专利名称：旋光测定装置以及旋光测定方法
技术领域：
本发明涉及通过解析被检体的旋光特性，能够高精度地检测具有旋光性的生物体和组织、血液、分子等的存在以及其含有量的旋光测定装置、旋光测定方法，进一步具体而言，涉及能够高精度地测定在人体的血液、唾液、毛发和特定的人体组织中包含的旋光性物质的旋光度的旋光测定方法以及旋光测定装置。
背景技术：
以往的光学式的血糖值测定方法大致分为3类。第1种方法是如在专利文献1中记载的那样，对指头等生物体的一部分照射红外激光，对来自血管的散射光进行分光以测定包含在血液中的葡萄糖的方法。这是利用散射光与葡萄糖浓度成比例降低的特点。该方法存在散射光的光强度依赖于温度、皮肤的水分和油分等的问题，实际上还没有广泛普及。第2种方式是如在非专利文献1以及专利文献2等中记载的那样，传播与葡萄糖正交的偏振光成分，以开环方式测量其双折射率的方式。但是在该方法中如果用长度IOmm 左右的样本(葡萄糖)测定健康者的血糖值水平即0. lg/dL则误差大。即在该方法中例如在全血葡萄糖浓度的检查中能够得到充分的透过光的样本的长度为小于等于Imm的微创测定和无创测定的精度大幅地不足。第3种方法是用专利文献3所示的双折射率测定装置进行测定的方法。该方法和本发明一样在干涉计的环路上设置非相反光学系统，在其内部测量被检体的样本的旋光度，在该实施例中使用波长SOOnm带的光源。在该方法中，虽在厚度IOmm左右的样本上能够用充分高的精度对健康者的血糖值水平即0. lg/dL进行测定，但在样本的厚度小于等于 Imm的微量的血液和粗细为0. Imm的血管等的生物体的无创测定中不能得到充分的测定精度。另外，因为在对光源和受光器进行分离·组合的光方向性耦合器中发生了 6dB的插入损耗，所以存在干涉计的光输出水平低的问题。专利文献1 日本特开2004-313554号公报专利文献2 日本特开2007-093^9号公报专利文献3 日本特开2005-274380号公报(日本特愿2004_08邪44)非专利文献1 横田正幸他“使用了铅玻璃光纤偏振光调制器的葡萄糖传感器 (^ ^ 7 7-7 T ^广偏光変調器f用0 tz ^ ^>寸一)，，，第31届光波传感技术研究会 LST31-8, PP. 51-56，2003 年 8 月非专利文献2 梶冈、於保、“光纤陀螺的开发(光7 7 ^ K^ 口 開発)”、第 3届光波传感技术研究会，LST3-9，PP. 55-62，1989年6月
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种大幅度改善以往的旋光测定装置的灵敏度的旋光测定装置以及旋光测定方法，该旋光测定装置以及旋光测定方法能够高精度地检测生物体和组织、血液、分子等的存在及其含有量。
为了解决问题而形成的本发明涉及的旋光测定装置以及旋光测定方法需要特别指出的特征在于在对相位调制方式的全偏振面保存光纤陀螺的传感环路的途中设置非相反光学系统，在样本中让左右两旋转光以左右圆偏振光状态传播，将其相位差作为萨尼亚克(Mgnac)的相位差进行检测的方法中，作为初级阶段的方向性耦合器能够使用低损耗的光循环器，将光源的波长设定在非相反光学系统的法拉第旋转非相反元件的插入损耗低的波长区域。进而如果具体地列举例子说明，则作为为了解决课题而形成的本发明的例子的第 1发明(以下，称为发明1)的旋光测定装置其特征在于具有，非相反光学系统，配置在环干涉计的环内，左右两旋转光以相互正交的偏振波状态传播；样本放置部，配置在上述非相反光学系统的内部，放置具有双折射、旋光性的全血、经过离心分离的血液、分子、唾液、毛发等生物体组织、细胞等的样本；测定部，测定上述环的左右两传播光的相位差，上述光的光源的波长大于等于1300nm并且小于等于1700nm。作为展开了发明1形成的本发明的例子的第2发明(以下，称为发明2)的旋光测定装置其特征在于在发明1所述的旋光测定装置中，上述环干涉计是由全偏振面保存光纤以及相关零件组成的相位调制方式的干涉计，上述非相反光学系统以外以构成环的偏振面保存光纤的同一固有偏振光模式来传播左右两旋转光。作为展开发明1和2形成的本发明的例子的第3发明(以下，称为发明3)的旋光测定装置其特征在于在发明1或者2所述的旋光测定装置中，在上述环干涉计的耦合器中使用光循环器。