物質(zhì)檢測裝置、手表式體脂肪燃燒測量裝置制造方法
【專利摘要】實(shí)現(xiàn)能夠從皮膚采集到的生物體氣體中檢測特定成分的物質(zhì)檢測裝置。物質(zhì)檢測裝置1具備：檢測樣品采集部10，采集從人的皮膚放出的生物體氣體，只使該生物體氣體在透過膜中透過，容納于傳感器室14的內(nèi)部；光源，激發(fā)所采集到的生物體氣體中的丙酮的拉曼散射光；傳感器部31，通過局域型表面等離子體共振而增強(qiáng)拉曼散射光；分光器60，使被增強(qiáng)后的拉曼散射光分光；受光元件70，將被分光后的光轉(zhuǎn)換為電信號，取得被增強(qiáng)后的拉曼散射光的光譜；信號處理控制電路部80，通過對照已被取得的所述光譜與預(yù)先被存儲的丙酮的指紋光譜而確定作為被采集到的被檢測物質(zhì)的丙酮，并算出具有與丙酮濃度的相關(guān)關(guān)系的脂肪燃燒量；以及顯示部130，顯示由信號處理控制電路部80算出的結(jié)果。
【專利說明】物質(zhì)檢測裝置、手表式體脂肪燃燒測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及物質(zhì)檢測裝置、手表式體脂肪燃燒測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，作為改善像代謝綜合癥這種起因于生活習(xí)慣的癥狀的方法，定期的有氧 運(yùn)動被推薦，但是，常常因不能夠持續(xù)地做這種運(yùn)動而顯不出運(yùn)動的效果。如果能夠使這一 類人簡便地知道用于提高運(yùn)動的效果的體脂肪的燃燒量，則運(yùn)動持續(xù)的動機(jī)就提高，其結(jié) 果，能夠期待運(yùn)動的效果顯現(xiàn)出來。所以，能夠測量由運(yùn)動所產(chǎn)生的脂肪燃燒量的裝置被提 出。于是，檢測呼氣氣體中的丙酮濃度（或丙酮量）、通過檢測丙酮濃度的變化而算出運(yùn)動 強(qiáng)度、使用該運(yùn)動強(qiáng)度負(fù)荷時(shí)的氧攝取量與每被攝取的單位氧量的熱量和參與該熱量的消 耗脂肪的比例而算出脂肪燃燒率的發(fā)明被提出（例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
[0003] 另外，在其它方面，已經(jīng)提出檢測從皮膚放出的生物體氣體的裝置以及根據(jù)所得 到的檢測信息來監(jiān)控生物體內(nèi)的代謝信息的方法（例如，參照專利文獻(xiàn)2)。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0005] 專利文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2010-268864號公報(bào)
[0007] 專利文獻(xiàn)2:日本特開2010-148692號公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 在上述專利文獻(xiàn)1中，由于受測者戴上面罩而采集呼氣氣體，因此必須暫且使運(yùn) 動中止而采集呼氣。另外，在檢測皮膚氣體的情況下，檢測對象的生物體氣體的濃度與呼氣 氣體相比為低濃度，因而易于受到來自汗等的水分的妨礙。
[0009] 本發(fā)明為了解決上述問題的至少一部分而被作出，能夠作為以下的方式或應(yīng)用例 來實(shí)現(xiàn)。
[0010] (應(yīng)用例1)根據(jù)本應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于，具備：檢測樣品采 集部，采集從人的皮膚放出的生物體氣體，并將其容納于傳感器室的內(nèi)部；光源，激發(fā)所采 集到的所述生物體氣體中的被檢測物質(zhì)的拉曼散射光；傳感器部，通過局域型表面等離子 體共振而增強(qiáng)所述拉曼散射光；分光器，使被增強(qiáng)后的所述拉曼散射光分光；受光元件，將 被分光后的光轉(zhuǎn)換為電信號，取得被增強(qiáng)后的所述拉曼散射光的光譜；信號處理控制電路 部，通過對照已被取得的所述光譜與預(yù)先被存儲的所述被檢測物質(zhì)的指紋光譜而確定所述 被檢測物質(zhì)，算出所述被檢測物質(zhì)的濃度和具有與所述被檢測物質(zhì)的濃度的相關(guān)關(guān)系的特 定物質(zhì)的量；以及顯示部，顯示由所述信號處理控制電路部算出的結(jié)果，所述檢測樣品采集 部緊貼上述人的皮膚，所述檢測樣品采集部具備使生物體氣體向所述傳感器部透過的透過 膜。
[0011] 本應(yīng)用例采集從人的皮膚產(chǎn)生的生物體氣體，將利用了通過向傳感器部照射光而 產(chǎn)生的局域型表面等離子體共振的拉曼散射光的光譜與指紋光譜進(jìn)行對照來確定被檢測 物質(zhì)，進(jìn)而算出與被檢測物質(zhì)的濃度（或量）具有相關(guān)關(guān)系的特定物質(zhì)的量并顯示于顯示 部。因此，根據(jù)這種構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)可高靈敏度地檢測生物體氣體中所含有的微量的被檢測 物質(zhì)的物質(zhì)檢測裝置。
[0012] 并且，能夠檢測與被檢測物質(zhì)的濃度具有相關(guān)關(guān)系的特定物質(zhì)的量。
