物质检测装置、手表式体脂肪燃烧测量装置制造方法
【专利摘要】实现能够从皮肤采集到的生物体气体中检测特定成分的物质检测装置。物质检测装置1具备：检测样品采集部10，采集从人的皮肤放出的生物体气体，只使该生物体气体在透过膜中透过，容纳于传感器室14的内部；光源，激发所采集到的生物体气体中的丙酮的拉曼散射光；传感器部31，通过局域型表面等离子体共振而增强拉曼散射光；分光器60，使被增强后的拉曼散射光分光；受光元件70，将被分光后的光转换为电信号，取得被增强后的拉曼散射光的光谱；信号处理控制电路部80，通过对照已被取得的所述光谱与预先被存储的丙酮的指纹光谱而确定作为被采集到的被检测物质的丙酮，并算出具有与丙酮浓度的相关关系的脂肪燃烧量；以及显示部130，显示由信号处理控制电路部80算出的结果。
【专利说明】物质检测装置、手表式体脂肪燃烧测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及物质检测装置、手表式体脂肪燃烧测量装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，作为改善像代谢综合症这种起因于生活习惯的症状的方法，定期的有氧 运动被推荐，但是，常常因不能够持续地做这种运动而显不出运动的效果。如果能够使这一 类人简便地知道用于提高运动的效果的体脂肪的燃烧量，则运动持续的动机就提高，其结 果，能够期待运动的效果显现出来。所以，能够测量由运动所产生的脂肪燃烧量的装置被提 出。于是，检测呼气气体中的丙酮浓度（或丙酮量）、通过检测丙酮浓度的变化而算出运动 强度、使用该运动强度负荷时的氧摄取量与每被摄取的单位氧量的热量和参与该热量的消 耗脂肪的比例而算出脂肪燃烧率的发明被提出（例如，参照专利文献1)。
[0003] 另外，在其它方面，已经提出检测从皮肤放出的生物体气体的装置以及根据所得 到的检测信息来监控生物体内的代谢信息的方法（例如，参照专利文献2)。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1:日本特开2010-268864号公报
[0007] 专利文献2:日本特开2010-148692号公报
【发明内容】
[0008] 在上述专利文献1中，由于受测者戴上面罩而采集呼气气体，因此必须暂且使运 动中止而采集呼气。另外，在检测皮肤气体的情况下，检测对象的生物体气体的浓度与呼气 气体相比为低浓度，因而易于受到来自汗等的水分的妨碍。
[0009] 本发明为了解决上述问题的至少一部分而被作出，能够作为以下的方式或应用例 来实现。
[0010] (应用例1)根据本应用例所涉及的物质检测装置，其特征在于，具备：检测样品采 集部，采集从人的皮肤放出的生物体气体，并将其容纳于传感器室的内部；光源，激发所采 集到的所述生物体气体中的被检测物质的拉曼散射光；传感器部，通过局域型表面等离子 体共振而增强所述拉曼散射光；分光器，使被增强后的所述拉曼散射光分光；受光元件，将 被分光后的光转换为电信号，取得被增强后的所述拉曼散射光的光谱；信号处理控制电路 部，通过对照已被取得的所述光谱与预先被存储的所述被检测物质的指纹光谱而确定所述 被检测物质，算出所述被检测物质的浓度和具有与所述被检测物质的浓度的相关关系的特 定物质的量；以及显示部，显示由所述信号处理控制电路部算出的结果，所述检测样品采集 部紧贴上述人的皮肤，所述检测样品采集部具备使生物体气体向所述传感器部透过的透过 膜。
[0011] 本应用例采集从人的皮肤产生的生物体气体，将利用了通过向传感器部照射光而 产生的局域型表面等离子体共振的拉曼散射光的光谱与指纹光谱进行对照来确定被检测 物质，进而算出与被检测物质的浓度（或量）具有相关关系的特定物质的量并显示于显示 部。因此，根据这种构成，能够实现可高灵敏度地检测生物体气体中所含有的微量的被检测 物质的物质检测装置。
[0012] 并且，能够检测与被检测物质的浓度具有相关关系的特定物质的量。
[0013] 并且，详细情况将在后述的实施方式中说明，本应用例的物质检测装置由于能够 使进行构成的各构成要素小型化，因而能够实现可配戴于受测者的大小。并且，由于采集从 皮肤所产生的生物体气体，因而与所述的采集呼气的结构相比，在运动中也能够测量特定 物质的量。
