JP6692226B2 - Mycotoxin analysis method and mycotoxin analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、振動分光分析法を用いるかび毒の分析方法及びかび毒の分析装置に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for analyzing mycotoxin using vibrational spectroscopy and an apparatus for analyzing mycotoxin.
かびが産生する代謝産物のうちヒトや動物に対する毒性を有するものを、かび毒(マイコトキシン)と呼ぶ。かび毒は、ヒトや家禽、家畜などに対して急性又は慢性の生理的又は病理的障害を引き起こすことが知られている。そのため国際的には、コーデックス委員会(消費者の健康の保護、食品の公正な貿易の確保等を目的として、1963年に国連食糧農業機関(FAO)及び世界保健機関(WHO)により設置された国際的な政府間機関)がかび毒汚染の防止・低減に関する各種の規範等を定めている。また国内では、食品衛生法や農林水産省の各種管理ガイドライン等に基づく規範が定められている。 Among the metabolites produced by fungi, those that are toxic to humans and animals are called mycotoxins. Mycotoxin is known to cause acute or chronic physiological or pathological disorders in humans, poultry, livestock and the like. Therefore, internationally, the Codex Committee (established by the United Nations Food and Agriculture Organization (FAO) and the World Health Organization (WHO) in 1963 for the purpose of protecting consumer health and ensuring fair trade in food, etc. International intergovernmental organizations) have established various norms regarding the prevention and reduction of mycotoxin contamination. In Japan, norms are established based on the Food Sanitation Law and various management guidelines of the Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries.
食品や飼料の生産及び流通のさまざまな現場において、かび毒の許容値や規範の遵守状況が検査及び確認されなければならない。そのためには、できるだけ場所を選ばずにかび毒を簡便かつ迅速に分析する必要がある。分析は少なくとも定性的に行われる必要があり、可能であれば定量的に行われることが望ましい。また、同一試料に含まれる複数種のかび毒を並行してそれぞれ分析できるようにすることが、迅速かつ効率的な分析のために望ましい。 At various sites of food and feed production and distribution, compliance with acceptable values and norms of mycotoxin must be inspected and confirmed. For that purpose, it is necessary to analyze mycotoxins easily and quickly at any place. The analysis should be done at least qualitatively and preferably quantitatively. In addition, it is desirable for rapid and efficient analysis that multiple types of mycotoxin contained in the same sample can be analyzed in parallel.
従来のかび毒の分析は、一般的な化学分析法と同じく、目的物質(かび毒)を含む試料の採取、試料から溶媒への目的物質の抽出、抽出物の精製及び目的物質の検出という手順で行われる。かび毒の検出には、液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィー等の方法が、蛍光検出器や質量分析計等の検出器と組み合わせて用いられている。しかし、これらの検出器は非常に高価であり、かつ、精製で除ききれなかった試料中の夾雑物により定量値が大きく増減する場合がある(例えば、非特許文献1参照。)。 As in the case of general chemical analysis methods, the conventional analysis of mycotoxins is the procedure of collecting a sample containing the target substance (mold poison), extracting the target substance from the sample to a solvent, purifying the extract and detecting the target substance. Done in. Methods such as liquid chromatography and gas chromatography are used in combination with detectors such as fluorescence detectors and mass spectrometers to detect mycotoxins. However, these detectors are very expensive, and the quantitative value may greatly increase or decrease due to impurities in the sample that cannot be removed by purification (see, for example, Non-Patent Document 1).
液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィーを用いる従来技術では、測定結果が試料中の夾雑物の条件に左右されやすいという問題があり、また高価な検出器を食品等の生産や流通のさまざまな現場に持ち込むことは必ずしも現実的とはいえない。これに対して、比較的簡単な設備で分析を行える方法として酵素固定化免疫測定法(ELISA)が利用されているが、すべての特異性の高い抗原・抗体反応を1個のウェル内で行い、抗体に標識した酵素に基質を加えて反応、発色させ、その吸光度で結果を得ているために、夾雑物の影響を受けやすく擬陽性又は擬陰性の結果を得るなどの問題がある。 The conventional technique using liquid chromatography or gas chromatography has a problem that the measurement result is easily influenced by the condition of impurities in the sample, and also brings an expensive detector to various sites of production and distribution of food etc. This is not always realistic. On the other hand, enzyme-immobilized immunoassay (ELISA) is used as a method to perform analysis with relatively simple equipment, but all highly specific antigen / antibody reactions are performed in one well. Since a substrate is added to an enzyme labeled with an antibody to cause reaction and color development, and the result is obtained by its absorbance, there is a problem that it is easily affected by contaminants and a false positive or false negative result is obtained.
