JP2016070671A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合液内に気泡が存在したとしても、精度のよい測定が可能な測定装置を提供する。【解決手段】測定装置（１００）は、チップ（１０２）を動作させる駆動部（１０５）を備え、駆動部（１０５）は、試料と試薬とを測定室（４０４）に輸送する輸送動作モードと、発光部（１０１）と測定室（４０４）とを相対的に動作させ、測定室（４０４）の複数個所において試料と試薬との混合液の吸光度を測定する走査測定動作モードと、を切替可能である。【選択図】図１

Description

本発明は測定装置に関し、土壌成分の分析に好適な測定装置に関する。

農作物の栽培において、肥培管理の基本データである土壌成分の情報は必要不可欠な情報であり、近年では、生産者自らが土壌分析を行う手法が開発されている。生産者自らが測定を行う土壌成分測定器は、それぞれの土壌抽出液をその都度複数の試験管に目盛り付のスポイトで計量しながら注入し、その後、土壌成分毎に決められた試薬および希釈液を試験管に注入し発色させる。そして、比色表、比濁表、または、吸光光度法等を用いて数値換算することで測定が行われている。

上述の測定方法は、それぞれの土壌抽出液に試薬を混合する必要があり、そのために繰り返し作業が多くなる。また、測定したい土壌成分に応じた試薬を準備する必要もあり、煩雑性が高い。さらに、数値換算の際に比色を目視で行うために、測定値の信頼性に課題が残る。

近年では、上述の問題点に鑑みて、簡易な方法で土壌抽出液と試薬等とを混合し、土壌成分を分析する手法が提案されている。

図１０は、特許文献１に開示されている試薬混合および土壌分析装置を示したものであり、図１０の（ａ）は、従来の土壌分析装置の模式図であり、図１０の（ｂ）および（ｃ）は、従来の土壌分析装置に備えられる収納カートリッジと、抽出液カートリッジとの嵌合を示す模式図である。

特許文献１に記載の土壌分析装置は、図１０の（ａ）に示すように、発光部７、受光部８および収納カートリッジ９を備えている。収納カートリッジ９は、透明材からなり、土壌から抽出した土壌抽出液と試薬との混合液を収納するセル１１が複数設けられている。特許文献１に記載の土壌分析装置は、発光部７から出射された光が収納カートリッジ９内の混合液を透過し、受光部８により検出されることにより混合液の吸光度を測定し、吸光光度法により土壌成分の濃度を測定している。

図１０の（ｂ）に示すように、収納カートリッジ９のセル１１には、所定量の試薬があらかじめ収納されており、シール紙１５により密閉されている。抽出液カートリッジ１４の各セル１６は、計量としての枡機能を有しており、土壌成分液が収納されている。測定前に図１０の（ｂ）および（ｃ）に矢印で示す方向に抽出液カートリッジ１４を収納カートリッジ９に押し込むことで、収納カートリッジ９と抽出液カートリッジ１４とを嵌合する。その後、抽出液カートリッジ１４の底面を貫通させ、抽出液を収納カートリッジ９のセル１１に注入し、混合液を作成する。

このように、特許文献１に記載の土壌分析装置においては、混合液の作成が容易であり、また、吸光光度法によって土壌成分の濃度の測定を行うため、精度のよい測定を行うことができる。

また、特許文献２には、マイクロ流路が形成された分析用デバイスおよび分析装置が開示されている。特許文献２に記載の分析装置は、マイクロ流路が形成された分析用デバイスを回転駆動させることで、分析用デバイスに遠心力が作用する。これにより、分析用デバイス内に保持された試料および試薬を反応槽まで移動させ、簡易な方法で試料と試薬との混合液を作成している。

特開２００７−４６９２２号公報（２００７年２月２２日公開） 特開２００９−２１０５６４号公報（２００９年９月１７日公開）

しかしながら、上記の特許文献１に記載の土壌分析装置においては、収納カートリッジ９のセル１１にあらかじめ試薬が収納され、シール紙１５により収納カートリッジ９のセル１１が密封されている。また、測定の際にシール紙１５を貫通させ抽出液を収納カートリッジ９のセル１１に注入することで試薬と抽出液とを混合している。そのため、上記特許文献１の構成は、収納カートリッジ９のセル１１に収納された単一の試薬を抽出液と混合することができるが、複数の試薬を段階的に抽出液と混合することができない。また、抽出液を収納カートリッジ９のセル１１へと滴下するため、滴下の際に気泡が発生してしまう。セル１１内で発生した気泡がセル１１の内壁へと付着すると、吸光度測定の際に発光部７から射出された光が気泡で散乱し、混合液の吸光度の測定値に誤差が生じるという問題もある。

また、特許文献２に記載の分析装置においても、脱気が不十分であれば、混合液中に気泡が残留してしまい、光による測定を行う場合には、特許文献１と同様に吸光度の測定値に誤差が生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、試料と試薬との混合液内に気泡が存在したとしても、混合液の吸光度を精度良く測定することができる測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る測定装置は、試料および試薬の混合液を収容する測定室と、上記試料を収容し、上記測定室と連通する試料室と、上記試薬を収容し、上記測定室と連通する試薬室とを有するチップと、上記測定室に向かって光を発光する発光部と、上記測定室を透過した光を受光する受光部と、上記受光部が受光した光に基づいて上記混合液の吸光度を測定する計測部と、上記チップを動作させる動作部とを備え、上記動作部は、上記チップの動作に基づく慣性力により、上記試料と上記試薬とを上記測定室に輸送する輸送動作モードと、上記発光部から発光した光が上記測定室を走査するように、上記発光部と上記測定室とを相対的に動作させ、上記発光部から発光して上記測定室を走査した光に基づいて上記測定室の複数個所において上記混合液の吸光度を測定する走査測定動作モードと、を切替可能である。