[0014] 此外，传感器室的容积恒定，如果知道被检测物质的浓度，就能够求出被检测物质 的量（重量）。
[0015] 另一方面，在生物体气体中，除了被检测物质以外还含有水分。如果水分附着于传 感器部，就不能够通过局域型表面等离子体共振来增强拉曼散射光。于是，通过使用作为被 检测物质的生物体气体透过、而不使水分透过的透过膜，从而能够通过局域型表面等离子 体共振而高效地增强拉曼散射光。
[0016] (应用例2)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。龃衅鞑烤弑复� 感器芯片，其具有比所述光源射出的光的波长小的金属纳米结构。
[0017] 在对比光的波长小的金属纳米粒子照射光的情况下，在金属纳米粒子附近，存在 于光表面的自由电子由于入射光的电场而受到作用而振荡，在金属纳米粒子附近，由自由 电子形成的电偶极子变为整齐的状态，因此形成比入射光的电场强的增强电�。钟� 型表面等离子体共振。通过该局域型表面等离子体共振，即使是微量地存在的目标分子 (被检测物质粒子），也能产生拉曼分光，进而能够高灵敏度地检测微量的被检测物质。
[0018] (应用例3)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。咕弑附蝗菽捎谒� 述传感器室的内部的所述生物体气体排出至所述传感器室的外部的采集气体排出单元。
[0019] 如果已被采集的生物体气体一直滞留于传感器室内，则在下次的被检测物质的检 测中就无法获得准确的检测结果。因此，通过在再检测之前由采集气体排出单元将生物体 气体排出至传感器室外，从而能够获得准确的检测结果。
[0020] (应用例4)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。黾觳庋凡杉�、 所述光源、所述传感器部、所述分光器、所述受光元件、所述信号处理控制电路部以及所述 显示部被一体地容纳且可配戴于身体上。
[0021] 如此一来，能够构成诸如手表式这样的易于携带的物质检测装置，因此在日常生 活中或运动中也可携带，能够通过显示部确认检测结果。
[0022] (应用例5)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。环掷胛黾觳庋� 品采集部、所述光传感器部以及所述显示部被一体地容纳的主体部和所述分光器、所述受 光元件以及所述信号处理控制电路部被一体地容纳的检测部，该主体部与该检测部由传输 被增强后的所述拉曼散射光的光纤和传递电力供应及电信号的电缆连接。
[0023] 如果形成为这种结构，则主体部与检测部就被分离，各自都能够比一体型进一步 小型化、轻量化，例如，主体部能够配戴于受测者本身易于查看显示的手腕部，检测部能够 配戴于运动量少的任意位置。
[0024] (应用例6)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。黾觳庋凡杉� 从所述光源、所述传感器部以及所述显示部被一体地容纳的主体部分离，所述检测样品采 集部与所述传感器室通过生物体气体导入管而被连通。
[0025] 按这种方式，检测样品采集部与主体部分离，因此例如如果将主体部配戴于手腕 部，检测样品采集部配戴于主体部附近的臂部,就能够增大检测样品采集部的生物体气体 的采集面积，进而能够使生物体气体的采集量增加。
[0026](应用例7)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。弑复铀黾觳庋� 采集部、所述光源、所述传感器部、所述分光器、所述受光元件以及所述信号处理控制电路 部被一体地容纳的检测装置主体部分离的显示部，所述检测装置主体部与该显示部通过通 信单元而被连接。
[0027] 在这种结构中，显示部的配置位置能够不被限定而配置于从检测装置主体部独立 的任意位置。显示部也可以在与受测者分离的位置上，在通信单元为无线通信的情况下，将 由检测装置主体部检测后的数据发送至例如个人电脑和手机，能够使检测结果显示于这些 设备的显示部，能够在与受测者分离的位置上确认检测结果。