液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィーに代わり、光学的手法を用いて煩雑な前処理を不要にするという技術が開示されている(例えば、特許文献1又は非特許文献2参照。)。特許文献1は、かび毒のような有害成分(危害要因)を含む測定対象物へ照射する光の励起波長と測定対象物から観測される蛍光の波長を段階的に変化させながら蛍光強度を測定して、蛍光指紋(又は、励起・蛍光マトリクス)と呼ばれるデータを取得し、当該蛍光指紋データに対して多変量解析を行うことにより危害要因を検知するという技術を開示する。
Instead of liquid chromatography or gas chromatography, a technique has been disclosed in which an optical method is used to eliminate the need for complicated pretreatment (for example, refer to
特許文献1に記載された発明によれば、液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィーを用いる方法よりも迅速かつ容易に危害要因を検知することができるという効果を奏することが記載されている。
According to the invention described in
ただし、特許文献1に記載された方法は蛍光分光分析法の一種であるから、励起波長と蛍光波長の組合せ(波長条件)を変えながら、それらの波長条件ごとに光信号強度のデータを取得する必要がある(例えば明細書の段落「0069」に、5041波長条件が例示されている。)。また、有害物質の濃度の定量には、既知又は予め実測された検量線を用いる必要がある(明細書の段落「0075」)。これらを考慮すると、できるだけ場所を選ばず簡便かつ迅速にかび毒を分析できるようにするには、もう一歩の技術的前進が望まれるといってよい。
However, since the method described in
本願発明が解決しようとする課題は、できるだけ場所を選ばず簡便かつ迅速にかび毒を分析できるようにすることである。また望ましくは、同一試料に含まれる複数種のかび毒を並行してそれぞれ分析できるようにすることである。 The problem to be solved by the present invention is to enable simple and quick analysis of mycotoxin in any place as much as possible. It is also desirable that plural types of mycotoxin contained in the same sample can be analyzed in parallel.
そのためには、光学的手法の中でも、蛍光分光分析のように多くの波長条件に対して計測を繰り返すことを必要としない振動分光分析法(分子の振動に伴う双極子モーメントの変化によって生じる赤外線の吸収を観測する赤外吸収分光分析法、分極率の変化によって生じるラマン効果を観測するラマン分光分析法等)が有望である。振動分光分析法に用いる装置は小型化されたものを入手しやすいので、ある程度場所を選ばずに済む。なお、例えば試料中の夾雑物由来の蛍光のような背景光の影響をできるだけ抑えられることが望ましい。 For that purpose, among the optical methods, the vibrational spectroscopic analysis method that does not require repeated measurement for many wavelength conditions such as the fluorescence spectroscopic analysis (the infrared rays generated by the change of the dipole moment due to the vibration of the molecule) Infrared absorption spectroscopy for observing absorption, Raman spectroscopy for observing Raman effect caused by changes in polarizability, etc.) are promising. The equipment used for the vibrational spectroscopic analysis is easily available in a small size, so that it does not need to be selected in any place. It is desirable that the influence of background light such as fluorescence derived from impurities in the sample can be suppressed as much as possible.
試料からスペクトルのデータが得られたならば、目的物質を含む標準試料から予め取得しておいた参照スペクトルのデータも利用して多変量解析を行い、検量線を実測するのではなく仮想的に求める方法が有望である。このような方法は、本願発明者のうち2者の発明に係る特許第5780476号公報に開示されている。当該方法によれば複数の定量目的成分の組成比を同時に決定できるという効果の得られることが、特許第5780476号公報の明細書の段落「0011」に記載されている。すなわち、複数種のかび毒を並行してそれぞれ分析することが期待される。 Once the spectrum data is obtained from the sample, multivariate analysis is also performed using the reference spectrum data previously acquired from the standard sample containing the target substance, and the calibration curve is virtually measured instead of being actually measured. The way to ask is promising. Such a method is disclosed in Japanese Patent No. 5780476 related to the invention of two of the inventors of the present application. It is described in paragraph “0011” of the specification of Japanese Patent No. 5780476 that the effect of being able to simultaneously determine the composition ratio of a plurality of quantitative target components is obtained according to this method. In other words, it is expected to analyze multiple species of mycotoxin in parallel.
