JP2016148624A - Ion concentration analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、施設園芸で用いられる培養液の濃度の管理のほか、水中や土壌中などにおけるイオン濃度の分析に用いられるイオン濃度分析装置に関する。 The present invention relates to an ion concentration analyzer used for analyzing the concentration of ions in water and soil as well as managing the concentration of a culture solution used in facility horticulture.
現状の大型施設園芸では培養液は「掛け流し方式」で管理されており、供給量の約４０％は排液として系外へ排出されるため周辺環境への負荷や肥料・水道水コストの点で問題となっている。そのため、「循環型養液管理方式」の導入が必要とされている。「循環型養液管理方式」では培養液を循環し培養液の濃度を管理することで系外への培養液の排出はほとんど行われない。培養液の濃度は電気伝導度（ＥＣ）と水素イオン濃度（ｐＨ）を管理基準とし、濃縮培養液を追加することで培養液の濃度を制御している。ところが、作物のイオン吸収割合はイオンの種類によって異なっているため、各イオン濃度は時間とともに基準値から離れていくことになる。フリルアイス（レタスの一種）の場合、ＥＣとｐＨを保っても、Ｃａ２＋とＭｇ２＋は濃度が上昇し、逆にＮＯ３ −とＫ＋は減少することが分かっている。イオンバランスが崩れることによって特定の塩濃度が上昇し塩ストレスから肥料の吸収が阻害される。 In the current large-scale facility horticulture, the culture solution is managed by the “flow-through method”, and about 40% of the supply volume is discharged out of the system as drainage. It is a problem. Therefore, it is necessary to introduce a “circulating nutrient solution management system”. In the “circulating nutrient solution management system”, the culture solution is circulated and the concentration of the culture solution is controlled, so that the culture solution is hardly discharged out of the system. The concentration of the culture solution is based on the electrical conductivity (EC) and the hydrogen ion concentration (pH), and the concentration of the culture solution is controlled by adding a concentrated culture solution. However, since the ion absorption ratio of crops varies depending on the type of ions, each ion concentration deviates from the reference value with time. In the case of frilled ice (a kind of lettuce), it has been found that even if EC and pH are maintained, the concentrations of Ca 2+ and Mg 2+ increase, while NO 3 − and K + decrease. When the ion balance is disrupted, the specific salt concentration rises and the absorption of fertilizer is inhibited from salt stress.
このため、成長が阻害される前に培養液の１／４〜１／２を廃棄し新しい培養液を追加することが行われている。交換の頻度は１〜２カ月に１回であり、施設規模が大きくなるほど交換時間や附帯作業時間が長くなる。また、必要なイオンが予め混合された濃縮培養液は、単一の塩から成る単肥に比べ割高であるため、減少したイオン成分のみを補給する方法に比べて生産コストが高くなる。さらに、培養液を周辺の河川等に排出する場合、硝酸性窒素等の排出基準は１００ｐｐｍであるのに対し、標準組成の硝酸性窒素濃度は２３３ｐｐｍであり、他の窒素成分も考慮すると、３倍以上に水で希釈する必要がある。今後施設園芸の普及拡大と大規模化に伴って、環境への負荷が増大し問題になる可能性が高い。 For this reason, before the growth is inhibited, 1/4 to 1/2 of the culture solution is discarded and a new culture solution is added. The frequency of replacement is once every one to two months, and the replacement time and incidental work time become longer as the facility scale increases. In addition, a concentrated culture solution in which necessary ions are mixed in advance is expensive compared to a simple fertilizer made of a single salt, and therefore, the production cost is higher than a method of replenishing only a reduced ion component. Furthermore, when the culture solution is discharged to a surrounding river or the like, the discharge standard for nitrate nitrogen and the like is 100 ppm, whereas the nitrate nitrogen concentration of the standard composition is 233 ppm. It is necessary to dilute with water more than twice. In the future, with the spread and expansion of facility horticulture, it is highly possible that the environmental load will increase and become a problem.
一方、減少したイオン成分のみを補給する方法を採用すれば、培養液の廃棄に伴う諸問題を解決することが可能であるが、その方法を採用するためには、培養液中の各イオンの濃度を分析することが前提となる。しかしながら、従来、培養液中の各イオンの濃度を迅速かつ簡便に分析することのできる方法や装置は知られていない。そして、例えば、汎用的なイオンクロマトグラフィーによる測定を行う場合には、専門知識を有する技術者が測定する必要があり、試薬を用いた吸光度による測定を行う場合には、フェノキシナトリウムなどの有毒物を試薬に使用するため、廃液の厳重な管理が必要であるといった問題があった。 On the other hand, if a method of replenishing only the reduced ionic components is adopted, it is possible to solve various problems associated with discarding the culture solution. However, in order to adopt this method, each ion in the culture solution is It is assumed that the concentration is analyzed. However, conventionally, there is no known method or apparatus that can quickly and easily analyze the concentration of each ion in a culture solution. For example, when performing measurement by general-purpose ion chromatography, it is necessary for an engineer having expertise to measure, and when performing measurement by absorbance using a reagent, a toxic substance such as phenoxy sodium is used. Has been problematic in that it requires strict management of the waste liquid.
なお、特許文献１には、近赤外線測定器を用いて養液の成分を分析することが開示されているが、近赤外線領域には水の吸収があるため、この方法で微量のイオン濃度を分析することは困難である。 Patent Document 1 discloses that the components of the nutrient solution are analyzed using a near-infrared ray measuring device. However, since there is water absorption in the near-infrared region, a small amount of ion concentration can be obtained by this method. It is difficult to analyze.
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、専門的な知識を有さない作業員でも保守管理可能であり、培養液中の各イオンの濃度を迅速かつ簡便に分析することができ、さらに、水中や土壌中などにおけるイオン濃度の分析にも汎用的に用いることのできる、新規のイオン濃度分析装置を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention can be maintained and maintained even by workers who do not have specialized knowledge, and can quickly and easily analyze the concentration of each ion in the culture solution. It is an object of the present invention to provide a new ion concentration analyzer that can be used for general purposes in the analysis of ion concentrations in soil and soil.