[0013] 并且，詳細(xì)情況將在后述的實(shí)施方式中說明，本應(yīng)用例的物質(zhì)檢測裝置由于能夠 使進(jìn)行構(gòu)成的各構(gòu)成要素小型化，因而能夠?qū)崿F(xiàn)可配戴于受測者的大小。并且，由于采集從 皮膚所產(chǎn)生的生物體氣體，因而與所述的采集呼氣的結(jié)構(gòu)相比，在運(yùn)動中也能夠測量特定 物質(zhì)的量。
[0014] 此外，傳感器室的容積恒定，如果知道被檢測物質(zhì)的濃度，就能夠求出被檢測物質(zhì) 的量（重量）。
[0015] 另一方面，在生物體氣體中，除了被檢測物質(zhì)以外還含有水分。如果水分附著于傳 感器部，就不能夠通過局域型表面等離子體共振來增強(qiáng)拉曼散射光。于是，通過使用作為被 檢測物質(zhì)的生物體氣體透過、而不使水分透過的透過膜，從而能夠通過局域型表面等離子 體共振而高效地增強(qiáng)拉曼散射光。
[0016] (應(yīng)用例2)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，所述傳感器部具備傳 感器芯片，其具有比所述光源射出的光的波長小的金屬納米結(jié)構(gòu)。
[0017] 在對比光的波長小的金屬納米粒子照射光的情況下，在金屬納米粒子附近，存在 于光表面的自由電子由于入射光的電場而受到作用而振蕩，在金屬納米粒子附近，由自由 電子形成的電偶極子變?yōu)檎R的狀態(tài)，因此形成比入射光的電場強(qiáng)的增強(qiáng)電場，產(chǎn)生局域 型表面等離子體共振。通過該局域型表面等離子體共振，即使是微量地存在的目標(biāo)分子 (被檢測物質(zhì)粒子），也能產(chǎn)生拉曼分光，進(jìn)而能夠高靈敏度地檢測微量的被檢測物質(zhì)。
[0018] (應(yīng)用例3)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，還具備將被容納于所 述傳感器室的內(nèi)部的所述生物體氣體排出至所述傳感器室的外部的采集氣體排出單元。
[0019] 如果已被采集的生物體氣體一直滯留于傳感器室內(nèi)，則在下次的被檢測物質(zhì)的檢 測中就無法獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。因此，通過在再檢測之前由采集氣體排出單元將生物體 氣體排出至傳感器室外，從而能夠獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。
[0020] (應(yīng)用例4)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，所述檢測樣品采集部、 所述光源、所述傳感器部、所述分光器、所述受光元件、所述信號處理控制電路部以及所述 顯示部被一體地容納且可配戴于身體上。
[0021] 如此一來，能夠構(gòu)成諸如手表式這樣的易于攜帶的物質(zhì)檢測裝置，因此在日常生 活中或運(yùn)動中也可攜帶，能夠通過顯示部確認(rèn)檢測結(jié)果。
[0022] (應(yīng)用例5)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，被分離為所述檢測樣 品采集部、所述光傳感器部以及所述顯示部被一體地容納的主體部和所述分光器、所述受 光元件以及所述信號處理控制電路部被一體地容納的檢測部，該主體部與該檢測部由傳輸 被增強(qiáng)后的所述拉曼散射光的光纖和傳遞電力供應(yīng)及電信號的電纜連接。
[0023] 如果形成為這種結(jié)構(gòu)，則主體部與檢測部就被分離，各自都能夠比一體型進(jìn)一步 小型化、輕量化，例如，主體部能夠配戴于受測者本身易于查看顯示的手腕部，檢測部能夠 配戴于運(yùn)動量少的任意位置。
[0024] (應(yīng)用例6)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，所述檢測樣品采集部 從所述光源、所述傳感器部以及所述顯示部被一體地容納的主體部分離，所述檢測樣品采 集部與所述傳感器室通過生物體氣體導(dǎo)入管而被連通。
[0025] 按這種方式，檢測樣品采集部與主體部分離，因此例如如果將主體部配戴于手腕 部，檢測樣品采集部配戴于主體部附近的臂部,就能夠增大檢測樣品采集部的生物體氣體 的采集面積，進(jìn)而能夠使生物體氣體的采集量增加。
[0026](應(yīng)用例7)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，具備從所述檢測樣品 采集部、所述光源、所述傳感器部、所述分光器、所述受光元件以及所述信號處理控制電路 部被一體地容納的檢測裝置主體部分離的顯示部，所述檢測裝置主體部與該顯示部通過通 信單元而被連接。
[0027] 在這種結(jié)構(gòu)中，顯示部的配置位置能夠不被限定而配置于從檢測裝置主體部獨(dú)立 的任意位置。顯示部也可以在與受測者分離的位置上，在通信單元為無線通信的情況下，將 由檢測裝置主體部檢測后的數(shù)據(jù)發(fā)送至例如個(gè)人電腦和手機(jī)，能夠使檢測結(jié)果顯示于這些 設(shè)備的顯示部，能夠在與受測者分離的位置上確認(rèn)檢測結(jié)果。