上述した課題を解決するため、本願発明に係るかび毒の分析方法は、ラマン分光分析法を用いるかび毒の分析方法において、分析の目的とする種類のかび毒が産生する可能性がある初期試料を採取し、前記採取した初期試料から、前記分析の目的とする種類のかび毒を含む可能性がある分析用試料を生成し、前記振動分光分析法を用いて、前記分析の目的とする種類のかび毒を含む標準試料から参照用スペクトルを取得し、前記分析用試料に対して、連続する複数の時間インターバルにわたってレーザ光を照射し、前記複数の時間インターバルごとに、前記分析用試料から散射されるラマン散乱光及び前記ラマン散乱光を除く背景光を集光すると共に、前記ラマン散乱光及び前記背景光を含むスペクトルを記録し、前記複数の時間インターバルごとに記録されたスペクトルから、多変量解析を用いて、前記ラマン散乱光の強度及び前記背景光の強度のそれぞれの時間依存性を抽出すると共に前記ラマン散乱光のスペクトルを前記背景光のスペクトルから分離する分離処理を行うことにより、前記分析用試料から分析用スペクトルを取得し、前記参照用スペクトルのデータ及び前記分析用スペクトルのデータを入力とする多変量解析を用いた演算処理を行うことにより、前記分析の目的とする種類のかび毒が前記初期試料に産生する場合において、前記分析用スペクトルから前記分析の目的とする種類のかび毒のスペクトルを抽出することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the method for analyzing mycotoxin according to the present invention is a method for analyzing mycotoxin using Raman spectroscopic analysis, in which the type of mycotoxin to be analyzed may be an initial sample. From the collected initial sample to produce an analytical sample that may contain a mold venom of the type intended for the analysis, and using the vibrational spectroscopic method, the type of the target of the analysis. Acquiring a reference spectrum from a standard sample containing fungal venom, irradiating the analysis sample with laser light over a plurality of consecutive time intervals, and emitting from the analysis sample at each of the plurality of time intervals. The Raman scattered light and the background light excluding the Raman scattered light are collected, a spectrum including the Raman scattered light and the background light is recorded, and the plurality of time intervals are recorded. From the spectrum recorded for each, using multivariate analysis, extract the time dependence of the intensity of the Raman scattered light and the intensity of the background light and the spectrum of the Raman scattered light from the spectrum of the background light. By performing a separation process to separate , obtain an analysis spectrum from the analysis sample, by performing an arithmetic process using multivariate analysis with the reference spectrum data and the analysis spectrum data as input In the case where the target type of mycotoxin in the analysis is produced in the initial sample, the spectrum of the target type of mycotoxin in the analysis is extracted from the analysis spectrum.