本発明のイオン濃度分析装置は、試料液をサンプリングするサンプリングユニットと、このサンプリングユニットによりサンプリングされた試料を希釈する希釈ユニットと、この希釈ユニットにより希釈された試料に含まれるイオンの濃度を測定する測定ユニットとを備え、前記測定ユニットは、電気泳動チップを備えたことを特徴とする。 The ion concentration analyzer of the present invention measures a sampling unit that samples a sample solution, a dilution unit that dilutes a sample sampled by the sampling unit, and a concentration of ions contained in the sample diluted by the dilution unit. A measurement unit, and the measurement unit includes an electrophoresis chip.
また、前記電気泳動チップは、試料導入口と、試料排出口と、前記試料導入口と前記試料排出口とを結ぶ第一のキャピラリー流路と、緩衝液導入口と、緩衝液排出口と、前記緩衝液導入口と前記緩衝液排出口とを結ぶとともに前記第一のキャピラリー流路と交差して連通する第二のキャピラリー流路とを備え、前記試料導入口には第一の電源に接続された電極が配置され、前記緩衝液導入口には第二の電源に接続された電極が配置され、前記試料排出口には第一のスイッチを介して前記第一の電源に接続されるとともに第三のスイッチを介して接地された電極が配置され、前記緩衝液排出口には第二のスイッチを介して前記第一の電源に接続されるとともに第四のスイッチを介して接地された電極が配置されたことを特徴とする。 The electrophoresis chip includes a sample inlet, a sample outlet, a first capillary channel connecting the sample inlet and the sample outlet, a buffer inlet, a buffer outlet, A second capillary channel that connects the buffer solution inlet and the buffer solution outlet and communicates with the first capillary channel and communicates with the first capillary channel. The sample inlet is connected to a first power source. An electrode connected to a second power source is arranged at the buffer solution inlet, and the sample outlet is connected to the first power source via a first switch. An electrode grounded via a third switch is arranged, and the buffer solution outlet is connected to the first power source via a second switch and grounded via a fourth switch Is arranged.
本発明によれば、試料をサンプリングするサンプリングユニットと、このサンプリングユニットによりサンプリングされた試料を希釈する希釈ユニットと、この希釈ユニットにより希釈された試料に含まれるイオンの濃度を測定する測定ユニットとを備え、前記測定ユニットは、電気泳動チップを備えたことにより、専門的な知識を有さない作業員でも保守管理可能であり、微小量の試料を用いて試料中の各イオンの濃度を迅速かつ簡便に分析することができる。 According to the present invention, a sampling unit that samples a sample, a dilution unit that dilutes a sample sampled by the sampling unit, and a measurement unit that measures the concentration of ions contained in the sample diluted by the dilution unit. The measurement unit is equipped with an electrophoresis chip, so that even a worker who does not have specialized knowledge can maintain and manage it, and the concentration of each ion in the sample can be quickly and easily measured using a very small amount of sample. It can be easily analyzed.
また、前記電気泳動チップは、試料導入口と、試料排出口と、前記試料導入口と前記試料排出口とを結ぶ第一のキャピラリー流路と、緩衝液導入口と、緩衝液排出口と、前記緩衝液導入口と前記緩衝液排出口とを結ぶとともに前記第一の流路と交差して連通する第二のキャピラリー流路とを備え、前記試料導入口には第一の電源に接続された電極が配置され、前記緩衝液導入口には第二の電源に接続された電極が配置され、前記試料排出口には第一のスイッチを介して前記第一の電源に接続されるとともに第三のスイッチを介して接地された電極が配置され、前記緩衝液排出口には第二のスイッチを介して前記第一の電源に接続されるとともに第四のスイッチを介して接地された電極が配置されたことにより、４つの電極に印可される電圧を２つの電源で制御することができ、電源に係るコストを削減することができる。 The electrophoresis chip includes a sample inlet, a sample outlet, a first capillary channel connecting the sample inlet and the sample outlet, a buffer inlet, a buffer outlet, A second capillary channel that connects the buffer solution inlet and the buffer solution outlet and communicates with the first channel and intersects with the first channel; the sample inlet is connected to a first power source; An electrode connected to a second power source is arranged at the buffer solution inlet, and the sample outlet is connected to the first power source via a first switch and is connected to the first power source. An electrode grounded via a third switch is disposed, and an electrode grounded via a fourth switch is connected to the buffer solution outlet through the second switch and connected to the first power source. The voltage applied to the four electrodes One of it is possible to control the power supply, it is possible to reduce the cost of power.
以下、本発明のイオン濃度析装置の実施形態について、施設園芸に用いられる培養液分析装置を例にとって説明する。 Hereinafter, an embodiment of an ion concentration analyzer of the present invention will be described by taking a culture solution analyzer used for facility horticulture as an example.
本実施例の培養液分析装置を使用した施設園芸の概要を表した図１において、１はイオン濃度分析装置としての培養液分析装置であり、植物栽培棚101で栽培される植物102に供給される培養液103を試料としてサンプリングするように構成されている。具体的には、植物培養棚101の外部には、循環管104と、この循環管104の途中に設けられた循環ポンプ105が配置されており、培養液103は、循環管104と循環ポンプ105により、循環するようになっている。そして、循環管104から分岐して設けられたサンプリング管106から、培養液分析装置１に培養液がサンプリングされるようになっている。 In FIG. 1 showing an outline of facility horticulture using the culture solution analyzer of the present embodiment, reference numeral 1 denotes a culture solution analyzer as an ion concentration analyzer, which is supplied to a plant 102 cultivated on a plant cultivation shelf 101. The culture solution 103 is sampled as a sample. Specifically, a circulation pipe 104 and a circulation pump 105 provided in the middle of the circulation pipe 104 are arranged outside the plant culture shelf 101, and the culture solution 103 includes the circulation pipe 104 and the circulation pump 105. Because of this, it comes to circulate. The culture solution is sampled in the culture solution analyzer 1 from a sampling tube 106 that is branched from the circulation tube 104.