[0028] 并且，能够利用个人电脑和手机的存储器来掌握过去的检测结果或长时间的累积 值。
[0029](应用例8)在上述应用例所涉及的物质检测装置中，优�。霰患觳馕镏饰� 酮，所述特定物质为体脂肪，在所述信号处理控制电路部中，参照非蛋白呼吸商而由已被检 测到的所述丙酮的量算出所述体脂肪的燃烧量，在所述显示部中显示所述体脂肪的燃烧 量。
[0030] 在体内生成的大部分游离脂肪酸虽然被向肝脏供给，但是通过随着运动而在肝脏 中进行的脂肪燃烧，作为代谢物质的丙酮就以生物体气体的形式而从皮肤被放出。于是，通 过检测丙酮浓度，准确的脂肪燃烧量的测量就变为可能。因此，如果使用上述的物质检测装 置而能够简便地知道体脂肪的燃烧量作为运动的效果，则有代谢综合症倾向的受测者的运 动持续的动机就提高，进而能够改善起因于生活习惯的症状。
[0031](应用例9)根据本应用例所涉及的手表式体脂肪燃烧测量装置，其特征在于，具 备：显示部，被设置于手表式的框体的外面；传感器部，利用等离子体共振而检测从受测者 放出的生物体气体中的目标物质；光源部，向所述传感器部照射激光，激发拉曼散射光；控 制部，根据所述目标物质的检测浓度运算体脂肪的燃烧，并将该运算结果显示于所述显示 部；紧贴部，具备使所述生物体气体透过的透过膜，能紧贴于所述受测者的手臂的一部分； 以及腕带，使所述紧贴部能够配戴于所述受测者的手臂，所述显示面、所述激光的射出方向 以及所述透过膜相互地平行。
[0032] 根据这种结构，能够使手表式的装置薄型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 图1示出实施方式1所涉及的物质检测装置，（a)是透视了内部构造的俯视观察 结构图，（b)是示出（a)的A-A剖面的截面图，（c)是俯视观察外观图。
[0034] 图2是示出实施方式1所涉及的物质检测装置的主要结构的框图。
[0035] 图3是示意性地示出实施方式1所涉及的物质检测的原理的说明图，（a)是拉曼 分光的说明图，（b)是将光照射至金属纳米粒子时所形成的增强电场的说明图，（c)是金属 纳米结构中的表面增强拉曼散射的说明图。
[0036] 图4是示出脂肪燃烧与丙酮的关系的说明图，（a)是成为主要能量源的三大营养 素的从摄取直至储藏的流程，（b)是脂肪燃烧的机理，（c)是有氧运动中的糖类和脂肪的利 用率随时间的演变
[0037] 图5是示出丙酮浓度与丙酮信号强度的关系的曲线图。
[0038] 图6是例示一体型的物质检测装置的配戴位置的说明图。
[0039] 图7示出实施方式2所涉及的物质检测装置，（a)是整体结构说明图，（b)是主体 部的截面图。
[0040] 图8是实施方式2所涉及的主体部的俯视观察外观图。
[0041] 图9示出实施方式3所涉及的物质检测装置，（a)是整体结构说明图，（b)是示出 检主体部的截面图。
[0042] 图10是示出实施方式4所涉及的物质检测装置的结构说明图。
[0043] 图11示出运动强度、脉搏数与脂肪燃烧量的关系，（a)是示出运动强度与脂肪燃 烧量的关系的曲线图，（b)是示出脉搏数与脂肪燃烧量的关系的曲线图。
【具体实施方式】
[0044] 以下，以列举检测生物体气体所含有的丙酮浓度、且对与已检测到的丙酮浓度具 有相关性的体脂肪的燃烧量进行检测的物质检测装置为例来说明本发明的实施方式。
[0045]此外，为了将各部件形成为可识别的大�。谝韵碌乃得髦兴握盏耐际歉鞑考� 或部分的纵横的比例尺与实际的不同的示意图。
[0046](实施方式1)
[0047] 图1示出实施方式1所涉及的物质检测装置1，（a)是透视了内部构造的俯视观察 结构图，（b)是示出（a)的A-A剖面的截面图，（c)是俯视观察外观图。在图1(a)、（b) 中，物质检测装置1的检测样品采集部10、检测部30以及显示部130被容纳于由外壳20和 防风玻璃21(参照图1(b))构成的空间内。检测样品采集部10配置在接触于人的皮肤的 一侧（外壳20的背面侧），检测部30配置于外壳20的内部，显示部130配置于受测者可查 看的位置（外壳20的表面侧）。
