JP5429657B2 - 種子の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波の照射を利用した種子の非破壊分光測定における検査方法およびその検査装置に関する。

特開2007-49994号公報 J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 953-957

穀類の種子である麦や米は人類の主食の座に位置する。また主食としてばかりではなく植物の種子は人類の生活に不可欠なものとなっている。豆類もまた地域によっては主食の一部となり、菜種やゴマからは油が採取されて食用となり、食用油やトウモロコシあるいはサトウキから採取されるアルコールはバイオ燃料として、石油燃料の代替物として二酸化炭素排出量の軽減効果が期待されている。種子は胚、胚乳、子葉、種皮などで形成され、胚乳は種子の栄養貯蔵組織であり、胚は根、茎、芽、葉などの植物の構造体となる細胞からできている。子葉は胚乳から栄養を引き出す器官であり、種皮は種子の構造が傷ついたり水分を失わないよう保護している器官である。農作物の収穫率向上のためには、栄養価の高い、優れた種子を選別する必要があり、これまでにさまざまな検査が実施されてきた。

近年、遺伝子操作によるバイオテクノロジーによる新しい植物の開発に関する話題が尽きない一方、遺伝子操作の問題点も多く指摘されている。また、ジーンバンクによる交配育種による品種改良が行われ、他の遺伝資源から新しい品種を生み出す試みがなされている。従来、このような種子の分析・選別の過程では、品種純度検査、成分分析、発芽率検査、含水率検査やDNA検査が行われてきた（特許文献１）。これらの検査はいわゆる破壊検査であり、多数の種子の中から無作為に種子を抽出し、所定の検査が行われてきた。無作為抽出であるために種子の中に混在する病原体を保有する種子や、発育不良の種子の選別が難しく、交配育種に問題を生じる危険性があった。

近年、テラヘルツ電磁波を利用した物質分析や有機化学研究が注目されている。テラヘルツ電磁波（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）は、遠赤外光とも呼ばれ、周波数領域が光と電波の境界に相当するおよそ０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの電磁波である。テラヘルツ帯の周波数は、たんぱく質などの生体関連分子や高分子材料における固有振動に対応しているため、生体機能や分子構造の解析などに応用が期待されている。また、各種タンパク質、脂質、炭水化物に分類される、さまざまな有機分子の振動・回転スペクトルがこの周波数領域に存在していることから、分子識別のための指紋スペクトルとしての応用も期待されている。非特許文献１には広帯域で高出力のテラヘルツ電磁波を発生させる方法が開示されており、これまで未踏領域とされたテラヘルツ周波数帯域を用いたさまざまな応用が検討され始めている。テラヘルツ電磁波は物質に依存した透過性を持ち、光波としての直進性を兼ね備えている。このため特定物質の非破壊検査や隠匿物の画像化などへの適用が検討されている。

本発明は、種子の成分、種子内部の成分分布、含水率分布などの検査を、非破壊で、種子が生きた状態で、高精度に検査できる方法及び装置を実現することを目的とする。

本発明（１）は、測定対象となる非破壊の種子に電磁波を照射し、０．１ＴＨｚ〜３０ ＴＨｚの範囲内で前記電磁波の周波数を掃引し、種子を透過する電磁波の透過強度又は種子から反射される電磁波の反射強度を測定し、透過スペクトル又は反射スペクトルを得ることにより前記種子の成分を分析することを特徴とする種子の検査方法であり、前記種子の含水率が１０％以下であることを特徴とする種子の検査方法である。
本発明（２）は、測定により得られた前記透過スペクトル又は前記反射スペクトルから前記種子に含まれる特定成分に対応する固有周波数を識別することを特徴とする前記発明（１）種子の検査方法である。
本発明（３）は、前記種子及び／又は前記電磁波の発生手段の位置を走査し、前記特定成分の濃度分布を画像化することを特徴とする前記発明（２）の種子の検査方法である。
本発明（４）は、前記特定成分が水であり、０．５ＴＨｚ〜３ＴＨｚの範囲内で、水に対応する前記固有周波数の電磁波を前記種子に連続的又は非連続的に照射することにより、前記種子中の水分分布の経時変化を測定することを特徴とする前記発明（２）又は前記発明（３）の種子の検査方法である。
本発明（５）は、前記種子に複数の周波数の電磁波を照射し、前記種子中の複数の特定成分の濃度分布を画像化することを特徴とする前記発明（３）又は前記発明（４）の種子の検査方法である。