作为展开发明1 3形成的本发明的例子的第4发明(以下，称为发明4)的旋光测定装置其特征在于在发明1 3的任意一项所述的旋光测定装置中，最佳化经过准直的空间传播光的光束，使得上述非相反光学系统的相对耦合损耗包含生物体的吸收以及散射损耗，并且大致为小于等于40dB。作为展开发明1 4形成的本发明的例子的第5发明(以下，称为发明5)的旋光测定装置其特征在于在发明1 4的任意一项所述的旋光测定装置中，夹着作为上述样本的生物体的一部分的上述非相反光学系统的相对准直器的夹着样本的空间传播部分的距离是可变的。作为展开发明1 5形成的本发明的例子的第6发明(以下，称为发明6)的旋光测定装置其特征在于在发明1 5的任意一项所述的旋光测定装置中，具有解析部，输入到上述环干涉计的光的波长是可变的，通过对所测定的相位的波长特性进行测定并对波长特性进行数值解析，能够定性以及/或者定量地推定上述样本的存在及该样本的含有量。作为展开发明1 6形成的本发明的例子的第7发明(以下，称为发明7)的旋光测定装置其特征在于在发明1 6的任意一项所述的旋光测定装置中，在上述相对准直器内设置有按压并夹着生物体的被测定部的生物体固定部。作为为了解决课题而形成的本发明的例子的第8发明(以下，称为发明8)的旋光测定方法其特征在于使用在环干涉计的环内配置的左右两旋转光以相互正交的偏振波状态传播的非相反光学系统；在上述非相反光学系统的内部配置的放置具有双折射、旋光性的全血、经过离心分离的血液、分子、唾液、毛发等生物体组织、细胞等的样本的样本放置部；测定上述环的左右两传播光的相位差的测定部，作为上述光的光源的波长使用大于等于1300nm并且小于等于1700nm的光，从上述测定部的测定结果中检测上述样本的存在及该样本的含有量。
作为展开发明8形成的本发明的例子的第9发明(以下，称为发明9)的旋光测定方法其特征在于在发明8所述的旋光测定方法中，上述环干涉计是由全偏振面保存光纤以及相关零件组成的相位调制方式的干涉计，上述非相反光学系统以外以构成环的偏振面保存光纤的同一固有偏振光模式来传播左右两旋转光。
作为展开发明8和9形成的本发明的例子的第10发明(以下，称为发明10)的旋光测定方法其特征在于在发明8或者9所述的旋光测定方法中，在上述环干涉计的耦合器中使用光循环器。
作为展开发明8 10形成的本发明的例子的第11发明(以下，称为发明11)的旋光测定方法其特征在于在发明8 10的任意一项所述的旋光测定方法中，最佳化经过准直的空间传播光的光束，使得上述非相反光学系统的相对耦合损耗包含生物体的吸收以及散射损耗，并且大致为小于等于40dB。
作为展开发明8 11形成的本发明的例子的第12发明(以下，称为发明12)的旋光测定方法其特征在于在发明8 11的任意一项所述旋光测定方法中，夹着作为上述样本的生物体的一部分的上述非相反光学系统的相对准直器的夹着样本的空间传播部分的距离是可变的。
作为展开发明8 12形成的本发明的例子的第13发明(以下，称为发明13)的旋光测定方法其特征在于在发明8 12的任意一项所述旋光测定方法中，输入到上述环干涉计的光的波长是可变的，通过对所测定的相位的波长特性进行测定并对波长特性进行数值解析，能够定性以及/或者定量地推定上述样本的存在及该样本的含有量。
作为展开发明8 13形成的本发明的例子的第14发明(以下，称为发明14)的旋光测定方法其特征在于在发明8 13的任意一项所述的旋光测定方法中，在上述相对准直器内设置有按压并夹着生物体的被测定部的生物体固定部。
本发明的第1效果是因为其原理是利用光的干涉，所以能够非常高精度地测定旋光度。第2效果是通过将光干涉计的光源波长设定为插入样本的非相反光学系统的插入损耗以及对光源和受光器进行分离耦合的方向性耦合器的损耗变低的波长区域，从而受光功率改善为约1000倍，与以往相比能够极其高精度地测定非常微量的样本或指头或耳朵或拇指和食指之间的褶皱部分等的生物体的旋光度。用这些先进的构成要件，能够提供与以往相比大幅度提高精度的微创型或者无创型的生物体用的旋光测定装置。
图1是表示本发明的实施方式例子的旋光测定装置的整体结构图。
图2是本发明的实施方式例子的旋光测定装置的详细结构图。
图3是本发明的实施方式例子的旋光测定装置的非相反光学系统的结构图。
图4是表示本发明的实施方式例子的生物体的旋光角测定的实施例的结构图。
