JP6371856B2 - 光学分析装置、光学分析方法及び試料調製装置 - Google Patents

光学分析装置、光学分析方法及び試料調製装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6371856B2
JP6371856B2 JP2016553745A JP2016553745A JP6371856B2 JP 6371856 B2 JP6371856 B2 JP 6371856B2 JP 2016553745 A JP2016553745 A JP 2016553745A JP 2016553745 A JP2016553745 A JP 2016553745A JP 6371856 B2 JP6371856 B2 JP 6371856B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
optical
light
analyzer
optical analyzer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016553745A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2016537655A (ja
Inventor
マールバッハ ラルフ
マールバッハ ラルフ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Grainsense Oy
Original Assignee
Grainsense Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Grainsense Oy filed Critical Grainsense Oy
Publication of JP2016537655A publication Critical patent/JP2016537655A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6371856B2 publication Critical patent/JP6371856B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3554—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G01N2201/022—Casings
    • G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/063—Illuminating optical parts
    • G01N2201/0631—Homogeneising elements
    • G01N2201/0632—Homogeneising elements homogeneising by integrating sphere

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、光学分析装置、特に携帯型光学分析装置と、穀物などの粒状農産物試料を分析し、水分又はタンパク質などの含有物質を測定するための方法とに関する。このような含有物質の濃度を把握することは、農業上の決断及び計画にとって不可欠である。更に、本発明は、光学分析用に農産物試料を調製するための試料調製装置に関する。
従来技術から、農産物、特に穀物の成分を定性的又は定量的に調べるための多くの方法が既知である。成長途上の作物、収穫後の作物、又は保存された作物の価値を把握し、必要になり得る対策を講じるためには、成分情報を得ておくことが重要である。
今日では、採取された試料は、分析をするために専門の研究所に送られる。しかしながら現在のところ、水分測定を除いて、広範に使用可能な頑丈で比較的低コストの分析装置が存在しない。このような分析装置を使用した分析に関しては、主食、即ち多くの人が常食し、生存及び健康維持に不可欠な以下の３つの有機栄養素（http://en.wikipedia.org/wiki/Macronutrients参照）における１つ以上を供給する作物において、最大のニーズが存在する。これら３つの有機栄養素とは、炭水化物（http://en.wikipedia.org/wiki/Carbohydrate参照）、タンパク質（http://en.wikipedia.org/wiki/Protein参照）及び脂質（http://en.wikipedia.org/wiki/Fat参照）である。
主食の多くは、例えば、小麦、トウモロコシ、米などの穀物（http://en.wikipedia.org/wiki/Cereal参照）、又はジャガイモ（http://en.wikipedia.org/wiki/Potato参照）などの根菜（http://en.wikipedia.org/wiki/Root_vegetable参照）に由来するものである。他の主食には、マメ又はエンドウなどの豆果や、リンゴ、トマト又はナッツなどの果物が含まれる。
現在のところ、低コストの分析装置は、水分の測定にしか使用できない。このような低コストの分析装置を使用すれば、試料の電気特性（静電容量又は抵抗）を測定することができる。特に、穀物用の水分計は極めて一般的である。分析装置を使用した水分測定に関しては、穀物試料が配置されるコンデンサの静電容量の変化を測定するというアプローチがある。特許文献１（米国特許第5,716,272号明細書）に開示の発明では、穀物が含有する水分量はこのアプローチにより測定される。
光学的方法を利用すれば、水分をより正確に測定できるのみならず、水分以外の物質、例えばタンパク質を測定することができる。光学的方法では、赤外光の透過及び反射が一般的に利用される。特許文献２（欧州特許出願公開第0511184号明細書）に開示の発明では、ウィンドウを含む試料容器に対して反射法が適用される。この場合にウィンドウは、ランダムに分布させた試料要素からの反射応答を得るために使用される。
特許文献３（米国特許第6,369,388号明細書）は、様々な穀物に使用される携帯型光学分析装置を開示している。この装置においても、分析を行うために、光ポート内に配置可能な類似の試料容器が使用される。この場合、透過又は反射した近赤外光（ＮＩＲ光）が測定される。
これまで、穀物試料の穀粒を均一に分布させ、かつランダムに堆積させることは、信頼性の高い透過応答又は反射応答を得る上で極めて重要であった。特許文献４（米国特許第4,286,327号明細書）に開示の発明では、やはり信頼性の高い応答を得るために、複数個の光源（ＮＩＲ-ＬＥＤ）を使用するというアプローチを採用しており、これにより複数個の光源に亘って平均化を可能にしている。しかしながら、この発明では、試料を均一かつランダムに分布させることが、高い信頼性を有する分析にとって依然として極めて重要な前提である。
一般的には、粒状試料を測定する場合、透過法は、試料要素の不都合な分布により生じる偶発的なバックグラウンドノイズの問題を有するのに対して、反射法は、試料質量の最小限しか測定されないという問題を有する。この場合、試料内部の質量の大部分は、スペクトル光のフィルタリングに影響を及ぼすことなく明らかにされることがない。このことによる影響は、透過法における影響ほど問題にはならないが、試料の厚さに起因して光が完全に吸収される可能性がある。これにより、透過がほぼ生じない又は完全に吸収されるため、測定可能な信号を得ることができない。
上述したケースの１つにおいて、スペクトルのフィルタリングにより、測定されない試料質量は、以下に「隠された質量」と称される。反射法による測定の多くでは、試料質量の大部分は、光の浸透深さが被照射面下方で制限されることにより明らかにされない。これに対して透過法による測定では、光の全体的な吸収率が適度であったとしても、粒状試料質量の大部分は、検出光の多くが試料質量を通過するのではなく、むしろ極めて透過性の大きな領域、例えば穀物試料のエアギャップを潜り抜けるように通過して検出器に到達するため、やはり多くのケースで明らかにされない。
特許文献５（国際公開第1999/40419号パンフレット）は、分析を行うために、試料調製及び予調整を最適化する技術を開示している。この技術において、光学分析は、収穫された穀物の連続的なフローに対して行われる。この場合、分析ビームは、スペース上明確に規定されており、試料フロー内の相互作用領域に向けられる。特許文献５に開示の光学配置は、反射率を考慮するものであるため、試料と相互作用する光だけが測定される。反射光には、穀物の表面層に関する情報が主に含まれる。試料の流動フローはランダム化されるため、穀粒形状及び配置が光ビームに対して容易に平均化される。
しかしながら、スペクトル上のフィルタリング応答の信頼性を依然として保証するように、試料に関して適切なランダム化を実現することができない問題が残る。これに加えて、光学分析装置自体には、試料の成分濃度を測定するために安価で信頼性の高い配置が望まれるのみならず、光学分析方法も容易に実現可能であることが望まれる。
米国特許第5,716,272号明細書 欧州特許出願公開第0511184号明細書 米国特許第6,369,388号明細書 米国特許第4,286,327号明細書 国際公開第1999/40419号パンフレット
本発明の第１の課題は、光学フィルタリングが粒状の農産物試料又は試料要素の外層で行われるだけでなく、隠された質量も光学測定されることにより、測定結果の精度及び信頼性を向上させることである。
本発明の第２の課題は、必要な試料の量を減少させることにより、信頼性の高い測定結果を得ることである。
本発明の第３の課題は、農産物の生産地に携帯可能な携帯型光学分析装置を提供することにより、試料測定に必要な待機時間及び搬送を不要とすることである。
本発明の第４の課題は、試料調製のための機器及び手間を最小限に抑えることにより、農産物の生産地にて実施する方法を簡略化することである。
本発明は、従来の光学的方法において、粒度が問題になっていたという知見に基づいている。即ち、従来の光学的方法では、試料状態は均一であることが望ましく、粒度による影響を排除するために、何らかの手法による平均化に依存していた。
本発明に係る光学分析装置は、
・光学積分キャビティを備え、該キャビティは、少なくとも１つの光学拡散壁により形成され、かつ１個以上の試料要素から成る固形農産物試料を含むように構成されており、
・光学積分キャビティ内に光を放出する光源を備え、少なくとも１つの光学拡散壁は、放出光を散光に変換するために利用され、該散光の少なくとも一部又は全部は、試料により、スペクトル的にフィルタリングされた光に変換され、