[0028] 并且，能夠利用個(gè)人電腦和手機(jī)的存儲器來掌握過去的檢測結(jié)果或長時(shí)間的累積 值。
[0029](應(yīng)用例8)在上述應(yīng)用例所涉及的物質(zhì)檢測裝置中，優(yōu)選，所述被檢測物質(zhì)為丙 酮，所述特定物質(zhì)為體脂肪，在所述信號處理控制電路部中，參照非蛋白呼吸商而由已被檢 測到的所述丙酮的量算出所述體脂肪的燃燒量，在所述顯示部中顯示所述體脂肪的燃燒 量。
[0030] 在體內(nèi)生成的大部分游離脂肪酸雖然被向肝臟供給，但是通過隨著運(yùn)動而在肝臟 中進(jìn)行的脂肪燃燒，作為代謝物質(zhì)的丙酮就以生物體氣體的形式而從皮膚被放出。于是，通 過檢測丙酮濃度，準(zhǔn)確的脂肪燃燒量的測量就變?yōu)榭赡?。因此，如果使用上述的物質(zhì)檢測裝 置而能夠簡便地知道體脂肪的燃燒量作為運(yùn)動的效果，則有代謝綜合癥傾向的受測者的運(yùn) 動持續(xù)的動機(jī)就提高，進(jìn)而能夠改善起因于生活習(xí)慣的癥狀。
[0031](應(yīng)用例9)根據(jù)本應(yīng)用例所涉及的手表式體脂肪燃燒測量裝置，其特征在于，具 備：顯示部，被設(shè)置于手表式的框體的外面；傳感器部，利用等離子體共振而檢測從受測者 放出的生物體氣體中的目標(biāo)物質(zhì)；光源部，向所述傳感器部照射激光，激發(fā)拉曼散射光；控 制部，根據(jù)所述目標(biāo)物質(zhì)的檢測濃度運(yùn)算體脂肪的燃燒，并將該運(yùn)算結(jié)果顯示于所述顯示 部；緊貼部，具備使所述生物體氣體透過的透過膜，能緊貼于所述受測者的手臂的一部分； 以及腕帶，使所述緊貼部能夠配戴于所述受測者的手臂，所述顯示面、所述激光的射出方向 以及所述透過膜相互地平行。
[0032] 根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，能夠使手表式的裝置薄型化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖1示出實(shí)施方式1所涉及的物質(zhì)檢測裝置，（a)是透視了內(nèi)部構(gòu)造的俯視觀察 結(jié)構(gòu)圖，（b)是示出（a)的A-A剖面的截面圖，（c)是俯視觀察外觀圖。
[0034] 圖2是示出實(shí)施方式1所涉及的物質(zhì)檢測裝置的主要結(jié)構(gòu)的框圖。
[0035] 圖3是示意性地示出實(shí)施方式1所涉及的物質(zhì)檢測的原理的說明圖，（a)是拉曼 分光的說明圖，（b)是將光照射至金屬納米粒子時(shí)所形成的增強(qiáng)電場的說明圖，（c)是金屬 納米結(jié)構(gòu)中的表面增強(qiáng)拉曼散射的說明圖。
[0036] 圖4是示出脂肪燃燒與丙酮的關(guān)系的說明圖，（a)是成為主要能量源的三大營養(yǎng) 素的從攝取直至儲藏的流程，（b)是脂肪燃燒的機(jī)理，（c)是有氧運(yùn)動中的糖類和脂肪的利 用率隨時(shí)間的演變
[0037] 圖5是示出丙酮濃度與丙酮信號強(qiáng)度的關(guān)系的曲線圖。
[0038] 圖6是例示一體型的物質(zhì)檢測裝置的配戴位置的說明圖。
[0039] 圖7示出實(shí)施方式2所涉及的物質(zhì)檢測裝置，（a)是整體結(jié)構(gòu)說明圖，（b)是主體 部的截面圖。
[0040] 圖8是實(shí)施方式2所涉及的主體部的俯視觀察外觀圖。
[0041] 圖9示出實(shí)施方式3所涉及的物質(zhì)檢測裝置，（a)是整體結(jié)構(gòu)說明圖，（b)是示出 檢主體部的截面圖。
[0042] 圖10是示出實(shí)施方式4所涉及的物質(zhì)檢測裝置的結(jié)構(gòu)說明圖。
[0043] 圖11示出運(yùn)動強(qiáng)度、脈搏數(shù)與脂肪燃燒量的關(guān)系，（a)是示出運(yùn)動強(qiáng)度與脂肪燃 燒量的關(guān)系的曲線圖，（b)是示出脈搏數(shù)與脂肪燃燒量的關(guān)系的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 以下，以列舉檢測生物體氣體所含有的丙酮濃度、且對與已檢測到的丙酮濃度具 有相關(guān)性的體脂肪的燃燒量進(jìn)行檢測的物質(zhì)檢測裝置為例來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0045]此外，為了將各部件形成為可識別的大小，在以下的說明中所參照的圖是各部件 或部分的縱橫的比例尺與實(shí)際的不同的示意圖。
[0046](實(shí)施方式1)
[0047] 圖1示出實(shí)施方式1所涉及的物質(zhì)檢測裝置1，（a)是透視了內(nèi)部構(gòu)造的俯視觀察 結(jié)構(gòu)圖，（b)是示出（a)的A-A剖面的截面圖，（c)是俯視觀察外觀圖。在圖1(a)、（b) 中，物質(zhì)檢測裝置1的檢測樣品采集部10、檢測部30以及顯示部130被容納于由外殼20和 防風(fēng)玻璃21(參照圖1(b))構(gòu)成的空間內(nèi)。檢測樣品采集部10配置在接觸于人的皮膚的 一側(cè)（外殼20的背面?zhèn)龋瑱z測部30配置于外殼20的內(nèi)部，顯示部130配置于受測者可查 看的位置（外殼20的表面?zhèn)龋?br>
