結言

本論文では, 生体組織分光システムの構築のために血中塩分濃度と血糖値に注目し, 各成分の定量化を試みた。

水のOH伸縮振動吸収ピークのスペクトル形状の変化に注目し, 塩分濃度の定量化に ついて検討した。最初に2点のピークから線形近似により勾配を求め濃度に対してプロ ットしたが、[0, 0]を零点として定義することが出来ず, また誤差も大きい結果となっ た。

そこで、各濃度のスペクトルから純水のスペクトルを差分したところ、水素結合の状 態変化に起因した2点のピーク位置での強度変化を確認することが出来た。差分スペク トルから塩分濃度を定量的に求めることもできるが, より精密な解析を行うために波 形分離解析を行った。

波形分離した各ピーク面積の変化率を濃度に対してプロットした。変化量が急峻であ

る0～0.02 %の領域に対して0.04 %以上の濃度領域では, 定量限界が0.03 %に低下する

ものの, 再現性は高く, 検出下限値が約0.01 %の測定結果が得られた。

塩分の定量化に成功したため, 次にin-vivoでの測定も視野に入れ, 血糖値の定量化 の検討を行った。

In-vitro 測定においては, 全血中においても他の血中成分に依らずグルコース濃度が

定量可能であることを示すことができた。

In-vivo 口腔粘膜測定では, グルコースの吸収ピーク強度と血糖値には相関関係が見

られた。しかし, 測定ごとの誤差が大きく, 再現性に問題を残す結果となった。

ファントムを用いて誤差要因を検証したところ, 接触面積の変化が誤差の一因であ ることが判明した。不均質媒質中では組織状態の変化も考慮に入れなければならなく, 誤差を低減させるためには, フラットな接触面を有するプリズムの構造及びピークの 規格化処理が必要であると考えた。

圧力の影響を打ち消すため, 内部標準法を用いて耳たぶの測定を行った。スクワラン オイル特有の吸収ピークを基準にとることで値の変動を抑制することが出来た。

接触面を安定化させるため, フラットな接触面を有する多重反射プリズムの検討を 行った。従来のダイヤモンド製ルーフトッププリズムには, 材質による反射率の違いの ため, 感度, 強度ともに優位性を示すことは出来なかった。しかし, Si製のルーフトップ 型との比較では, In-vitro, In-vivoのどちらの測定においても, 4回反射プリズムのほうが 感度及び強度が優れていた。測定面の増加と接触面の安定化によって, 圧力による測定 誤差を低減する可能性を示すことができた。

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[3] Y. Miyauchi, T. Horiguchi, H.Ishizawa, S. Tezuka, H. Hara, “Basis Examination for Development of Noninvasive Blood Glucose Measuring Instrument by Near-Infrared Confocal Optical System”, Proc. SICE annual conference , 3427-3429(2010).

[4] F. Moser et al, “Medical Application Of Infrared Transmitting Silver Halide Fibers”, IEEE journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 2, No. 4, pp. 872-879 (1996).

[5] T. Kanamori, Y. Terunuma, S.Takahashi, T. Miyashita, “Chalcogenide Glass Fibers for Mid-Infrared Transmission”, Journal of lightwave technology, Vol. LT-2, No.5, pp. 607-613 (1984).

[6] Y. Matsuura, “Basics of Optical Fibers for Medical Applications ”, The Journal of Japan Society for Laser Medicine, Vol. 31, No. 4, pp. 407- 411(2011).

[7] Diedrich A. Schmidt, Kazushi Miki, “Defective Continuous Hydrogen-Bond NetWorks: An Alternative Interpretation of IR Spectroscopy, ChemPhysChem, No. 9, 1914-1919(2008).

[8] Diedrich A. Schmidt, Kazushi Miki, “Structural Correlations in Liquid Water: A New Interpretation of IR Spectroscopy”, J. Phys. Chem. A, N0. 111, pp. 10119-10122(2007).

[9] Keiichi Ohno, Mari Okimura, Nobuyuki Akai, Yukiteru Katsumoto, “The effect of cooperative hydrogen bonding on the OH stretching-band shift for water clusters studied by matrix- isolation infrared spectroscopy and density functional theory” , Phys.Chem.Chem.Phys, No.7, 3005- 3014(2005).