本発明の一態様によれば、動作部が発光部と測定室とを相対的に動作させ、測定室を走査した光に基づいて測定室の複数個所において測定を行うことで、試料と試薬との混合液を収容する測定室内に気泡が存在したとしても、気泡が存在しない箇所における測定が可能となり、混合液の吸光度を精度よく測定することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る測定装置の構成概略図である。 図１に示す測定装置に備えられる発光部の構成概略図である。 図２に示す発光部に備えられるフィルターアレイの構成概略図である。 図１に示す測定装置に備えられるチップの構成概略図であり、（ａ）は、チップを上方からみた正面図であり、（ｂ）は、チップに備えられるセルの形状の一例を示す概略図である。 （ａ）は図４に示すチップの部分拡大図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。 本発明の実施形態１に係る測定装置に設けられた受光部からの出力値のヒストグラムである。 上記受光部の出力値を高い順に並び替えた場合における、Ｎ個目までのデータ個数と、Ｎ個目までの出力値の標準偏差との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明の実施形態３に係る測定装置に設けられたチップの部分拡大図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線矢視断面図である。 本発明の実施形態５に係る測定装置に設けられたセルの構造概略図である。 （ａ）は従来用いられている土壌分析装置の模式図であり、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）に示す土壌分析装置に備えられる収納カートリッジと、抽出液カートリッジとの嵌合を示す模式図である。

〔実施形態１〕
以下、図面を参照しながら、本発明に係る測定装置の実施の形態について説明する。また、図面におけるそれぞれの構成部材の厚みや長さ等は、本発明の理解を助けるために示したものであり、本発明は、図示される構成に限定されるものではない。

図１に、本発明の実施形態１に係る測定装置１００の構成概略図を示す。本発明の実施形態１に係る測定装置１００は、吸光光度法により測定を行う測定装置であり、図１に示すように、発光部１０１と、チップ１０２と、受光部１０３と、参照用受光部１０４と、ハーフミラー１０８と、駆動部（動作部）１０５と、計測部１０９と、気泡誤差除去部１１０と、制御部１１１とを備える。

以下に各部の構成について詳細に説明する。

図２は、発光部１０１の構成概略図である。図２に示すように、発光部１０１は、発光波長がそれぞれ異なる複数の光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃと、複数の光源２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃのそれぞれに対応するコリメートレンズ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと、ダイクロイックミラー２０３ａ、２０３ｂと、アパーチャー２０４と、フィルターアレイ２０５とを備える。

発光部１０１は、制御部１１１と接続しており、複数の光源２０１ａ〜２０１ｃのそれぞれは、制御部１１１からの信号により発光、消灯および発光強度が制御されている。本実施形態においては、光源２０１ａとして白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を、光源２０１ｂとして青色ＬＥＤを、光源２０１ｃとして赤色ＬＥＤを用いた。

ダイクロイックミラー２０３ａ、２０３ｂは、特定の波長帯の光を透過させ、別の特定の波長帯の光を反射する鏡である。本実施形態においては、ダイクロイックミラー２０３ａは、４７０ｎｍ〜１６００ｎｍの波長帯の光を透過させ、３５０ｎｍ〜４３０ｎｍの波長帯の光を反射させるものを用いた。また、ダイクロイックミラー２０３ｂは４００ｎｍ〜６３０ｎｍの波長帯の光を透過させ、６７５ｎｍ〜８５０ｎｍの波長帯の光を反射させるものを用いた。

図３は、図２に示すフィルターアレイ２０５を上方から見た正面図である。図３に示すようにフィルターアレイ２０５は、同一円周上に配置された、透過波長帯域の異なる複数の干渉フィルター３０１〜３０６を備えている。本実施形態においては、干渉フィルター３０１〜３０６としてそれぞれ透過波長帯域が４２０ｎｍ、５２０ｎｍ、５７０ｎｍ、６１０ｎｍ、７１０ｎｍ、７２０ｎｍの干渉フィルターを用いた。

発光部１０１は、制御部１１１からの信号に応じて、複数の光源２０１ａ〜２０１ｃが発光する。光源２０１ａ〜２０１ｃから射出された光は、各光源２０１ａ〜２０１ｃに対応するコリメートレンズ２０２ａ〜２０２ｃにより指向され、ダイクロイックミラー２０３ａ、２０３ｂにより光路が合される。そして、アパーチャー２０４によりビーム径が調整され、フィルターアレイ２０５へと導かれる。フィルターアレイ２０５は、複数の光源２０１ａ〜２０１ｃの制御と同期して光の進行方向に沿った回転軸の周りに回転するように制御されており、アパーチャー２０４を通過した光から特定の波長のみを選択して透過させる。フィルターアレイ２０５を透過した光は、光３００として発光部１０１から射出される。

ハーフミラー１０８は、発光部１０１から射出された光３００をチップ１０２側と参照用受光部１０４側とに分岐させる。

参照用受光部１０４は、ハーフミラー１０８により分岐された光を受光すると共に、受光した光に基づく信号を計測部１０９に供給する。

図４はチップ１０２を示す概略図であり、図４の（ａ）は、チップ１０２を上方からみた正面図であり、図４の（ｂ）は、チップ１０２に備えられるセル４００の形状の一例を示す概略図である。

