Breakthrough in non-invasive blood analysis using mid-infrared light
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20H00231
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
松浦 祐司 東北大学, 医工学研究科, 教授 (10241530)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片桐 崇史 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (90415125)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2021: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
Fiscal Year 2020: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
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| Keywords | 赤外分光 / 血糖値測定 / 光熱偏向分光法 / 光音響分光法 / 赤外分光法 / 量子カスケードレーザ |
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| Outline of Research at the Start |
血糖，コレステロールなどの血中成分を，指や口唇でセンサ部を触れただけで，非侵襲で精密に分析を行う装置を開発することを目的とする．本研究では，中赤外光を生体試料に垂直に入射し，光吸収により発生する「熱」または「音響波」を検出する．これにより，光の侵入深さを従来のATR法よりはるかに大きい20ミクロン程度とすることが可能であり，生体組織液の成分を高精度に測定することが期待される．「熱」を検出する方法としては，熱による屈折率変化を近赤外のプローブレーザ光で検出する光熱偏向法を，「音響波」を検出する方法は，音波もしくは超音波をとらえる光音響法を用い，実用システムの実現を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
外部共振器型波長可変QCLを光源として用いた光熱偏向分光システムを構築した．本装置ではプリズムの下部からプリズム上部に接したサンプル（指，口唇）表面に光を照射する．使用するプリズムは正の屈折率温度係数をもつため，温度が上昇すると屈折率も高くなる．そこで中赤外光の照射点付近において，プローブ光として用いる近赤外レーザ光が全反射するように光学系を調整することにより，中赤外光吸収による微細な温度変化により生じる屈折率変動を，反射したプローブ光の位置の変化として検出することが可能となった． 本装置を用いて濃度0.1%程度のグルコース水溶液を対象に吸収スペクトルを取得したところ，ほぼATR法と同等の形状をもつスペクトルが得られ，本装置の有効性を確認した．さらに複数の異なる種類の樹脂薄膜を積層したものをサンプルとして測定したところ，レーザ光の変調周波数を変化させることにより，測定される深さが変わることを確認し，生体組織の測定においても深さ方向の構成物質分布などの分析が可能であることを示した．
また，波長可変QCLを用いた光音響分光システムも新たに構築した．本装置では中赤外レーザ光を，チョッパによって変調した後に，光学窓と測定対象物の表面で閉じられ，光音響セル内は空気もしくは窒素ガスで満たされている光音響セルに入射した．サンプル内で生じる光吸収による組織の熱膨張から発生する音波をコンデンサマイクロフォンで検出した．変調する周波数は，熱拡散速度とマイクロフォンの周波数特性を考慮して設定し，ロックインアンプによって同期検出を行った．さまざまな形状の光音響セルを設計，製作し測定を行ったところ，セルの容積をきわめて小さくすることにより高い感度が得られた．また使用するマイクロフォンについても，音場計測用の高感度マイクロフォンの利用が有効であることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本装置の開発対象となる，光熱偏向分光システムおよび光音響分光システムの構築が完成し，その機能確認が終了したため．
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した装置を用いて，生体構成物質を模擬したサンプルや，実際の生体（指，手首など）の測定を行い，これまで用いられてきたATR分光法によるものとの差異について調査する．
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Report
(2 results)
Research Products
(11 results)