[0048] 检测样品采集部10具有：作为与人的皮肤紧贴的透过膜的第一透过膜11、和与第 一透过膜11具有空间13而被配置的第二透过膜12。紧贴于人的皮肤的第一透过膜11由 对水具有防水性以免汗等水分直接进入检测部30内，并且可以使从皮肤产生的生物体气 体（此外，有时将生物体气体表达为皮肤气体）透过的膜形成。第一透过膜11是为了防止 在将生物体气体摄入至检测部30内时，生物体气体所包含的水分等附着于后述的传感器 部31而被设置。
[0049] 第二透过膜12具有与第一透过膜11同样的功能，是为了通过形成为与第一透过 膜11的双重结构，从而进一步强化第一透过膜11的上述功能而被设置。因此，使透过膜变 为双重结构并不是必要条件，能够根据物质检测装置1在身体的配戴部位的发汗量等来选 择。
[0050] 第一透过膜11和第二透过膜12被安装于外壳20的人体侧，通过配戴带120,第一 透过膜11以紧贴于皮肤的方式而被安装。
[0051] 此外，图1所示的物质检测装置1例示了在配戴于手腕部的情况下的结构。
[0052] 接下来，对检测部30的结构进行说明。如图1 (a)、（b)所示，检测部30被分为传 感器室14和检测室15。传感器室14是容纳有从手臂发散的生物体气体的空间，在内部配 置有传感器部31。传感器部31包括增强拉曼散射光的传感器芯片。传感器部31的结构以 及作用将参照图3后述。
[0053] 在检测室15中，具备：激发所检测的分子的光源100、将从光源100照射的光会聚 于传感器部31的第一透镜群、以及使从传感器芯片32散射的被增强了的拉曼散射光（称 为增强拉曼散射光）会聚的第二透镜群。
[0054] 第一透镜群由将从光源100射出的光变换为平行光的透镜42、将该平行光向传感 器部31反射的半透明反射镜43以及将在半透明反射镜43上反射后的光会聚于传感器部 31的透镜41构成。
[0055] 第二透镜群由将经由透镜41以及半透明反射镜43在传感器部31被增强了的拉 曼光进行会聚的透镜44、和将被会聚后的拉曼光变换为平行光的透镜45构成。
[0056] 并且，在检测室15中，具备：光学滤波器50,从被会聚后的散射光中除去瑞利散射 光；分光器60,将增强拉曼散射光分光为光谱；受光元件70,将被分光后的光谱转换为电信 号；信号处理控制电路部80,将被分光后的光谱作为从生物体气体检测到的物质特有的指 纹光谱的信息转换为电信号；以及电力供给部90。指纹光谱被预先内置于信号处理控制电 路部80。
[0057] 作为电力供给部90,能够利用一次电池、二次电池等。在为一次电池的情况下，对 于已变为规定的电压以下这一点，如果CPU81将被储存于R0M83(均参照图2)的信息与所 获得的一次电池的电压信息进行比较，一次电池的电压为规定以下，则在显示部130上显 示电池更换的指示。
[0058] 在为二次电池的情况下，对于已变为规定的电压以下这一点，如果CPU81将被储 存于R0M83的信息与所获得的二次电池的电压信息进行比较，二次电池的电压为规定以 下，则在显示部130上显示充电指示。受测者观看该显示，通过将充电器连接于连接部（未 图示）而进行充电，直至变为规定的电压为止，从而能够反复使用。
[0059]另外，本实施方式的物质检测装置1具有将采集到传感器室14内的生物体气体排 出至外部的采样排出单元110。采样排出单元110具有一个端部连通于传感器室14、另一 个端部连通于排出口 111a的具有弹性的排出管112,和多个旋转辊113。采样排出单元110 是通过用旋转辊113将排出管112从传感器室14侧向排出口 111a侧按压下去从而能够将 传感器室14内的气体向外部排出的所谓的管泵。
[0060] 管泵既可以是以手动使其旋转的结构，也可以是用电机驱动的结构。此外，作为采 样排出单元，能够适当选择使用管泵以外的气体排出单元。
[0061]另外，为了使生物体气体快速地排出，将生物体气体从传感器室14排出的排出口 如果形成为在多处设置的结构就更优选。
[0062] 接下来，参照图1 (c)，对显示部130的显示内容列举一例进行说明。显示部130使 用液晶显示元件等光电显示元件。作为主要的显示内容，如图1(c)所示，可以列举出：当前 时刻、从测量开始的经过时间、作为脂肪燃烧量的每一分钟的燃烧量和累计值、表示这些变 化的图形显示等。另外，在脂肪燃烧量的测量之后，必须排除传感器室14内的气体（S卩，传 感器芯片32的刷新），也包括使操作者知道该内容的显示。例如，在"刷新"正在被显示的 情况下，执行采样排出操作。
