JP2017153406A - リアルタイム光合成測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】よりリアルタイム性の高いリアルタイム光合成測定装置を提供する。【解決手段】本発明の一観点に係るリアルタイム光合成測定装置１は、電磁波発生部２と、測定対象となる植物を配置し、電磁波発生部２から供給される電磁波を植物に照射するためのセンシング部３と、センシング部３に配置された植物により変調した電磁波の位相及び振幅の少なくともいずれかを測定する検出部４と、を有する。この場合において、センシング部２は、植物を挿入するスリットを備える一対の導波管を有することが好ましい。【選択図】 図１

Description

本発明はリアルタイム光合成測定装置に関する。

植物は、光を照射することで、水と空気中の二酸化炭素に基づき炭水化物を合成し、酸素を大気中に放出する、いわゆる光合成を行うことができる。

光合成は、植物が炭酸ガスを吸収し酸素を放出すとともに炭水化物を合成するものであり、生物の生存に必要な酸素を提供するだけでなく、炭水化物は食物連鎖を通じて地球上の全生物のエネルギー源となっている。例えば、下記特許文献１には、閉鎖式の装置を用いた光合成測定方法に関する技術が開示されている。

特開平８−１７２９１３号公報

しかしながら、上記特許文献に記載の技術は二酸化炭素の濃度変化に基づいて光合成速度を算出するものであり、リアルタイム性にかける。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、よりリアルタイム性の高い光合成測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一観点に係るリアルタイム光合成測定装置は、電磁波発生部と、測定対象となる植物を配置し、電磁波発生部から供給される電磁波を植物に照射するためのセンシング部と、センシング部に配置された植物により変調した電磁波の位相及び振幅の少なくともいずれかを測定する検出部と、を有する。

また本観点において、センシング部は、植物を挿入するスリットを備える一対の導波管を有することが好ましい。

また本観点において、センシング部におけるスリットは、導波管の導波方向に対し傾いていることが好ましい。

また本観点において、センシング部における一方の導波管は、透明電極ガラスを備えていることが好ましい。

また本観点において、センシング部における一方の導波管は、ガス導入口を供えることが好ましい。

以上、本発明によって、よりリアルタイム性の高いリアルタイム光合成測定装置を提供することができる。

実施形態に係るリアルタイム光合成測定装置の機能ブロックを示す図である。 実施形態に係るリアルタイム光合成測定装置のセンシング部の概略を示す図である。 実施例に係るリアルタイム光合成測定装置の機能ブロックを示す図である。 実施例に係るリアルタイム光合成測定装置を用いた結果を示す図である。 実施例に係るリアルタイム光合成測定装置を用いた結果を示す図である。 実施例に係るリアルタイム光合成測定装置を用いた結果を示す図である。 実施例に係るリアルタイム光合成測定装置を用いた結果を示す図である。 実施例に係るリアルタイム光合成測定装置を用いた結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例において示した例示にのみ限定されるわけではない。

図１は、本実施形態に係るリアルタイム光合成測定装置（以下「本装置」という。）１の概略を示す図である。本図で示すように、本装置１は、電磁波を発生させる電磁波発生部２と、測定対象となる植物を配置し電磁波発生部２から供給される電磁波を植物に照射するためのセンシング部３と、センシング部３に配置された植物により変調した電磁波の位相及び振幅の少なくともいずれかを測定する検出部４と、を有する。また、本装置１では、電磁波発生部２から発生した電磁波の伝達制御等を行うブリッジ部５を備えている。

また本装置１において、電磁波発生部２とセンシング部３、電磁波発生部２と検出部４、ブリッジ部５と検出部４、ブリッジ部５と電磁波発生部２、センシング部３とブリッジ部５、はそれぞれ導波部材によって接続されている。ここで導波部材とは、電磁波、より具体的にはその位相及び振幅を伝達することができる部材である。導波部材としては特に限定されるわけではないが、例えば導波管、同軸線、ストリップラインを例示することができ、導波管の場合より具体的には中空の方形導波管、中空の円形導波管が好ましい一例である。