図４の（ａ）に示すように、チップ１０２は円盤状であり、回転軸４５０を中心に、放射状に複数のセル４００が形成されている。なお、本実施形態においては、複数のセル４００が６つ形成されたチップ１０２を用いた。チップ１０２は、発光部１０１から射出されてハーフミラー１０８を通過した光３００を透過するように、透明材で構成されており、例えば、シリコーン、ガラス、プラスチック等で構成されている。複数のセル４００は、チップ１０２の表面に露出して形成されるものではないが、内部構造を理解しやすいように実線で示している。

図４の（ｂ）に示すように、複数のセル４００のそれぞれには、土壌から抽出した抽出液を注入する試料室４０１と、試薬を格納する試薬室４０２、４０３と、測定室４０４とが形成されている。試薬室４０３と、試料室４０１、試薬室４０２および測定室４０４との間には流路４０５が形成されており、試薬室４０３と、試料室４０１、試薬室４０２および測定室４０４とは連通している。

また、チップ１０２の大きさは、例えば直径が２０ｃｍ程度であり、複数のセル４００のそれぞれの大きさは、図４の（ｂ）の長手方向が４〜５ｃｍ、短手方向が２〜３ｃｍ程度の大きさである。

受光部１０３は、発光部１０１から射出され、チップ１０２の測定室４０４を透過した光３００を受光する。

計測部１０９は、参照用受光部１０４、受光部１０３および気泡誤差除去部１１０と接続している。計測部１０９は、参照用受光部１０４および受光部１０３のそれぞれが受光した光の強度を測定するとともに、測定結果に基づいて各種データ（土壌成分濃度、ｐＨ等）を算出する。

気泡誤差除去部１１０は、計測部１０９の測定したデータから、誤差を除去する。気泡誤差除去部１１０の動作の詳細は後述する。

駆動部１０５は、チップ１０２の下方に備えられ、チップ１０２を駆動する（動作させる）。駆動部１０５は、回転駆動部１０６と、並進駆動ユニット（並進駆動部）１０７とを有する。回転駆動部１０６は、チップ１０２を、発光部１０１から射出される光３００と平行な、チップ１０２の回転軸４５０を中心として回転動作してチップ１０２を回転駆動する。並進駆動ユニット１０７は、並進駆動部１０７ａと、並進駆動部１０７ｂとからなる。並進駆動部１０７ａおよび並進駆動部１０７ｂは、チップ１０２を回転軸４５０に垂直な面内で、所定の方向に往復運動させる（１軸駆動する）。また、並進駆動部１０７ａおよび並進駆動部１０７ｂは、それぞれの往復運動の方向が、回転軸４５０に垂直な面内で、互いに垂直になるように配置されている。

なお、本実施形態においては、駆動部１０５が、２つの並進駆動部１０７ａと並進駆動部１０７ｂとを有する並進駆動ユニット１０７を備えている例を示したが、これに限られるものでは無く、並進駆動部は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

制御部１１１は、発光部１０１、計測部１０９、気泡誤差除去部１１０および駆動部１０５と接続しており、各部の動作を制御する。

次に、測定時の各部の動作について説明する。本実施形態においては、土壌成分の一例として硝酸態窒素濃度の測定について述べる。

チップ１０２として、試薬室４０２に５ｗｔ％サリチル酸−硫酸水溶液が０．４ｍｌ、試薬室４０３に２ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液が１０ｍｌ予め注入されたチップ１０２を用いる。土壌抽出液としては、土壌０．４ｇに水１００ｍｌを加え、振とうした後、ろ過し、ろ液を試料室４０１へ注入した。また、試薬室４０３と測定室４０４との間の流路４０５には、開閉式の弁が設けられており、弁は閉じられた状態となっている。

土壌抽出液を試料室４０１へ注入後、測定が開始すると、駆動部１０５は輸送動作モードで動作する。輸送動作モードとして、まず回転駆動部１０６が回転する。回転駆動部１０６の回転により、チップ１０２は、回転軸４５０を中心として回転を開始し、セル４００には、図４の（ｂ）に矢印Ｆで示す方向に遠心力（慣性力）が作用する。そのため、試料室４０１の土壌抽出液および試薬室４０２の試薬が流路４０５を通り試薬室４０３へと移動する。これにより、試薬室４０３内に測定対象となる混合液が生成される。

次に、混合液の攪拌が行われる。混合液の攪拌は、回転駆動部１０６の回転運動と、並進駆動ユニット１０７の往復運動との組み合わせよって行われる。回転駆動部１０６と並進駆動ユニット１０７とを駆動することにより、混合液を均一に攪拌することが可能となる。

混合液の攪拌は、回転駆動部１０６と並進駆動ユニット１０７とを組み合わせて同時に駆動することで行ってもよいし、回転駆動部１０６、並進駆動部１０７ａ、並進駆動部１０７ｂのそれぞれを個別に時間差を空けて駆動することで行ってもよい。また、攪拌において、回転駆動部１０６を一定の速度で回転させてもよいし、加速度を付けて回転させたり、逆回転させたりしてもよいし、これらを組み合わせて回転させてもよい。

混合液の攪拌が終了すると、試薬室４０３と測定室４０４との間の流路４０５に設けられた開閉式の弁を開放し、再び回転駆動部１０６を回転させることで、遠心力により混合液を測定室４０４へと移動させる。