[0063] 另外，虽然图示省略，但根据电力供给部90的电压显示电池更换指示或充电指 /_J、i〇
[0064] 并且，也可以将时刻和日历等时钟功能作为需求显示。
[0065] 此外，在外壳20配置有操作部22,进行检测开始、检测结束以及重置等操作。
[0066] 关于脂肪燃烧量的检测原理，将参照图3、图4、图5后述。
[0067] 接着，将参照图2对包括控制系统的物质检测装置1的结构与作用进行说明。
[0068] 图2是示出本实施方式所涉及的物质检测装置1的主要结构的框图。物质检测 装置1具有控制整个控制系统的信号处理控制电路部80,信号处理控制电路部80包括： CPU(CentralProcessingUnit:中央处理单兀）、RAM(RandomAccessMemory:随机存取存 储器）82以及ROM(ReadOnlyMemory，只读存储器）83。
[0069] 在上述的传感器室14的内部，具有传感器芯片和用于传感器芯片的有无检测和 读取代码的传感器检测器（未图示），该信息经由传感器检测电路而被发送至CPU81。该信 息被输入的状态由于是可检测开始的状态，因此从CPU81向显示部130输入可以操作，在显 示部130上显示。
[0070] 如果CPU81从操作部22接受检测开始的信号，则从光源驱动电路84输出光源工 作的信号，使光源1〇〇工作。在光源1〇〇中，内置有温度传感器或光量传感器，能够确认光 源100为稳定状态。在光源100已经稳定时，将生物体气体采集到传感器室14内。此外， 在生物体气体采集中，也可以使用未图示的吸引泵。
[0071] 光源100是以单一波长射出直线偏振光的稳定的光的激光源，根据来自CPU81的 信号，由光源驱动电路84驱动，进而射出光。该光经由透镜42、半透明反射镜43、透镜41 而被照射至传感器芯片32,瑞利光和通过增强电场被增强后的拉曼散射光（SERS:表面增 强拉曼散射）经由透镜41、半透明反射镜43、透镜44、透镜45、光学滤波器50、分光器60向 受光兀件70射进来。分光器60由分光器驱动电路85控制。另外，受光兀件70由受光电 路86控制。
[0072] 在光学滤波器50(参照图1 (a)、（b))中切断瑞利光，只有SERS(SurfaceEnhanced RamanScatering:表面增强拉曼散射）光向分光器60射入。作为分光器60,在采用利用 了法布里一珀罗谐振的波长可变标准具的情况下，设定有透过的光的带域（A1?A2)和 半值宽度，从A1开始每半值宽度地使依次透过的波长变化，反复进行直至A2为止，在受 光元件70中将该半值宽度的光信号的强度向电信号转换。如此一来，获得所检测到的SERS 光的光谱。
[0073] 这样获得的被检测物质（在此为丙酮）的SERS光的光谱通过与被储存于信号处 理控制电路部80的R0M83中的指纹光谱对照而确定目标物质，进而检测丙酮的浓度。然后， 由丙酮浓度算出脂肪燃烧量，为了使受测者知道算出结果，结果信息从CPU81向显示部130 显示。将结果信息的一例显示于图1(c)。
[0074] 计测测量时间的时钟功能通过由众所周知的时钟功能电路87从预先设定好的时 刻接受当前时刻和脂肪燃烧开始的信号，进而显示脂肪燃烧测量开始时刻和结束时刻。另 夕卜，具有用于显示每一分钟的脂肪燃烧量、从脂肪燃烧测量开始的累计量等的时钟功能。
[0075] 接着，对本实施方式的物质检测的原理进行说明。
[0076] 图3是示意性示出本实施方式中的物质检测原理的说明图，（a)是拉曼分光的说 明图，（b)是将光照射至金属纳米粒子时所被形成的增强电场的说明图，（c)是金属纳米结 构中的表面增强拉曼散射的说明图。
[0077]首先，参照图3(a)对拉曼分光进行说明。如果入射光（波长v)被照射至目标分 子（被检测物质分子），则大部分都作为瑞利散射光而波长不变化地被散射。一部分是包含 有目标分子的分子振动的信息的拉曼散射光（波长v -v')被散射。由该拉曼散射光 获得目标分子（在此以乙醛为例）的指纹光谱。通过该指纹光谱，检测到的物质能够被确 定为乙醛。然而，拉曼散射光非常地微弱，检测只微量地存在的物质是困难的。