培養液分析装置１には、分析信号線107を介して解析制御装置108が接続しており、培養液分析装置１により分析された培養液中の各イオンの濃度データは、分析信号線107を介して解析制御装置108に伝送されるようになっている。 An analysis control device 108 is connected to the culture solution analyzer 1 through an analysis signal line 107, and the concentration data of each ion in the culture solution analyzed by the culture solution analyzer 1 is sent to the analysis signal line 107. To be transmitted to the analysis control device 108.
一方、循環管104には、複数の薬液供給ポンプ109を介して複数の薬液タンク110が接続している。また、複数の薬液供給ポンプ109には、それぞれ制御信号線111を介して解析制御装置108が接続している。そして、解析制御装置108は、培養液分析装置１により分析された培養液中の各イオンの濃度データをもとに不足している成分を自動的に解析し、不足している成分が収容された薬液タンク110が接続した薬液供給ポンプ109を動作させて、不足している成分を循環管104に自動的に供給するようになっている。 On the other hand, a plurality of chemical liquid tanks 110 are connected to the circulation pipe 104 via a plurality of chemical liquid supply pumps 109. An analysis control device 108 is connected to each of the plurality of chemical solution supply pumps 109 via control signal lines 111. Then, the analysis control device 108 automatically analyzes the missing component based on the concentration data of each ion in the culture solution analyzed by the culture solution analyzer 1, and the missing component is accommodated. The chemical supply pump 109 connected to the chemical liquid tank 110 is operated to automatically supply the missing component to the circulation pipe 104.
そして、以上の構成により、植物栽培棚101の培養液103中の各イオン濃度が一定に保たれるようになっている。 And by the above structure, each ion concentration in the culture solution 103 of the plant cultivation shelf 101 is kept constant.
つぎに、培養液分析装置１の構成について詳細に説明する。 Next, the configuration of the culture medium analyzer 1 will be described in detail.
本実施例の培養液分析装置１の全体構成を示す図２において、10は、培養液をサンプリングするサンプリングユニット、20は、このサンプリングユニット10によりサンプリングされた培養液を希釈する希釈ユニット、30は、この希釈ユニット20により希釈された培養液に含まれるイオンの濃度を測定する測定ユニットである。これらのサンプリングユニット10、希釈ユニット20、測定ユニット30の動作は、制御装置40により自動的に制御されるようになっている。 In FIG. 2 which shows the whole structure of the culture solution analyzer 1 of the present embodiment, 10 is a sampling unit for sampling the culture solution, 20 is a dilution unit for diluting the culture solution sampled by the sampling unit 10, and 30 is The measurement unit measures the concentration of ions contained in the culture solution diluted by the dilution unit 20. The operations of the sampling unit 10, the dilution unit 20, and the measurement unit 30 are automatically controlled by the control device 40.
サンプリングユニット10には、複数の植物栽培棚101からサンプリングされた培養液をそれぞれ一旦収容する複数の培養液容器11が設けられており、バルブ12の切り替えにより、つぎの希釈ユニット20に送られる培養液が選択されるようになっている。 The sampling unit 10 is provided with a plurality of culture solution containers 11 each temporarily storing a culture solution sampled from a plurality of plant cultivation shelves 101. By switching the valve 12, the culture unit sent to the next dilution unit 20 is provided. The liquid is selected.
希釈ユニット20には、サンプリングユニット10から受け入れた培養液中の異物を除去するためのフィルター21と、このフィルター21を通過した後の培養液を所定の倍数に希釈するための複数段の希釈器22と、この希釈器22に供給される希釈用の原水を収容する原水容器23が設けられている。希釈器22は、１〜５倍の希釈構造を複数組み合わせることで１〜５０００倍の任意の希釈を行うことができるよう、多段構造になっている。そして、希釈器22で希釈された培養液は、送液ポンプ24により、つぎの測定ユニット30に送られるようになっている。また、希釈器22と送液ポンプ24の間の経路から分岐して、バルブ25を介してエアフラッシングポンプ26が設けられている。 The dilution unit 20 includes a filter 21 for removing foreign substances in the culture solution received from the sampling unit 10, and a multistage diluter for diluting the culture solution after passing through the filter 21 to a predetermined multiple. 22 and a raw water container 23 for storing the raw water for dilution supplied to the diluter 22 is provided. The diluter 22 has a multi-stage structure so that arbitrary dilution of 1 to 5000 times can be performed by combining a plurality of dilution structures of 1 to 5 times. Then, the culture solution diluted by the diluter 22 is sent to the next measurement unit 30 by the liquid feeding pump 24. Further, an air flushing pump 26 is provided via a valve 25 branched from a path between the diluter 22 and the liquid feeding pump 24.
測定ユニット30は、キャピラリゾーン電気泳動装置により構成されている。そして、キャピラリゾーン電気泳動法に用いられる電気泳動チップを備えている。なお、キャピラリゾーン電気泳動装置の構成は公知であるので、その詳細な説明は省略する。 The measurement unit 30 is configured by a capillary zone electrophoresis apparatus. An electrophoresis chip used for capillary zone electrophoresis is provided. Since the configuration of the capillary zone electrophoresis apparatus is known, detailed description thereof is omitted.