・スペクトルセンサを備え、該スペクトルセンサがスペクトル的にフィルタリングされた光に露出されている間、試料が光学積分キャビティ内に閉じ込められる。
試料は、光学積分キャビティ内に閉じ込められる。即ち、試料は、光学積分が行われる光学積分キャビティの容積部内に保持されることを意味する。試料は、キャビティ内で必ずしも固定され若しくはロックされなくても、又は容積部により必ずしも完全に包囲され若しくは覆われなくても、容積部から離れることはない。
積分キャビティ内の光子密度は、ほぼ均一である。従って、散光は、キャビティ内で均一に分布し、試料に反射するか又は試料を通過することにより試料と相互作用する。この場合、反射又は通過に関わらず、何れの場合にも散光スペクトルのフィルタリングが行われる。スペクトルのフィルタリングは、試料が含有する成分を特徴付けるものである。理想的には、散光の全て又はほぼ全てがフィルタリングされた光に変換されれば、良好な信号・ノイズ比を得ることができる。
光学分析の対象は、固形農産物を含むか又は固形農産物で構成される試料である。この場合に試料とは、１個以上の試料要素、例えば穀物の穀粒又は他の固形農産物の最小単位から成るものである。試料は、僅かな量の干し草又は牧草であってもよい。
定義によれば、穀物とは、小さく硬い乾燥した種子（http://en.wikipedia.org/wiki/Seeds参照）のことであり、主に人の食料又は動物の飼料として収穫される。穀物には、穀物、疑似穀物、穀実用マメ科作物及び油料種子が含まれる。収穫された穀物の選び出された部分は、翌年のための良質種子に使用される。また穀粒とは、穀物における単一の種子のことである。
定義によれば、飼料とは、人が家畜（http://en.wikipedia.org/wiki/Domesticated及びhttp://en.wikipedia.org/wiki/Livestock参照）に与える食物（http://en.wikipedia.org/wiki/Food参照）のことである。これは、放牧（http://en.wikipedia.org/wiki/Grazing参照）された家畜が直接に食べる飼葉とは対照的なものである。
定義によれば、作物とは、地上で栽培され、成長し又は収穫される農産物のことである。この定義には、特定の時期に人が収穫する任意の植物が含まれる。
粒状農産物（ＧＡＰ）とは、成長時又は収穫時、更には場合によっては加工時に、一貫して粒状硬度を有する任意の穀物又は他の作物のことである。この定義には、ジャガイモなどの根菜、リンゴ、ベリー類、トマト若しくはナッツなどの果物、干し草（http://en.wikipedia.org/wiki/Hay参照）などの飼料、サイレージ（http://en.wikipedia.org/wiki/Silage参照）、配合飼料（ペレット）、藁、ふすま若しくは油料種子塊、タバコの葉、又は新鮮な刈草などの飼料が含まれる。この定義には更に、作物における様々なライフサイクルも含まれる。例えば小麦又は大麦などの穀物であれば、穀粒を、引き続き成長させることができ、又は新たに収穫することができ、又は乾燥させることができ、又は製粉することができる。
粒状農産物は、物理的に分離可能な最小単位で構成されている。以下、これら最小単位を試料要素と称する。全粒穀物、例えば処理前の穀物であれば、試料要素は穀粒である。穀粒は、一単位内では必ずしも均一ではないが、単位間では類似している。全粒穀物以外の粒状農産物（ＧＡＰ）において、試料要素は穀粒でなくてもよい。これら試料要素は、例えばブルーベリー若しくは（やはり均一な）配合飼料のペレットのように類似していてもよく、又は例えばジャガイモ若しくは藁のように物理的な大きさ及び形状が異なっていてもよい。干し草又は藁の試料では、細長形状が異なっており、より小さな単位に切り刻むことにより、試料要素に形成することができる。
有利には、農産物試料に、機械を必要とするフロー又は流れを加える必要はない。また試料要素、例えば全粒穀物であれば穀粒、又は他の粒状農産物（ＧＡＰ）であれば他の試料要素が測定時に一箇所に完全に固定されていなくても、スペクトル分析にとって問題にはならない。しかしながら、一連の試料要素を完全に静的な状態とすれば測定が最も容易に実現される。なぜなら、積分は、流動する試料要素により行われるわけではなく、拡散される放出光が各試料要素とほぼ全ての側面から相互作用することにより行われるからである。本発明の発明者が行った実験によれば、積分キャビティ内におけるフィルタリングされた光のスペクトル特性、従ってスペクトルの測定結果も、他の方法に比べて再現性及び信頼性が遥かに大きい。実際のところ、試料が放出光のフィルタリングに最も寄与するのは、散光が試料要素の大部分又は全部と可及的に多くの方向から相互作用できるよう、光学積分キャビティ内で試料要素が他の試料要素及び拡散壁に対して分布される場合である。
試料要素においては、隣接する試料要素による遮光が極めて僅かであることが有利である。若干の遮光は許容され得るものではあるが、これは光学積分キャビティ内の隠された質量の増加につながる。
隠された質量とは、所望の光フィルタリングに寄与しない試料質量の割合のことである。上述したように、隠された質量効果は粒状試料では容易に生じ得るものである。これは、試料質量の一部により、試料質量の他の一部が測定光に対して遮蔽され易いからである。このように、積分キャビティ内における隠された質量効果は、試料内の遮光により生じるものであり、個々の試料要素を互いに最小距離で配置すれば、最小化又は排除することができる。これにより、全ての試料要素が可及的に多くの方向から照射される。隠された質量効果の第２タイプは、単一の穀粒内又は他の単一の試料要素内で生じ得る。この第２タイプの隠された質量効果は、使用される測定波長で、試料要素の物理的な大きさによる吸収係数が大きいことにより、特定の試料要素内の光子密度が該試料要素表面の光子密度に比べて大幅に小さい場合に生じる。
隣接する試料要素間で最小距離を保てば、隠された質量効果の第２タイプが更に低減される。
更に、光学積分キャビティにより、センサが直接に露光される問題が回避可能である。これは、放出光が光学拡散壁により又は代替的若しくは付加的にバッフルにより拡散されるからである。これにより、放出光は、ほぼ全ての方向に均一に分布される散光に変換される。
スペクトルセンサは、光学積分キャビティからの入射光にスペクトルセンサを露出させることにより、フィルタリング光の少なくとも一部を捕捉する機能を有する。この場合の入射光には、フィルタリングされた散光のみならず、フィルタリングされていない散光も含まれ得る。議論されている測定の時間分解能は、１ナノ秒よりも遥かに大きいため、フィルタリング散光及び非フィルタリング散光（the contributions）は極めて効果的に混合され、センサに対する混合光出力は極めて安定している（１ナノ秒で、光は約１フィート進行する）。この状態は、透過光分析での放出光に関する制御不能かつ直接的なスループットに比べれば、大きな問題にはならない。光学積分キャビティが使用される場合、非フィルタリング散光は、センサ信号内にオフセットを生じさせるにすぎない。即ち、このセンサ信号は、関連があるスペクトル範囲に亘って、使用された光源のスペクトルを再現するものである。従って、フィルタリングされた散光を、非フィルタリング散光から容易に分離することができる。
試料に関する光学的なフィルタリングは、試料が含有する物質のタイプ及び量、並びにこれら物質の吸収係数に依存するものである。フィルタリングされた光は、試料が含有する各成分の吸収スペクトルを数学的に重ね合わせた吸収スペクトルを有する。この場合、各成分の吸収スペクトルは、濃度パラメータによりスケーリングされる。従って、分析には、試料が含有する既知の物質又は成分、例えば、油分、水分、タンパク質に関する特性吸収スペクトルの回帰分析、特に線形回帰分析が含まれ得る。この場合、各吸収スペクトルは、対応する濃度パラメータで乗算される。従って、フィルタリングされた光に関して得られた吸収スペクトルを、正確な濃度パラメータを選択することにより適合させることができる。このアプローチが適用可能なのは、各成分の濃度が特性吸収ピークの振幅に正比例するからである。代替的には、いわゆる逆回帰法、例えばＰＬＳ又はＰＣＲが適用可能である。これら手法では、測定された一連のスペクトルを、参照法により判定された実際の分析物濃度に対して回帰させ、その解に基づいて新たなスペクトルを予測する。
有利には、試料要素の少なくとも一部又は全部を、光学積分キャビティ内で互いに分離して静止させる。これにより、放出光によるほぼ全面的な拡散照明が可能となるため、隠された質量効果が回避される。特に、試料要素は、ガイドを支援する試料開口を利用して配置されるのが有利である。これにより、充填プロセスの運動エネルギーは、体系的で非遮光的な分布に変換される。このようなガイドを支援する部分は、試料要素が望ましい位置に分布されるよう、一部又は全部が漏斗、ノズル、又は任意のガイドスロープで構成される。
試料要素を互いに最小距離で配置するよう構成された光学分析装置が提供されれば、更に有利である。このような分析装置により、やはり遮光が回避される。試料要素を互いに最小距離で配置する点は、光学積分キャビティ内における最も近い拡散壁に対する規定距離と組み合わせることができる。
有利には、光学分析装置は、光学的に薄い試料を分析するよう構成される。光学的に薄い試料とは、隠された質量効果が約40％未満のものを指す。隠された質量値が約10％未満であれば、測定条件はほぼ理想的と言える。
幸いにもこれまで認識されていなかったことだが、小麦や大麦を含め、多くの重要なタイプの穀物では、試料に関する上記の理想的な状況が比較的容易に実現される。これは、３次オーバートーンの近赤外波長範囲で測定した場合、試料における個々の穀粒が十分に小さく、従って光学的に薄いからである。これら穀粒を光学積分キャビティ内で互いに最小距離で配置すれば、試料全体を光学的に薄くすることができる。例えば、大麦の穀粒を３次オーバートーンの近赤外波長範囲で測定した場合、1000 nm周辺での隠された質量は、重量が約53 mgという比較的大きな穀粒であっても僅か約13％である。また小麦の穀粒であれば、重量が約40 mgであるのに対して、穀粒の隠された質量は、典型的には10％未満である。更に重量が19〜25 mgの米粒であれば、隠された質量は僅か約5％である。