[0078]于是，参照图3(b)，对将光照射至比入射的光的波长小的金属纳米粒子时所形成 的增强电场进行说明。在对金属纳米粒子照射光的情况下，存在于金属纳米表面的自由电 子就会由于入射光的电场而受到作用而振荡，在金属纳米粒子附近由自由电子形成的电偶 极子变为整齐的状态，其结果形成比入射光的电场强的增强电场。该现象是比光的波长小 的金属粒子所特有的现象，是被称为局域型表面等离子体共振的现象。
[0079] 接着，将参照图3(c)而对金属纳米结构中的表面增强拉曼散射进行说明。本实施 方式中的传感器芯片32具有该金属纳米结构33。
[0080]金属纳米结构33就是在被矩阵状地配置于基板34上的柱状的结构体35的顶端 部形成有金属纳米粒子36。
[0081] 如果拉曼散射光在该增强电场中产生，则由于增强电场的影响而拉曼散射光被增 强这种现象就是表面增强拉曼散射（SERS)。如图3(c)所示，以在基板34上形成金属纳米 结构33,在其间隙形成增强电场的方式配置。在此，如果目标分子进入，则该拉曼散射光就 要在增强电场中被增强而获得较强的拉曼信号。作为结果，即使是微量地存在的目标分子， 也能产生拉曼分光。由此，能够高灵敏度地检测微量的目标分子（检测对象物质）。
[0082]本实施方式的物质检测装置1是可以检测生物体气体中含有的成分的装置，通过 检测生物体气体中的丙酮，从而能够知道脂肪已经燃烧了多少。例如，作为改善近年来的像 代谢综合症这种起因于生活习惯的症状的方法，已经推荐有定期的有氧运动，而如果设法 做到能够简便地知道脂肪燃烧量作为运动的效果，就能够改善起因于生活习惯的症状。
[0083]于是，对脂肪燃烧与丙酮检测的关系进行说明。
[0084] 图4是示出脂肪燃烧与丙酮的关系的说明图，（a)表示成为主要能量源的三大营 养素从摄取直至贮存的流程，（b)表示脂肪燃烧的机理，（c)表示糖类和脂肪的利用率在有 氧运动中随时间的演变。
[0085] 如图4(a)所示，在进餐中摄取的三大营养素碳水化合物、脂类、蛋白质在胃中被 消化，在小肠中被进一步消化之后，被吸收。在被吸收后的营养素中，碳水化合物转变为葡 萄糖，脂类转变为脂肪酸或甘油，蛋白质转变为氨基酸，各个改变形式而在血液中循环。这 些中的一部分燃烧，在成为剩余部分的物质中，葡萄糖转变为肝糖元或肌糖元，脂肪酸或甘 油经由中性脂肪而转变为脂肪，氨基酸转变为蛋白质，各个改变形式而被贮存，根据需要， 经过相反的流程而被消耗。就三大营养素被燃烧时的每单位重量的能量而言，碳水化合物 相当于4kcal/g,脂类相当于9kcal/g,蛋白质相当于4kcal/g。（实用的食物卡路里）但 是，对于脂类来说，由于在被贮存于白色脂肪细胞中时含有水分，因此相当于7. 2kcal/g的 能量。
[0086]就脂肪燃烧的机理来说，如图4(b)所示，当进行运动时，就分泌出肾上腺素， 脂肪细胞中的激素敏感性脂肪酶被激活而促进中性脂肪的分解，进而变为脂肪酸或甘 油。由于脂肪酸本身不能够循环于血液中，因此与白蛋白结合而成为游离脂肪酸之后在 血液中循环。其中的一部分被供给心肌和骨骼�。ü趸环纸猓蒼adh2+或 FADH2的同时，变为乙酰-CoA，经过TCA循环（俗称三羧酸循环）而生成ATP(Adenosine Triphosphate:三磷酸腺苷），最终变为二氧化碳（C02)和水（H20)。
[0087]在骨骼肌中，糖元被主要地消耗而作为能量，游离脂肪酸的消耗少。在心肌中，能 量总量的大约70%作为游离脂肪酸而被消耗。
[0088] 另一方面，游离脂肪酸大部分与肉毒碱结合而成为酰基肉碱，并向肝脏供给。在肝 脏中，变为酰基-CoA之后，在肝脏的线粒体内进行0 -氧化，变为乙酰-CoA。再由乙酰-CoA 变为乙酰乙酸，进一步变为羟丁酸和丙酮。乙酰乙酸、羟丁酸、丙酮总称为酮体，而 只有丙酮成为气体并在血液中循环，作为呼气气体或皮肤气体的成分而被放出。如果从脂 肪燃烧的比例来看，则在肝脏中比在骨骼肌或心脏中的比例多，脂肪燃烧与丙酮具有相关 性。因此，通过测量呼气气体中的丙酮量或皮肤气体中的丙酮量，从而能够知道脂肪燃烧 量。
[0089] 接着，参照图4(c)而对糖类和脂肪的利用率在有氧运动中随时间的演变进行说 明。