図３に、本実施例の電気泳動チップの概要を示す。31は、石英ガラス製の電気泳動チップであり、電気泳動チップ31は、試料導入口32と、試料排出口33と、試料導入口32と試料排出口33とを結ぶ第一のキャピラリー流路34が形成されている。また、緩衝液導入口35と、緩衝液排出口36と、緩衝液導入口35と緩衝液排出口36とを結ぶ第二のキャピラリー流路37が形成されている。そして、第一のキャピラリー流路34と第二のキャピラリー流路37は、相互に直角に交差して連通している。また、第二のキャピラリー流路37の終端である緩衝液排出口36の近傍において、第二のキャピラリー流路37には検出器38が設けられている。 FIG. 3 shows an outline of the electrophoresis chip of this example. 31 is an electrophoresis chip made of quartz glass. The electrophoresis chip 31 includes a sample inlet 32, a sample outlet 33, and a first capillary channel 34 connecting the sample inlet 32 and the sample outlet 33. Is formed. In addition, a buffer solution inlet 35, a buffer solution outlet 36, and a second capillary channel 37 connecting the buffer solution inlet 35 and the buffer solution outlet 36 are formed. The first capillary channel 34 and the second capillary channel 37 communicate with each other at a right angle. In addition, a detector 38 is provided in the second capillary channel 37 in the vicinity of the buffer solution outlet 36 that is the end of the second capillary channel 37.
なお、本発明における電気泳動チップは、キャピラリゾーン電気泳動法に用いられる公知のものと同様に、石英製に限らず、ガラス、ポリマー材料などの基板から構成されてもよく、さらに、一枚の基板から構成されても、複数の基板から形成されてもよい。また、電気泳動チップの大きさは特に制限されず、例えば、１０〜１００ｍｍの長さ、１０〜６０ｍｍの幅、０．３〜５ｍｍの厚さとすることができる。 In addition, the electrophoresis chip in the present invention is not limited to quartz and may be composed of a substrate such as glass or a polymer material, as well as known ones used in capillary zone electrophoresis, and It may be composed of a substrate or a plurality of substrates. The size of the electrophoresis chip is not particularly limited, and can be, for example, a length of 10 to 100 mm, a width of 10 to 60 mm, and a thickness of 0.3 to 5 mm.
本実施例の電気泳動チップの電気的構成を示す図４、５において、51は、第一の電源、52は、第二の電源である。試料導入口32には、第一の電源51に接続された電極が配置され、緩衝液導入口35には、第二の電源52に接続された電極が配置されている。また、試料排出口33には、第一のスイッチ53を介して第一の電源51に接続されるとともに、第三のスイッチ55を介して接地された電極が配置されている。さらに、緩衝液排出口36には、第二のスイッチ54を介して第一の電源51に接続されるとともに、第四のスイッチ56を介して接地された電極が配置されている。そして、これら第一及び第二の電源51，52、第一、第二、第三及び第四のスイッチ53，54，55，56は、制御装置40が制御するシーケンスによって動作され、電気泳動チップ31には所定の高電圧が印加されるようになっている。また、スイッチ53，54，55，56は、リレーを用いて開閉するように構成されている。 4 and 5 showing the electrical configuration of the electrophoresis chip of this embodiment, 51 is a first power source, and 52 is a second power source. An electrode connected to the first power source 51 is disposed at the sample introduction port 32, and an electrode connected to the second power source 52 is disposed at the buffer solution introduction port 35. In addition, an electrode connected to the first power source 51 via the first switch 53 and grounded via the third switch 55 is disposed at the sample discharge port 33. Further, an electrode connected to the first power source 51 via the second switch 54 and grounded via the fourth switch 56 is arranged at the buffer solution outlet 36. The first and second power sources 51 and 52, the first, second, third and fourth switches 53, 54, 55 and 56 are operated according to a sequence controlled by the control device 40, and the electrophoresis chip A predetermined high voltage is applied to 31. The switches 53, 54, 55, and 56 are configured to open and close using a relay.
また、検出器38は、第二のキャピラリー流路37を流れる流体に接する一対の検出電極57を備え、検出電極57は、交流電源58と電流計59の直列回路と接続するとともに、検出電極57の両端の電圧は、電圧計60により検出されるようになっている。検出電極57には、白金薄膜が使用されている。また、本実施例において、第一及び第二のキャピラリー流路34，37は、直径５０μｍの管となっている。なお、キャピラリー流路の直径、或いは幅と高さは０．５ｍｍ以下であればよい。 The detector 38 includes a pair of detection electrodes 57 in contact with the fluid flowing through the second capillary channel 37. The detection electrodes 57 are connected to a series circuit of an AC power source 58 and an ammeter 59, and the detection electrodes 57 The voltage at both ends is detected by a voltmeter 60. A platinum thin film is used for the detection electrode 57. In the present embodiment, the first and second capillary channels 34 and 37 are tubes having a diameter of 50 μm. In addition, the diameter or width and height of the capillary channel may be 0.5 mm or less.
つぎに、本実施例の培養液分析装置の動作について説明する。 Next, the operation of the culture medium analyzer of this embodiment will be described.
サンプリングユニット10は、培養液の一部から測定に必要な量の培養液をサンプリングする。ここで、野菜の種類や育成段階の違いなどで区分けされた複数の水域で順次サンプリングを行うことができる。そして、図示しないポンプにより、培養液容器11から、バルブ12の切り替えにより選択された培養液が希釈ユニット20に送られる。なお、測定に必要な培養液の量は、数十μＬである。 The sampling unit 10 samples an amount of the culture solution necessary for measurement from a part of the culture solution. Here, it is possible to perform sampling sequentially in a plurality of water areas divided according to the kind of vegetables and the growth stage. Then, the culture solution selected by switching the valve 12 is sent from the culture solution container 11 to the dilution unit 20 by a pump (not shown). Note that the amount of the culture solution required for the measurement is several tens of μL.
