本發(fā)明的實(shí)施方式涉及呼氣分析裝置。

背景技術(shù)：

在分析呼氣所含有的氣體的組成、濃度時(shí)，能夠得知健康狀態(tài)。

例如，在體內(nèi)所積累的遊離脂肪酸被轉(zhuǎn)換成血液中的葡萄糖時(shí)，所生成的丙酮成為呼氣的一部分并被排出到體外。在基于丙酮的濃度或者排出量，估計(jì)身體脂肪燃燒量時(shí)，能夠應(yīng)用于減肥瘦身等健康管理。

對(duì)于測(cè)量呼氣中的微量丙酮濃度、排出量，在半導(dǎo)體氣體傳感器的檢測(cè)精度方面不足夠，在氣體色譜法質(zhì)量分析裝置方面，裝置變得過于大型化。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2001－349888號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供一種能夠計(jì)算脂肪氧化量的、小型且檢測(cè)精度高的呼氣分析裝置。

實(shí)施方式的呼氣分析裝置具備：光源，放出包括相對(duì)丙酮的吸收線在內(nèi)的波長帶域的紅外光；氣室，導(dǎo)入有包括呼氣的樣本氣體，并被射入上述紅外光；檢測(cè)部，接受從上述氣室射出的透射光，并輸出與丙酮排出量對(duì)應(yīng)的樣本信號(hào)值；以及數(shù)據(jù)處理部，基于上述樣本信號(hào)值，預(yù)先決定相對(duì)丙酮排出量的脂肪氧化量依存性的近似式，相對(duì)各個(gè)樣本信號(hào)值，使用上述近似式計(jì)算各個(gè)脂肪氧化量，在將上述丙酮排出量(微升/分)設(shè)為x時(shí)，上述脂肪氧化量(毫克/分)y以下述式y(tǒng)＝Ax+B(其中，A以及B為常數(shù))被近似。

附圖說明

圖1是本實(shí)施方式涉及的呼氣分析裝置的構(gòu)成圖。

圖2是表示相對(duì)丙酮排出量的脂肪氧化量依存性的曲線圖。

圖3是表示相對(duì)呼氣丙酮濃度的脂肪氧化量依存性的曲線圖。

圖4是離線計(jì)算丙酮濃度或者丙酮排出量的測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成圖。

圖5中，圖5(a)是部分切斷QCL后的模式立體圖，圖5(b)是沿著A－A線的模式剖視圖。

圖6是說明QCL的作用的帶圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。

圖1是本實(shí)施方式涉及的呼氣分析裝置的構(gòu)成圖。

呼氣分析裝置10具有光源20、氣室30、檢測(cè)部40以及數(shù)據(jù)處理部50。

光源20放出至少包括1條相對(duì)丙酮的吸收線在內(nèi)的波長帶域的紅外光G1。構(gòu)成光源20的發(fā)光元件能夠設(shè)為QCL(Quantum Cascade Laser：量子級(jí)聯(lián)激光器)、半導(dǎo)體激光器等。

氣室30具有導(dǎo)入口12、排出口14。向氣室30內(nèi)導(dǎo)入呼氣等的樣本氣體SG或者基準(zhǔn)氣體(例如大氣)RG。另外，向氣室30射入紅外光G1。若在氣室30的排出口14設(shè)置真空泵90，則能夠在氣室30內(nèi)迅速地進(jìn)行氣體置換。

檢測(cè)部40接受從氣室30射出的透射光G2，輸出與丙酮排出量或者丙酮濃度對(duì)應(yīng)的樣本信號(hào)值SS。

數(shù)據(jù)處理部50預(yù)先決定相對(duì)丙酮排出量的脂肪氧化量依存性的近似式，并計(jì)算與所測(cè)量的各個(gè)丙酮排出量的樣本信號(hào)值SS對(duì)應(yīng)的脂肪氧化量?；蛘撸瑪?shù)據(jù)處理部50預(yù)先決定相對(duì)丙酮濃度的脂肪氧化量依存性的近似式，并計(jì)算與所測(cè)量的各個(gè)丙酮濃度的樣本信號(hào)值SS對(duì)應(yīng)的脂肪氧化量。通過將使用隨后說明的測(cè)量系統(tǒng)(圖4)而得到的近似式預(yù)先輸入到數(shù)據(jù)處理部50，能夠離線且迅速地計(jì)算出相對(duì)各個(gè)樣本信號(hào)值SS的脂肪氧化量。

在此，對(duì)丙酮濃度的計(jì)算方法進(jìn)行說明。

吸光度A由朗伯-比爾的法則表示(式(1))。吸收系數(shù)α由吸收線的強(qiáng)度/壓力/溫度決定。

【數(shù)式1】

其中，A：吸光度

I₀：入射光強(qiáng)度

I：透射光強(qiáng)度

T＝I/I₀：透射率

α：吸收系數(shù)