また、本願発明に係るかび毒の分析装置は、ラマン分光分析法を用いてかび毒の分析を行うことができるかび毒の分析装置において、分析の目的とする種類のかび毒が産生する可能性がある初期試料から生成された分析用試料から、前記振動分光分析法を用いて分析用スペクトルを取得することができる分光分析部と、前記分析用スペクトルのデータ及び前記分析の目的とする種類のかび毒を含む標準試料から前記振動分光分析法を用いて取得された参照用スペクトルのデータを入力として、多変量解析を用いた演算処理を行うことにより、前記分析の目的とする種類のかび毒が前記試料に産生する場合において前記分析の目的とする種類のかび毒のスペクトルを抽出することができる演算処理部とを備え、前記分光分析部は、レーザ光を照射された前記分析用試料が散射するラマン散乱光及び前記ラマン散乱光を除く背景光を集光して、前記ラマン散乱光及び前記背景光を含むスペクトルを記録することができる記録部と、連続する複数の時間インターバルにわたって前記分析用試料が連続してレーザ光を照射されたときに、前記複数の時間インターバルごとに記録されたスペクトルから、多変量解析を用いて、前記ラマン散乱光の強度及び前記背景光の強度のそれぞれの時間依存性を抽出すると共に前記ラマン散乱光のスペクトルを前記背景光のスペクトルから分離することにより、前記分析用スペクトルを取得することができる分離部とを備えたことを特徴とする。 Further, the mold venom analyzer according to the present invention is a mold venom analyzer that can perform analysis of the mold venom using Raman spectroscopy, and the type of mold venom to be analyzed may be produced. There is a spectroscopic analysis unit capable of acquiring an analysis spectrum by using the vibrational spectroscopic analysis method from an analysis sample generated from an initial sample, and data of the analysis spectrum and a target type of the analysis. By inputting the data of the reference spectrum obtained by using the vibrational spectroscopic analysis method from the standard sample containing the mycotoxin, by performing the arithmetic processing using the multivariate analysis, the mycotoxin of the kind of the analysis is performed. There and an arithmetic processing unit capable of extracting the spectrum of types of mycotoxin of interest of the analysis in the case of producing the sample, the spectroscopic analysis unit, the laser beam irradiation The Raman scattered light scattered by the sample for analysis and the background light excluding the Raman scattered light are condensed, and the recording section capable of recording the spectrum including the Raman scattered light and the background light is continuous. When the analysis sample is continuously irradiated with laser light over a plurality of time intervals, from the spectrum recorded for each of the plurality of time intervals, using multivariate analysis, the intensity of the Raman scattered light and the By separating each time dependence of the intensity of background light and separating the spectrum of the Raman scattered light from the spectrum of the background light, a separation unit capable of obtaining the analysis spectrum is provided. Characterize.
本願発明によれば、ある程度場所を選ばず簡便かつ迅速にかび毒を分析することができる。また、同一試料に含まれる複数種類のかび毒を並行してそれぞれ分析することができる。 According to the present invention, it is possible to analyze mycotoxin easily and quickly regardless of the location. Further, it is possible to analyze a plurality of types of mycotoxin contained in the same sample in parallel.
以下、図面を参照して、本願発明の実施例を説明する。以下に説明する本願発明の実施例は、食品等に目的物質(かび毒)を添加して初期試料を生成し、その初期試料から溶媒へ目的物質を抽出し、抽出物を精製して得た分析用試料から振動分光分析法の一つであるラマン分光分析法を用いて目的物質を検出するという手順で、食品等に添加したかび毒を分析するものである。図1は、実施例の手順を示すフローチャートである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Examples of the present invention described below were obtained by adding a target substance (mold poison) to foods and the like to produce an initial sample, extracting the target substance from the initial sample into a solvent, and purifying the extract. The method of detecting a target substance from a sample for analysis using Raman spectroscopic analysis, which is one of vibration spectroscopic methods, is used to analyze mycotoxin added to foods and the like. FIG. 1 is a flowchart showing the procedure of the embodiment.
上記の手順のうち、試料の生成及び採取から抽出物の精製まで(図1のステップS101及びS102)を、例えば以下のように実施する(本実施例はかび毒の分析方法を実験的に実施するものであるから、かび毒を含む試料の生成を予め行う。)。とうもろこし試料10.0gに4種(B1、B2、G1及びG2)のアフラトキシン混合物を10μg/kgの重量比で、デオキシニバレノールを1mg/kgの重量比で、又はゼアラレノンを1mg/kgの重量比で添加する(ステップS101)。 Of the above procedures, the steps from sample generation and collection to extract purification (steps S101 and S102 in FIG. 1) are carried out, for example, as follows (in this example, the method for analyzing mycotoxin is experimentally carried out). Therefore, the sample containing mycotoxin is generated in advance.). A mixture of four aflatoxins (B1, B2, G1 and G2) in a weight ratio of 10 μg / kg, deoxynivalenol in a weight ratio of 1 mg / kg, or zearalenone in a weight ratio of 1 mg / kg was added to 10.0 g of a corn sample. Add (step S101).