[0048] 檢測樣品采集部10具有：作為與人的皮膚緊貼的透過膜的第一透過膜11、和與第 一透過膜11具有空間13而被配置的第二透過膜12。緊貼于人的皮膚的第一透過膜11由 對水具有防水性以免汗等水分直接進(jìn)入檢測部30內(nèi)，并且可以使從皮膚產(chǎn)生的生物體氣 體（此外，有時(shí)將生物體氣體表達(dá)為皮膚氣體）透過的膜形成。第一透過膜11是為了防止 在將生物體氣體攝入至檢測部30內(nèi)時(shí)，生物體氣體所包含的水分等附著于后述的傳感器 部31而被設(shè)置。
[0049] 第二透過膜12具有與第一透過膜11同樣的功能，是為了通過形成為與第一透過 膜11的雙重結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化第一透過膜11的上述功能而被設(shè)置。因此，使透過膜變 為雙重結(jié)構(gòu)并不是必要條件，能夠根據(jù)物質(zhì)檢測裝置1在身體的配戴部位的發(fā)汗量等來選 擇。
[0050] 第一透過膜11和第二透過膜12被安裝于外殼20的人體側(cè)，通過配戴帶120,第一 透過膜11以緊貼于皮膚的方式而被安裝。
[0051] 此外，圖1所示的物質(zhì)檢測裝置1例示了在配戴于手腕部的情況下的結(jié)構(gòu)。
[0052] 接下來，對檢測部30的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。如圖1 (a)、（b)所示，檢測部30被分為傳 感器室14和檢測室15。傳感器室14是容納有從手臂發(fā)散的生物體氣體的空間，在內(nèi)部配 置有傳感器部31。傳感器部31包括增強(qiáng)拉曼散射光的傳感器芯片。傳感器部31的結(jié)構(gòu)以 及作用將參照圖3后述。
[0053] 在檢測室15中，具備：激發(fā)所檢測的分子的光源100、將從光源100照射的光會聚 于傳感器部31的第一透鏡群、以及使從傳感器芯片32散射的被增強(qiáng)了的拉曼散射光（稱 為增強(qiáng)拉曼散射光）會聚的第二透鏡群。
[0054] 第一透鏡群由將從光源100射出的光變換為平行光的透鏡42、將該平行光向傳感 器部31反射的半透明反射鏡43以及將在半透明反射鏡43上反射后的光會聚于傳感器部 31的透鏡41構(gòu)成。
[0055] 第二透鏡群由將經(jīng)由透鏡41以及半透明反射鏡43在傳感器部31被增強(qiáng)了的拉 曼光進(jìn)行會聚的透鏡44、和將被會聚后的拉曼光變換為平行光的透鏡45構(gòu)成。
[0056] 并且，在檢測室15中，具備：光學(xué)濾波器50,從被會聚后的散射光中除去瑞利散射 光；分光器60,將增強(qiáng)拉曼散射光分光為光譜；受光元件70,將被分光后的光譜轉(zhuǎn)換為電信 號；信號處理控制電路部80,將被分光后的光譜作為從生物體氣體檢測到的物質(zhì)特有的指 紋光譜的信息轉(zhuǎn)換為電信號；以及電力供給部90。指紋光譜被預(yù)先內(nèi)置于信號處理控制電 路部80。
[0057] 作為電力供給部90,能夠利用一次電池、二次電池等。在為一次電池的情況下，對 于已變?yōu)橐?guī)定的電壓以下這一點(diǎn)，如果CPU81將被儲存于R0M83(均參照圖2)的信息與所 獲得的一次電池的電壓信息進(jìn)行比較，一次電池的電壓為規(guī)定以下，則在顯示部130上顯 示電池更換的指示。
[0058] 在為二次電池的情況下，對于已變?yōu)橐?guī)定的電壓以下這一點(diǎn)，如果CPU81將被儲 存于R0M83的信息與所獲得的二次電池的電壓信息進(jìn)行比較，二次電池的電壓為規(guī)定以 下，則在顯示部130上顯示充電指示。受測者觀看該顯示，通過將充電器連接于連接部（未 圖示）而進(jìn)行充電，直至變?yōu)橐?guī)定的電壓為止，從而能夠反復(fù)使用。
[0059]另外，本實(shí)施方式的物質(zhì)檢測裝置1具有將采集到傳感器室14內(nèi)的生物體氣體排 出至外部的采樣排出單元110。采樣排出單元110具有一個(gè)端部連通于傳感器室14、另一 個(gè)端部連通于排出口 111a的具有彈性的排出管112,和多個(gè)旋轉(zhuǎn)輥113。采樣排出單元110 是通過用旋轉(zhuǎn)輥113將排出管112從傳感器室14側(cè)向排出口 111a側(cè)按壓下去從而能夠?qū)?傳感器室14內(nèi)的氣體向外部排出的所謂的管泵。
[0060] 管泵既可以是以手動使其旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，也可以是用電機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)。此外，作為采 樣排出單元，能夠適當(dāng)選擇使用管泵以外的氣體排出單元。
[0061]另外，為了使生物體氣體快速地排出，將生物體氣體從傳感器室14排出的排出口 如果形成為在多處設(shè)置的結(jié)構(gòu)就更優(yōu)選。
[0062] 接下來，參照圖1 (c)，對顯示部130的顯示內(nèi)容列舉一例進(jìn)行說明。顯示部130使 用液晶顯示元件等光電顯示元件。作為主要的顯示內(nèi)容，如圖1(c)所示，可以列舉出：當(dāng)前 時(shí)刻、從測量開始的經(jīng)過時(shí)間、作為脂肪燃燒量的每一分鐘的燃燒量和累計(jì)值、表示這些變 化的圖形顯示等。另外，在脂肪燃燒量的測量之后，必須排除傳感器室14內(nèi)的氣體（S卩，傳 感器芯片32的刷新），也包括使操作者知道該內(nèi)容的顯示。例如，在"刷新"正在被顯示的 情況下，執(zhí)行采樣排出操作。