これに対して、他の粒状農産物における試料要素、例えばトウモロコシ又はリンゴでは、切り刻み又は圧搾又は他の方法により縮小化を図り、光学的に薄い試料を生成する必要がある。３次オーバートーンの近赤外光波長範囲では、多くの粒状農産物試料は、スライス又は圧搾された試料プレートの幾何学的厚さが約3 ミリメートル未満であれば、光学的に薄いと見なされる。試料を薄いプレート形状に形成すれば、光学的な薄さが一次元方向で実現される。これは、試料全体の薄さを実現するのに十分である。試料が光学的に薄い状態で配置されれば、試料質量は、積分キャビティ内の散光に関して実質的に透過的である。極めて小さな試料要素、例えばアマの穀粒であれば、上部に複数の層が重なっていたとしても光学的に薄い試料が生成される。なぜならこの場合、光は、複数個の試料要素を通過するときに僅かにしか減衰されないからである。
特定試料における隠された質量を、簡単な実験により測定することができる。まず、原状の試料における吸収信号を記録する。次いで、（試料要素が互いにまだ分離されていなければ）試料要素を互いに分離し、積分キャビティ内で再度測定する。これら２つの吸収スペクトルの振幅を比較すれば、原状の試料に影響を及ぼしていた遮光による隠された質量効果が判定される。最後に、試料要素をより小さく切り刻み、互いに分離して積分キャビティ内で再度測定すれば、隠された質量効果が全て判定される。各試料要素を切り刻むことにより、これら試料要素が透過フィルタとして機能する大きさに縮小されるまで、隠された質量が減少する。この状態において、隠された質量は0％であるのに対して、検査された質量は100％である。800〜1050 nmの波長範囲では、漸近減少は極めて迅速に進行する。例えば、約53 mgの重量を有する大麦の大穀粒が試料要素として使用される場合、長手方向にスライスすることにより、穀粒全体の（ほぼ無視できるほど既に小さな）隠された質量効果が実質的に排除される。
有利には、固体農産物は、粒状農産物（ＧＡＰ）、例えば穀物、特に小麦、大麦、トウモロコシ、オート麦、ライ麦、又はエンドウなどのマメ科、又はリンゴ、ブルーベリーなどの果物、又は飼料若しくは藁混合物などの配合ペレットとする。
穀物試料及び他の試料を区別することは、合理的なことである。これは、多くのタイプの穀物が十分に小さな個別の穀粒を有し、従ってこれら穀粒が光学的に薄いからである。従って、このような穀粒試料を、光学的に薄い試料として容易に配置することができる。他の多くの試料、例えばジャガイモ又はリンゴ又は藁又は油料種子塊に関しては、手動による何らかの前処理又は機械的な前処理を施し、光学的に薄い所望の試料を生成する必要がある。
更に、光学分析装置は、試料のスペクトル分析を行うのに十分なエネルギー負荷が貯蔵可能なエネルギーストレージを備えるのが有利である。このように、光学分析装置は携帯型であり、電力網の接続システムに依存することがない。これにより、使用者は、電力供給システムから遠く離れた場所、例えば居住地域から遠く離れたトウモロコシ畑で光学分析装置を作動させることが可能となる。エネルギーストレージとして特に有利なのは、電気エネルギーによるストレージ、例えば電池又は充電池である。
光学分析装置を、試料の光学分析が行われている間、手動で保持され、特に人の手又は人の片手だけで保持されるように構成すれば操作性が向上する。このように、光学分析装置は、手で操作可能であるのみならず、検査者が１人しかいなくても任意の場所で作動可能である。この場合、検査者は、作物から試料を採取し、必要に応じて予調整し、光学分析装置内に収容することができる。その後、光学分析を行うことができる。このように、濃度結果を容易に得ることができる。
有利には、試料要素間のスペースは、試料を構成する試料要素による吸収に比べて、非吸収的又はほぼ非吸収的に維持される。このように、試料要素による遮光は回避され、隠された質量効果を低く抑えることが可能である。試料用の保持装置、例えば試料ホルダが備えてあれば、放出光にとって透明な材料で構成されるのが望ましい。理想的には、試料要素間のスペースは、例えば空気以外の物質は存在しないものとし、完全に非吸収的とする。
例えばアマの種子のように試料要素が極めて小さければ、複数個の試料要素を単に試料ホルダの窪み又は凹部に配置すればよい。この場合、窪み又は凹部の容積により、試料要素の光学的な薄さが少なくとも一方向においてサポートされる。器具を使用すれば、試料ホルダの窪み又は凹部の容積を超過する試料要素を除去することができる。
隠された質量効果を更に効果的に低減するために、試料要素の一部又は全部は、平面に、一列に又は球内に配置されるのが有利である。これにより、試料が空間方向のほぼ全てから均一に照射される。分析では、光学積分キャビティ内の全スペースに亘って試料要素、例えば穀粒を均一に分布させるのが最適である。なぜなら、これにより試料間に、実現可能な最大距離が生じるからである。ただし実行上の理由により、二次元方向への分布とするのが好適である。
他の好適な実施形態において、試料は、単一の試料要素、例えば単一のジャガイモ又は単一のリンゴをスライスした試料プレートとする。試料をプレート状に切断すれば、理想的には、試料プレートの光学的な薄さに関する基準が法線方向に満たされ、特に厚さが約3 ミリメートルの場合に満たされる。この場合、有利には、試料ホルダが不要である。なぜなら、切断又は圧縮された試料プレートを、光学積分キャビティ内に自己保持的に配置することができるからである。代替的には、試料プレートは、切断又は圧砕された複数個の試料要素、例えばマメ若しくはトウモロコシ穀粒、又は圧縮された複数個の試料要素、例えば干し草若しくは藁で構成される。
試料要素が試料ホルダの窪みにより配置され、かつ光学分析装置が試料ホルダを光学積分キャビティ内で収容するよう構成されていれば、分析装置の使用が大幅に簡略化される。これは、試料ホルダにより、試料要素の配置が規定されるのみならず、試料要素の個数が各分析においてほぼ等しく維持されるからである。更に、光学積分キャビティは開放される必要がないために保護されており、従って拡散壁が外部に露出することがない。これにより、拡散壁表面の汚染が回避される。窪みは、試料ホルダにおける空間若しくは孔として構成され、又は代替的にはハッチ若しくは凹部として構成される。
有利には、試料ホルダは、放出光が透過できるように一部又は全部を透明とする。ただし、試料ホルダが光学積分キャビティの拡散壁の一部を構成する実施形態ではこの限りではなく、このような実施形態では、試料ホルダにより該試料ホルダ周りの光学積分キャビティが適切に閉鎖され、日光の入射が回避される。また、試料ホルダが容易に洗浄でき、従って汚染や粒子が試料ホルダ上に存在しなければ、測定時に試料ホルダが光学積分キャビティ内に配置されたときに有利である。
有利には、試料ホルダは、50〜110、特に70〜80又は70〜100の窪みを有する。これら窪みは、試料要素を配置又は保持するよう形成される。このように、本発明に係る光学分析装置では、従来技術の光学分析装置に比べて試料の量が大幅に減少する。この点は、小麦又は大麦のように個々の試料要素が光学的に薄く、従って隠された総質量が無視可能、即ち試料質量が実質的に全て検査され、これによりスペクトル的にフィルタリングされた光に寄与する場合に特に当てはまる。穀物業界では、手動装填を促進する適切な窪み形状、即ち単一の穀粒だけが充填される窪み形状が既知である。この場合、最適な窪み形状は、異なるタイプの穀物間で変動するだけでなく、同一穀物の異なる品種間でも（それほど大きな程度ではないにせよ）変動する。試料ホルダは、有利には、分析装置から容易に取り外し可能に構成されるだけでなく、分析装置内に容易に再度配置可能に構成されるため、使用者は、異なるタイプの穀物を測定するために、１個の試料ホルダを他の試料ホルダに交換することができる。
有利には、試料ホルダの厚さは、光学的に薄い試料に特徴的な厚さに対応し、この特徴的な厚さは特に約2〜4 ミリメートル又は4 ミリメートル未満とする。このように、隠された質量の測定基準に満たない試料を試料ホルダに充填し、該試料ホルダをガイド要素として使用すれば、穀粒又は他の試料要素の大きさ及び光学的な薄さを変更し、隠された質量を低減することができる。2〜4 ミリメートルの厚さとすれば、光学的薄さに関して、ほぼ全ての穀物で要件が満たされる。
好適な実施形態において、試料ホルダは、フレームにより、形状適合により、又は力拘束により、光学積分キャビティ内に配置可能及び／又は固定可能である。これにより、光学積分キャビティ内における各試料要素の位置は、光学積分キャビティの拡散壁に対して明確に規定され、従ってスペクトル結果の再現性を更に高めることが可能となる。試料要素を光学積分キャビティ内に配置するには、キャビティを開放して試料要素を導入するか、又は試料ホルダをキャビティ内で配置及び固定できるようにする。また、フレームを使用すれば有利である。これは、フレームが試料ホルダ上のハンドルとして機能し、及び／又は、キャビティを閉鎖又はロックするためにフレームを使用できるからである。
光学分析装置は、有利には、試料又は試料ホルダを差し込むための試料スロットを備える。試料スロットは、手動装填又は自動供給により、試料又は試料ホルダを光学積分キャビティ内に適切に配置するのに機能する。フレーム又は他の閉鎖部を使用すれば、日光又は他の妨害光が光学積分キャビティ内に入射することを付加的又は代替的に回避することができる。
好適な実施形態において、スロットの入口にブレード又はブレードの対が配置されることにより、試料は、光学分析装置内に差し込まれるときに部分的にスライスされ、これにより光学的に薄い試料に加工される。このように、試料の調製及び光学分析装置内への差し込みは、測定前の１つの調製ステップとして組み合わされる。
好適な実施形態では、光学分析装置により、複数個の異なるタイプの粒状農産物に関するスペクトル分析を行うことが可能である。この点は、分析装置が物理的に類似するタイプの農産物、例えば、小麦や大麦などの小さな穀物、又はトウモロコシやソラマメなどのより大きな穀物、又は干し草や藁、又は小麦粉などの粉末、又は単一のプレートに切断する必要のあるリンゴやジャガイモなどの果物や根菜を測定するよう構成される場合に特に可能である。このように、農産物は、隠された質量値を最小限とした所望の試料に加工するために必要な前処理に従って分類される。前処理を施した後、試料として光学分析装置内に導入することができる。
有利には、試料は、特に切り刻まれ、スライスされ又は圧縮された粒状農産物とする。これにより、隠された質量を低減することができ、試料質量に関してフィルタリングされる散光の割合が増加する。理想的には、前処理により、試料の光学的な薄さが実現される。