さらに超純水(MilliQ水(同一称呼のMILLI−Qは登録商標、以下同じ。))40mlを加えて振盪し(200rpm、30分)、さらにメタノール60mlを加えて振盪する(200rpm、30分)。これを静置した後、上清50mlを遠心分離して(7000rpm, 10分)、その上清5mlを窒素ガスで2mlに濃縮する。 Furthermore, 40 ml of ultrapure water (MilliQ water (the same name MILLI-Q is a registered trademark, the same applies below)) is added and shaken (200 rpm, 30 minutes), and further 60 ml of methanol is added and shaken (200 rpm, 30 minutes). .. After allowing this to stand, 50 ml of the supernatant is centrifuged (7,000 rpm, 10 minutes), and 5 ml of the supernatant is concentrated to 2 ml with nitrogen gas.
上記の2mlの濃縮液にPBS(リン酸緩衝生理食塩水)5mlを加え、かび毒濃縮カラム(Myco6in1+IACカラム)を用いてカラムトラップする。これを10mlの超純水(MilliQ水)10mlで洗浄し、メタノール1.5mlでかび毒をカラムより溶出させる。さらにカラムからメタノール1.5mlでかび毒を溶出させると共に、水溶性又は不溶性の別が異なるかび毒を溶出するため超純水(MilliQ)2mlを加える。以上のプロセスを経て得られた全溶出液を窒素ガスで乾固し、分光分析の対象とする分析用試料(符号10を付して表す。)を得る(ステップS102)。 5 ml of PBS (phosphate buffered saline) is added to the above 2 ml of concentrated solution, and column trap is performed using a fungal venom concentration column (Myco6in1 + IAC column). This is washed with 10 ml of ultrapure water (MilliQ water), and mycotoxin is eluted from the column with 1.5 ml of methanol. Further, the mold venom is eluted from the column with 1.5 ml of methanol, and 2 ml of ultrapure water (MilliQ) is added to elute the mold venom which is different in water solubility or insolubility. The whole eluate obtained through the above process is dried with nitrogen gas to obtain a sample for analysis (denoted by reference numeral 10) to be subjected to spectroscopic analysis (step S102).
ここでいったん図1から離れて、実施例に係るかび毒の分析装置100の構成を説明する。図2は、分析装置100のブロック図である。図2の左側に、ステップS102によって得られた分析用試料10を示す。分析装置100は、図1において一点鎖線で囲まれた構成を備える。それらの構成は、分光分析部110、演算処理部120及び制御部130である。分光分析部110は、受光部111、分光部112、記録部113及び分離部114を備える。演算処理部120は、生成部121及び解析部122を備える。
Here, the configuration of the
実施例では、レーザ光源を含む発光部20も使用される。分析装置100が発光部20を含む構成であってもよい。発光部20及び受光部111は、各種の商品化されたラマン分光分析装置の光学系に相当するように構成されることができる(ここでは詳しい説明を省略する。)。
In the embodiment, the
上記の分析装置100の構成は、ハードウェア又はソフトウェアを含む多様な手段を用いて実現され得るものであって、必ずしも上記の各構成のとおりに明りょうに区画されたハードウェア又はソフトウェアのブロックが存在することを限定的に意味するものではない。図1において、矢印付きの実線は計測及び処理される信号の流れを示し、矢印付きの破線は制御信号の流れを示す。
The above-described configuration of the
発光部20は、分析用試料10等の対象物に対してレーザ光を照射することができる。受光部111は、レーザ照射の結果として上記の対象物から散射されるラマン散乱光及び蛍光その他の背景光を集光する。分光部112は、受光部111が集光した光を分析して、ラマンシフトを一方の軸(例えば横軸)及び光の強度を他方の軸(例えば縦軸)とする平面上にそのスペクトルをプロットすることができる。ラマンシフトを表す軸は、光の波長及び振動数のいずれかを単位とする軸に替えてもよい。記録部113は、上記のプロットされたスペクトルのデータを記録することができる。
The