[0063] 另外，雖然圖示省略，但根據(jù)電力供給部90的電壓顯示電池更換指示或充電指 /_J、i〇
[0064] 并且，也可以將時(shí)刻和日歷等時(shí)鐘功能作為需求顯示。
[0065] 此外，在外殼20配置有操作部22,進(jìn)行檢測開始、檢測結(jié)束以及重置等操作。
[0066] 關(guān)于脂肪燃燒量的檢測原理，將參照圖3、圖4、圖5后述。
[0067] 接著，將參照圖2對包括控制系統(tǒng)的物質(zhì)檢測裝置1的結(jié)構(gòu)與作用進(jìn)行說明。
[0068] 圖2是示出本實(shí)施方式所涉及的物質(zhì)檢測裝置1的主要結(jié)構(gòu)的框圖。物質(zhì)檢測 裝置1具有控制整個(gè)控制系統(tǒng)的信號處理控制電路部80,信號處理控制電路部80包括： CPU(CentralProcessingUnit:中央處理單兀）、RAM(RandomAccessMemory:隨機(jī)存取存 儲器）82以及ROM(ReadOnlyMemory，只讀存儲器）83。
[0069] 在上述的傳感器室14的內(nèi)部，具有傳感器芯片和用于傳感器芯片的有無檢測和 讀取代碼的傳感器檢測器（未圖示），該信息經(jīng)由傳感器檢測電路而被發(fā)送至CPU81。該信 息被輸入的狀態(tài)由于是可檢測開始的狀態(tài)，因此從CPU81向顯示部130輸入可以操作，在顯 示部130上顯示。
[0070] 如果CPU81從操作部22接受檢測開始的信號，則從光源驅(qū)動電路84輸出光源工 作的信號，使光源1〇〇工作。在光源1〇〇中，內(nèi)置有溫度傳感器或光量傳感器，能夠確認(rèn)光 源100為穩(wěn)定狀態(tài)。在光源100已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，將生物體氣體采集到傳感器室14內(nèi)。此外， 在生物體氣體采集中，也可以使用未圖示的吸引泵。
[0071] 光源100是以單一波長射出直線偏振光的穩(wěn)定的光的激光源，根據(jù)來自CPU81的 信號，由光源驅(qū)動電路84驅(qū)動，進(jìn)而射出光。該光經(jīng)由透鏡42、半透明反射鏡43、透鏡41 而被照射至傳感器芯片32,瑞利光和通過增強(qiáng)電場被增強(qiáng)后的拉曼散射光（SERS:表面增 強(qiáng)拉曼散射）經(jīng)由透鏡41、半透明反射鏡43、透鏡44、透鏡45、光學(xué)濾波器50、分光器60向 受光兀件70射進(jìn)來。分光器60由分光器驅(qū)動電路85控制。另外，受光兀件70由受光電 路86控制。
[0072] 在光學(xué)濾波器50(參照圖1 (a)、（b))中切斷瑞利光，只有SERS(SurfaceEnhanced RamanScatering:表面增強(qiáng)拉曼散射）光向分光器60射入。作為分光器60,在采用利用 了法布里一珀羅諧振的波長可變標(biāo)準(zhǔn)具的情況下，設(shè)定有透過的光的帶域（A1?A2)和 半值寬度，從A1開始每半值寬度地使依次透過的波長變化，反復(fù)進(jìn)行直至A2為止，在受 光元件70中將該半值寬度的光信號的強(qiáng)度向電信號轉(zhuǎn)換。如此一來，獲得所檢測到的SERS 光的光譜。
[0073] 這樣獲得的被檢測物質(zhì)（在此為丙酮）的SERS光的光譜通過與被儲存于信號處 理控制電路部80的R0M83中的指紋光譜對照而確定目標(biāo)物質(zhì)，進(jìn)而檢測丙酮的濃度。然后， 由丙酮濃度算出脂肪燃燒量，為了使受測者知道算出結(jié)果，結(jié)果信息從CPU81向顯示部130 顯示。將結(jié)果信息的一例顯示于圖1(c)。
[0074] 計(jì)測測量時(shí)間的時(shí)鐘功能通過由眾所周知的時(shí)鐘功能電路87從預(yù)先設(shè)定好的時(shí) 刻接受當(dāng)前時(shí)刻和脂肪燃燒開始的信號，進(jìn)而顯示脂肪燃燒測量開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。另 夕卜，具有用于顯示每一分鐘的脂肪燃燒量、從脂肪燃燒測量開始的累計(jì)量等的時(shí)鐘功能。
[0075] 接著，對本實(shí)施方式的物質(zhì)檢測的原理進(jìn)行說明。
[0076] 圖3是示意性示出本實(shí)施方式中的物質(zhì)檢測原理的說明圖，（a)是拉曼分光的說 明圖，（b)是將光照射至金屬納米粒子時(shí)所被形成的增強(qiáng)電場的說明圖，（c)是金屬納米結(jié) 構(gòu)中的表面增強(qiáng)拉曼散射的說明圖。
[0077]首先，參照圖3(a)對拉曼分光進(jìn)行說明。如果入射光（波長v)被照射至目標(biāo)分 子（被檢測物質(zhì)分子），則大部分都作為瑞利散射光而波長不變化地被散射。一部分是包含 有目標(biāo)分子的分子振動的信息的拉曼散射光（波長v -v')被散射。由該拉曼散射光 獲得目標(biāo)分子（在此以乙醛為例）的指紋光譜。通過該指紋光譜，檢測到的物質(zhì)能夠被確 定為乙醛。然而，拉曼散射光非常地微弱，檢測只微量地存在的物質(zhì)是困難的。