好適には、光源は、電球、発光ダイオード（ＬＥＤ）、広帯域発光ダイオード、ハロゲンランプ、又はこれら光源の組み合わせとする。測定すべき成分濃度の吸収帯を検出するため、有利には、スペクトル的に少なくともほぼ連続している放出光、例えば熱光源が使用される。また、複数個のＬＥＤを光源として使用すれば、所要の波長スペクトルがカバーされる。このように、スペクトル分析は、放出光における特徴的なスペクトル構造により妨害されることはない。
有利には、光源の波長スペクトルは、少なくとも一部が800〜1050 ナノメートルのスペクトル範囲とする。光源により生成された放出光は、理想的には、約800〜1050 ナノメートルの３次オーバートーンの近赤外領域（第３次高調波）を含むスペクトル波長範囲を有する。この領域は、粒状農産物における最も重要な成分、例えば水分、脂質、タンパク質の特徴的な吸収帯をカバーしており、シリコン（ＳＩ）検出器によりこの波長範囲が検出可能である。
光学積分キャビティ内の容積部にて放出光を均一に分布させるには、好適には、光学拡散壁が白色塗料で塗装され、高拡散性材料で構成された層を含むか又は拡散性材料で構成される。拡散効果により、光学積分キャビティ内の拡散壁の少なくとも１つに放出光が反射することにより放出光が散光に変換される。従って散光に変換される光照射を光学積分キャビティ内で複数の方向にランダムに分布させる。理想的には、光学拡散壁の表面は、測定の波長範囲に亘って白色であり、95％を超える拡散反射率を有するものとする。この点は、様々な方法で実現される。第１には、拡散性白色塗料、例えばDuraflect（商標）をキャビティ壁に適用することができる。第２には、高度な反射性材料、例えばODM98-F01で構成された層をキャビティ壁に適用することができる。第３には、キャビティ壁は、適切な白色材料、例えばスペクトラロン（商標）又は二酸化チタン粒子に基づく大きな顔料体積濃度を含有するポリエチレンで構成することができる。代替的には、ポリエチレンを射出成型することにより、光学積分キャビティの一部又は全部を容易に形成することができる。
好適な実施形態において、光学積分キャビティは、主に２個の半球で構成される。これにより、いわゆる積分球の利点を利用することができる。興味深いことに、試料ホルダは、測定を行うために２個の半球間に配置することができる。また、光学積分キャビティが球状に構成されることにより、有利な分散特性がもたらされる。
更に、少なくとも１個の半球は、透明な保護部、特に保護ガラスでシールされるのが好適である。保護ガラスにより、汚染や他の妨害物質の付着が回避されるのみならず、試料自体とキャビティ壁との相互作用が回避される。これにより、分散壁の分散能力が影響を被ることがない。
有利には、スペクトルセンサは、検出器アレイ、線形可変光学フィルタ及び／又は集束手段を含む。検出器アレイは、分光要素、例えばプリズム又は回折格子により、これらアレイにおける単一の検出器に特定の波長又は波長範囲を割り当てれば使用することができる。このように、可動光学素子を必要とする走査装置の使用は不要である。また、可変光学フィルタが同様に使用可能である。集束手段は、基本的に、ビームに影響する焦点距離を有するレンズ又は素子とする。
好適には、スペクトルセンサにより感知された吸収スペクトルを分析することにより、試料が含有するタンパク質、水分、炭水化物及び／又は脂質の濃度が測定可能である。また、光学分析により、他の任意の濃度又は特性値を把握することができる。これは、農業上の決断及び計画にとって有益である。理想的には、光学分析装置は、複数の成分の濃度を連続的に又は同時に分析できるよう構成される。
他の好適な実施形態においては、コンピュータのソフトウェアが使用される。ソフトウェアを使用すれば、コンピュータは、試料の吸収スペクトルを生成することにより、少なくともスペクトル的にフィルタリングされた光の分析を行うことができる。また、ソフトウェアにより、以下に記載する方法における任意のステップの支援又は制御を行うことができる。
本発明に係る光学分析方法は、
・光学積分キャビティ内に光を放出し、該光学積分キャビティにおける少なくとも１つの光学拡散壁により放出光を散光に変換するステップと、
・スペクトルセンサがスペクトル的にフィルタリングされた光に露出されている間、試料を光学積分キャビティ内に閉じ込め、固形農産物試料を利用することによって、散光の一部又は全部をスペクトル的にフィルタリングされた光に変換するステップと、
・試料の吸収スペクトルを生成することにより、スペクトル的にフィルタリングされた光を分析するステップと、
を含む。
光学積分キャビティは、粒状農産物試料の局所的かつ迅速な分析を可能にする方法の簡略化をもたらすものである。また、試料に関して調製が必要であったとしても、手間のかかる調製は不要である。
いわゆる積分球で行われる積分に比べて、拡散壁により行われる光学積分が十分でなければ、拡散壁又はバッフルを追加することができる。拡散壁又はバッフルは何れも、反射により散光を生成する。
有利には、定量分析は、試料の吸収スペクトルを生成することにより行われる。この吸収スペクトルの振幅は、キャビティ内における試料の吸収係数に比例するものである。吸収スペクトルの生成は、積分キャビティ内に試料が配置されていない状態で測定された基準スペクトルを測定し、試料が配置された状態で測定された試料スペクトルを比較することにより行われる。吸収スペクトルにより、試料によるフィルタリング作用を分析するときに、光学分析キャビティ又は試料ホルダに起因するスペクトル上のフィルタリング作用を全て考慮することが可能となる。即ち、フィルタリング作用の一部は、試料ホルダ又は光学分析キャビティが汚染されていれば、必ずしも試料に由来するものではない。有利には、使用者は、光学分析装置を入念に又は全く洗浄する必要がない。これは、スペクトル分析に際して、汚染によるフィルタリング作用を排除することができるからである。
較正を行うために、光源をオフに切り替える間又は遮光する間に、暗スペクトルが生成される。この暗スペクトルにより、センサに影響する任意の副作用を把握することができる。このような副作用は、試料の光学分析とは無関係であり、センサの特性応答に起因し得るものである。暗スペクトルを、所定の時間間隔、例えば、試料スペクトル測定及び基準スペクトル測定の直前又は直後に再度測定することができる。その後、試料スペクトル及び基準スペクトルは、暗スペクトルに関して補正されてから、試料スペクトル及び基準スペクトルに基づいて吸収スペクトルが算出される。この場合、吸収スペクトルの振幅は、試料成分の濃度に関して、より正確な線形性を示す。
好適な実施形態において、試料要素は、光学積分キャビティ内にて互いに最小距離で配置されることにより遮光が回避され、従って隠された質量が総質量の約40％、理想的には約10％未満に低減される。
有利には、光学的に薄い試料、特に約2〜4 ミリメートル以下の厚さを有する光学的に薄い試料の分析を行う。ただし、濃度の測定結果の精度が特に良好なものでなくてもよければ、光学的な薄さは必ずしも必要ない。
本発明に係る方法の有用な実施形態において、スペクトル分析を、試料のスペクトル分析を行うのに十分なエネルギー負荷が貯蔵可能なエネルギーストレージで作動する光学分析装置により行う。これにより、使用者は、私有であるか公共であるかに関わらず電力供給網から遠く離れた場所で光学分析を行うことが可能となる。有利には、エネルギーストレージは、電気エネルギーによるストレージ、例えば電池又は充電池とする。
本発明に係る試料調製装置は、複数の窪みを有する試料ホルダと、第１可動ブレードとを備える。この場合、第１可動ブレードは、窪みにおける一連の第１開口により規定される第１平面内で移動可能である。本発明に係る試料調製装置により、試料の調製のみならず、光学分析装置内での光学分析に関しても試料ホルダを使用できるため極めて有益である。
好適には、光学分析装置は、第２可動ブレードを備える。この第２可動ブレードは、窪みにおける一連の第２開口により規定され、かつ第１平面と平行な第２平面内で移動可能とする。これにより、試料要素は、任意の厚さ、理想的には光学的な薄さに必要な厚さにスライス可能であると共に、窪み内に押し込まれることにより該窪み内に留まるため、測定時に他の固定手段を必要とすることがなく、しかも後で容易に除去することが可能である。
有利には、第１ブレードは、第２ブレードに固定されることにより、窪みの１つに配置された試料の少なくとも一部がこれら２個のブレードで同時にスライスされる。これにより、より高精度で所定の試料厚さが保証される。
理想的には、第１及び第２ブレード間の最小距離は、特定タイプの試料に特徴的な厚さ、即ち光学的に薄い厚さに対応し、特に約2〜4 ミリメートル以下の厚さに対応している。このような装置は、特にトウモロコシに関して有益である。
他の好適な実施形態において、試料調製装置は、３つのガラス層で構成され、中間層が移動することにより試料要素が３つにスライスされる。この場合、試料は光学的に薄く、しかも穀粒の総質量が維持されるため、測定誤差を低減することができる。
本発明の他の好適な実施形態及び有利な構成は、図面又は従属請求項に記載したとおりである。
２個の半球により形成される光学積分キャビティを備える携帯型光学分析装置の説明図である。 開放状態の光学積分キャビティを備える光学分析装置の配置に関する概略図である。 閉鎖状態の光学積分キャビティを備える図２における光学分析装置の配置に関する概略断面図である。 試料調製装置を使用した試料調製の説明図である。 試料調製装置を使用した試料調製の説明図である。 試料調製装置が統合された光学分析装置の説明図である。 光学分析装置内に差し込まれる試料ホルダプレートの説明図である。 農産物に対する加工の試料プレートの調製及び測定に関する説明図である。
以下、本発明を添付の図１〜７の例示に基づいて詳述する。なお、全ての図面において、同一参照符号は同一部品を示すものと理解されたい。
図１は、２個の半球11により形成される光学積分キャビティを備える携帯型光学分析装置10を示す。これら半球11は、ヒンジ12を使用して光学分析装置10に接続されている。試料ホルダ17は、光学分析装置10のハウジング内に統合されている。この試料ホルダ17の下方における第２半球（図示せず）も、光学分析装置10内に統合されている。この場合、汚染を回避するため、使用者が第２半球にアクセスすることはできない。半球は、80 ミリメートルの内径を有する。
代替的には、試料ホルダ17を、取り外し可能に構成することができる。これにより、試料ホルダ17を大量の試料要素内に入れて試料を直接に採取し、その後ホルダ17を半球内に配置することが可能である。