希釈ユニット20では、植物の残渣や微生物による測定結果への影響を減らすため、サンプリングユニット10から受け入れた培養液中の異物がフィルター21により除去される。その後、培養液は希釈器22に送られる。希釈器22では、原水容器23から供給される原水により培養液が希釈される。このときの希釈率は、制御装置40により制御される。 In the dilution unit 20, foreign substances in the culture solution received from the sampling unit 10 are removed by the filter 21 in order to reduce the influence on the measurement result due to plant residues and microorganisms. Thereafter, the culture solution is sent to the diluter 22. In the diluter 22, the culture solution is diluted with raw water supplied from the raw water container 23. The dilution rate at this time is controlled by the control device 40.
ここで、培養液中において必要とされる各イオンの濃度範囲は、作物や天候、生育度合等によって大きく変動する。したがって、各イオンの濃度が測定ユニット30の最大測定濃度より低くかつ測定感度より高くなるよう希釈する必要がある。なお、希釈倍率は分析結果に影響を与えるので、精密な希釈が求められる。 Here, the concentration range of each ion required in the culture solution varies greatly depending on the crop, the weather, the degree of growth, and the like. Therefore, it is necessary to dilute so that the concentration of each ion is lower than the maximum measurement concentration of the measurement unit 30 and higher than the measurement sensitivity. Since the dilution factor affects the analysis result, precise dilution is required.
表１に、典型的な培養液の分析項目と作物や栽培種によって増減される濃度の標準濃度及び上限と下限の例を示す。なお、上段は生育に必要な主要イオン、下段は代謝などに必要な必須元素イオンであり、作物や天候、生育度合等によって濃度範囲が上限から下限まで変化する。 Table 1 shows typical analysis items of the culture medium and examples of the standard concentration and the upper and lower limits of the concentration increased or decreased depending on the crop or cultivated species. The upper part is the main ion necessary for growth, and the lower part is the essential element ion necessary for metabolism, etc., and the concentration range changes from the upper limit to the lower limit depending on the crop, the weather, the degree of growth, and the like.
希釈器22で希釈された培養液は、送液ポンプ24により、つぎの測定ユニット30に送られる。 The culture solution diluted by the diluter 22 is sent to the next measurement unit 30 by the liquid feed pump 24.
測定ユニット30では、キャピラリゾーン電気泳動法により、各イオンの濃度が測定される。なお、キャピラリゾーン電気泳動法は、キャピラリーにＭＥＳ（2-Morpholinoethanesulfonic acid monohydrate）、ＴＲＩＳ（tris(hydroxymethyl)aminomethane）などの緩衝液を満たし、キャピラリーの一端へ試料を導入したのち、ただちにキャピラリーの両端に高電圧（1〜30kV)をかけることによって、試料中のイオンを分離する分析手法である。キャピラリーを十分細くすることで緩衝液がジュール熱によって対流することを抑制し、理論段数１０５オーダーのカラム効率をシンプルな構造で達成できる。本実施例における具体的な測定手順は、以下の通りである。 In the measurement unit 30, the concentration of each ion is measured by capillary zone electrophoresis. In capillary zone electrophoresis, the capillary is filled with a buffer solution such as MES (2-Morpholinoethanesulfonic acid monohydrate) or TRIS (tris (hydroxymethyl) aminomethane), and the sample is introduced into one end of the capillary and immediately on both ends of the capillary. This is an analytical technique for separating ions in a sample by applying a high voltage (1 to 30 kV). Buffer by sufficiently narrow capillary is suppressed from convective Joule heat, it can be achieved column efficiency theoretical plates 105 orders a simple structure. The specific measurement procedure in this example is as follows.
はじめに、試料導入口32、試料排出口33、第一のキャピラリー流路34、緩衝液導入口35、緩衝液排出口36、第二のキャピラリー流路37は、緩衝液で満たされている。緩衝液としては、ＭＥＳ／ＴＲＩＳ緩衝液が用いられる。 First, the sample introduction port 32, the sample discharge port 33, the first capillary channel 34, the buffer solution introduction port 35, the buffer solution discharge port 36, and the second capillary channel 37 are filled with a buffer solution. As the buffer, MES / TRIS buffer is used.
つぎに、試料導入口32に希釈された培養液の試料を圧入し、試料導入口32と試料排出口33の間に、図４に示すように高電圧（１〜３０ｋＶ）を掛け、試料を試料導入口32から試料排出口33に向かって第一のキャピラリー流路34に沿って導入する。なお、図４は、第一及び第四のスイッチ53，56を開、第二及び第三のスイッチ54，55を閉とし、第一の電源51から試料導入口32に１ｋＶの電圧を印可し、試料排出口33を接地する場合を示している。 Next, a diluted culture solution sample is press-fitted into the sample inlet 32, and a high voltage (1 to 30 kV) is applied between the sample inlet 32 and the sample outlet 33 as shown in FIG. The sample is introduced from the sample introduction port 32 toward the sample discharge port 33 along the first capillary channel 34. In FIG. 4, the first and fourth switches 53 and 56 are opened, the second and third switches 54 and 55 are closed, and a voltage of 1 kV is applied from the first power source 51 to the sample inlet 32. The case where the sample discharge port 33 is grounded is shown.
そして、試料に含まれるイオンが第一のキャピラリー流路34と第二のキャピラリー流路37の交点に達したときに、緩衝液導入口35と緩衝液排出口36の間に、図５に示すように高電圧（１〜３０ｋＶ）を掛け、試料を緩衝液排出口36に向かって第二のキャピラリー流路37に沿って移動させる。なお、図５は、第一及び第四のスイッチ53，56を閉、第二及び第三のスイッチ54，55を開とし、第二の電源52から緩衝液導入口35に１ｋＶの電圧を印可し、緩衝液排出口36を接地する場合を示している。 When the ions contained in the sample reach the intersection of the first capillary channel 34 and the second capillary channel 37, the buffer solution inlet port 35 and the buffer solution outlet port 36 are shown in FIG. Thus, a high voltage (1 to 30 kV) is applied, and the sample is moved along the second capillary channel 37 toward the buffer solution outlet 36. In FIG. 5, the first and fourth switches 53 and 56 are closed, the second and third switches 54 and 55 are opened, and a voltage of 1 kV is applied from the second power source 52 to the buffer solution inlet 35. In this case, the buffer solution outlet 36 is grounded.