[0078]于是，參照圖3(b)，對將光照射至比入射的光的波長小的金屬納米粒子時(shí)所形成 的增強(qiáng)電場進(jìn)行說明。在對金屬納米粒子照射光的情況下，存在于金屬納米表面的自由電 子就會由于入射光的電場而受到作用而振蕩，在金屬納米粒子附近由自由電子形成的電偶 極子變?yōu)檎R的狀態(tài)，其結(jié)果形成比入射光的電場強(qiáng)的增強(qiáng)電場。該現(xiàn)象是比光的波長小 的金屬粒子所特有的現(xiàn)象，是被稱為局域型表面等離子體共振的現(xiàn)象。
[0079] 接著，將參照圖3(c)而對金屬納米結(jié)構(gòu)中的表面增強(qiáng)拉曼散射進(jìn)行說明。本實(shí)施 方式中的傳感器芯片32具有該金屬納米結(jié)構(gòu)33。
[0080]金屬納米結(jié)構(gòu)33就是在被矩陣狀地配置于基板34上的柱狀的結(jié)構(gòu)體35的頂端 部形成有金屬納米粒子36。
[0081] 如果拉曼散射光在該增強(qiáng)電場中產(chǎn)生，則由于增強(qiáng)電場的影響而拉曼散射光被增 強(qiáng)這種現(xiàn)象就是表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS)。如圖3(c)所示，以在基板34上形成金屬納米 結(jié)構(gòu)33,在其間隙形成增強(qiáng)電場的方式配置。在此，如果目標(biāo)分子進(jìn)入，則該拉曼散射光就 要在增強(qiáng)電場中被增強(qiáng)而獲得較強(qiáng)的拉曼信號。作為結(jié)果，即使是微量地存在的目標(biāo)分子， 也能產(chǎn)生拉曼分光。由此，能夠高靈敏度地檢測微量的目標(biāo)分子（檢測對象物質(zhì)）。
[0082]本實(shí)施方式的物質(zhì)檢測裝置1是可以檢測生物體氣體中含有的成分的裝置，通過 檢測生物體氣體中的丙酮，從而能夠知道脂肪已經(jīng)燃燒了多少。例如，作為改善近年來的像 代謝綜合癥這種起因于生活習(xí)慣的癥狀的方法，已經(jīng)推薦有定期的有氧運(yùn)動，而如果設(shè)法 做到能夠簡便地知道脂肪燃燒量作為運(yùn)動的效果，就能夠改善起因于生活習(xí)慣的癥狀。
[0083]于是，對脂肪燃燒與丙酮檢測的關(guān)系進(jìn)行說明。
[0084] 圖4是示出脂肪燃燒與丙酮的關(guān)系的說明圖，（a)表示成為主要能量源的三大營 養(yǎng)素從攝取直至貯存的流程，（b)表示脂肪燃燒的機(jī)理，（c)表示糖類和脂肪的利用率在有 氧運(yùn)動中隨時(shí)間的演變。
[0085] 如圖4(a)所示，在進(jìn)餐中攝取的三大營養(yǎng)素碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)在胃中被 消化，在小腸中被進(jìn)一步消化之后，被吸收。在被吸收后的營養(yǎng)素中，碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)槠?萄糖，脂類轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅峄蚋视?，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘被幔鱾€(gè)改變形式而在血液中循環(huán)。這 些中的一部分燃燒，在成為剩余部分的物質(zhì)中，葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楦翁窃蚣√窃?，脂肪酸或?油經(jīng)由中性脂肪而轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，氨基酸轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)，各個(gè)改變形式而被貯存，根據(jù)需要， 經(jīng)過相反的流程而被消耗。就三大營養(yǎng)素被燃燒時(shí)的每單位重量的能量而言，碳水化合物 相當(dāng)于4kcal/g,脂類相當(dāng)于9kcal/g,蛋白質(zhì)相當(dāng)于4kcal/g。（實(shí)用的食物卡路里）但 是，對于脂類來說，由于在被貯存于白色脂肪細(xì)胞中時(shí)含有水分，因此相當(dāng)于7. 2kcal/g的 能量。
[0086]就脂肪燃燒的機(jī)理來說，如圖4(b)所示，當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動時(shí)，就分泌出腎上腺素， 脂肪細(xì)胞中的激素敏感性脂肪酶被激活而促進(jìn)中性脂肪的分解，進(jìn)而變?yōu)橹舅峄蚋?油。由于脂肪酸本身不能夠循環(huán)于血液中，因此與白蛋白結(jié)合而成為游離脂肪酸之后在 血液中循環(huán)。其中的一部分被供給心肌和骨骼肌，通過氧化而被分解，生成nadh2+或 FADH2的同時(shí)，變?yōu)橐阴?CoA，經(jīng)過TCA循環(huán)（俗稱三羧酸循環(huán)）而生成ATP(Adenosine Triphosphate:三磷酸腺苷），最終變?yōu)槎趸迹–02)和水（H20)。
