JP2015059860A

JP2015059860A - 植物生体電位変化のモニタリング方法及び装置

Info

Publication number: JP2015059860A
Application number: JP2013194353A
Authority: JP
Inventors: 藤嶋　昭; Akira Fujishima; 昭藤嶋; 剛落合; Takeshi Ochiai; 祥子田子; Sachiko Tago
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】公知の方法よりも高感度に植物生体電位変化を測定することができる、植物生体電位変化のモニタリング方法及びそれに用いられる装置を提供すること。【解決手段】植物生体電位変化のモニタリング方法は、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極を、それぞれ植物体の異なる部位と接触させ、両電極間の電位差を連続的に測定することを含む。この方法を実施するために用いられる植物生体電位変化のモニタリング装置は、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極と、これらの電極と接続された増幅アンプと、この増幅アンプに接続されたA/Dコンバーターとを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、植物生体電位変化のモニタリング方法及びそれに用いられる装置に関する。本発明は、植物の生育状況や植物の環境変化のモニタリングや、大規模地震や火山噴火の前兆の検出並びにこれらの研究に用いることができる。

従来、植物生体電位の変化を測定することにより、植物の生育状況や植物の環境変化のモニタリング（非特許文献１）や、大規模地震や火山噴火の前兆の検出（非特許文献２）を行うことが提案されている。これらの公知の方法では、電極としては線状ないしは棒状の銀電極や、平板状の白金電極等が用いられている。また、植物生体電位の変化は、一対の電極のうち、一方の電極を植物体と接触させ、他方の電極をアースして両者の電位差、すなわち、植物体の電位を測定することにより行われている。

大薮多可志、勝部昭明、植物生体電位とコミュニケーション（2009海文堂）鳥山英雄、樹木・大地・地震―植物生理学と地球物理学の学際序説（2008丸善）

上記のとおり、植物生体電位変化をモニタリングすることは提案されているが、測定感度が不十分なため、まだ実用化には至っていない。

本発明の目的は、公知の方法よりも高感度に植物生体電位変化を測定することができる、植物生体電位変化のモニタリング方法及びそれに用いられる装置を提供することである。

本願発明者らは、鋭意研究の結果、電極として平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極を用い、かつ、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極をそれぞれ植物体の異なる部位と接触させ、両電極間の電位差を連続的に測定することにより、公知の方法よりも高感度に植物生体電位変化をモニタリングすることが可能であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極を、それぞれ植物体の異なる部位と接触させ、両電極間の電位差を連続的に測定することを含む、植物生体電位変化のモニタリング方法を提供する。また、本発明は、上記本発明の方法を実施するために用いられる植物生体電位変化のモニタリング装置であって、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極と、これらの電極と接続された増幅アンプと、該増幅アンプに接続されたA/Dコンバーターとを具備する装置を提供する。

本発明により、公知の方法よりも高感度に植物生体電位変化を測定することができる、新規な植物生体電位変化のモニタリング方法及びこの方法に用いられる装置が提供された。本発明の方法によれば、公知の方法よりも高感度に植物生体電位変化をモニタリングすることができるので、植物の生育状況や植物の環境変化のモニタリングや、大規模地震や火山噴火の前兆の検出をより高感度に行うことができる。

本発明の方法に利用可能な増幅アンプの１具体例の回路図である。本発明の実施例１及び比較例１で行った、サボテンを素手で触った際の電位変化の測定結果を示す図である。本発明の実施例２及び比較例２で行った、ヒサカキを対象とする電位変化の測定結果を示す図である。本発明の実施例３及び比較例３で行った、ヒサカキを対象とする電位変化の測定結果を示す図である。

本発明の方法には、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド(boron doped diamond、以下「BDD」と呼ぶことがある）電極が用いられる。BDD電極自体は周知であり、銀や白金等の他の電極に比べて電位窓が広く、バックグランド電流が小さいことが知られており、水の電解によるオゾン生成や、高感度電気化学センサ等に応用されている。BDD電極自体は市販されているので、市販品を好ましく用いることができる。

用いるBDD電極は、平板状である。従って、電極の厚さと電極の平面形状の短辺（長方形の場合は短辺、正方形の場合は辺、円形の場合は直径、楕円形の場合は短径等）との比は、通常、１：０．００５〜１：０．５程度、好ましくは１：０．０１〜１：０．１程度である。また、平面形状の短辺と長辺の比は、通常、１：０．１〜１：１程度、好ましくは１：０．５〜１：１程度である。平面形状は、特に限定されず、通常、長方形、正方形、円形、楕円形等であるがこれらに限定されず、他の多角形状等であってもよい。具体的なサイズとしては、平面形状が正方形の場合、一辺が５mm〜２０mm程度、好ましくは１０mm〜１５mm程度であるがこれらに限定されるものではない。

本発明の方法では、上記した一対の平板状BDD電極を、それぞれ植物体の異なる部位と接触させ、両電極間の電位差を連続的に測定する。両電極間の電位差を増幅アンプで増幅して測定する。ここで用いられる増幅アンプは、両電極間の電位差を増幅できるものであれば何ら限定されるものではなく、周知の構成のものを用いることができる。例えば、図１に示すような、差動増幅回路とフィルタ回路を直列に接続したものを用いることができ、これにより、１万倍程度の増幅が可能である。増幅アンプの出力側を周知のA/Dコンバーターに接続して信号をデジタル化することが好ましく、A/Dコンバーターの出力側をパソコンに接続し、デジタル化された信号をパソコンに送ってパソコンで測定結果をモニタリングすることが好ましい。さらに、このパソコンをインターネット接続することにより、遠隔地にある複数の測定現場にあるパソコンからのデータを、１台のパソコンで集中的にモニタリングすることが可能になる。