本装置１において、電磁波発生部２は、上記の記載からも明らかなように、測定対象となる植物に対して照射される電磁波を発生させることのできる装置である。本装置１が発生させる電磁波は、植物の光合成により変調され光合成の解析に用いることができるものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えばマイクロ波、ミリ波であることが好ましく、より具体的には、波長範囲として１μｍ以上１ｍ以下の波を発生させることができるものであることが好ましい。

また本装置１における電磁波発生部２としては、上記電磁波を発生させることができるものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えばガンダイオード発振器、インパットダイオード発振器、ＹＩＧ発振器、ＭＥＳＦＥＴ発振器、クライストロン、マグネトロン等を備えた電磁波発生装置を用いることができるがこれに限定されない。また後述のように、電磁波を発生させる一方電磁波の入力を受け付けてこの電磁波の位相及び振幅を想定することのできるいわゆるロックインアンプを採用することとしてもよい。

また本装置１におけるセンシング部３は、上記の通り、植物を配置し、この配置された植物に対し上記電磁波を照射させることのできるものである。図２は、本装置１におけるセンシング部３の一例の構成の概略を示す図である。

本図で示すように、センシング部３は、植物を挿入するスリット３１を介して対向して配置される一対の中空導波管３２、３３を備えている。このスリット３１に葉を挿入し、保持させることで、電磁波を植物に照射させることができる。なお中空導波管とは、金属等の導電性の部材で構成された中空の管であって、この断面形状としては特に限定されるわけではないが、長方形又は円形であることが好ましい一例である。なおこの断面形状は、伝達させたい電磁波の周波数（波長）によって適宜調整可能である。

センシング部３において、スリット３１は、一対の中空導波管３２、３３の隙間である一方、電磁波を遮断せず伝達させることができる構成である必要がある。そのため、植物の挿入部となるスリット３１の幅としては、０．２ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。なお、このスリットを可動構造として、広げたスリットに葉を挿入した後、導波管を動かして葉の厚さまで狭めることとしてもよい。

またセンシング部３において、スリット３１は、中空導波管の導波方向に対し傾いていることが好ましい。傾けることで植物に効率的な光の照射を行うことができるようになる。より具体的に説明すると、傾けて配置することで例えば導波管の一部を透明電極膜が形成されたガラス（透明電極ガラス）にすることで光を透過させ、葉等に対し効率的に光を照射することができるようになる。この角度としては、特に限定されるわけではないが、導波方向から３０度以上６０度以下傾いているものであることが好ましく、より好ましくは４０度以上５０度以下であり、更に好ましくは４５度である。

また、センシング部における一方の中空導波管３２は、ガス導入口３４を供えている。具体的には、このガス導入口３４にチューブを接続し、例えば葉の裏側にある気孔に対し光合成において必要となる二酸化炭素等のガスを導入、供給することができるようになる。特に、中空導波管を用いることで、電磁波の伝達とガスの供給とを共通化することができ非常に効率的である。

またこの場合において、中空導入管３２、３３の内側には、電磁波を透過することができる一方、ガスを透過しにくい物質（電磁波透過部材）を配置し、導入管内の一部管路が充填されていることが好ましい。このようにすることで、管路内に虫や塵等が侵入してしまうことを防止することができるだけでなく、特にガス導入口３４が配置されている側は植物に対してガスを効率的に導入することができる。電磁波透過部材の具体的な例としては、特に限定されるわけではないが、例えばスチロール樹脂（ポリスチレン）、ポリテトラフルオロエチレンなどを例示することができる。

また本装置１における検出部４は、上記の通り、センシング部３に配置された植物により変調した電磁波の位相及び振幅の少なくともいずれかを測定するものであり、本実施形態においては、位相を検出する位相検出器４１と、振幅を検出する振幅検出器４２と、を有している。位相及び振幅を測定することで、誘電率や電導度の変化を求めることができる。

検出部４の位相検出器４１は、センシング部３に配置された植物により変調した電磁波の移相量を検出することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばロックインアンプを用いることができる。ロックインアンプの場合、植物によって変調した電磁波を計測する一方、電磁波発生部２が発生する電磁波も直接計測し、その差分を位相差として検出することで植物によって生じた移相量を求めることができる。