本発明（１）によれば、種子中の成分（脂質、炭水化物、タンパク質、および含有するビタミンなどの成分）を特定できる。これはテラヘルツ帯付近の電磁波に特有の特性吸収と、種子に対する透過性を利用して非破壊検査を可能としている。
含水率を１０％以下の種子を検査対象とすることにより、種子中の炭水化物、タンパク質、脂質の分析が可能となる。
本発明（２）によれば、種子に含まれる特定成分の含有量又は濃度を測定できる。
本発明（３）によれば、識別された固有周波数を用い、種の内部に分布する特定成分の濃度分布を視覚的に分析できる。この方法によって栄養価の高い種子の選別や、油糧種子では特定の含まれる油成分とその量を定量的に分析することが可能になる。
本発明（４）によれば種子中に含有される水分量およびその濃度分布を画像化でき、種子の保存に必要な休眠状態の管理、および吸水開始による発芽過程のモニタが可能になる。
本発明（５）によれば、種子中の複数の特定成分の濃度分布を測定できるので、検査又は測定効率の向上に効果がある。

以下、本発明の最良形態について説明する。

[検査対象]
本発明の検査対象は、穀類の種子に限定されない。テラヘルツ電磁波による非破壊検査は、穀類の種子に限らず、野菜及び花の種子や球根、豆類、木の実など、あらゆる植物の種子類を検査対象とすることが可能であり、穀類の種子を検査対象とした場合と同様の優れた効果が得られる。本願明細書においては、これらの種子類を総称して「種子」と呼ぶことにする。

［分光測定システム］
図１（ａ）は、本発明に係る透過型の分光測定装置のブロック図である。図１（ａ）に示す透過型の分光測定装置は、電磁波発振器１、検出器４、信号処理部５により構成される。測定対象となる種子３は、発振器１と検出器４の間の光軸２上に置かれる。種子３を通過した電磁波は、検出器４により検出され、信号処理部５により検出信号が処理される。駆動機構６は種子３の位置決めや、種子３を走査して透過イメージングを得る際に必要となる。
種子３は光軸２に垂直な平面内の移動・調整により光軸２上で分析点が決定される。検出器４としては、広い波長感度特性をもつ焦電検知器や、ボロメータなどが用いられる。また検出器で検知された信号は信号処理部５によってスペクトル情報として処理・記憶される。
図１（ｂ）は、本発明に係る反射型の分光測定装置のブロック図である。図１（ｂ）に示す反射型の分光測定装置は、電磁波発振器７、ミラー９、検出器１２、信号処理部１３により構成される。発振器７から出力された電磁波は、ミラー９で反射し、種子１０に照射され、反射した電磁波がミラー９で反射して検出器１２に入射する。検出信号は、信号処理部１３により処理される。透過の場合と同様に。駆動機構１５は種子１０の位置決めや、種子１０を走査して反射イメージングを得る際に必要となる。
テラヘルツ電磁波を発生する発振器（又は光源、以下、発振器と呼ぶ）としては、テラヘルツ波パラメトリック発振器などの誘電体を用いた発振器、ＧａＰなどの半導体を用いた発振器、ｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどのレーザを用いた発振器が主に用いられている。