試料要素、例えば特定穀物の穀粒は、窪み18内に配置される。これら窪み18の少なくとも約80％を、許容可能な信号・ノイズ比を生成するために充填しておくのが好適である。理想的には、約80個の試料要素を収容するための窪み18が形成される。半球の充填は、試料要素を配置し、これら試料要素を半球の開放状態又は閉鎖状態で振ったり移動したりすることで可能である。
試料要素を充填した後の測定時に、リッド11を閉じることにより、光学積分球がシールされる。バッフル14は、光源13から放出された光が試料要素に直接に送信されないことを保証するものである。この光源13は、12ボルトの公称電圧を有する低コストかつ低電力のハロゲンランプとして構成される。これにより、電池での作動が可能である。
保護ガラス19により、可動半球11の汚染が回避される。保護ガラス19は更に、平坦であるため容易に洗浄可能である。これと同様のことは、試料ホルダ17にも当てはまる。即ち、試料ホルダ17にとって好適な材料はホウケイ酸ガラスであり、散光を測定するために必要な透明性に影響を及ぼすことなく、標準的な洗浄装置で洗浄することができる。
本発明に係る光学分析装置10では、リッド11を閉じた後に使用者がボタン16を押すことにより測定が開始される。この場合、試料ホルダ17に試料が充填されていない状態で基準スペクトルが予め得られていれば、測定開始から数秒後にタンパク質及び水分の濃度がディスプレイ15上に「％w」単位で表示される。このように、定量分析は、迅速かつ信頼性高く行われる。
穀物における典型的な濃度は、タンパク質が約10％、水分が約5〜15％、炭水化物が約70％、脂質が約4％、そして乾燥状態のミネラル又は灰分が約2％である。
光学分析装置10は、軽量かつ携帯可能であり、更には１人の使用者が手動で作動させることができる。光学分析装置10は、一連の標準的な電池で作動させるものであり、これら電池を、光学分析装置10をソーラー充電器（図示せず）に接続することにより充電することができる。
光学分析装置を、他のワイヤレス（WLAN, Bluetooth（登録商標））装置、例えばモバイルフォン又はモバイルコンピュータと通信可能とするのが好適である。これにより、測定結果を更なる処理のために無線で通信することができる。代替的には、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）接続が採用されていてもよい。
図２及び図３は、例えばバヨネット式閉鎖機構で２個の半球21，24を接続することにより形成される、光学積分キャビティを備える光学分析装置の概略的な配置を示す。この場合に試料ホルダ27は、必要があれば、スロット23を使用してハウジング（図示せず）又は上側半球21に固定することができる。図２では、光学積分キャビティが開放されているのに対して、図３では、フレーム38により半球21，24の少なくとも１個が形状適合的に閉鎖されている。このフレーム38を、拡散反射が十分に保証され、かつ半球21，24及びフレーム38の内面の一部によって形成される光学積分キャビティ20の積分能力を妨げない限り、プラスチック材料又は金属材料で構成することができる。
図１に示すように、保護ガラス29は、光源33の前方部分を含め上側半球21の内部を保護するために使用される。この場合、光源33の前方部分は、保護ガラス29が取り外し不能であるため、半球から突出させて容易に交換可能とされている。
図１及び図２に示す窪み18，28は、単一の小麦の穀粒を試料要素として配置可能とする容積により規定されている。配置される穀粒により、充填済みの窪み18，28に更なる穀粒が配置されることが妨げられるため、装填時における試料要素の分布が簡略化される。
図示のスペクトルセンサ26を、他の分光センサで代替することができる。散光及びフィルタリングされた散光は、下側半球24の開口25を介して、幾つかのビームガイド要素、例えばレンズ3，4により、線形可変バンドパスフィルタ２に向けられ、その後に検出器アレイ１に向けられる。この検出器アレイ１における各ピクセル、好適には64ピクセルの列は、特定の被測定波長に対応している。この場合、フィルタにより、対応するピクセルに対して正確な波長が送信される。線形可変光学フィルタの代わりに、回折格子又はプリズムを使用してもよい。
図示の試料ホルダ27は、積分球20とも称される球20内で固定されていない。試料ホルダ27に関しては、光学積分キャビティ内で試料要素を充填するか、又は試料要素を充填するために代替的に取り出すことができる。従って、半球24内の白色拡散壁31を保護し、最適な光均一化を実現するための第２保護ガラス39が設けられている。更に、フレーム38を、試料ホルダ27を２個の半球21，24と共に堅固に保持するために構成することができる。有利には、フレーム38は、試料ホルダ27に恒久的に結合されるものとする。
図4A及び図4Bは、トウモロコシの試料要素41を調製することにより、光学的に薄い試料要素48が設けられている状態を示す。調製による試料の薄化は、試料要素41を試料ホルダ46内に配置し、このホルダ46をベースプレート49上に配置することにより達成される。即ち、ブレード44，45の対で構成されたレバーがピン42で固定され、試料ホルダ46上で移動可能である。これにより、ブレード44は平面P1に沿って移動し、ブレード44と平行な下側ブレード45は平面P2に沿って移動するため、各試料要素41が２つの側でスライスされる。これら切片47は配置された後、試料ホルダ46には、約2〜3 ミリメートルの厚さを有し、光学的に薄いトウモロコシの試料要素48が容易に含まれる。これにより、隠された質量は、約20％未満になるため、スペクトルによる信頼性の高い測定結果が得られる。
代替的な実施形態において、図２及び図３の光学積分キャビティは、干し草などの試料を測定するために使用される。この場合、干し草を、試料ホルダ27に割り当てられたスペースに配置しておくことができる。換言すれば、試料ホルダ27は使用されず、代わりに保護ガラス29，39により干し草が所望の厚さに圧縮される。これにより、理想的には、光学測定の条件を満たす厚さにすることができる。保護ガラス29,39が設けられていなくても、干し草などの植物の一部を、光学測定を行うために非圧縮状態で光学積分キャビティ内に配置することができる。
図５及び図６は、容易に使用でき、かつ試料調製装置が統合された光学分析装置50，60を示す。何れの実施形態においても、試料要素41は、試料ホルダ46上に配置され、ブレードの対51，52により光学的に薄い試料要素48にスライスされる。試料ホルダ46の差し込み及び試料要素41のスライスを、１人の個人が１つのステップで行うことができる。
図５に示すハンドル53は、スライス時に反力を生じさせることができるため有益である。この場合、一方の手で試料ホルダ46を移動しつつ、スロット58内にホルダ46が導入されるまでハンドル53に反力を作用させる。
図示の実施形態において、光学積分キャビティは、光学分析装置50，60内に統合されており、光学測定のために開放する必要はない。試料ホルダ46は、有利には、キャビティ内に差し込まれた後、汚れがキャビティの拡散反射壁に付着するのを防止する保護ガラスユニット（図示せず）に包囲される。この保護ガラスユニット及びブレード51，52は、有利には、単純な器具、例えばドライバを使用することにより、分析装置50，60のエンクロージャーから比較的容易に取り外し可能な単一の機械的ユニット内に統合される。これにより、定期的な点検と、必要に応じて、保護ガラスの洗浄及びブレード51，52の交換とが可能である。
図６において、試料ホルダ46の差し込みを、試料ホルダプレート61により更に容易に行うことができる。このプレート61は、適切な差し込みを可能とするのみならず、アダプタのように使用されることにより、光学分析装置50，60を異なる試料ホルダ46と共に使用可能とするものである。試料ホルダプレート61は更に、試料ホルダ46を取り付けるために構成されたレセプタクル62を有する。
図７は、干し草などの農産物72に対する加工により形成された試料プレート75の調製を示す。図示の最新のサンプラー71は、測定を行うために農産物72内に差し込まれており、機械的操作によりプローブ状容器が充填される。このプローブ状容器内の農産物は、サンプラー71から押し出された後、干し草の光学測定を行うための要件を満たす所要の厚さに圧縮される（従って平坦化される）。このように、干し草に対する加工により形成された試料プレート75は、少なくとも１対のローラ73により調製される。
調製済みの試料プレート75は、光学積分キャビティ70内、例えば白色拡散壁を含む球内に導入される。試料プレート75は、その形状により、共通の送信フィルタガラスのように使用可能であると共に、２個の半球間に配置可能である。この場合、光分布は均一であるため、球内の光の大部分はフィルタリングされており、従って試験時における放射照度のオフセットは極めて小さい。
図５及び図６の実施形態には、修正を加えることができる。即ち、試料要素41が配置された試料ホルダ46や試料ホルダプレート61を使用する代わりに、試料プレート75を使用すれば、ブレードの対51，52を設ける必要はない。
本発明は、添付の特許請求の範囲にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲の法的均等物を全て包含するであろう。
Ｂ 作動方向
Ｄ 最小距離
P1 第１平面
P2 第２平面
１ 検出器アレイ
２ 線形可変光学バンドパスフィルタ
３ 円柱状レンズ
４ 集束レンズ
10 光学分析装置
11 半球／リッド
12 ヒンジ
13 光源
14 バッフル
15 ディスプレイ
16 ボタン
17 試料ホルダ
18 窪み
19 保護ガラス
20 光学積分球
21 半球
22 ハンドル
23 スロット
24 下側半球
25 開口
26 スペクトルセンサ
27 試料ホルダ
29 保護ガラス
31 光学拡散壁
33 光源
34 バッフル
36 散光
38 フレーム
39 保護ガラス
40 試料調製装置
41 トウモロコシの試料要素
42 ピン
43 ハンドル
44 第１ブレード
45 第２ブレード
46 試料ホルダ
47 試料切片
48 光学的に薄い試料要素
49 ベースプレート
50 光学分析装置
51 下側ブレード
52 上側ブレード
53 ハンドル
54 窪み
58 試料スロット
60 光学分析装置
61 試料ホルダプレート
62 レセプタクル
70 光学積分キャビティ
71 サンプラー
72 農産物
73 圧縮ローラ
75 試料プレート