L：光路長

在向氣室30導(dǎo)入了大氣等基準(zhǔn)氣體RG時(shí)，透射基準(zhǔn)氣體RG后的光的強(qiáng)度I能夠設(shè)為與入射光強(qiáng)度I₀相等。另一方面，在氣室30內(nèi)用樣本氣體SG進(jìn)行置換，通過測(cè)量透射樣本氣體SG后的透射光強(qiáng)度I，由此，能夠根據(jù)式(1)來計(jì)算透射率T、吸光度A。

另外，吸收率由下式表示。

吸收率＝1－I/I₀＝1－T

另外，吸收系數(shù)α能夠用式(2)表示。另外，吸收系數(shù)α取決于強(qiáng)度/壓力/溫度。

【數(shù)式2】

α＝εc 式(2)

其中，c：摩爾濃度

ε：摩爾吸光系數(shù)

若使用式(1)和式(2)，則丙酮的摩爾濃度c由式(3)表示。

【數(shù)式3】

隨后，對(duì)氣體流量的控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。作為呼氣的樣本氣體SG以及基準(zhǔn)氣體RG的流量由流量計(jì)60測(cè)量，對(duì)通過流量計(jì)60的流量進(jìn)行積分，能夠得知總排出量。通過流量計(jì)60的樣本氣體SG以及基準(zhǔn)氣體RG被分路。朝向氣室30的氣體流量通過流量限制機(jī)構(gòu)70將流量控制成一定。流量控制機(jī)構(gòu)70能夠設(shè)為例如質(zhì)量流量控制器、針型閥等。通過流量限制機(jī)構(gòu)70的氣體從導(dǎo)入口12被導(dǎo)入到氣室30中。另一方的氣體流量通過針型閥80被排出到外部。另外，流量計(jì)60、流量限制機(jī)構(gòu)70、真空泵90等能夠由控制部(沒有圖示)進(jìn)行自動(dòng)控制。

丙酮的吸收光譜具有多個(gè)吸收線。在本實(shí)施方式中，例如，將紅外波長設(shè)為8.125μm(相當(dāng)于波數(shù)1230.8cm^－1)。若使用該波長則能夠由水造成的吸收的影響。來自光源20的紅外光的G1的波長優(yōu)選地被準(zhǔn)確地調(diào)諧成至少1條吸收線。例如，在使用QCL的情況下，以成為包括規(guī)定的吸收線在內(nèi)的波長范圍的方式進(jìn)行電流調(diào)制等即可。該結(jié)果是，在吸收線波長中，透射率T能夠精度良好地測(cè)量，能夠求出吸收系數(shù)α以及丙酮的摩爾濃度。

圖2是相對(duì)總丙酮排出量的脂肪氧化量依存性的曲線圖。

縱軸是脂肪氧化量(mg/分)Y，橫軸是整體丙酮排出量(μ升/分)X。另外，圖2表示安靜時(shí)的脂肪氧化量依存性，但是在活動(dòng)時(shí)也可以。脂肪氧化(燃燒)量能夠使用自動(dòng)代謝測(cè)量裝置等進(jìn)行測(cè)量。例如，通過測(cè)量氧攝取量以及二氧化碳排出量等來求出。

丙酮排出量x作為呼氣排出量與丙酮濃度的積來求出。呼氣排出量能夠使用流量計(jì)60測(cè)量。

根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的分布，脂肪氧化量y和丙酮排出量x具有相關(guān)值。以式(4)并使用最小二乘法將該相關(guān)值作為一次函數(shù)進(jìn)行表示。

y＝Ax+B 式(4)

其中，A以及B為常數(shù)

在圖2中，一次函數(shù)能夠設(shè)為例如y＝6.52x+33.3等。在這種情況下，從1減去將殘差的平方和除以根據(jù)標(biāo)本值的平均的差的平方和后得到的值后所得到的決定系數(shù)R²為0.68。另外，活動(dòng)時(shí)的相對(duì)丙酮濃度的脂肪氧化量依存性也能夠使用一次函數(shù)等進(jìn)行近似?？紤]到男女差異、年齡等，分別地，系數(shù)A能夠決定為6以上7以下的范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)闹?，系?shù)B能夠決定為零以上50以下的范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

圖3是表示相對(duì)呼氣丙酮濃度的脂肪氧化量依存性的曲線圖。

縱軸是脂肪氧化量(mg/分)y，橫軸是呼氣丙酮濃度(ppm)x。

圖3表示安靜時(shí)的脂肪氧化量依存性，但在活動(dòng)時(shí)也可以。

根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的分布，脂肪氧化量y和呼氣丙酮濃度x具有相關(guān)值。也可以以式(5)并使用最小二乘法將該相關(guān)值作為一次函數(shù)進(jìn)行近似。

y＝Cx+D 式(5)