混合液が測定室４０４へ移動すると、輸送動作モードが終了する。なお、上述の混合液の攪拌は、試薬室４０３で行ってもよいが、測定室４０４で行ってもよい。

次に図５を参照して、測定室４０４における測定時の動作について説明する。図５は、測定時におけるチップ１０２のセル４００を示した図であり、図５の（ａ）は、測定室４０４周辺の部分拡大図である。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に示すＡ−Ａ’線矢視断面図である。

混合液の測定室４０４への移動が完了すると、駆動部１０５は、走査測定動作モードで動作する。走査測定動作モードとして、まず回転駆動部１０６の回転動作および並進駆動ユニット１０７の並進動作により、発光部１０１から射出された光３００が測定対象の混合液が収容された測定室４０４を透過する位置へとチップ１０２が移動する。

測定室４０４が発光部１０１から射出された光３００を透過する位置へと移動すると、次に、発光部１０１から光３００が射出される。

上記混合液は、４１０ｎｍ〜４２０ｎｍの波長帯の付近に硝酸態窒素に依存した吸収帯域を持つため、発光部１０１の光源２０１ｂの青色ＬＥＤを発光させ、フィルターアレイ２０５は４２０ｎｍの干渉フィルター３０１を用いて測定を行った。

ここで、発光部１０１から射出された光３００は、ハーフミラー１０８によって、チップ１０２側と、参照用受光部１０４側に分岐される。参照用受光部１０４に入射された光の強度と、測定室４０４を透過し、受光部１０３へと入射される光の強度とを計測部１０９が測定し、比較することで、混合液の吸光度（透過率）が算出される。また、参照用受光部１０４により、チップ１０２に入射前の光の強度を測定しているため、熱や光源の劣化等による影響で発光部１０１からの出力が変動したとしても、混合液の透過率を正確に求めることが可能である。

次に、光源２０１ｂを点灯させたまま、駆動部１０５により、図５の（ａ）に矢印５００で示すように、光３００が矩形の渦巻き状の軌跡を描くように、チップ１０２を移動させる。言い換えれば、駆動部１０５の並進駆動部１０７ａおよび並進駆動部１０７ｂのそれぞれを並進動作させることで、チップ１０２の測定室４０４と発光部１０１とを相対的に移動させ、光３００が測定室４０４を２次元的に走査する。

チップ１０２が移動している間、計測部１０９は、受光部１０３と参照用受光部１０４とに入射される光の強度を一定間隔で、複数個所において測定する。計測部１０９は、受光部１０３と参照用受光部１０４とのそれぞれに入射した光の強度と、あらかじめ測定室４０４が空の状態で測定した表面反射強度の値とから、波長が４２０ｎｍ近辺の混合液の透過率を測定する。上記混合液は、硝酸態窒素の量に応じた吸収を示すため、計測部１０９はあらかじめ測定した検量線の値とランバート・ベールの法則とから上記混合液中の硝酸態窒素の濃度を算出することができる。

ここで、図５の（ｂ）に示すように、測定室４０４内には、輸送動作モードの過程で生じた気泡５０１が測定室４０４の内壁に付着している場合がある。測定の際に光３００が気泡５０１を透過すると、気泡５０１によって光３００が散乱し、受光部１０３で測定される光の強度は、気泡が無い領域と比較して低下する。なお本発明において気泡とは、気泡の他に、土壌抽出液に含まれる、例えば細かいゴミ等の不純物に代表されるような、光を散乱させる浮遊粒子等も含む。

図６は、測定室４０４内に気泡５０１が存在する状態で測定を行った場合における、受光部１０３が計測部１０９へ出力する受光信号の出力結果を示すヒストグラムである。図６の横軸は、受光部１０３からの受光信号の出力値であり、縦軸は発生頻度（個数）である。

測定室４０４内に気泡５０１が存在する状態で測定を行うと、図６に示すように、受光部１０３からの受光信号の出力値に基づくヒストグラムは、領域αと領域βとの２つの領域に分かれた分布を示す。これは、上述したように光３００が気泡５０１を透過する際に散乱されるため、領域βで示す気泡５０１を透過した光（気泡測定結果）と、領域αで示す気泡５０１が無い部分を透過した光（非気泡測定結果）とで受光部１０３が出力される受光信号の値が変化することによる。

ここで、図６に領域βで示した範囲の強度を有する受光信号を吸光度の算出に含めると、正確な硝酸態窒素の濃度の算出を行うことができない。そのため、本実施形態に係る測定装置１００においては、気泡誤差除去部１１０がある閾値を定め、受光信号が、気泡５０１を透過した光に基づくものであるか、気泡５０１が無い部分を透過した光に基づくものであるかの判定を気泡誤差除去部１１０が行い、図６の領域αで示す範囲の強度を有する受光信号のみを計測部１０９が吸光度の算出に使用することで、正確な硝酸態窒素の濃度の算出を可能としている。

具体的には、領域βにおいては、受光部１０３が出力する受光信号の強度が、領域αに対応する受光信号の強度と比較して気泡５０１の散乱によって低下することが明らかである。このため、気泡誤差除去部１１０は、受光部１０３からの受光信号の出力値のヒストグラムを求めることで、出力値が高い順から発生頻度（個数）のカウントを行う。気泡誤差除去部１１０は、個数が連続的に減少し、最小値あるいは個数が０になった値を閾値として設定する。