Claims (13)

  1. 光学分析装置（10，50，60）であって、
    ・光学積分キャビティ（20）を備え、前記キャビティ（20）は、少なくとも１つの光学拡散壁（31）により形成され、かつ別個の２個以上の試料要素（41，48）から成る固形農産物試料を含むよう構成されており、
    ・前記光学積分キャビティ（20）内に光を放出する、前方部分が前記光学積分キャビティ（20）内に配置された光源（13，33）を備え、前記少なくとも１つの光学拡散壁（31）は、放出光を散光に変換するために利用され、該散光の少なくとも一部又は全部は、試料により、スペクトル的にフィルタリングされた光に変換され、
    ・スペクトルセンサ（26）を備え、前記スペクトルセンサ（26）がスペクトル的にフィルタリングされた前記光に露出されている間、前記試料が前記光学積分キャビティ（20）内に閉じ込められ、
    前記２個以上の試料要素（41，48）は前記光学積分キャビティ（20）内に収容された試料ホルダ（17，27，46）上に配分され、
    前記試料ホルダ（17，27，46）は、前記放出光用に一部又は全部が透明である、光学分析装置。
  2. 請求項１に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、前記試料要素（41，48）は前記光学積分キャビティ（20）内で互いに分離して静止している、光学分析装置。
  3. 請求項１又は２に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、約2〜4 ミリメートル以下の厚さを一次元方向で有する光学的に薄い試料（48）を分析するように構成されている光学分析装置。
  4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、前記試料の光学分析が行われている間、人手で保持され、特に人の手又は人の片手だけで保持されるように構成されている光学分析装置。
  5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、前記試料要素（41，48）の一部又は全部は、平面に、一列に又は球内に配分されている、光学分析装置。
  6. 請求項１に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、前記試料要素（41，48）は試料ホルダ（17，27，46）の窪み（18）によって配分され、前記光学分析装置（10，50，60）は光学積分キャビティ（20）内で前記試料ホルダ（17，27，46）を収容するように構成されている光学分析装置。
  7. 請求項６に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、前記試料ホルダ（17，27，46）は、50〜110の窪みを有し、それぞれの窪みは、各試料要素（41，48）を配置又は保持するように構成されている、光学分析装置。
  8. 請求項６又は７に記載の光学分析装置（10,50,60）であって、前記試料ホルダ（17，27，46）の厚さは、光学的に薄い試料に特徴的な厚さに対応し、前記特徴的な厚さが特に約4 ミリメートル未満である光学分析装置。
  9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の光学分析装置（10，50，60）であって、試料ホルダ（17，27，46）は、フレーム（38）により、形状適合により、又は力拘束により、前記光学積分キャビティ（20）内に配置可能であり及び／又は固定される、光学分析装置。
  10. 請求項８に記載の光学分析装置（10,50,60）であって、試料スロット（58）の入口開口部にブレード又はブレードの対（51，52）が配置されることにより、前記試料要素（41，38）は、前記試料が前記光学分析装置（10，50，56）内に差し込まれるときに部分的にスライスされ、これにより前記試料は光学的に薄い試料に加工される、光学分析装置。
  11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の光学分析装置（10,50,60）であって、前記光源の波長スペクトルは、少なくとも一部が800〜1050 ナノメートルのスペクトル範囲にある光学分析装置。
  12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載の光学分析装置（10,50,60）であって、前記スペクトルセンサ（26）により提供された吸収スペクトルを分析することにより、前記試料が含有するタンパク質、水分、炭水化物及び／又は脂質の濃度に至る、光学分析装置。
  13. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の光学分析装置（10,50,60）を用いた光学分析方法であって、
    ・光学積分キャビティ（20）内に光を放出し、前記光学積分キャビティ（20）における少なくとも１つの光学拡散壁（31）により放出光を散光に変換するステップと、
    ・１個以上の試料要素（41，48）から成る固形農産物試料を利用することによって、前記散光の一部又は全部をスペクトル的にフィルタリングされた光に変換し、スペクトルセンサ（26）がスペクトル的にフィルタリングされた前記光に露出されている間、前記試料を前記光学積分キャビティ（20）内に閉じ込めるステップと、
    ・前記試料の吸収スペクトルを生成することにより、スペクトル的にフィルタリングされた前記光を分析するステップと、
    を含む光学分析方法。
JP2016553745A 2013-11-14 2013-11-14 光学分析装置、光学分析方法及び試料調製装置 Active JP6371856B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2013/060139 WO2015071706A1 (en) 2013-11-14 2013-11-14 Optical analyzer, optical analyzing method and sample preparation device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016537655A JP2016537655A (ja) 2016-12-01
JP6371856B2 true JP6371856B2 (ja) 2018-08-08