分離されたイオンが検出器38に達したときに、その濃度が測定される。イオンの濃度の測定は、緩衝液と分離したイオンの電気伝導度の差を測定することによって行われる。 When the separated ions reach the detector 38, their concentration is measured. The ion concentration is measured by measuring the difference in electrical conductivity between the buffer solution and the separated ions.
図６、図７に、実際に栽培で使われている培養液のイオンクロマトグラフィーによる測定結果を示す。図６は陽イオンであり、図７は陰イオンである。試料は50倍に希釈している。縦軸は、分析に用いた電気伝導度である。分離されたイオンは面積から定量分析を行う。イオン濃度範囲０．０１μｍｏｌ／Ｌから３００００μｍｏｌ／Ｌの広い濃度範囲のイオンを分析することが可能であり、電気泳動チップでも同様の分析が可能である。 FIG. 6 and FIG. 7 show the measurement results by ion chromatography of the culture solution actually used in cultivation. FIG. 6 shows positive ions and FIG. 7 shows negative ions. The sample is diluted 50 times. The vertical axis represents the electrical conductivity used for the analysis. The separated ions are quantitatively analyzed from the area. It is possible to analyze ions in a wide concentration range of an ion concentration range of 0.01 μmol / L to 30000 μmol / L, and the same analysis is possible with an electrophoresis chip.
そして、培養液分析装置１により分析された培養液中の各イオンの濃度データは、分析信号線107を介して解析制御装置108に伝送される。解析制御装置108は、培養液分析装置１により分析された培養液中の各イオンの濃度データをもとに不足している成分を自動的に解析し、不足している成分が収容された薬液タンク110が接続した薬液供給ポンプ109を動作させて、不足している成分を循環管104に自動的に供給する。これにより、植物栽培棚101の培養液103中の各イオン濃度は一定に保たれる。 Then, the concentration data of each ion in the culture solution analyzed by the culture solution analyzer 1 is transmitted to the analysis control device 108 via the analysis signal line 107. The analysis control device 108 automatically analyzes the missing component based on the concentration data of each ion in the culture solution analyzed by the culture solution analyzer 1, and the chemical solution containing the missing component The chemical supply pump 109 connected to the tank 110 is operated to automatically supply the missing component to the circulation pipe 104. Thereby, each ion concentration in the culture solution 103 of the plant cultivation shelf 101 is kept constant.
以上のように、本実施例のイオン濃度分析装置としての培養液分析装置は、試料としての培養液をサンプリングするサンプリングユニット10と、このサンプリングユニット10によりサンプリングされた培養液を希釈する希釈ユニット20と、この希釈ユニット20により希釈された培養液に含まれるイオンの濃度を測定する測定ユニット30とを備え、前記測定ユニット30は、電気泳動チップ31を備えたことにより、専門的な知識を有さない作業員でも保守管理可能であり、微小量の試料を用いて培養液中の各イオンの濃度を迅速かつ簡便に分析することができる。 As described above, the culture solution analyzer as the ion concentration analyzer of the present embodiment includes the sampling unit 10 that samples the culture solution as a sample, and the dilution unit 20 that dilutes the culture solution sampled by the sampling unit 10. And a measurement unit 30 for measuring the concentration of ions contained in the culture solution diluted by the dilution unit 20, and the measurement unit 30 includes the electrophoresis chip 31, and thus has specialized knowledge. Even non-working workers can maintain and manage, and the concentration of each ion in the culture solution can be analyzed quickly and easily using a minute amount of sample.
また、前記電気泳動チップ31は、試料導入口32と、試料排出口33と、前記試料導入口32と前記試料排出口33とを結ぶ第一のキャピラリー流路34と、緩衝液導入口35と、緩衝液排出口36と、前記緩衝液導入口35と前記緩衝液排出口36とを結ぶとともに前記第一のキャピラリー流路34と交差して連通する第二のキャピラリー流路37とを備え、前記試料導入口32には第一の電源51に接続された電極が配置され、前記緩衝液導入口35には第二の電源52に接続された電極が配置され、前記試料排出口33には第一のスイッチ53を介して前記第一の電源51に接続されるとともに第三のスイッチ55を介して接地された電極が配置され、前記緩衝液排出口36には第二のスイッチ54を介して前記第一の電源51に接続されるとともに第四のスイッチ56を介して接地された電極が配置されたことにより、４つの電極に印可される電圧を２つの電源で制御することができ、電源に係るコストを削減することができる。 The electrophoresis chip 31 includes a sample inlet 32, a sample outlet 33, a first capillary channel 34 connecting the sample inlet 32 and the sample outlet 33, a buffer inlet 35, A buffer solution outlet 36, a second capillary channel 37 connecting the buffer solution inlet 35 and the buffer solution outlet 36 and crossing and communicating with the first capillary channel 34, An electrode connected to a first power supply 51 is disposed at the sample introduction port 32, an electrode connected to a second power supply 52 is disposed at the buffer solution introduction port 35, and the sample discharge port 33 is disposed at the sample discharge port 33. An electrode connected to the first power supply 51 via the first switch 53 and grounded via the third switch 55 is disposed, and the buffer solution outlet 36 is connected via the second switch 54. The electrode connected to the first power source 51 and grounded via the fourth switch 56 is disposed. By the can you can control the voltage applied to four electrodes at two power, to reduce the cost of power.