例えば、図１（ａ）に示す透過型分光測定装置についてより具体的に説明する。電磁波発振器１としては、例えば、ＧａＰ結晶を用いた差周波テラヘルツ波発生装置が用いられる。また、ＧａＰ結晶の代わりにＬｉＮｂＯ３結晶を用いると、差周波発生やパラメトリックオシレーションにより０．７ＴＨｚから２．５ＴＨｚのテラヘルツ電磁波を得ることができる。さらに、電磁波発振器１として、ガンダイオード、タンネットダイオード、共鳴トンネルダイオード、又は、ｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどの電子デバイスを用いることもできる。これらの発振器を用いることにより、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数範囲の電磁波を利用できる。
電磁波発振器１より発生したテラヘルツ電磁波は、自由空間に放射される。発振器１と検査対象となる種子３の間には、図示しないが、レンズ等によって構成される集光系が配置されている。レンズの材質としては、テラヘルツ電磁波が透過する材料で、石英、ポリエチレン、又は、テラヘルツ電磁波透過性のシクロオレフィンポリマー系樹脂材料が用いられる。
種子３は通常、含水率を１０％程度まで抑えた休眠状態にある種子が検査対象となる。これによって種子中の炭水化物、タンパク質、脂質の分析が可能となる。含水率が高くなると水に特有の吸収が増加しスペクトルの検出が困難になる傾向がある。通常の種子は保管状態で休眠状態に保つ必要があり、このため必然的に含水率が１０％以下となっており、通常の保管状態での分析が可能になる。また、本発明の分析方法は低温保管され種子についても図１における種子３の測定環境を低温化することにより、低温の保管状態のまま種子成分の分析ができるという特徴を持っている。

［種子の検査装置］
本願発明を可能にする種子の検査装置は図６に示す構成である。被測定種子２０は供給装置２３より、搬送装置２１を解して試料回転ステージ２２に送られる。試料回転ステージの所定の位置で電磁波発生手段、検出手段および光学系などによって構成される測定制御装置２５により、電磁波の透過および反射のスペクトル測定および、所定の周波数と用いた透過あるいは反射イメージングが行われ、選別装置２６により所定条件の選別を行い、回収装置２４に収められる。種子は冷蔵保存されることが多く、本装置は低温恒温槽２７を具備しており、測定検査から、選別、および回収までのプロセスが一定の温度で行える仕組みになっている。

［含水率の分布測定］
本願発明者らは、種子中の成分を分析するために、さまざまな種子について検討した結果、０．５〜３ＴＨｚの周波数帯を用いると種子中に含まれる水分の量を特定できることを確認した。図２に示すのはヤマノイモの種子中の場所の違いによるテラヘルツ透過スペクトルである。この実施例では吸水時間をパラメータとし、各部における０．５から３ＴＨｚのスペクトルを表示してある。時間は密閉容器における飽和水蒸気からの吸水時間である。このことから、種子のある部分図中Ａでは含水過程による透過率の変化が大きく、Ｂの部分では吸水しても透過率にほとんど変化が生じないという現象が観察されている。乾燥状態におけるスペクトルでは２．０ ＴＨｚ付近に種子成分を反映した吸収スペクトルが確認されている。このスペクトルは油糧種子である菜種などではより特徴的なスペクトルが観測されている。
図２における図中Ａの部分でのテラヘルツ透過スペクトルにおいて、ヤマノイモ種子の吸水時間に対する１．２ＴＨｚ付近の透過強度変化が顕著であることから、１．２ＴＨｚの周波数を用いた透過イメージングを実施した。図１（ａ）に示した分光システムを用い、同一の種子におけるそれぞれの吸水時間における透過イメージングの結果を図３に示した。ヤマノイモ種子は１．２ ＴＨｚの電磁波を照射しつつ、０．２ｍｍステップでスキャンし、各点における透過強度を画像化した。これによると、胚と思われる部分（図中上部）より水分が吸収され、時間とともに種子全体に広がっていく過程が観測されている。この過程は休眠状態にある種子が、吸水活動を開始し、発芽過程に移行していくプロセスを生きたまま非破壊にて捕らえた貴重な実施例となっている。このように、種子を生きたままの状態でその生命活動過程を観察することはこれまでの分析方法では不可能であったが、０．５〜３ ＴＨｚの電磁波の透過特性を捕らえることで初めて可能となった。また、前述の吸水過程とは逆の、種子の乾燥過程についてもモニタすることが可能になるので、湿度や温度などの種子の保存環境に関する最適環境をモニタできる。