符号说明
1 光源(ASE)
2 光干涉计部
3、11-1、11-2 非相反光学系统部4 光纤陀螺相位检测部5 光循环器6、13-1、13-2 偏振器7 光耦合器8 偏振面保存光纤8-1 偏振面保存伪光纤9:相位调制器10-1、10-2:透镜12 被测定样品13 调制信号14-1、14-2 45度法拉第旋转元件15-1、15_2 四分之一波片16 受光器
具体实施例方式用图1至图3说明一种实施方式的例子。在本发明的说明中，为了避免说明的重复，在没有误解而能够理解的范围中，在旋光测定装置的说明中兼顾旋光测定方法的说明， 或者反过来的情况也存在。图1表示本发明的基本结构图。整体结构包含光源1、光干涉计部2、非相反光学系统部3、光纤陀螺的信号检测部4。在图2中进一步详细说明它们。光源 1使用所谓的C频带的ASE光源，但当要求精度不严格时也可以使用SLD。从光源1发出的光经过光循环器5和偏振器6用耦合器7分支为左右两旋转光。光循环器5的部分在要求精度不严格时也可以使用以往的2X2方向性耦合器。在环干涉计的光路上使用了偏振面保存光纤8。在此虽然芯使用了椭圆的光纤但也可以在所谓的芯上使用施加了各向异性的应力的构造的光纤。按照顺时针旋转被分支了的光在偏振光面保存光纤8的环路中传播，通过透镜 10-1、非相反光学系统11-1、作为被测定样品的样本12再次经由非相反光学系统11-2、透镜10-2通过干涉计2的相位调整器9返回到耦合器7。另一方面，反时针旋转的光首先通过相位调整器7，在上述光路中反向传播然后返回耦合器7。这些左右两旋转光在耦合器7 中发生干涉，干涉强度经由偏振器6、光循环器5在受光器16中被变换为电信号，利用光纤陀螺的信号检测部4将左右两旋转光的相位差作为电压输出。在此使用的光纤陀螺基于非专利文献2所述的干涉法。环路长度是1000m，相位调制器9是PZT，从信号检测部4中共振频率通过20KHz的正弦波调制信号13调制。非专利文献2所述的光纤陀螺是以下方式用正弦波对调制器进行调制，在受光部中检测其基波、2次谐波、4次谐波成分，用基波和2次谐波的振幅比的反正切(tan—1)将相位差控制为固定，以2次谐波、4次谐波成分的比将调制度控制为固定。在所试制的传感器的电输出中使用了 RS232C，但利用市售的变换器也可以用USB输出。一般受光灵敏度还依赖于调制度。在环路中传播的光的传播时间越长、即环路长度越长则调制度变得越大。即使在这一点上也具有将传播的光的波长设置在以1550nm 为代表的C频带上的优点。
图3是图1的非相反光学部3的详细结构图。该非相反光学系统包含相对透镜 10-1和10-2 ；偏振器13-1和13-2 ；45度法拉第旋转元件14-1和14-2 ；四分之一波片15-1 和15-2。法拉第旋转元件是在铁系的石榴石的周围安装磁铁。将45度法拉第旋转元件14-1 和四分之一波片15-1以及45度法拉第旋转器14-2和四分之一波片15-2的相对角度调整为通过样本12的左右两旋转光以正交的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光进行传播。当这样进行调整，如果作为样本的角度的旋光度发生，则近似地发生其2倍的相位差，能够用光纤陀螺的相位差检测系统进行测定。
在实验中，作为图2的样本使用了注入到小盒中的葡萄糖溶液。这种情况下，在载有小盒的载物台上设置嵌入IOmmX 10mm、3mmX 3mm和ImmX Imm等大小的小盒的专用的夹具。只通过手工放置小盒不能得到测定值的重现性。通过使用小盒固定用的夹具，即使装卸小盒也能够得到测定值的重现性。
在此研究葡萄糖的旋光度和其需要的受光能量的关系。健康者的血液的血糖值水平大约是0. lg/lOOcc，旋光角度在样品长度为L= IOmm下是约0.005度。与此相比，为了测定包含在人体内部的粗细0. Imm左右的血管中的葡萄糖，需要测定其百分之一，即0. 00005 度的超微小的偏振光角度的变化。如上所述，这在环干涉计中相当于0. 0001度的相位变化。
在此研究在相位调制方式的光纤陀螺中为了测定θ = 0.0001度的相位变化所需要的受光部的S/N。
当将调制度设定为最大的情况下，S/N如非专利文献2所示那样，近似地用下式表示ο
权利要求