Family

ID=49759477

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016553745A Active JP6371856B2 (ja) 2013-11-14 2013-11-14 光学分析装置、光学分析方法及び試料調製装置

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10073031B2 (ja)
EP (1) EP3069122B1 (ja)
JP (1) JP6371856B2 (ja)
CN (1) CN106170692B (ja)
AU (1) AU2013405440B2 (ja)
CA (1) CA2930511C (ja)
DK (1) DK3069122T3 (ja)
RU (1) RU2652175C1 (ja)
WO (1) WO2015071706A1 (ja)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015013140A1 (de) 2015-10-13 2017-04-13 Blue Ocean Nova AG Vorrichtung für die automatisierte Analyse von Feststoffen oder Fluiden
CN108181264B (zh) * 2017-12-29 2023-10-20 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 用于漫反射光在农产品中辐射深度的测量系统
WO2019149997A1 (en) * 2018-01-30 2019-08-08 Grainsense Oy A method for calibrating an integrating cavity
EP3934408A4 (en) 2018-03-05 2022-11-09 CSBP Limited DETERMINATION OF AGRICULTURAL CONDITIONS
CN111867730B (zh) * 2018-03-14 2022-06-17 格兰森斯股份公司 在积分腔内使用的样品容器和工具
DE102018216498A1 (de) 2018-09-26 2020-03-26 Deere & Company Anordnung zur sensorischen Untersuchung einer fließfähigen Probe
US20220187133A1 (en) * 2019-01-22 2022-06-16 Georgia Tech Research Corporation Microscale In-Situ Imaging Of Dynamic Temperature And Deformation Fields
CN114076755B (zh) * 2020-08-21 2024-03-12 湖南省医疗器械检验检测所 化学发光免疫分析仪用可调控参考光源
FI20205829A1 (en) * 2020-08-25 2022-02-26 Grainsense Oy CEREALS MANAGEMENT
US11927526B2 (en) * 2021-08-05 2024-03-12 Changxin Memory Technologies, Inc. Method and system for detecting cleanliness in cavity of target device
BR102021021622A2 (pt) * 2021-10-28 2023-05-09 Nira - Near Infrared Analysis S/A. Equipamento para determinação do teor de proteína, óleo e umidade em grãos de soja utilizando infravermelho próximo.
CN115508307A (zh) * 2022-10-14 2022-12-23 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种太赫兹超表面传感器及太赫兹透射频谱确定方法