図４は村田図と呼ばれ、種子の種皮を除去した状態（ｄｅ−ｃｏａｔｅｄ）、およびそのままの状態（ｉｎｔａｃｔ）における吸湿時間と種子の重量増加の関係である。これまではこのように、時間によって種子の重さがどう変化するかを調べ、経験値に基づき吸水状況を判定していた。しかし、電磁波を用いたリアルタイムの透過イメージングにより、種子の吸湿状態を精度良くモニタできるので、高い品質管理技術を構築できることになる。
また、電磁波の周波数を０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚまで拡張すると、水分以外の炭水化物、脂質、タンパク質、ビタミンなどの成分の含有量や分布状態を分析、および画像化できるので、栄養価の高い種子を選別し交配を行い、農作物の収穫向上につながる優良品種を開発するための基礎技術を確立できる。

［脂質成分の測定］
ゴマおよびナタネなどから搾油した食用油についてテラヘルツ波分光測定を行った。
（試料の準備）
食用油を１０μリットル程度メンブレンフィルター上に滴下し、自然浸透させた。
（分光測定）
メンブレンフィルター上に形成した液滴を０．５〜６．５ＴＨｚの電磁波で周波数掃引して、透過強度の周波数依存性を測定し、図５に示すテラヘルツスペクトルを得た。油の成分であるリノール酸やαリノレイン酸に対応する複数のスペクトルが０．５から６ＴＨｚの範囲で観測されることがわかった。この結果を元に各油成分に特有特定の周波数を選択すれば、油糧種子の成分分析や、イメージングによる油成分の種子内分布の情報が得られることになる。

以上のように、本発明に係る種子の検査方法および検査装置は非破壊にて種子の吸水過程、乾燥過程、種子内の栄養成分分析と分布を可視化でき、栄養価の高い種子の選別と、これらの交配による優良品種の開発を可能とし、農作物の収穫向上につながる基礎技術として、農業や生体化学の分野で大きく寄与する。

（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明に係る透過型及び反射型の分光測定装置のブロック図である。 ヤマノイモの種子中の場所の違いによるテラヘルツ透過スペクトル例である。 ヤマノイモの種子中の吸水時間における１．２ＴＨｚ透過イメージングの例である。 村田図と呼ばれる吸湿時間と種子の重量増加の関係である。 ゴマおよびナタネなどから搾油した食用油についてテラヘルツスペクトル例である。 本発明の種子の検査装置の構成を説明する図である。

符号の説明

１、７ 電磁波発振器
２、８、１１ 光軸
３、１０、２０ 種子
４、１２ 検出器
５、１３ 信号処理部
９ ミラー
６、１５ 駆動機構
２１ 搬送装置
２２ 試料回転ステージ
２３ 供給装置
２４ 回収装置
２５ 測定制御装置
２６ 選別装置
２７ 低温恒温槽

Claims (5)

1. 測定対象となる非破壊の種子に電磁波を照射し、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚの範囲内で前記電磁波の周波数を掃引し、種子を透過する電磁波の透過強度又は種子から反射される電磁波の反射強度を測定し、透過スペクトル又は反射スペクトルを得ることにより前記種子の成分を分析することを特徴とする種子の検査方法であり、前記種子の含水率が１０％以下であることを特徴とする種子の検査方法。
2. 測定により得られた前記透過スペクトル又は前記反射スペクトルから前記種子に含まれる特定成分に対応する固有周波数を識別することを特徴とする請求項１記載の種子の検査方法。
3. 前記種子及び／又は前記電磁波の発生手段の位置を走査し、前記特定成分の濃度分布を画像化することを特徴とする請求項２記載の種子の検査方法。
4. 前記特定成分が水であり、０．５ＴＨｚ〜３ＴＨｚの範囲内で、水に対応する前記固有周波数の電磁波を前記種子に連続的又は非連続的に照射することにより、前記種子中の水分分布の経時変化を測定することを特徴とする請求項２又は３のいずれか1項記載の種子の検査方法。
5. 前記種子に複数の周波数の電磁波を照射し、前記種子中の複数の特定成分の濃度分布を画像化することを特徴とする請求項３又は４のいずれか1項記載の種子の検査方法。

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