気泡誤差除去部１１０が、閾値を設定する別の方法としては、受光部１０３からの受光信号の出力値を値が高い順に並び替え、ｎ個目とｎ＋１個目との出力値の差分を算出し（ｎは自然数）、算出した差分が極端に大きくなった値の出力値を閾値としてもよい。

図７は、受光部１０３からの受光信号の出力値を高い順に並び替えたときの順番Ｎ（データ個数）と、Ｎ個目までの出力値の標準偏差との間の関係を示すグラフである。図７に示すように、標準偏差が極端に増加し始める点（点γ）が存在する。この点γに対応する受光部１０３からの受光信号の出力値を閾値としてもよい。

また、参照用受光部１０４が出力する受光信号の値から一定の値を減じた値を閾値としてもよい。

このように、気泡誤差除去部１１０が、受光部１０３から出力された複数の受光信号から気泡５０１を透過した気泡受光信号を除く方法は種々挙げることができ、何れの方法を用いてもよい。

上記の手法で気泡誤差除去部１１０が、受光部１０３の受光信号の出力値のうち非気泡受光信号のみを選択し、気泡受光信号を除いた出力値の平均値を透過光の強度とする。これにより、混合液中の硝酸態窒素濃度を精度よく求めることができる。

また、透過光の強度とするのは、気泡受光信号を除いた出力値の中央値であってもよい。さらに、気泡受光信号を除いた出力値のそれぞれで吸光度を算出し、その平均値または中央値を用いて硝酸態窒素濃度を算出してもよい。

以上のように、発光部１０１から射出された光３００が測定室４０４を透過する位置を連続的に変化させながら受光部１０３に入射する光の強度を表す受光信号を測定することで、測定室４０４において、気泡５０１が存在しない場所で測定を行うことが可能となる。さらに、気泡誤差除去部１１０は、測定した値から気泡５０１を透過した異常な値を除き、計測部１０９は、気泡誤差除去部１１０が異常な値を除去した後の測定値に基づいて硝酸態窒素の濃度を算出することで、測定室４０４内で発生する気泡に起因する誤差を排除することができる。これにより、精度よく土壌抽出液の硝酸態窒素の濃度を測定することができる。

また、上述の実施形態においては、図５の（ｂ）に示すように測定室４０４や流路４０５が密閉されている例を示したが、これに限られるものではなく、必要に応じて、空気の抜け穴が測定室４０４や流路４０５等に形成されていてもよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本発明の第２の実施形態に係る測定装置１００は、並進駆動ユニット１０７として位置決め可能な電動シリンダーを用いる。

上述の第１の実施形態においては、測定室４０４内を透過した光の強度を算出する際に、気泡５０１を透過した出力値を除いて算出を行った。

本実施形態に係る測定装置１００においては、位置決めが可能な並進駆動ユニット１０７を用いている。ここで、まず、上述の第１の実施形態に示した方法で測定を行う。その際に、気泡誤差除去部１１０は、受光部１０３からの受光信号の出力値と、並進駆動ユニット１０７の制御値（座標）とのテーブルを作成する。これにより、気泡誤差除去部１１０は、気泡５０１が存在する領域を特定することができる。

次に、このようにして特定した、気泡５０１が存在する領域を除いた座標において、２回目の測定を行う。これにより気泡５０１の影響が及ばない透過光の強度を測定することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係る測定装置１００おいては、上述の第１の実施形態で示した測定と、気泡５０１が存在する領域を除いた座標での測定との２回の測定を行う。これにより、測定のサンプル数が増え、より正確に透過光の強度、および、当該強度を用いて算出される硝酸態窒素の濃度を測定することが可能となる。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、図８に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

上述の第１の実施形態においては、測定室４０４内に気泡５０１が発生している場合は、チップ１０２を移動させながら測定を行い、気泡５０１を透過した光に基づく受光信号の強度を除いて吸光度の算出を行った。また、上記の測定結果のヒストグラムを用いることで、気泡５０１を透過した光に対応する受光信号の出力値の個数を求めることができる。しかしながら、気泡５０１を透過した光に対応する受光信号の出力値の個数が、全出力値に対して多い場合、たとえば、全出力値に対して半数以上が気泡５０１を透過した光の受光信号の出力値である場合は、算出に用いられるサンプル数が少なくなってしまい、測定の信頼度が低下してしまうという問題がある。

本発明の第３の実施形態に係る測定装置１００においては、気泡誤差除去部１１０が気泡５０１を透過した出力値が多いと判断した場合には、チップ１０２を再び駆動させ、気泡５０１の影響を低減させる。

図８を参照して具体的に説明する。図８は、本実施形態に係る測定装置１００におけるチップ１０２の測定時の様子を示した図であり、図８の（ａ）は、測定室４０４周辺の部分拡大図であり、図８の（ｂ）は、図８の（ａ）におけるＢ−Ｂ’線矢視断面図である。

本実施形態に係る測定装置１００は、まず第１の実施形態と同様の測定を行う。その際に、気泡５０１を透過した光に対応する受光信号の出力値の個数が、全出力値に対して多い場合、駆動部１０５を動作させ、チップ１０２を駆動して、再度混合液の攪拌を行う。当該攪拌は、回転駆動部１０６と、並進駆動ユニット１０７とを組み合わせて動作させる。

そのため、回転駆動部１０６の回転により、チップ１０２の測定室４０４には遠心力が作用する。これにより、混合液は測定室４０４の外側に寄り、また、図８の（ｂ）に示すように、気泡５０１は内側に寄る。