モニタリングの対象となる植物体は、木本植物であることが好ましく、樹皮のある木本植物の場合には、該植物の樹皮を剥ぎ、露出した木部に上記両電極を接触させることが、高感度な測定のために好ましい。もっとも、下記実施例において用いられているサボテンも好ましく用いることができる。また、両電極を、前記植物体の、地上からの高さが同じ部位と接触させて（すなわち、両電極が水平方向に並ぶ）測定を行うことが、正確な測定のために好ましい。

本発明によれば、従来の電極と比較し、数十倍から百倍程度の感度で、植物生体電位変化の検出が可能になる。具体的な測定結果として、光や刺激に対する応答や、地震先行現象に由来すると考えられる生体電位変化の検出に成功している。また、本発明では、導電性ダイヤモンド電極の電気化学的特性を活かし、極めて高感度な生体電位変化測定システムを構築している。農畜産分野の生育管理や、地震の予知など、その応用範囲は極めて広範で、大きなインパクトがあると期待される。

以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

実施例１、比較例１
図１に示す構成を有する装置を作製した。BDD電極は、10mm x 10mm x ０．６mmのサイズを有する、平面形状が正方形の平板状BDD電極であった。平板状BDD電極は、市販品（商品名多結晶CVDダイヤモンド Electrochemistry Grade / Diafilm PE （ボロンドープ）、会社名Element Six Technologies）であった。一対の電極を、図２に模式的に示すような鉢植えのサボテン（学名：Opuntia hybrid plants）に粘着テープで貼り付けた。両電極の高さ（鉢内の土表面からの高さ）は同じにした（実施例１）。一方、比較のため、同じ装置を用い、一方の電極を鉢内の土にアースした（比較例１）。図１の増幅アンプに接続されたA/Dコンバーターに接続されたパソコンにより、電極間の電位差を測定した（ソフト：PicoLog for Windows（登録商標） 5.22.6）。測定中、素手でサボテンに触った。結果を図２に示す。

図２に示すように、実施例１及び比較例１のいずれにおいても、素手でサボテンに触ることにより、電極間の電位差が変化した。比較例１は、片方の電極をアースしているからサボテンの電位を測定している。実施例１は、サボテンに貼り付けた電極間の電位を測定しているが、比較例１と同じタイミングで電位差が大きく変化しているので、実施例１の方法においても、比較例１と同様、植物体の電位の変化が測定可能なことが明らかになった。そして、図２に示す結果から、一対の電極をサボテンに貼り付けた実施例１の方が、一方の電極をアースした比較例１よりも電位差の変位が大きく、高感度で測定できることが明らかになった。

実施例２、比較例２
ヒサカキの幹の樹皮を部分的に剥ぎ、図１に示す装置の一対のBDD電極を貼り付けた。両電極の高さ（地面からの高さ）は同じにした（実施例２）。一方、比較のため、一方の電極として棒状の銀電極を、木の幹に穴を空けて差し込み、他方の塩化銀電極を地面にアースして、実施例１と同様な装置で電位差を測定した（比較例２）。結果を図３に示す。

図３の下段に示すように、本発明の実施例２においては、赤矢印で示す異常な変化が測定できたが、比較例２の方法では、この変化は測定できなかった。従って、本発明の方法の方が、銀／塩化銀電極を用いる公知の方法よりも高感度な測定が可能であることがわかる。なお、この異常な変化の４日後に、測定地点から約１００km離れた千葉県南東沖の深さ70kmを震源とするマグニチュード4.1の地震が発生した。赤矢印で示される異常な変化は、この地震の前兆であった可能性があると考えられる。

実施例３、比較例３
実施例２と同様に、ヒサカキの電位変化を測定した（実施例３）。一方、実施例３で用いた装置の一対の電極を一対の白金の平板状電極に置き換え、同様にヒサカキの電位変化を測定した（比較例３）。結果を図４に示す。

図４に示すように、雨天時の正常パターンや、地震に起因すると予想される異常パターン１〜３のいずれにおいても、BDD平板電極を用いた本発明の方法は、白金平板電極を用いた比較例３の方法よりも高感度な測定が可能であった。

Claims

一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極を、それぞれ植物体の異なる部位と接触させ、両電極間の電位差を連続的に測定することを含む、植物生体電位変化のモニタリング方法。
前記両電極間の電位差を増幅アンプで増幅して測定することを含む、請求項１記載の方法。
前記植物が木本植物であり、該植物の樹皮を剥ぎ、露出した木部に上記両電極を接触させる請求項１又は２記載の方法。
前記両電極を、前記植物体の、地上からの高さが同じ部位と接触させて前記測定を行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
請求項１記載の方法を実施するために用いられる植物生体電位変化のモニタリング装置であって、一対の平板状のホウ素ドープダイヤモンド電極と、これらの電極と接続された増幅アンプと、該増幅アンプに接続されたA/Dコンバーターとを具備する装置。