また本装置１における検出部４は、振幅を検出する振幅検出器４２を備えており、植物によって変調を受けた電磁波の振幅を観測し、その振幅変化を測定することができる。

また本装置１において、ブリッジ部５は、入力された電磁波の出力を制御することのできる装置であり、ブリッジ部５は複数の端子（具体的には４端子）を備えて構成されており、その端子からの入力は分岐した他の端子に選択的に出力される。ブリッジ部５の構成としては特に限定されるわけではないが、例えば４ポート導波管素子を用いて構成することができる。

また本装置１の機能について具体的に説明すると、ブリッジ部５は上記の通り、少なくとも４つの端子を備えており、それぞれが電磁波発生部２、センシング部３の出力側、検出部４、平衡部５１にそれぞれ接続されている。

そして、本装置１のブリッジ部５では、電磁波発生部２からの入力はセンシング部３及び平衡部５１に、センシング部３からの入力は検出部４及び電磁波発生部２に、平衡部５１からの入力は検出部４及び電磁波発生部２に、検出部４からの入力はセンシング部３及び平衡部５１にそれぞれ分岐しながら出力される。なお、検出部4からの入力は検出部４からの反射波であり通常極力抑制されるが微小ながら存在して好ましくないため、また、センシング部３は植物による電磁波の変調を出力するのみであるため、およびブリッジ部５から電磁波発生部２への出力は好ましくないため、ブリッジ部５と検出部４、ブリッジ部とセンシング部３、およびブリッジ部５と電磁波発生部２との間に電磁波方向制御素子３５、３６、および３７具体的にはアイソレータ（単向管）を設けておくことが好ましい。

以上、本装置１によって、よりリアルタイム性の高いリアルタイム光合成測定装置を提供することができる。具体的な動作については、上記構成から明らかであるが、以下のとおりとなる。

まず、測定に先立ち、植物をセンシング部３のスリット３１に挿入する。植物としては上記のとおり、光合成を行う部位、具体的には葉であることが好ましい。またこの場合において、センシング部３の中空導波管３２のガス導入口３４にはチューブが接続され、必要に応じ二酸化炭素の供給を制御できるようになっている。更にこの場合において、気孔のガス導入口３４側に葉の裏側が配置されていることが好ましい。

また本装置１では、センシング部３近傍には光源が設置されており、センシング部３の透明電極ガラスを透過させて植物に光を照射することができる構成となっている。

そして、上記配置において、電磁波発生部２により電磁波を発生させ、センシング部３の植物に対して電磁波を照射した後ブリッジ部５における平衡部５１の可変減衰器と移相器とを調整して検出部４への出力を零とする。タイミングを調整しながら、二酸化炭素の供給及び光の照射を行う。すると、植物は光合成を開始し、この光合成によって電磁波は変調を受ける。そしてこの電磁波の変調した成分のみを検出部４によって検出することで、光合成を電磁波の変調としてリアルタイムに観測することができる。

なお、本装置１において、植物挿入用のスリットは、より低い周波数（例えば３ＧＨｚ）を使った場合、導波管の対向する一対の壁面に、導波管の軸方向にスリット状の穴をあけた構造にすることもできる。この場合、光は、そのスリットと直交する壁面にあけた穴を通して照射する。低い周波数では導波管が大きくなるため、比較的大きな穴をあけても電波の伝搬に大きな影響を与えない。また、本装置１では、測定対象の植物を含んだセンシング部を容器で囲い、目的に応じて内部の気体を制御することにより温度や雰囲気を変えた測定ができる。葉の裏側に電磁波反射体（例：金属板）を置き、電磁波放射口を受信用に兼用することもできる。この場合、電磁波は葉を２回透過して２回変調を受ける。反射体を置かず、葉からの反射波を受信する方法も考えられる。

ここで、上記リアルタイム光合成測定装置について実際に作製し、その効果について確認した。以下具体的に説明する。図３は、本実施例において作成したリアルタイム光合成測定装置のブロック図である。本図に係る装置は、ほぼ上記実施形態の例と同様であるが、電磁波発生部と検出部とを一体とし、電磁波発生部とセンシング部の間に別途ブリッジ部を設けている。

