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光透過式成分計測
(ひかりとうかしきせいぶんけいそく)
光透過式成分計測とは、測定対象へ光を照射し、内部を通過して反対側へ到達した透過光を測定することで、対象物に含まれる成分や状態を推定する方法です。植物の葉、葉柄、果実、液体などを切断・搾汁せずに測定できる場合があります。
対象物を通過する光の量は、含まれる成分、厚さ、水分、色、組織構造などによって変化します。特定の波長における透過光の強さや、複数波長の比率を解析することで、硝酸成分、色素、水分などと関係する値を推定します。
光が物質を通過するときの変化
光を物質へ当てると、光の一部は表面で反射し、一部は内部で吸収・散乱され、残りが反対側へ透過します。
透過率は、入射した光に対してどの程度の光が通過したかを表します。
透過率＝透過光強度÷入射光強度
透過率が高い場合は多くの光が通過し、低い場合は吸収や散乱が大きいことを示します。
測定対象に特定波長の光を吸収する成分が多く含まれている場合、その波長の透過光は弱くなる傾向があります。
吸光度とは
成分分析では、透過率から求める吸光度を使用することがあります。吸光度は、光が試料によってどの程度減衰したかを表します。
吸光度が大きいほど、対象波長の光が多く吸収されたことを示します。
均一な液体試料では、一定範囲で成分濃度と吸光度の関係を利用できます。ただし、植物組織のように光を強く散乱する対象では、厚さや組織構造の補正が必要です。
基本的な測定構成
光透過式成分計測装置は、一般に次の要素で構成されます。
- 対象物へ光を照射する光源
- 必要な波長を選ぶ光学フィルタ
- 対象物を固定する測定部
- 透過光を受ける受光素子
- 受光信号を増幅する回路
- 成分値を演算する制御部
- 測定結果を表示・保存する機能
光源と受光部の間へ測定対象を挟み、同じ位置と圧力で測定できる構造にします。
反射式との違い
反射式測定は、対象物へ光を照射し、同じ側へ戻ってきた反射光を測定します。対象物の片側だけへ機器を配置できるため、厚い対象や移動体にも使用しやすい方法です。
透過式は、対象物の両側に光源と受光部を配置する必要がありますが、対象内部を通過した光を取得できるため、内部成分の影響を捉えやすい場合があります。
葉や薄い葉柄のように光を透過できる対象は、透過式に適しています。厚い茎や不透明な対象では、十分な透過光を得られない場合があります。
植物測定への利用
植物の葉や葉柄には、水分、色素、硝酸成分、糖などが含まれています。これらの成分や組織構造によって、各波長の透過光が変化します。
光透過式では、植物を採取して搾汁する方法と比べ、同じ部位を繰り返し測定できる場合があります。同じ株を継続的に測定すれば、生育に伴う変化を追跡できます。
ただし、測定結果は対象作物、品種、測定部位、葉齢などの影響を受けます。対象条件に対応した検量線や補正式が必要です。
検量線とは
光学信号から成分値を求めるためには、光学測定結果と基準となる化学分析値の関係を作成します。この関係式を検量線と呼びます。
検量線作成では、成分濃度の異なる多数の試料について、光学信号と基準分析値を収集します。統計的な解析によって、光学信号から成分値を推定する式を作ります。
作物、品種、季節、測定部位が大きく異なると、同じ検量線を使用できない場合があります。
多波長で測定する理由
一つの波長だけでは、目的成分の吸収と、厚さ、水分、色などの影響を区別しにくいことがあります。
複数の波長を測定し、目的成分に反応しやすい波長と、背景補正に使用する波長を組み合わせることで、測定の安定性を高めます。
波長ごとの透過率、波長間の比率、差分などを演算し、対象成分との関係を求めます。
測定対象の厚さによる影響
同じ成分濃度でも、測定部位が厚いほど透過光が弱くなる傾向があります。葉脈、傷、折れ、重なりなども測定値へ影響します。
測定部位を統一し、機器で挟む位置や圧力を一定にすることが重要です。厚さの影響を補正するため、複数波長の信号や別のセンサ情報を使用する場合があります。
外光の影響
太陽光や照明が受光部へ入ると、透過光の測定値が変化します。そのため、測定部を遮光し、光源から照射した光だけを受光できる構造にします。
屋外で測定する場合は、測定部が確実に閉じているか、遮光部材が劣化していないかを確認します。
光源を点灯した値と消灯した値の差を取ることで、外光成分を補正する方法もあります。
測定手順
一般的な測定手順は次のとおりです。
- 対象作物と測定部位を決める
- 測定面の汚れや水滴を確認する
- 測定部へ対象を正しく挟む
- 外光が入らない状態にする
- 複数波長の光を順に照射する
- 透過光を測定して成分値を演算する
- 測定位置や日時とともに記録する
継続比較する場合は、同じ葉位、同じ位置、同じ時間帯で測定します。
測定誤差の主な原因
- 測定位置の違い
- 葉や葉柄の厚さ
- 表面の水滴や汚れ
- 外光の侵入
- 光源の劣化
- 受光窓の汚れ
- 対象物の挟み方
- 温度変化
測定値が不自然な場合は、同じ部位を取り付け直して再測定し、標準板や確認用試料で機器状態を確認します。
非破壊測定の利点
対象を切断せずに測定できれば、同じ株を生育期間中に繰り返し測定できます。試料の搾汁、試薬、廃液処理などの作業を減らせる場合があります。
一方、光学測定値は成分を直接化学分析しているのではなく、光学信号との相関から推定する方式です。必要に応じて化学分析との比較を行い、推定精度を確認します。
保守・校正
光源、受光部、測定窓を清潔に保ちます。樹液、粉じん、水滴などが付着すると透過光が変化します。
光源は使用時間や温度によって出力が変化することがあるため、基準部材を用いた確認や校正を行います。
機器更新や測定条件変更時には、過去データとの連続性を確認します。
ハカルプラスの対応
ハカルプラスでは、多波長の光を植物へ透過させ、硝酸態窒素などの状態を非破壊で測定する機器について、対象作物、測定部位、必要な測定範囲などの仕様を確認して検討します。
測定結果の保存、栽培条件との比較、試験データ管理についても、必要な運用を確認して構成します。
よくある質問
Q. 光透過式では対象物を切断する必要がありますか？
A. 対象物を挟んで光を透過できる構造であれば、切断せずに測定できる場合があります。
Q. どのような植物部位でも測定できますか？
A. 光が十分に透過する厚さや形状である必要があります。対象作物と測定部位に対応した仕様を確認します。
Q. 測定値は成分を直接測っているのですか？
A. 透過光と基準分析値の関係を利用して成分値を推定する方式です。検量線の精度が重要です。
Q. 屋外でも測定できますか？
A. 測定部を十分に遮光し、外光の影響を抑えられる構造であれば使用できる場合があります。
Q. 葉の厚さが違うと測定値は変わりますか？
A. 変化する場合があります。測定位置を統一し、複数波長による補正などを行います。