当該攪拌が終了した後、図８の（ａ）に矢印５００’で示すように、測定室４０４の中心から、チップ１０２の半径方向外側に向かって、周方向を往復するように光３００を走査する。このように、測定室４０４の中心より半径方向外側のみを走査することで、内側に寄せられている気泡５０１の影響を低減した受光信号の出力値を得ることができる。

上述の２回の測定で得た出力値から測定値を算出する方法としては、第１の実施形態で示した方法を用いて測定値を算出する。また、第２の実施形態で示したように、２回目の測定で得られた出力値から、気泡５０１を透過した出力値の座標を特定し、これに基づいて３回目の測定を行い、これらを用いて測定値を算出してもよい。

本実施形態においては、上述の方法により測定を行うことで、測定室４０４内に気泡５０１が存在し、受光部１０３の出力値が一定以上気泡５０１の影響を受けていたとしても、気泡５０１の影響を低減し、安定した精度のよい測定を行うことが可能となる。

〔実施形態４〕
本発明のさらに他の実施形態について説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

本発明の第４の実施形態に係る測定装置において、図４に示したようにチップ１０２には複数のセル４００が形成されている。そのため、複数の地点で採取した土壌から生成した土壌抽出液をそれぞれのセル４００に注入し、測定を行うことができる。これにより、１つの圃場、例えばビニールハウスや、畝の中といった場所での土壌成分のマッピングが可能となり、作物の育成に適した土壌形成が可能となる。すなわち、肥料の過剰投入や、肥料の不足を防止し、データに裏付けされた施肥設計が可能となる。これにより、圃場の最適な肥培管理を行うことができる。

〔実施形態５〕
本発明のさらに他の実施形態について、図９に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

第１の実施形態おいて示したチップ１０２およびチップ１０２に形成されたセル４００は、硝酸態窒素濃度を測定するための物であったが、これに限られるものではない。チップ１０２には、他の測定したい土壌成分にあわせた形状のセルも合わせて形成されていてもよく、別の組み合わせの試薬を用いることで、１枚のチップで複数の土壌成分を測定できるような構成であってもよい。

本発明の第５の実施形態に係る測定装置は、第１の実施形態に示した測定装置とは異なる構造のセルを備える。

図９は、本実施形態に係る測定装置のチップ１０２に備えられる、第１の実施形態とは異なるセル８００の形状を示す概略図である。図９に示すように、本実施形態に係るセル８００は、試料室８０１、試薬室８０２〜８０５、測定室８０６を有する。

測定室８０６は、第１の実施形態と同様に、セル８００において、チップ１０２の半径方向の一番外側となるように形成されている。

試薬室８０４は、測定室８０６の半径方向内側に形成され、流路８０７で繋がっている。また、試薬室８０４から半径方向内側に向かって、三叉状に流路８０７が伸びており、それぞれ試薬室８０５、試料室８０１、および、試薬室８０３とつながっている。試薬室８０３には、試薬室８０３から見て試薬室８０４とは逆方向に、さらに流路８０７が伸びており、その先に試薬室８０２が形成されている。

また、各試薬室間、および、試薬室８０４と、試料室８０１または測定室８０６との間の流路８０７には図示しない開閉式の弁が設けられている。

本実施形態においては、土壌中のリン酸の濃度を測定するために、試薬室８０２には水、試薬室８０３にはＬ−アスコルビン酸粉末、試薬室８０４および試薬室８０５には、硫酸と、モリブデン酸アンモニウム溶液と、酒石酸アンモニウムカリウム溶液との混合液（以下Ａ液とする）があらかじめ収容されている。試料室８０１には、土壌から抽出した土壌抽出液が注入される。

測定が開始されるとまず、試薬室８０２と試薬室８０３との間の弁を開き、チップ１０２を回転駆動すると共に、攪拌を行う。これにより、試薬室８０２に収容されている水が試薬室８０３へと移動し、試薬室８０３内でＬ−アスコルビン酸水溶液が生成される。これは、アスコルビン酸の水溶液は長期保存が困難であり、測定を行う際に水溶液を生成する必要があるからである。

次に、試薬室８０４と、試料室８０１、試薬室８０３および試薬室８０５との間の弁を開き、チップ１０２を回転駆動させ、土壌抽出液、Ａ液およびアスコルビンサン水溶液を試薬室８０４に移動させる。その後、試薬室８０４内で攪拌を行い、混合液を生成する。

次に、試薬室８０４と測定室８０６との間の弁を開き、チップ１０２を回転駆動し、混合液を８０６へと誘導する。

このようにして生成した混合液は、７１０ｎｍ付近の波長帯にリン酸に依存した吸収帯域を持つ。そのため、発光部１０１において赤色ＬＥＤである光源２０１ｃを発光させ、フィルターアレイ２０５の７１０ｎｍの干渉フィルターを使用し、吸光度の測定を行う。

このように、測定対象とする土壌成分に応じて発色する試薬を用い、試薬を反応させる順番を考慮した構造を有するセルをチップに形成することで、様々な土壌成分を測定することが可能となる。

また、１つのチップ１０２上に、異なる構造を有するセルを形成することで、１つのチップで複数の土壌成分を分析することができる。例えば、インドフェノールノール法に基づいた手法による土壌成分中のアンモニア態窒素濃度、カタルド法による硝酸態窒素濃度、マーフォーライリー法による可給態リン酸といった種々の土壌成分の分析を１つのチップで行うことが可能となる。