[10] 池羽田晶文, “赤外・近赤外吸収スペクトルにおける分子間相互作用のとらえ方”, ぶ

んせき, 第5号, pp250-251(2009).

- 42 -

[11] H. M. HEISE and R. MARBACH, “Human oral mucosa studies with varying blood glucose concentration by non-invasive ATR-FT-IR spectroscopy”, Cellular and Molecular Biology, Vol. 44, No. 6, 899-912(1998).

[12] 民谷栄一, “バイオセンサーの先端科学技術と応用”, CMC Publishing Co.,Ltd, pp.

180(2007).

[13] David A Scott, Diane E Renaud, Sathya Krishnasamy, Pinar Meric, Nurcan Buduneli, Svetki Cetinkalp, “Diabetes-related molecular signatures in infrared spectra of human saliva”, Diabetology & Metabolic Syndrome 2010.

[14] Katheem M. Farhan, Thottapalli P. Sastry, Asit B. Mandal, “Comparative study on secondary structural changes in diabetic and non-diabetic human finger nail specimen by using FTIR spectra ”, Clinica Chimica Acta , Vol. 412, pp. 386-389(2011).

[15]佐藤かおり, 柳下寿朗, 田谷雄二, 島津徳人, 添野雄一, 東理頼亮, 平野貴子, 中村

佳司 “新口腔病理学”,日本歯科大学病理学講座, pp. 126-127(2008).

[16]F. J. Service, P. C. O’Brien, S. D. Wise, S. Ness, S. M. LeBlanc , “Dermal Interstitial Glucose as an Indicator of Ambient Glycemia”, Vol. 20, No. 9, pp. 1426-1429(1997).

[17]Hiroaki Ishizawa, Akinobu Muro, Tmohiro Takano, Kazuma Honda , Hiroyuki Kanai,

“Non-invasive blood glucose measurement based on ATR infrared spectroscopy”, SICE

annual conference, pp. 321-324(2008).

-43- 教授に深く感謝致します．

研究全般にわたり有益な御討論，御助言，御指導を頂きました片桐崇史準教授に深 く感謝致します．

研究全般ならびに研究室生活において多大な御協力を頂きました木野彩子技官に深 く感謝致します．

研究全般ならびに日頃の生活においても有益な御指導，御助言を頂きました博士課 程後期1年，黄晨暉氏に深く感謝致します．

研究はもとより日常生活においても有益な御討論，御助言を頂きました東北大学大 学院博士課程前期2年，市川遼氏，小村氏，関竜介氏，小村祐司氏，三井田佑介氏，

砂田崇宏氏に深く感謝致します．

最後に，本研究及び日常生活において多大な御助言，御討論，御指導，御協力を頂 きました松浦研究室の皆様ならびに卒業生の皆様に心から感謝致します．

本研究は, このように多くの方々の御指導, 御協力のもとに行われたものであり, 本論文を結ぶにあたり諸氏に心より御礼を申し上げます.

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研究業績

1. 国際会議発表論文

[1] Y. Tanaka, S. Kino, Y. Matsuura, “Hollow-Optical Fiber Probe for Measurement of Saline Concentration by Infrared Spectroscopy,” Conference on Laser Surgery and Medicine 2012 (CLSM 2012), 7p-6, Yokohama, April. 2012.

[2] Y. Tanaka, S. Kino, Y. Matsuura, “Measurement of blood glucose by infrared spectroscopy using hollow-optical fiber probe”, SPIE Conference on Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications XII, San Francisco, California United States, February. 2012.

2. 学会発表

[1] 田中 雄樹, 木野 彩子, 松浦 祐司, “赤外分光用中空光ファイバプローブを用い た塩分濃度検出," 平成23年度電気関係学会東北支部連合大会 ,2I03 , 仙台, 2011年 8月

[2] 田中雄樹, 木野彩子, 松浦 祐司, “赤外分光用中空光ファイバプローブを用いた口 腔粘膜内のATR測定の試み," レーザー学会学術講演会第32回年次大会, I701pVI05, 仙台, 2012年2月

[3] 田中 雄樹, 木野 彩子, 松浦 祐司, “赤外分光用中空光ファイバプローブを用い た非侵襲血糖測定の試み”, 第73回応用物理学会学術講演会, 12a-F3-7, 松山, 2012 年9月