[0087]在骨骼肌中，糖元被主要地消耗而作為能量，游離脂肪酸的消耗少。在心肌中，能 量總量的大約70%作為游離脂肪酸而被消耗。
[0088] 另一方面，游離脂肪酸大部分與肉毒堿結(jié)合而成為酰基肉堿，并向肝臟供給。在肝 臟中，變?yōu)轷；?CoA之后，在肝臟的線粒體內(nèi)進(jìn)行0 -氧化，變?yōu)橐阴?CoA。再由乙酰-CoA 變?yōu)橐阴Ｒ宜?，進(jìn)一步變?yōu)榱u丁酸和丙酮。乙酰乙酸、羥丁酸、丙酮總稱為酮體，而 只有丙酮成為氣體并在血液中循環(huán)，作為呼氣氣體或皮膚氣體的成分而被放出。如果從脂 肪燃燒的比例來看，則在肝臟中比在骨骼肌或心臟中的比例多，脂肪燃燒與丙酮具有相關(guān) 性。因此，通過測量呼氣氣體中的丙酮量或皮膚氣體中的丙酮量，從而能夠知道脂肪燃燒 量。
[0089] 接著，參照圖4(c)而對糖類和脂肪的利用率在有氧運(yùn)動中隨時(shí)間的演變進(jìn)行說 明。
[0090] 步驟1…通過肌糖元的代謝，合成ATP。
[0091]步驟2…隨著肌糖元的減少，血中葡萄糖的利用開始，脂肪組織的脂肪作為游離脂 肪酸而游離至血液中。然后，將血中葡萄糖與游離脂肪酸作為燃料，通過氧化體系的代謝， 合成ATP。一般認(rèn)為，脂肪燃燒變得活躍在運(yùn)動開始后15分鐘?20分鐘以后。并非是任何 運(yùn)動強(qiáng)度脂肪燃燒都進(jìn)行得活躍，在運(yùn)動強(qiáng)度比較輕的區(qū)域，脂肪燃燒變得旺盛。如果運(yùn)動 強(qiáng)度變高，就變?yōu)闊o氧運(yùn)動，因而脂肪燃燒量就減少，取而代之，主要消耗糖元。
[0092]如上所述，通過檢測人的皮膚氣體中的丙酮濃度，從而能夠知道脂肪已經(jīng)燃燒了 多少。于是，對丙酮濃度與丙酮信號強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行說明。
[0093] 圖5是示出丙酮濃度與丙酮信號強(qiáng)度的關(guān)系的曲線圖。此外，圖5是調(diào)整制作丙 酮濃度不同的樣品氣體、對各個(gè)樣品進(jìn)行丙酮檢測、在丙酮的各個(gè)光譜中、關(guān)于特別強(qiáng)烈地 出現(xiàn)的高峰求出丙酮信號強(qiáng)度、進(jìn)而表示丙酮濃度與丙酮信號強(qiáng)度的相關(guān)性的圖表。如圖 5所示，丙酮濃度（指數(shù)顯示）與丙酮信號強(qiáng)度能夠大致以直線表示。
[0094] 此外，如果傳感器室14的容積為已知，則丙酮濃度能夠替換為丙酮量。
[0095]接下來，由檢測到的丙酮濃度（丙酮量）算出脂肪燃燒量。
[0096]如上所述，三大營養(yǎng)素為糖、脂類、蛋白質(zhì)，碳原子、氧原子、氫原子等的構(gòu)成比例 各不相同。因此，內(nèi)呼吸時(shí)，根據(jù)哪一種營養(yǎng)素正在分解所消耗的〇2與所產(chǎn)生的co2的比例 不同。在體細(xì)胞全體中，在某一營養(yǎng)素正在主要地被代謝時(shí)，該比例也被反映到呼吸上。表 現(xiàn)該比例的是呼吸商RQ(RespiratoryQuotient:呼吸商），由下式表示：
[0097]呼吸商RQ=(每單位時(shí)間的C02的排出量）八每單位時(shí)間的02的消耗量）
[0098] 由于在脂肪酸自身中氧原子非常地少，因此脂類在分解時(shí)，就必須消耗大量的氧。 雖然〇2消耗量大，但C02產(chǎn)生量卻少，因此呼吸商在三大營養(yǎng)素中為最小，只有0. 70。脂肪 的氧含量低，每單位重量的熱量在三大營養(yǎng)素中為最大，多達(dá)9. 3kcal/g。是適于保存能量 的營養(yǎng)素，由于吃得過多而被儲存于皮下的也是脂肪。
[0099] 通常，糖類的原子的比例為C6H1206。由于氧原子含有得多，因而即使氧消耗量少也 能夠分解。呼吸商為1.00,在三大營養(yǎng)素中最大。相反，由于氧的含量高，因而每重量的熱 量在三大營養(yǎng)素中為最小，為4.lkcal/g。
[0100] 蛋白質(zhì)其原子的比例在脂類與糖類的中間，呼吸商為0.85,熱量為5. 3kcal/g。雖 然理論上來說，呼吸商RQ也能夠達(dá)到9以上，但是在臨床上卻很少超過1。另一方面，在呼吸 商RQ為0.7時(shí)表示脂肪利用，在為0.7以下時(shí)，是在饑餓狀態(tài)下酮體產(chǎn)生（酮癥）。最近， 在安靜時(shí)，可以認(rèn)為呼吸商RQ是恒定的，并已經(jīng)知道，個(gè)人的呼吸商RQ的波動也為〇. 78? 0. 87的范圍。
[0101] 三大營養(yǎng)素以及酮體被氧化時(shí)所產(chǎn)生的能量由下式表示：
[0102] (1)在糖類被氧化的情況下
[0103] C6H1206+602-6C02+6H20+36ATP (657kcal)
[0104] [RQ=6C02/602=1.0]
[0105] (2)在脂肪被氧化的情況下
[0106] C55H1(l206+77. 502-55C02+51H2+429ATP (7833kcal)
[0107] [RQ=55C02/77 . 502=0 . 71]
[0108] (3)在蛋白質(zhì)被氧化的情況下
[0109] C100H159032S0 7+105. 302^13C0N2H4 (urea)+87C02+52 . 8H20+0. 7H2S04+27ATP (4948kca 1)