本実施例において、電磁波発生部、検出部としては、ネットワークアナライザー（ヒューレットパッカード社製８７１９Ｃ）を用いた。

また、本装置において、それぞれを接続する導波管として、古川Ｃ＆Ｂ社製の方形導波管（ＷＲＪ−１０）を用い、上記電磁波発生部（検出部）、センシング部、ブリッジ部、を接続した。なお、測定周波数は９．４ＧＨｚとした。

なお、センシング部は、斜め４５度に切断された一対の導波管を平行な５ｍｍの幅が形成されるように配置したスリットを設けたものとした。また、この導波管の切断部分近傍の一部上面には、金属を取り除きこの代わりに透明電極ガラス板を設けて導電性接着剤で接合した光照射用の窓を配置した。葉の測定部にはこのガラス板を通して光を照射することができるようにした。

また本実施例においては、光源として、東芝製ＬＥＤ電球ＬＤＲ１９Ｌ−Ｗを使用した。

そして、実際に組み立てた上記装置に基づき、葉の変わりに水を含ませたろ紙を試料として測定を行った。この結果を図４、５に示す。なお図４は振幅及び位相の時間変化を示し、図５は、位相及び振幅の変化をそれぞれ横軸、縦軸にとって示している。

この結果、位相及び振幅の変化は、それぞれ電導度及び誘電率が変化したことを意味しており、図４における両者の直線的変化は、時間とともに水が蒸発して量が少なくなったため実効的に導電度及び誘電率が減少する様子を示している。一方、図５で示されているように、同種の物質の増減（この場合は水）は、位相−振幅の直交座標グラフでは直線で示されていることがわかる。

次に、実際に鉢植えにした小松菜の葉について測定を行った。図６及び図７に、位相変化についての結果を示す。

図６は、照射光強度を変化させた場合を示す。なお、光強度はＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルターで変化させながら１０分毎に最初の２分間葉に光を照射したときの信号出力を示している。

この結果、光強度が大きくなるにつれて、変化が大きくなっていることが確認できた。

また図７は、二酸化炭素の効果を調べた結果であって、葉の裏面に空気と二酸化炭素を流した場合の違いの差を調べたものであり、最初の４０分は空気を流し、その後二酸化炭素に変えて合計１００分間照射を続けた場合の結果である。なおこの場合において空気、二酸化炭素の流量は、いずれも１００ｍｌ／分とした。

この結果、空気を流した場合と、二酸化炭素を流した場合とで出力の信号が異なっていることが確認できた。

また、図８は、上記図７の二酸化炭素を流した場合の結果について、上記図５、６と同様の方法で表したものである。この結果によると、時間の経過に伴い、二か所で屈曲した直線的変化が生じていることが分かる。直線的な部分では葉内の物質の導電度・誘電率が一定で量が変化しており、屈曲点では測定されている葉内物質が異なった導電度・誘電率を持った物質に変化したと考えることができる。

すなわち、上記の結果、（１）信号出力は葉への光照射に反応する。また、光強度によって信号出力が変化する、（２）二酸化炭素に反応して出力信号が変化する、（３）光照射後の時間経過に伴って葉内物質の量又は物質そのものが変化していると考えられる、という知見を得ることができた。

以上のとおり、本装置によって、リアルタイムに植物の光合成を測定することができることを確認した。

本発明は、リアルタイム光合成測定装置として産業上の利用可能性がある。

Claims (5)

1. 電磁波発生部と、測定対象となる植物を配置し、前記電磁波発生部から供給される電磁波を植物に照射するためのセンシング部と、前記センシング部に配置された植物により変調した前記電磁波の位相及び振幅の少なくともいずれかを測定する検出部と、を有するリアルタイム光合成測定装置。
2. 前記センシング部は、植物を挿入するスリットを備える一対の導波管を有する請求項１記載のリアルタイム光合成測定装置。
3. 前記センシング部における前記スリットは、前記導波管の導波方向に対し傾いている請求項１記載のリアルタイム光合成測定装置。
4. 前記センシング部における一方の導波管は、透明電極ガラスを備えている請求項１記載のリアルタイム光合成測定装置。
5. 前記センシング部における一方の導波管は、ガス導入口を供える請求項１記載のリアルタイム光合成測定装置。