其中，C以及D為常數(shù)

一次函數(shù)能夠設(shè)為例如y＝51x+32.3等。此時(shí)，決定系數(shù)R²為0.65。考慮到男女差異、年齡等，分別地，系數(shù)C能夠決定為40以上60以下的范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)闹担禂?shù)D能夠決定為零以上50以下的范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

該結(jié)果是，利用圖1表示的呼氣分析裝置10，對(duì)作為對(duì)象的呼氣即樣本氣體SG中的丙酮濃度(ppm)以及丙酮排出量進(jìn)行測(cè)量，由此，能夠估計(jì)脂肪氧化量。例如，能夠考慮飲食、運(yùn)動(dòng)等狀況來對(duì)脂肪氧化量以及體重建立減肥瘦身計(jì)畫等并應(yīng)用于健康增進(jìn)。

另外，若利用光學(xué)系統(tǒng)100對(duì)來自光源20的紅外光G1進(jìn)行集光后導(dǎo)入氣室30，則能夠提高吸收效率。進(jìn)而，若在氣室30內(nèi)，例如設(shè)置反射鏡32加長光路長L，則能夠提高吸收系數(shù)α小的丙酮的吸光度A，因此，是更優(yōu)選的。

如圖2、3所示，預(yù)先以近似式表示與丙酮濃度或者丙酮排出量相對(duì)的脂肪氧化量的關(guān)系，由此，根據(jù)各個(gè)丙酮濃度或者丙酮排出量等樣本信號(hào)值SS來計(jì)算脂肪氧化量變得容易。

作為比較例，作為檢測(cè)丙酮的傳感器，具有包括多孔質(zhì)覆蓋膜等的半導(dǎo)體氣體傳感器，該多孔質(zhì)覆蓋膜包括由氧化錫、氧化銦等中至少1個(gè)、和鎢、鉬等中1個(gè)以上的氧化物、鉑金等構(gòu)成的元素。但是，半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性和感度不足夠。另一方面，需要?dú)怏w色譜分析裝置高度的專門知識(shí)，并且大型/昂貴。因此，在一般家庭進(jìn)行使用是困難的。對(duì)此，本在實(shí)施方式中，能夠設(shè)置成感度以及精度高，并且普通人能夠使用的小型的裝置。

圖4是離線計(jì)算丙酮濃度或者丙酮排出量的測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成圖。

測(cè)量系統(tǒng)具有本實(shí)施方式的呼氣分析裝置10、開閉閥門206、切換閥門208以及樣本包210。

使用代謝測(cè)量裝置來測(cè)量氧攝取量以及二氧化碳排出量等，由此，能偶計(jì)算脂肪氧化量(或者身體脂肪燃燒量)。

人的呼氣例如是10～50升/分。在離線進(jìn)行測(cè)量的情況下，例如，使用開閉閥門206、切換閥門208將呼氣以10分×3次＝合計(jì)30分鐘時(shí)間的方式采取到樣本包210中。之后，切換閥門208，將樣本包210所積累的樣本氣體SG向呼氣分析裝置10發(fā)送。另外，大氣氣體等基準(zhǔn)氣體RG由化學(xué)物質(zhì)去除過濾器212清凈化后，被送入呼氣分析裝置10。

圖5(a)是部分切斷QCL后的模式立體圖，圖5(b)是沿著A－A線的模式剖視圖。

QCL5至少具有基板110、在基板110之上設(shè)置的層疊體120以及電介質(zhì)層140。在圖(a)中，還具有第1電極150、第2電極152、絕緣膜142。

層疊體120具有第1包層122、第1導(dǎo)向?qū)?23、活性層124、第2導(dǎo)向?qū)?25、第2包層q28。第1包層122的折射率和第2包層128的折射率分別比第1導(dǎo)向?qū)?23、活性層124以及第2導(dǎo)向?qū)?25的折射率任一個(gè)低，設(shè)置為沿活性層124的層疊方向適當(dāng)?shù)胤馊?對(duì)應(yīng)日語：閉じ込める)紅外激光器光160。

另外，層疊體120具有條紋的形狀，能夠稱為脊型導(dǎo)波路RG。在將脊型導(dǎo)波路RG的2個(gè)端面設(shè)為鏡面時(shí)，感應(yīng)放出的光作為紅外線激光器光162，從光出射面被放出。在這種情況下，光軸162定義為連結(jié)將鏡面作為共振面的光共振器的剖面的中心的線。即，光軸162與脊型導(dǎo)波路RG的延伸方向一致。