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4286327A (en) 1979-09-10 1981-08-25 Trebor Industries, Inc. Apparatus for near infrared quantitative analysis
SE458724B (sv) * 1981-03-16 1989-04-24 Peter Perten Infraroedanalysator foer relativ maengdbestaemning av visst eller vissa aemnen i ett prov, saerskilt i livsmedel saasom mjoel
US4540286A (en) 1982-06-03 1985-09-10 Satake Engineering Co., Ltd. Apparatus for continuously measuring the degree of milling of grains
JPS6311841A (ja) * 1986-03-20 1988-01-19 Satake Eng Co Ltd 米の食味評価装置
US4957371A (en) 1987-12-11 1990-09-18 Santa Barbara Research Center Wedge-filter spectrometer
JP2644099B2 (ja) 1991-04-10 1997-08-25 株式会社クボタ 分光測定装置
JP2644098B2 (ja) 1991-04-10 1997-08-25 株式会社クボタ 分光測定装置
JPH04313049A (ja) 1991-04-11 1992-11-05 Kubota Corp 成分測定装置
SE468334B (sv) 1991-04-23 1992-12-14 Peter Perten Saett och anordning foer infraroedanalys, speciellt avseende livsmedel
US5256886A (en) * 1991-04-30 1993-10-26 E. I. Du Pont De Nemours And Company Apparatus for optically detecting contamination in particles of low optical-loss material
US5258825A (en) * 1991-11-13 1993-11-02 Perten Instruments North America, Inc. Optical compositional analyzer apparatus and method for detection of ash in wheat and milled wheat products
JPH05288674A (ja) * 1992-04-09 1993-11-02 Toshihiko Yoshikawa 糖度計
JP3577164B2 (ja) 1996-05-22 2004-10-13 オリンパス株式会社 照明装置及び色・形状測定装置
US5716272A (en) 1996-11-05 1998-02-10 New Holland North America, Inc. Moisture/yield monitor grain simulator
US6100526A (en) 1996-12-30 2000-08-08 Dsquared Development, Inc. Grain quality monitor
US6281501B1 (en) 1997-04-18 2001-08-28 Zeltex, Inc. Multiple gain portable near-infrared analyzer
JP2000199731A (ja) * 1999-01-06 2000-07-18 Sony Corp 光学特性測定装置及びその光学特性測定装置を備える成膜装置
US6734958B1 (en) * 1999-09-17 2004-05-11 Tidal Photonics, Inc. Apparatus and methods for evaluating performance of endoscopy devices and systems
ATE546724T1 (de) * 2002-03-20 2012-03-15 Leader Technology Inc Ag Hochgeschwindigkeitsanalysierer mit nah- infrarotstrahlung, die durch dicke proben optisch dichten materials gesendet wird
JP4108034B2 (ja) * 2003-11-28 2008-06-25 Ｔｄｋ株式会社 含水量測定装置
US7274456B2 (en) * 2004-05-12 2007-09-25 Pioneer Hi-Bred International, Inc. Non-destructive single seed or several seeds NIR analyzer and method
WO2007118215A2 (en) * 2006-04-06 2007-10-18 Monsanto Technology Llc Method for multivariate analysis in predicting a trait of interest
CN101055245A (zh) * 2007-05-24 2007-10-17 吉林大学 便携式大豆品质检测近红外光谱仪
JP4436886B1 (ja) 2009-06-10 2010-03-24 株式会社ケット科学研究所 穀類粒の品質評価システムで用いる穀粒切断・整列装置及び穀粒切断・整列方法
CN101655454A (zh) * 2009-09-15 2010-02-24 北京市农林科学院 一种粮食储存品质判定的快速测定方法
CN101788475A (zh) * 2010-03-24 2010-07-28 中国科学院半导体研究所 对玉米品种种子近红外漫反射光谱数据进行预处理的方法
WO2012020440A1 (en) * 2010-08-12 2012-02-16 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Device for diffuse light spectroscopy
JP5491369B2 (ja) 2010-11-29 2014-05-14 浜松ホトニクス株式会社 量子収率測定装置
CN102507491B (zh) * 2011-10-18 2013-05-29 江苏中兴药业有限公司 一种水飞蓟籽品质的检测装置和检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2652175C1 (ru) 2018-04-25
US10073031B2 (en) 2018-09-11
US20160299062A1 (en) 2016-10-13
AU2013405440B2 (en) 2019-08-22
EP3069122A1 (en) 2016-09-21
AU2013405440A1 (en) 2016-06-02
CA2930511A1 (en) 2015-05-21
CN106170692A (zh) 2016-11-30
RU2016121830A (ru) 2017-12-19
EP3069122B1 (en) 2019-01-02
DK3069122T3 (en) 2019-03-04
CN106170692B (zh) 2019-06-07
JP2016537655A (ja) 2016-12-01
CA2930511C (en) 2021-12-14
WO2015071706A1 (en) 2015-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6371856B2 (ja) 光学分析装置、光学分析方法及び試料調製装置
US5991025A (en) Near infrared spectrometer used in combination with an agricultural implement for real time grain and forage analysis
Walsh et al. Visible-NIR ‘point’spectroscopy in postharvest fruit and vegetable assessment: The science behind three decades of commercial use
US5751421A (en) Near infrared spectrometer used in combination with a combine for real time grain analysis
Boldrini et al. Hyperspectral imaging: a review of best practice, performance and pitfalls for in-line and on-line applications
US20120092663A1 (en) Transmission raman spectroscopy analysis of seed composition
McGlone et al. Internal quality assessment of mandarin fruit by vis/NIR spectroscopy
US6483583B1 (en) Near infrared spectrometry for real time analysis of substances
US6646264B1 (en) Methods and devices for analyzing agricultural products
AU2013349336B2 (en) An optical sampling apparatus and method for utilizing the sampling apparatus
Xie et al. Applications of near-infrared systems for quality evaluation of fruits: A review
Gowen et al. Hyperspectral imaging for the investigation of quality deterioration in sliced mushrooms (Agaricus bisporus) during storage
CA2334400C (en) Near infrared spectrometer used in combination with a combine for real time grain analysis
Beghi et al. Setting-up of a simplified handheld optical device for decay detection in fresh-cut Valerianella locusta L.
Peshlov et al. Comparison of three near infrared spectrophotometers for infestation detection in wild blueberries using multivariate calibration models
Chen et al. Non-destructive determination of carbohydrate content in potatoes using near infrared spectroscopy
WO2000025110A1 (en) Specimen turntable and near infrared (nir) spectrometer for real time grain and forage analysis
Marinoni et al. Real-time monitoring of solar drying of melon slices with a portable NIR spectrometer: a preliminary approach
Cherney et al. On-farm instant quality analysis
Meulemans et al. Colorimetric Measurements of Cocoa Beans (Theobroma cacao)
Praiphui et al. Construction and evaluation of a low cost NIR-spectrometer for the determination of mango quality parameters
Birth Nondestructive Composition Analysis of Plant Materials
Brown Examination of wheat kernels for the presence of Fusarium damage and mycotoxins using near-infrared hyperspectral imaging
Liu Non-destructive phenotyping of postharvest quality traits of tomatoes and strawberries
Li et al. Comparison of reference spectrum collection modes for Vis/NIR on-line application in fruit internal quality detection

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160707

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170419

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170509

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170803

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20180109

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180508

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20180517

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180626

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180713

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6371856

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250