[0110] [RQ=87C02/105 . 302=0 . 83]
[0111] ⑷在由脂肪產(chǎn)生酮體的情況下
[0112]0? 176g(脂類）+0? 437L02-lg(酮體）+0? 1 lLC02+0. 129H20+2039kcal
[0113] [RQ=0. lllLC02/0. 437L02=0.25]
[0114] 脂肪燃燒率（g/min)=氧攝取量（1/min)X每1L氧的熱量（kcal/1)X脂類的燃 燒比例（％ )X脂類的熱當(dāng)重量（g/kcal)
[0115] 在這里，氧攝取量（1/min)是通過呼氣氣體分析裝置而測量的值，每1L氧的熱量 (kcal/1)由通過呼氣氣體分析裝置測量的呼吸商RQ值換算為表1所示的每1L氧的熱量 (kcal/1)而求出。
[0116] (表 1)
[0117]
【權(quán)利要求】
1. 一種物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 具備： 檢測樣品采集部，采集從人的皮膚放出的生物體氣體，并將其容納于傳感器室的內(nèi) 部； 光源，激發(fā)所采集到的所述生物體氣體中的被檢測物質(zhì)的拉曼散射光； 傳感器部，通過局域型表面等離子體共振而增強(qiáng)所述拉曼散射光； 分光器，使被增強(qiáng)后的所述拉曼散射光分光； 受光元件，將被分光后的光轉(zhuǎn)換為電信號，取得被增強(qiáng)后的所述拉曼散射光的光譜； 信號處理控制電路部，通過對照已被取得的所述光譜與預(yù)先被存儲的所述被檢測物質(zhì) 的指紋光譜而確定所述被檢測物質(zhì)，并算出所述被檢測物質(zhì)的濃度和具有與所述被檢測物 質(zhì)的濃度的相關(guān)關(guān)系的特定物質(zhì)的量；以及 顯示部，顯示由所述信號處理控制電路部算出的結(jié)果， 所述檢測樣品采集部緊貼所述人的皮膚，所述檢測樣品采集部具備使所述生物體氣體 向所述傳感器部透過的透過膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 所述傳感器部具備傳感器芯片，所述傳感器芯片具有比所述光源射出的光的波長小的 金屬納米結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 還具備將被容納于所述傳感器室的內(nèi)部的所述生物體氣體排出至所述傳感器室的外 部的采集氣體排出單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 所述檢測樣品采集部、所述光源、所述傳感器部、所述分光器、所述受光元件、所述信號 處理控制電路部以及所述顯示部被一體化而能配戴于身體上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 所述物質(zhì)檢測裝置被分離為主體部以及檢測部， 所述檢測樣品采集部、所述光源、所述傳感器部以及所述顯示部被一體地容納于所述 主體部， 所述分光器、所述受光元件以及所述信號處理控制電路部被一體地容納于所述檢測 部， 所述主體部與所述檢測部由傳輸被增強(qiáng)后的所述拉曼散射光的光纖、和傳遞電力供給 及電信號的電纜連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 所述檢測樣品采集部從一體容納有所述光源、所述傳感器部以及所述顯示部的主體部 分離， 所述檢測樣品采集部與所述傳感器室通過生物體氣體導(dǎo)入管連通。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 所述物質(zhì)檢測裝置具備從檢測裝置主體部分離的顯示部，所述檢測樣品采集部、所述 光源、所述傳感器部、所述分光器、所述受光元件以及所述信號處理控制電路部被一體地容 納于所述檢測裝置主體部， 所述檢測裝置主體部與該顯示部通過通信單元連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的物質(zhì)檢測裝置，其特征在于， 所述被檢測物質(zhì)為丙酮，所述特定物質(zhì)為體脂肪， 在所述信號處理控制電路部中，由已被檢測到的所述丙酮的量算出所述體脂肪的燃燒 量， 在所述顯示部顯示所述體脂肪的燃燒量。
9. 一種手表式體脂肪燃燒測量裝置，其特征在于，具備： 顯不部，被設(shè)置于手表式的框體的外表面； 傳感器部，利用等離子體共振而檢測從受測者放出的生物體氣體中的目標(biāo)物質(zhì)； 光源部，向所述傳感器部照射激光，以激發(fā)拉曼散射光； 控制部，根據(jù)所述目標(biāo)物質(zhì)的檢測濃度運(yùn)算體脂肪的燃燒，并將該運(yùn)算結(jié)果顯示于所 述顯示部； 緊貼部，具備使所述生物體氣體透過的透過膜，并能緊貼于所述受測者的手臂的一部 分；以及 腕帶，使所述緊貼部能夠配戴于所述受測者的手臂， 所述顯示面、所述激光的射出方向以及所述透過膜相互地平行。
【文檔編號】G01N21/65GK104412099SQ201380033537
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】坂上裕介 申請人:精工愛普生株式會社
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