在相對(duì)光軸162垂直的剖面中，若與活性層124的第一面124a、第二面124b平行的方向上的寬度WA過寬，則在水平橫方向上產(chǎn)生高次模式，難以進(jìn)行高輸出。活性層124的寬度WA例如設(shè)為5～20μm等時(shí)，水平橫方向模式的控制變得容易。

在電介質(zhì)層140的折射率設(shè)為比構(gòu)成活性層124的任意的層的折射率低時(shí)，通過以夾著層疊體120的側(cè)面120a、120b的方式設(shè)置的電介質(zhì)層140，能夠沿著光軸162構(gòu)成脊型導(dǎo)波路RG。

圖6是說明QCL的作用的帶圖。

活性層124具有第1區(qū)域125和第2區(qū)域126交互層疊而成的級(jí)聯(lián)構(gòu)造。第1區(qū)域125通過量子阱層172的子帶間光學(xué)轉(zhuǎn)換，能夠放出包括丙酮的吸收線在內(nèi)的紅外激光器光60。另外，第2區(qū)域126能夠緩和從第1區(qū)域125注入的電子170的能量。

在量子阱層172中，若使阱寬度WT變窄為例如數(shù)nm以下則能量準(zhǔn)位離散，產(chǎn)生子帶172a(高準(zhǔn)位Lu)、子帶172b(低準(zhǔn)位L1)等。從注入阻擋層173注入的電子170能夠有效地被封入到量子阱層72中。在載流子從高準(zhǔn)位Lu向低準(zhǔn)位Ll轉(zhuǎn)換的情況下，放出與能量差(Lu－Ll)對(duì)應(yīng)的光(hv)(光學(xué)轉(zhuǎn)換)。另外，量子阱層172具有波動(dòng)函數(shù)重合的多個(gè)阱，還可以具有共同的準(zhǔn)位Lu以及Ll。

子帶間轉(zhuǎn)換在傳導(dǎo)帶以及價(jià)電子帶的任意中產(chǎn)生。即，不需要由pn結(jié)引起的空穴與電子的再結(jié)合，僅利用任意的載流子的光學(xué)轉(zhuǎn)換進(jìn)行發(fā)光。本圖的情況，層疊體120利用對(duì)第1電極150與第2電極152之間施加的電壓，經(jīng)由注入阻擋層173將電子170注入到量子阱層172，產(chǎn)生子帶間轉(zhuǎn)換。

第2區(qū)域126具有多個(gè)子帶(也稱為微帶)。優(yōu)選地，子帶中的能量差小且接近連續(xù)能量帶。該結(jié)果是，電子的能量被緩和，所以在第2區(qū)域126中，不產(chǎn)生包括相對(duì)丙酮的吸收線在內(nèi)的紅外激光器光。第1區(qū)域125的低準(zhǔn)位Ll的電子穿過提取阻擋層74，向第2區(qū)域126注入，并被緩和，并且向級(jí)聯(lián)連接的次級(jí)的第1區(qū)域125注入，產(chǎn)生(電子70)下一個(gè)的光學(xué)轉(zhuǎn)換。即，通過光學(xué)轉(zhuǎn)換被放出的紅外激光器光通過電流變化等在包括丙酮的吸收線在內(nèi)的光譜范圍內(nèi)被調(diào)諧。

本實(shí)施方式的QCL能夠?qū)⒒?10設(shè)為InP，將量子阱層172設(shè)為InGaAs，將阻擋層設(shè)為AlInAs等。在這種情況下，若在量子阱層與阻擋層之間進(jìn)行失真補(bǔ)償，則作為活性層整體能夠提高結(jié)晶性。另外，還可以將基板110設(shè)為GaAs，將量子阱層設(shè)為GaAs，將阻擋層設(shè)為InGaAs等。另外，活性層24的寬度WA能夠設(shè)為14μm、脊型導(dǎo)波路RG的長度L能夠設(shè)為3mm等。

根據(jù)本實(shí)施方式，提供一種能夠計(jì)算脂肪氧化量，并且小型且檢測(cè)精度高的呼氣分析裝置。因此，能夠應(yīng)用于健康增進(jìn)、減肥瘦身等。

對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但這些實(shí)施方式是作為例子而提出的，并沒有意圖限定發(fā)明的范圍。這些實(shí)施方式可以以其他各種方式進(jìn)行實(shí)施，在不超出發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，可進(jìn)行各種省略、調(diào)換以及變更。這些實(shí)施方式及其變形包括在發(fā)明的范圍和主旨內(nèi)，同樣，也包括在專利請(qǐng)求所記載的發(fā)明和與其等同的范圍內(nèi)。