この際、測定対象の混合液に応じて、混合液の吸収波長帯が異なる。そのため、発光部１０１は測定対象に合致する波長を射出し、また、光の強度や受光部１０３の受光感度を適宜調整することにより精度のよい測定を行うことが可能となる。

また、測定は、土壌成分の濃度に限られるものでは無く、例えばスルフォンサンフタレイン色素やアゾ色素等を用いる事で、土壌抽出液からｐＨを測定することも可能である。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る測定装置１００は、試料および試薬の混合液を収容する測定室４０４、８０６と、上記試料を収容し、上記測定室４０４、８０６と連通する試料室４０１、８０１と、上記試薬を収容し、上記測定室４０４、８０６と連通する試薬室４０２、４０３、８０２〜８０５とを有するチップ１０２と、上記測定室４０４、８０６に向かって光を発光する発光部１０１と、上記測定室４０４、８０６を透過した光を受光する受光部１０３と、上記受光部１０３が受光した光に基づいて上記混合液の吸光度を測定する計測部１０９と、上記チップ１０２を動作させる動作部（駆動部１０５）とを備え、上記動作部（駆動部１０５）は、上記チップ１０２の動作に基づく慣性力により、上記試料と上記試薬とを上記測定室４０４、８０６に輸送する輸送動作モードと、上記発光部１０１から発光した光が上記測定室４０４、８０６を走査するように、上記発光部１０１と上記測定室４０４、８０６とを相対的に動作させ、上記発光部１０１から発光して上記測定室４０４、８０６を走査した光に基づいて上記測定室４０４、８０６の複数個所において上記混合液の吸光度を測定する走査測定動作モードと、を切替可能である。

上記の構成によれば、本発明の態様１に係る測定装置１００は、動作部（駆動部１０５）が発光部１０１と測定室４０４、８０６とを相対的に動作させ、測定室４０４、８０６を走査した光に基づいて測定室４０４、８０６の複数個所において測定を行うことで、試料と試薬との混合液を収容する測定室４０４、８０６内に気泡５０１が存在したとしても、気泡５０１が存在しない箇所における測定が可能となり、混合液の吸光度を精度よく測定することができる。

本発明の態様２に係る測定装置１００は、上記態様１において、上記動作部（駆動部１０５）が、上記発光部１０１からの光に平行な回転軸の周りに上記チップ１０２を回転させる回転駆動部１０６と、上記光に垂直な面内で上記チップ１０２を少なくとも１軸駆動する並進駆動部（並進駆動ユニット１０７）とを備え、上記輸送動作モードでは、上記チップ１０２の回転に基づく遠心力により上記試料と上記試薬とが上記測定室４０４、８０６に輸送され、上記走査測定動作モードでは、上記チップの回転動作と並進動作との組み合わせにより、上記発光部１０１からの光が上記測定室４０４、８０６を２次元的に走査する。

上記の構成によれば、本発明の態様２に係る測定装置１００は、動作部（駆動部１０５）が回転駆動部１０６と並進駆動部（並進駆動ユニット１０７）とを備えており、１つの動作部（駆動部１０５）が輸送動作モードと、走査測定動作モードとを切り替え可能であることにより、従来用いられている測定装置と比較して、新たな構成要素を追加することなく、気泡の影響を除外することができ、吸光度を正確に測定することが可能となる。

本発明の態様３に係る測定装置１００は、上記態様１において、上記測定室４０４、８０６は、上記混合液と、上記混合液を作成する過程で発生した気泡５０１とを収容するものであって、上記気泡５０１による上記光の散乱の影響を、上記走査測定動作モードによる、上記測定室４０４、８０６の複数個所における複数の測定結果に基づいて除去する気泡誤差除去部１１０をさらに備える。

上記の構成によれば、気泡誤差除去部１１０が、試料および試薬の混合液を作成する過程で発生した気泡５０１による光の散乱に起因して生じる吸光度の誤差を除去するため、試料および試薬の混合液の吸光度を正確に測定することが可能となる。

本発明の態様４に係る測定装置１００は、上記態様３において、上記気泡誤差除去部１１０が、上記測定室４０４、８０６の複数個所における複数の測定結果のそれぞれが、上記気泡５０１を透過しない光に基づく非気泡測定結果であるか、上記気泡を透過した光に基づく気泡測定結果であるかを判定し、上記計測部１０９は、上記気泡誤差除去部１１０により判定された非気泡測定結果に基づいて上記混合液の吸光度を測定する。

上記の構成によれば、気泡誤差除去部１１０が、測定室４０４、８０６の複数個所における複数の測定結果のそれぞれが、気泡５０１を透過しない光に基づく非気泡測定結果であるか、気泡を透過した光に基づく気泡測定結果であるかの判定を行い、計測部１０９が、気泡誤差除去部１１０により判定された非気泡測定結果に基づいて混合液の吸光度を測定する。これにより、気泡５０１を透過せずに受光部１０３へと入射した光の強度のみを吸光度の算出に用いる事ができ、試料および試薬の混合液の吸光度を正確に測定することが可能となる。

本発明の態様５に係る測定装置１００は、上記態様４において、上記気泡誤差除去部１１０が、所定の閾値に基づいて、上記複数の測定結果のそれぞれが、上記非気泡測定結果であるか、上記気泡測定結果であるかを判定する。