また、本実施例の培養液分析装置を用いることにより、各イオン濃度を自動的に測定し、必要なイオンのみの濃度を調整することによって、イオンバランスを保つことが可能となり、培養液を廃棄する必要がなくなるばかりか、日射量や気温変化に伴う培養液のイオン濃度調整も行うことが可能になり、一年を通じて品質が一定の作物を供給することができる。また、培養液の交換に伴う発育の障害を防止し、交換時の人員の再配置が必要なくなることから、生産性の向上が期待できる。 In addition, by using the culture medium analyzer of this example, each ion concentration is automatically measured, and by adjusting the concentration of only the necessary ions, it becomes possible to maintain the ion balance and discard the culture liquid. This makes it possible to adjust the ion concentration of the culture solution in accordance with changes in the amount of solar radiation and temperature, and can supply crops with a constant quality throughout the year. In addition, it is possible to prevent the growth failure associated with the replacement of the culture solution and eliminate the need for rearrangement of personnel at the time of replacement, so that improvement in productivity can be expected.
また、透析治療などによりカリウムを制限されている患者用の低カリウム野菜などでは、栽培栄養素の厳格な管理が求められているが、本実施例の培養液分析装置を用いることにより、このような栽培栄養素の厳格な管理が可能となる。 In addition, strict management of cultivated nutrients is required for low potassium vegetables for patients whose potassium is restricted by dialysis treatment, etc., but by using the culture medium analyzer of this example, Strict management of cultivated nutrients becomes possible.
また、本実施例の培養液分析装置において、電気泳動液には、分子生物学で用いられているＭＥＳ／ＴＲＩＳ緩衝液を用いるが、この液は、細胞培養に用いられるもので無害であり、廃液も数百μＬ程度であるため、下水道への廃棄で問題が生じる恐れがない。 Moreover, in the culture solution analyzer of the present example, MES / TRIS buffer used in molecular biology is used as the electrophoresis solution, but this solution is used for cell culture and is harmless. Since the waste liquid is about several hundred μL, there is no possibility of causing a problem when it is discarded into the sewer.
また、電気泳動チップは、内部に汚染物質が付着したり、細菌が繁殖したりするため、定期的に交換する必要があるが、交換には高度な専門知識は必要なく、内部に校正機構を設けることで、測定結果を補償することが可能である。また、電気泳動チップは、フォトリソグラフィーや超精密加工技術を応用して、大量に作製することが可能であり、コスト低減が図れる。なお、電気泳動チップによる分析はこれまで、ＤＮＡ解析や創薬、病気診断などに応用されてきたが、農業関連の培養液の分析に用いられた例はない。 Electrophoresis chips need to be replaced periodically because contaminants adhere to them and bacteria grow, but advanced technical knowledge is not required for replacement. By providing, it is possible to compensate the measurement result. In addition, the electrophoresis chip can be manufactured in large quantities by applying photolithography and ultra-precision processing technology, and the cost can be reduced. Analyzes using electrophoresis chips have been applied to DNA analysis, drug discovery, disease diagnosis, etc., but no examples have been used for analysis of culture solutions related to agriculture.
また、電気泳動チップ上の微小な流路ではレイノルズ数が小さく、流体は層流となるため混合が難しく、一度に希釈倍率を上げることができないという問題があるが、本実施例の培養液分析装置によれば、希釈ユニットにおいて事前に希釈する構成とし、例えば、低希釈倍率の希釈器を多段構造とした希釈ユニットとすることで、任意の希釈倍率を容易に実現することが可能であり、さらに、多段構造の任意の位置から試料を取り出すことで、希釈倍率を簡単に変えることも可能になる。 In addition, the minute flow path on the electrophoresis chip has a problem that the Reynolds number is small and the fluid becomes a laminar flow, so that mixing is difficult and the dilution rate cannot be increased at one time. According to the apparatus, it is possible to easily realize an arbitrary dilution factor by adopting a configuration in which dilution is performed in advance in a dilution unit, for example, by using a dilution unit having a multistage structure with a low dilution factor diluter, Furthermore, it is possible to easily change the dilution factor by taking a sample from an arbitrary position of the multistage structure.
本実施例においては、図８〜１５を参照しながら、実施例１の電気泳動チップの電気的動作について、さらに詳細に説明する。なお、図８〜１５に示す電気泳動チップの構成及び符号は、図４、５に示したものと同じである。 In this example, the electrical operation of the electrophoresis chip of Example 1 will be described in more detail with reference to FIGS. The configurations and symbols of the electrophoresis chips shown in FIGS. 8 to 15 are the same as those shown in FIGS.
図８に動作前の状態を示す。第一から第四のスイッチ53，54，55，56はすべて開になっており、第一及び第二の電源51，52からは電圧が印加されていない。 FIG. 8 shows a state before the operation. The first to fourth switches 53, 54, 55, 56 are all open, and no voltage is applied from the first and second power sources 51, 52.
シーケンス制御が開始されると、図９に示すように、第二及び第三のスイッチ54，55が閉になる。引き続き、図１０に示すように、正イオンを分析する場合、第一及び第二の電源51，52からそれぞれ１ｋＶ、０．７ｋＶの高電圧が印加される。これによって、試料が試料導入口32から導入され、試料排出口33に向かって第一のキャピラリー流路34に沿って移動する。一方、負イオンを分析する場合は、第一及び第二の電源51，52からそれぞれ−１ｋＶ、−０．７ｋＶの高電圧が印加される。 When the sequence control is started, as shown in FIG. 9, the second and third switches 54 and 55 are closed. Subsequently, as shown in FIG. 10, when analyzing positive ions, high voltages of 1 kV and 0.7 kV are applied from the first and second power sources 51 and 52, respectively. As a result, the sample is introduced from the sample introduction port 32 and moves along the first capillary channel 34 toward the sample discharge port 33. On the other hand, when analyzing negative ions, high voltages of −1 kV and −0.7 kV are applied from the first and second power sources 51 and 52, respectively.
なお、第一及び第二の電源51，52は、正負を反転可能に構成されており、そのために、負極の電源にリレーで切り替えることができるようになっていてもよく、極性を変えられるいわゆる両極性の電源により構成されていてもよい。 Note that the first and second power sources 51 and 52 are configured to be able to reverse the positive and negative, and for that purpose, they may be switched to a negative power source by a relay, and the so-called polarity can be changed. It may be configured by a bipolar power source.
