内部の構成要素による散乱・吸収などが含まれていることは言うまでもない。また、被測定物として試験管２９の中の被測定物１４（液体成分）に対して、フィルム２８（ポリ塩化ビニリデン製ラップ、ポリ塩化ビニル製ラップ、あるいはポリエチレンラップのいずれか）を介して、液体からの反射強度を測定することにより、高感度化が実現される現象を確認している。純水中および血清中のグルコース濃度測定ではポリエチレンラップを用いた場合が最も高感度であり、これはフィルム付近にグルコースが高濃度で分布する現象を反映しているようである。具体的にはフィルム付近における溶質の吸着現象を反映している可能性があり、ポリ塩化ビニリデン製ラップ、ポリ塩化ビニル製ラップ、およびポリエチレンラップのなかで、ポリエチレンラップが最も吸着特性が強いものと考えている。【００１８】  図８のシステムを用いたサクランボの糖度と反射強度の比較測定結果を図９に示した。サクランボＡ種はナポレオン、Ｂ種は佐藤錦、Ｃ種は山形美人である。反射強度測定では、図８に示した被測定物１４の位置に各種サクランボを設置して反射強度を測定を行った。各種サクランボの糖度（Ｂｒｉｘ％）は、反射強度測定後のサンプルを一部すりつぶし、果汁抽出して従来の糖度計を用い測定した。従来法はいわゆる破壊検査である。各種サクランボで表皮の色など概観が顕著に異なるものの、２００ＧＨｚ電磁波を用いた反射強度測定では、非接触・非破壊にてサクランボの種類によらず同一の特性曲線を示すことが明らかとなった。このことは、テラヘルツ電磁波を用いた非接触・非破壊の検査が、従来の果汁抽出による破壊試験に変わる有効な手段であることを示している事例である。
【実施例５】
【００１９】  図１０に示したのは、発振源１０と検出器１９、および光学系を組み合わせた反射強度測定用プローブの説明図である。発振素子１０より発生した所定周波数の電磁波は素子に付随したホーンアンテナを通して自由空間に放射され、発振素子１０の出口付近に設置されたレンズ１１によって平行ビーム化され、ビームスプリッタ２５を通過した後、アパーチャ機能を持つプローブ端部３５よりプローブ外部に放出される。プローブ外部に被測定物を接触させることによって、被測定物からの反射光を再びプローブ内に導き、レンズ１１通過後、ビームスプリッタ２５による反射により、光路を切り替え、ミラー３４を介して検出器１９に導かれ、その反射強度が測定される。このシステムの特徴として、光学系全体を一体化しているので、プローブを移動させ、プローブ先端を被測定物に接触させることで測定が可能となるので、さまざまな形状の被測定物の反射強度測定に適用しやすいという特徴を持つ。また、人体に対しても上腕や下肢など特定部位の反射強度測定に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】  以上により、本願の糖度検査方法および検査システムでは、１０ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲の電磁波発生源を用い、媒質に応じて適した周波数の発振源を選択し、被測定物中の糖度を非接触あるいは非破壊にて識別することが可能となり、また被測定物あるいは本発明の検査システムのどちらかを掃引することによって、被測定物中の糖度の分布を画像化できる。さらに、サンプリングした液体試料中の糖度測定に関しても、液体セル中の試料に非破壊・被接触にて糖度の高感度検出が可能である。このため、本発明による糖度検査方法および検査システムは、農産物管理、医療現場、食品管理などの分野で有効な検査方法および検査システムとなり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】  ダイオード発振素子の共振器構造の概略図である。
【図２】  タンネットダイオードの結晶構造概略図である。
【図３】  ダイオード発振素子を用いた液体セルによる透過強度測定方法およびシステムを示す説明図である。
【図４】  発振素子として２００ＧＨｚで発振するタンネットダイオードを用い、グルコース水溶液の各濃度に対する電磁波透過率の測定例である。
【図５】  糖を含む被測定物の透過イメージングに関する測定方法および測定システムを示す説明図である。
【図６】  （上）は濃度の異なるグルコース水溶液に浸したろ紙を被測定物とした時の、試料作成手順の説明図である。（下）は２００ＧＨｚの電磁波を用いて測定した試料（上）の透過イメージング画像を説明するための模式図である。
【図７】  透過イメージング画像より得られる電磁波透過率と糖濃度の関係を示す測定例である。
【図８】  ダイオード発振素子を用いた被測定物の反射強度測定方法およびシステムを示す説明図である。
【図９】  図８のシステムを用いたサクランボの糖度と反射強度の比較測定例である。
【図１０】  反射強度測定用プローブの説明図である。
【符号の説明】
【００２２】    １…共振器基本構造
２…ステム
３…スライディングショート
４…バイアスピン
５…方形導波路
６…ホーンアンテナ
７…石英スタンドオフ
８…ダイオード素子
９…金リボン
８１…ｎ＋ＧａＡｓ基板結晶
８２…ＧａＡｓｎ−層
８３…ＧａＡｓｎ＋層
８４…ＧａＡｓｐ＋層
１０…発振素子
１１…レンズ
１２…液体セル
１３…液体充填部
１４…被測定物
１５…液体導入チューブ
１６…液体試料導入口
１７…液体放出口
１８…電磁波の透過方向
１９…検出器
２０…パルス発生器
２１…ロックイン増幅器
２２…コンピュータ
２３…駆動機構
２４…アパーチャ
２５…ビームスプリッタ
２６…フィルム
２７…ステージ
２８…フィルム（ポリ塩化ビニリデン製ラップ、ポリ塩化ビニル製ラップ、あるいはポリエチレンラップ）
２９…試験管
３０…ラミネート試料
３１…ろ紙
３２…透過イメージング画像
３３…ろ紙透過画像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007178414.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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