[0090] 步骤1…通过肌糖元的代谢，合成ATP。
[0091]步骤2…随着肌糖元的减少，血中葡萄糖的利用开始，脂肪组织的脂肪作为游离脂 肪酸而游离至血液中。然后，将血中葡萄糖与游离脂肪酸作为燃料，通过氧化体系的代谢， 合成ATP。一般认为，脂肪燃烧变得活跃在运动开始后15分钟?20分钟以后。并非是任何 运动强度脂肪燃烧都进行得活跃，在运动强度比较轻的区域，脂肪燃烧变得旺盛。如果运动 强度变高，就变为无氧运动，因而脂肪燃烧量就减少，取而代之，主要消耗糖元。
[0092]如上所述，通过检测人的皮肤气体中的丙酮浓度，从而能够知道脂肪已经燃烧了 多少。于是，对丙酮浓度与丙酮信号强度的关系进行说明。
[0093] 图5是示出丙酮浓度与丙酮信号强度的关系的曲线图。此外，图5是调整制作丙 酮浓度不同的样品气体、对各个样品进行丙酮检测、在丙酮的各个光谱中、关于特别强烈地 出现的高峰求出丙酮信号强度、进而表示丙酮浓度与丙酮信号强度的相关性的图表。如图 5所示，丙酮浓度（指数显示）与丙酮信号强度能够大致以直线表示。
[0094] 此外，如果传感器室14的容积为已知，则丙酮浓度能够替换为丙酮量。
[0095]接下来，由检测到的丙酮浓度（丙酮量）算出脂肪燃烧量。
[0096]如上所述，三大营养素为糖、脂类、蛋白质，碳原子、氧原子、氢原子等的构成比例 各不相同。因此，内呼吸时，根据哪一种营养素正在分解所消耗的〇2与所产生的co2的比例 不同。在体细胞全体中，在某一营养素正在主要地被代谢时，该比例也被反映到呼吸上。表 现该比例的是呼吸商RQ(RespiratoryQuotient:呼吸商），由下式表示：
[0097]呼吸商RQ=(每单位时间的C02的排出量）八每单位时间的02的消耗量）
[0098] 由于在脂肪酸自身中氧原子非常地少，因此脂类在分解时，就必须消耗大量的氧。 虽然〇2消耗量大，但C02产生量却少，因此呼吸商在三大营养素中为最�。挥�0. 70。脂肪 的氧含量低，每单位重量的热量在三大营养素中为最大，多达9. 3kcal/g。是适于保存能量 的营养素，由于吃得过多而被储存于皮下的也是脂肪。
[0099] 通常，糖类的原子的比例为C6H1206。由于氧原子含有得多，因而即使氧消耗量少也 能够分解。呼吸商为1.00,在三大营养素中最大。相反，由于氧的含量高，因而每重量的热 量在三大营养素中为最�。�4.lkcal/g。
[0100] 蛋白质其原子的比例在脂类与糖类的中间，呼吸商为0.85,热量为5. 3kcal/g。虽 然理论上来说，呼吸商RQ也能够达到9以上，但是在临床上却很少超过1。另一方面，在呼吸 商RQ为0.7时表示脂肪利用，在为0.7以下时，是在饥饿状态下酮体产生（酮症）。最近， 在安静时，可以认为呼吸商RQ是恒定的，并已经知道，个人的呼吸商RQ的波动也为〇. 78? 0. 87的范围。
[0101] 三大营养素以及酮体被氧化时所产生的能量由下式表示：
[0102] (1)在糖类被氧化的情况下
[0103] C6H1206+602-6C02+6H20+36ATP (657kcal)
[0104] [RQ=6C02/602=1.0]
[0105] (2)在脂肪被氧化的情况下
[0106] C55H1(l206+77. 502-55C02+51H2+429ATP (7833kcal)
[0107] [RQ=55C02/77 . 502=0 . 71]
[0108] (3)在蛋白质被氧化的情况下
[0109] C100H159032S0 7+105. 302^13C0N2H4 (urea)+87C02+52 . 8H20+0. 7H2S04+27ATP (4948kca 1)
[0110] [RQ=87C02/105 . 302=0 . 83]
[0111] ⑷在由脂肪产生酮体的情况下
[0112]0? 176g(脂类）+0? 437L02-lg(酮体）+0? 1 lLC02+0. 129H20+2039kcal
[0113] [RQ=0. lllLC02/0. 437L02=0.25]
[0114] 脂肪燃烧率（g/min)=氧摄取量（1/min)X每1L氧的热量（kcal/1)X脂类的燃 烧比例（％ )X脂类的热当重量（g/kcal)