上記の構成によれば、気泡誤差除去部１１０が閾値に基づいて気泡測定結果と非気泡測定結果とを分けることができる。そのため、非気泡測定結果のみを選択して吸光度を算出することで、正確な吸光度を算出することができる。

本発明の態様６に係る測定装置１００は、上記態様４において、上記動作部（駆動部１０５）が、上記気泡誤差除去部１１０により判定された非気泡測定結果に対応する測定室４０４、８０６の位置のみを前記光が走査するように上記発光部１０１と上記測定室４０４、８０６とを相対的に移動させる。

上記の構成によれば、動作部（駆動部１０５）が、発光部１０１と測定室４０４、８０６とを相対的に移動させ、非気泡測定結果に対応する測定室４０４、８０６の位置のみを走査することで、気泡５０１が発生している箇所を除外することができ、吸光度を正確に測定することが可能となる。

本発明の態様７に係る測定装置１００は、上記態様２において、上記測定室４０４、８０６は、上記混合液と、上記混合液を作成する過程で発生した気泡５０１とを収容するものであって、上記回転駆動部１０６が、上記測定室４０４、８０６に働く遠心力に基づいて、上記混合液を上記測定室４０４、８０６の外側に寄せ、上記気泡５０１を上記測定室４０４、８０６の内側に寄せ、上記動作部（駆動部１０５）は、上記発光部１０１からの光が、上記測定室４０４、８０６の外側を走査するように、上記発光部１０１と上記測定室４０４、８０６とを相対的に移動させる。

上記の構成によれば、上記の構成によれば、回転駆動部１０６の動作により、測定室４０４、８０６の半径方向内側に気泡５０１を寄せ、混合液を測定室４０４、８０６の半径方向外側に寄せることができる。そのため、外側に寄せられた混合液のみを走査し、吸光度の測定を行うことで、気泡５０１の影響を除去した吸光度を測定することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、測定装置、特に土壌成分の分析に好適な測定装置に利用することができる。

１００ 測定装置
１０１ 発光部
１０２ チップ
１０３ 受光部
１０５ 駆動部（動作部）
１０６ 回転駆動部
１０７ 並進駆動ユニット（並進駆動部）
１０９ 計測部
１１０ 気泡誤差除去部
４０１、８０１ 試料室
４０２、４０３、８０２〜８０５ 試薬室
４０４、８０６ 測定室
５０１ 気泡

Claims (7)

1. 試料および試薬の混合液を収容する測定室と、上記試料を収容し、上記測定室と連通する試料室と、上記試薬を収容し、上記測定室と連通する試薬室とを有するチップと、
   上記測定室に向かって光を発光する発光部と、
   上記測定室を透過した光を受光する受光部と、
   上記受光部が受光した光に基づいて上記混合液の吸光度を測定する計測部と、
   上記チップを動作させる動作部とを備え、
   上記動作部は、
   上記チップの動作に基づく慣性力により、上記試料と上記試薬とを上記測定室に輸送する輸送動作モードと、
   上記発光部から発光した光が上記測定室を走査するように、上記発光部と上記測定室とを相対的に動作させ、上記発光部から発光して上記測定室を走査した光に基づいて上記測定室の複数個所において上記混合液の吸光度を測定する走査測定動作モードと、を切替可能であることを特徴とする測定装置。
2. 上記動作部は、
   上記発光部からの光に平行な回転軸の周りに上記チップを回転させる回転駆動部と、
   上記光に垂直な面内で上記チップを少なくとも１軸駆動する並進駆動部とを備え、
   上記輸送動作モードでは、上記チップの回転に基づく遠心力により上記試料と上記試薬とが上記測定室に輸送され、
   上記走査測定動作モードでは、上記チップの回転動作と並進動作との組み合わせにより、上記発光部からの光が上記測定室を２次元的に走査する請求項１に記載の測定装置。
3. 上記測定室は、上記混合液と、上記混合液を作成する過程で発生した気泡とを収容するものであって、
   上記気泡による上記光の散乱の影響を、上記走査測定動作モードによる、上記測定室の複数個所における複数の測定結果に基づいて除去する気泡誤差除去部をさらに備える請求項１に記載の測定装置。
4. 上記気泡誤差除去部は、上記測定室の複数個所における複数の測定結果のそれぞれが、上記気泡を透過しない光に基づく非気泡測定結果であるか、上記気泡を透過した光に基づく気泡測定結果であるかを判定し、
   上記計測部は、上記気泡誤差除去部により判定された非気泡測定結果に基づいて上記混合液の吸光度を測定する請求項３に記載の測定装置。
5. 上記気泡誤差除去部は、所定の閾値に基づいて、上記複数の測定結果のそれぞれが、上記非気泡測定結果であるか、上記気泡測定結果であるかを判定する請求項４に記載の測定装置。
6. 上記動作部は、上記気泡誤差除去部により判定された非気泡測定結果に対応する測定室の位置のみを前記光が走査するように上記発光部と上記測定室とを相対的に移動させる請求項４に記載の測定装置。
7. 上記測定室は、上記混合液と、上記混合液を作成する過程で発生した気泡とを収容するものであって、
   上記回転駆動部は、上記測定室に働く遠心力に基づいて、上記混合液を上記測定室の外側に寄せ、上記気泡を上記測定室の内側に寄せ、
   上記動作部は、上記発光部からの光が、上記測定室の外側を走査するように、上記発光部と上記測定室とを相対的に移動させる請求項２に記載の測定装置。

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