そして、試料に含まれるイオンが第一のキャピラリー流路34と第二のキャピラリー流路37の交点に達したときに、つぎのシーケンス制御が開始される。まず、図１１に示すように、第一及び第二の電源51，52からの電圧の印加が止まり、図１２に示すように、第二及び第三のスイッチ54，55が開になり、第一及び第四のスイッチ53，56が閉になる。引き続き、図１３に示すように、正イオンを分析する場合、第一及び第二の電源51，52からそれぞれ０．７５ｋＶ、１ｋＶの高電圧が印加される。これによって、試料が緩衝液排出口36に向かって第二のキャピラリー流路37に沿って移動する。一方、負イオンを分析する場合は、第一及び第二の電源51，52からそれぞれ−０．７５ｋＶ、−１ｋＶの高電圧が印加される。そして、この状態で電気泳動分析が行われる。 Then, when ions contained in the sample reach the intersection of the first capillary channel 34 and the second capillary channel 37, the next sequence control is started. First, as shown in FIG. 11, the application of voltage from the first and second power sources 51 and 52 is stopped, and as shown in FIG. 12, the second and third switches 54 and 55 are opened, The first and fourth switches 53 and 56 are closed. Subsequently, as shown in FIG. 13, when analyzing positive ions, high voltages of 0.75 kV and 1 kV are applied from the first and second power sources 51 and 52, respectively. As a result, the sample moves along the second capillary channel 37 toward the buffer solution outlet 36. On the other hand, when analyzing negative ions, high voltages of -0.75 kV and -1 kV are applied from the first and second power sources 51 and 52, respectively. In this state, electrophoretic analysis is performed.
分析が終了すると、最後のシーケンス制御が開始される。まず、図１４に示すように、第一及び第二の電源51，52からの電圧の印加が止まり、図１５に示すように、第一及び第四のスイッチ53，56が開になる。すなわち、すべての電源とスイッチがオフになり、最初の図８に示す状態に戻る。 When the analysis is finished, the final sequence control is started. First, as shown in FIG. 14, the application of voltage from the first and second power sources 51 and 52 is stopped, and as shown in FIG. 15, the first and fourth switches 53 and 56 are opened. That is, all the power supplies and switches are turned off, and the initial state shown in FIG. 8 is restored.
以上のようにシーケンス制御されることにより、従来は４つの電源が必要とされた４つの電極における電圧の制御を、２つの電源のみで可能とし、かつ、高電圧の印加が伴う電気泳動チップを用いた分析を安全に行うことができる。 By performing the sequence control as described above, it is possible to control the voltage at the four electrodes, which conventionally required four power sources, by using only two power sources, and an electrophoresis chip with high voltage application. The analysis used can be performed safely.
なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。 In addition, this invention is not limited to said Example, A various deformation | transformation implementation is possible in the range which does not deviate from the thought of this invention.
例えば、上記実施例は、培養液分析装置を例にとって説明したが、これに限らず、水中や土壌中などにおけるイオン濃度の分析にも汎用的に用いることができる。 For example, in the above-described embodiment, the culture solution analyzer has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be used for analysis of ion concentration in water or soil.
また、キャピラリゾーン電気泳動法に用いられる緩衝液は、ＭＥＳ、ＴＲＩＳに限定されず、酢酸、リン酸、クエン酸、ホウ酸、酒石酸などの公知のものを、目的に応じて用いることができる。 Moreover, the buffer solution used for capillary zone electrophoresis is not limited to MES and TRIS, Well-known things, such as an acetic acid, phosphoric acid, a citric acid, a boric acid, tartaric acid, can be used according to the objective.
また、上記実施例においては、電気伝導度を測定することによってイオンの濃度を測定した例を示したが、これに限らず、吸光光度法、表面増強ラマン分光法などのラマン分光法、質量分析法、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を用いた各種分析法、インピーダンスを測定する方法、などの公知の方法を用いることができる。 Further, in the above-described embodiment, an example was shown in which the concentration of ions was measured by measuring electrical conductivity. However, the present invention is not limited to this, and Raman spectroscopy such as absorptiometry and surface enhanced Raman spectroscopy, mass spectrometry Methods, various analysis methods using ICP (inductively coupled plasma), methods for measuring impedance, and the like can be used.
また、電気泳動チップに溶融石英（ヒューズドシリカ）など、表面が負電荷で覆われている材料を使用してもよい。この場合、負極に向かって電気浸透流という溶液に流れが生じる。このため、負イオンの移動速度がその流れの速度よりも遅い場合は、分析対象が正イオンと負イオンのいずれかであるかに応じて電源の極性を反転させる必要性がなくなる。 Alternatively, a material whose surface is covered with a negative charge, such as fused silica, may be used for the electrophoresis chip. In this case, a flow occurs in the solution called electroosmotic flow toward the negative electrode. For this reason, when the moving speed of the negative ions is slower than the flow speed, there is no need to reverse the polarity of the power source depending on whether the analysis target is positive ions or negative ions.
10 サンプリングユニット
20 希釈ユニット
30 測定ユニット
31 電気泳動チップ
32 試料導入口
33 試料排出口
34 第一のキャピラリー流路
35 緩衝液導入口
36 緩衝液排出口
37 第二のキャピラリー流路
51 第一の電源
52 第二の電源
53 第一のスイッチ
54 第二のスイッチ
55 第三のスイッチ
56 第四のスイッチ
10 Sampling unit
20 dilution unit
30 measuring units
31 electrophoresis chip
32 Sample inlet
33 Sample outlet
34 First capillary channel
35 Buffer inlet
36 Buffer outlet
37 Second capillary channel
51 Primary power supply
52 Second power supply
53 First switch
54 Second switch
55 Third switch
56 Fourth switch
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