1.一种旋光测定装置，其特征在于具有，非相反光学系统，配置在环干涉计的环内， 左右两旋转光以相互正交的偏振波状态传播；样本放置部，配置在上述非相反光学系统的内部，放置具有双折射、旋光性的全血、经过离心分离的血液、分子、唾液、毛发等生物体组织、细胞等的样本；测定部，测定上述环的左右两传播光的相位差，上述光的光源的波长大于等于1300nm并且小于等于1700nm。
2.根据权利要求1所述的旋光测定装置，其特征在于上述环干涉计是由全偏振面保存光纤以及相关零件组成的相位调制方式的干涉计，上述非相反光学系统以外以构成环的偏振面保存光纤的同一固有偏振光模式来传播左右两旋转光。
3.根据权利要求1或者2所述的旋光测定装置，其特征在于在上述环干涉计的耦合器中使用光循环器。
4.根据权利要求1 3中的任意1项所述的旋光测定装置，其特征在于最佳化经过准直的空间传播光的光束，使得上述非相反光学系统的相对耦合损耗包含生物体的吸收以及散射损耗而大致为小于等于40dB。
5.根据权利要求1 4中的任意1项所述的旋光测定装置，其特征在于夹着作为上述样本的生物体的一部分的上述非相反光学系统的相对准直器的夹着样本的空间传播部分的距离是可变的。
6.根据权利要求1 5中的任意1项所述的旋光测定装置，其特征在于具有解析部， 输入到上述环干涉计的光的波长是可变的，通过对所测定的相位的波长特性进行测定并对波长特性进行数值解析，能够定性以及/或者定量地推定上述样本的存在及该样本的含有量。
7.根据权利要求1 6中的任意1项所述的旋光测定装置，其特征在于在上述相对准直器内设置有按压并夹着生物体的被测定部的生物体固定部。
8.一种旋光测定方法，其特征在于，使用在环干涉计的环内配置的左右两旋转光以相互正交的偏振波状态传播的非相反光学系统；在上述非相反光学系统的内部配置的放置具有双折射、旋光性的全血、经过离心分离的血液、分子、唾液、毛发等生物体组织、细胞等的样本的样本放置部；测定上述环的左右两传播光的相位差的测定部，作为上述光的光源的波长使用大于等于1300nm并且小于等于1700nm的光，从上述测定部的测定结果中检测上述样本的存在及该样本的含有量。
9.根据权利要求8所述的旋光测定方法，其特征在于上述环干涉计是由全偏振面保存光纤以及相关零件组成的相位调制方式的干涉计，上述非相反光学系统以外以构成环的偏振面保存光纤的同一固有偏振光模式来传播左右两旋转光。
10.根据权利要求8或者9所述的旋光测定方法，其特征在于在上述环干涉计的耦合器中使用光循环器。
11.根据权利要求8 10中的任意1项所述的旋光测定方法，其特征在于最佳化经过准直的空间传播光的光束，使得上述非相反光学系统的相对耦合损耗包含生物体的吸收以及散射损耗而大致为小于等于40dB。
12.根据权利要求8 11中的任意1项所述的旋光测定方法，其特征在于夹着作为上述样本的生物体的一部分的上述非相反光学系统的相对准直器的夹着样本的空间传播部分的距离是可变的。
13.根据权利要求8 12中的任意1项所述的旋光测定方法，其特征在于输入到上述环干涉计的光的波长是可变的，通过对所测定的相位的波长特性进行测定并对波长特性进行数值解析，能够定性以及/或者定量地推定上述样本的存在及该样本的含有量。
14.根据权利要求8 13中的任意1项所述的旋光测定方法，其特征在于在上述相对准直器内设置有按压并夹着生物体的被测定部的生物体固定部。
全文摘要
本发明的课题是，提供一种能够高精度地测定具有旋光性的生物体和组织、血液、分子等的存在及其含有量，并且能够小型化的旋光测定装置，以及能够高精度测定具有旋光性的生物体和组织、血液、分子等的存在及其含有量的旋光测定方法。为了解决课题，在本发明的旋光测定装置以及旋光测定方法中，设计成在环光干涉计的环路光路的途中设置非相反光学系统，正交的圆偏振光模式在两个方向上在被测定样品中传播，将光源波长设为非相反光学元件的低损耗的波长区域，作为环干涉计应用分辨率最高的相位调制方式光纤陀螺的信号处理技术。
文档编号G01N21/21GK102483376SQ20098015879
公开日2012年5月30日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者梶冈博, 鸟取裕作 申请人:株式会社全球纤维光学, 盐野义制药株式会社