3. 研究会発表

[1] 田中 雄樹, 木野 彩子, 松浦 祐司, “赤外分光用中空光ファイバプローブを用い た塩分検出”, 平成23年東北地区若手研究者発表会, YS-9-B07, 仙台, 2011年3月

[2] 田中 雄樹, 木野 彩子, 松浦 祐司, “塩分濃度検出のための赤外分光用中空光フ ァイバプローブ”, 第536回伝送工学研究会, 仙台, 2011年6月

[3] 田中 雄樹, 木野 彩子, 松浦 祐司, “赤外分光用中空光ファイバプローブを用い

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[1] 田中 雄樹, 木野 彩子, 松浦 祐司, “中空光ファイバ減衰全反射プローブによる

水中塩分濃度の赤外分光測定”, レーザー研究, Vol. 39, No. 12, pp. 938-941(2011).

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付録 A 全血スパイク検体の調整方法

スパイク検体を用いることで, 赤血球を破壊せずに濃度調整をすることが可能にな る。表A. 1に調整に必要な材料を示す。ここで注意すべきことは, グルコース溶液を生 理食塩水で調整することである。純水で調整すると, 後に血液中に添加した際に血球が 破壊されてしまう。豚全血のヘマトクリット値は, 人間の血液と同等の範囲に含まれて いれば調整する必要はない。(成人男性: 40~50 %, 成人女性: 35~45 %)

具体的な調整方法を下記に示す。

① 採取した豚全血を37℃のウォーターバスに漬け, 血糖を完全に解糖させる。

② 全血1 mlに対して解糖阻止剤としてフッ化ナトリウムを1.25 mg添加する。よく転 倒混和する。血液自体に含まれている糖を完全に除去することができる。

※血球の破壊を防ぐため, 混和する際には, スタラーを使用してはいけない。

③最初にグルコース濃度0 %の血液と10 %の血液を, A. 2に示すような濃度系列表に従 って調整する。調整を行う前に遠心分離を行う。本研究では, 4000 rpmで15分間遠心 分離を行った。急激な濃度変化があると血球が破壊される可能性があるので, グルコ ース溶液は, 血漿部分にゆっくり添加する。0 %血液に生理食塩水を加えるのは, ヘマ トクリット値を合わせるためである。

④転倒混和によって血漿と血球を混合する。ここで濃度の安定化のために 30分以上放 置してから各濃度を調整する。

豚全血

フッ化ナトリウム グルコース溶液(20 %l) 生理食塩水(NaCl濃度0.9 %) ゴム栓付き試験管

ウォーターバス 卓上遠心分離機

表A.1 調整に必要な材料

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図B. 1 サンプルとプリズム境界面における光の全反射

付録 B エバネッセント波の進達長

図B. 1に示すように, X-Z平面上において臨界角以上の入射角Ѳ1で入射する光がサン プルとプリズム境界面で全反射する場合を考える。

スネルの法則より

𝑛

sin 𝜃

= 𝑛

sin 𝜃

(1) cos 𝜃

= ±𝑖√(

21

)

− 1 (2)

n21はプリズムに対するサンプルの相対屈折率である

X-Z平面内を光が進む場合, サンプル内に入り込む光があるとする。電場ベクトルは次 式で表され

E(x, z) = 𝐸

𝑒𝑥𝑝{−𝑖𝜔𝑡 + 𝑖𝑘

(𝑥 sin 𝜃

+ 𝑧 cos 𝜃

)}

k2は物質2中を進む光の波数である。

(1)と(2)式よりsin 𝜃₂とcos 𝜃₂を消去すると

E(x, z) = 𝐸

𝑒𝑥𝑝 {−𝑖𝜔𝑡 + 𝑖𝑘

( 𝑥

𝑛

sin 𝜃

± 𝑖𝑧√( sin 𝜃

𝑛

)

2

− 1}

右辺の±の符号のうち負符号はZ → ∞で|𝐸(𝑥, 𝑧)| → ∞となるので不合理である。従って, 上式は次式に書き直され

E(x, z) = 𝐸

𝑒𝑥𝑝 {−𝑖𝜔𝑡 + 𝑖𝑘

𝑥

𝑛

sin 𝜃

} 𝑒𝑥𝑝 (−𝑘

𝑧√( sin 𝜃

𝑛

)

2

− 1)