[0115] 在这里，氧摄取量（1/min)是通过呼气气体分析装置而测量的值，每1L氧的热量 (kcal/1)由通过呼气气体分析装置测量的呼吸商RQ值换算为表1所示的每1L氧的热量 (kcal/1)而求出。
[0116] (表 1)
[0117]
【权利要求】
1. 一种物质检测装置，其特征在于， 具备： 检测样品采集部，采集从人的皮肤放出的生物体气体，并将其容纳于传感器室的内 部； 光源，激发所采集到的所述生物体气体中的被检测物质的拉曼散射光； 传感器部，通过局域型表面等离子体共振而增强所述拉曼散射光； 分光器，使被增强后的所述拉曼散射光分光； 受光元件，将被分光后的光转换为电信号，取得被增强后的所述拉曼散射光的光谱； 信号处理控制电路部，通过对照已被取得的所述光谱与预先被存储的所述被检测物质 的指纹光谱而确定所述被检测物质，并算出所述被检测物质的浓度和具有与所述被检测物 质的浓度的相关关系的特定物质的量；以及 显示部，显示由所述信号处理控制电路部算出的结果， 所述检测样品采集部紧贴所述人的皮肤，所述检测样品采集部具备使所述生物体气体 向所述传感器部透过的透过膜。
2. 根据权利要求1所述的物质检测装置，其特征在于， 所述传感器部具备传感器芯片，所述传感器芯片具有比所述光源射出的光的波长小的 金属纳米结构。
3. 根据权利要求1或2所述的物质检测装置，其特征在于， 还具备将被容纳于所述传感器室的内部的所述生物体气体排出至所述传感器室的外 部的采集气体排出单元。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的物质检测装置，其特征在于， 所述检测样品采集部、所述光源、所述传感器部、所述分光器、所述受光元件、所述信号 处理控制电路部以及所述显示部被一体化而能配戴于身体上。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的物质检测装置，其特征在于， 所述物质检测装置被分离为主体部以及检测部， 所述检测样品采集部、所述光源、所述传感器部以及所述显示部被一体地容纳于所述 主体部， 所述分光器、所述受光元件以及所述信号处理控制电路部被一体地容纳于所述检测 部， 所述主体部与所述检测部由传输被增强后的所述拉曼散射光的光纤、和传递电力供给 及电信号的电缆连接。
6. 根据权利要求1至4中任一项所述的物质检测装置，其特征在于， 所述检测样品采集部从一体容纳有所述光源、所述传感器部以及所述显示部的主体部 分离， 所述检测样品采集部与所述传感器室通过生物体气体导入管连通。
7. 根据权利要求1至3中任一项所述的物质检测装置，其特征在于， 所述物质检测装置具备从检测装置主体部分离的显示部，所述检测样品采集部、所述 光源、所述传感器部、所述分光器、所述受光元件以及所述信号处理控制电路部被一体地容 纳于所述检测装置主体部， 所述检测装置主体部与该显示部通过通信单元连接。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的物质检测装置，其特征在于， 所述被检测物质为丙酮，所述特定物质为体脂肪， 在所述信号处理控制电路部中，由已被检测到的所述丙酮的量算出所述体脂肪的燃烧 量， 在所述显示部显示所述体脂肪的燃烧量。
9. 一种手表式体脂肪燃烧测量装置，其特征在于，具备： 显不部，被设置于手表式的框体的外表面； 传感器部，利用等离子体共振而检测从受测者放出的生物体气体中的目标物质； 光源部，向所述传感器部照射激光，以激发拉曼散射光； 控制部，根据所述目标物质的检测浓度运算体脂肪的燃烧，并将该运算结果显示于所 述显示部； 紧贴部，具备使所述生物体气体透过的透过膜，并能紧贴于所述受测者的手臂的一部 分；以及 腕带，使所述紧贴部能够配戴于所述受测者的手臂， 所述显示面、所述激光的射出方向以及所述透过膜相互地平行。
【文档编号】G01N21/65GK104412099SQ201380033537
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】坂上裕介 申请人:精工爱普生株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