分離部114は、例えばパーソナルコンピュータ(PC)に組み込まれたソフトウェアによって実現され、記録部113に記録されたスペクトルのデータに対して後述する多変量解析を含む分離処理を行うことにより、ラマン散乱光若しくは背景光の信号強度の時系列並びに信号対雑音比(SNR)が改善されたラマン散乱光を含む分析用スペクトルを得ることができる。
The
演算処理部120の生成部121及び解析部122は、例えばPCに組み込まれたソフトウェアによって実現される。生成部121は上記の分析用スペクトル及び後述する参照用スペクトルを得て、行列として表すことができる解析対象データを生成することができる。解析部122は上記の解析対象データを得て、後述する多変量解析を含む演算処理を行うことにより、分析用試料10に含まれるかび毒のスペクトル及び信号強度プロファイル(一般に、検出されたかび毒の量に対して線形の関係にある。)を得ることができる。
The
制御部130は、例えばPCに組み込まれたソフトウェアによって実現される。制御部130は、上述した発光部20、分光分析部110及び演算処理部120に対して、データの取得と解析を行うのに必要な指示を与えると共に結果を受け取ることができる。
The
分析装置100の具体的な構成は、上述したものに限らない。それぞれの部分をハードウェア又はファームウェア主体に構成してもよく、ハードウェア又はファームウェアとソフトウェアを適宜組み合わせてもよく、本発明に係るプログラムを商品化された分光分析装置にインストールしたものであってもよい。
The specific configuration of the
図1に戻り、実施例の手順をステップS103から説明する。このステップでは、図2において分析用試料10に代えて分析の目的とする種類のかび毒を含む標準試料(例えば、当該かび毒の標品自体又は標品を既知の溶媒に混合したもの)に対して発光部20からレーザ光を照射し、当該標準試料からのラマン散乱光を受光部111で受光する。受光されたラマン散乱光は分光部112で分光され、参照用スペクトルとして記録部113に記録される(ステップS103)。
Returning to FIG. 1, the procedure of the embodiment will be described from step S103. In this step, in place of the
なお、標準試料が溶媒を用いて調製されている場合は、標準試料から得たスペクトルと溶媒のみから得たスペクトルの差分を参照用スペクトルとして、記録部113に記録してもよい。かび毒の標準試料から得た参照用スペクトルの例を、後述する図10等に示している。
When the standard sample is prepared using a solvent, the difference between the spectrum obtained from the standard sample and the spectrum obtained only from the solvent may be recorded in the
次にステップS104に移り、まず発光部20から分析用試料10に対してレーザ光を照射し、分析の目的とするかび毒に由来するラマン散乱光、及び当該かび毒以外の成分(夾雑物という。)に由来する蛍光をはじめとする背景光を受光部111で受光し、さらに分光部112で分光して得たスペクトルを、記録部113に記録する。このステップでは、かび毒由来のラマンスペクトルは分析用試料10に含まれる夾雑物由来の蛍光等の背景光のスペクトルに埋もれて、検出することが難しいという問題がある。
Next, the process proceeds to step S104. First, the
図3は、ステップS104における処理の手順をさらに詳しく示したフローチャートである。試料中の夾雑物に由来する蛍光の強度は、当該試料に対するレーザ光の照射を続けると時間と共に減衰することが知られている(この現象を消光という。)。図3のフローチャートに示した処理においては、以下のように蛍光の消光現象を利用する。 FIG. 3 is a flowchart showing the processing procedure in step S104 in more detail. It is known that the intensity of fluorescence derived from impurities in a sample is attenuated with time when the sample is continuously irradiated with laser light (this phenomenon is called quenching). In the process shown in the flowchart of FIG. 3, the fluorescence quenching phenomenon is used as follows.
まず、発光部20から分析用試料10に対して、ある時間にわたり連続してレーザ光を照射する(ステップS301)。そしてレーザ光の照射時間を区切った時間インターバルごとに、分析用試料10から得られるスペクトル(ラマン散乱光及び背景光のスペクトルを含む。)を記録部113に記録する(ステップS302)。
First, the
制御部130は、上記のレーザ光の照射時間を連続する複数の時間インターバルに区切ることができる。記録部113は、時系列に従って(すなわち、制御部130から指示された複数の時間インターバルの順で)、分光部112がプロットしたスペクトルを記録することができる。
The
図4は、ステップS301及びS302の処理を説明するタイムチャートである。図の横軸は、時間軸である。時間軸上の”0”点において、発光部20から分析用試料10に対してレーザ光の照射を開始する。制御部130は、時間軸上のT、2T、…、NT(Tは時間、Nは自然数)の各タイミングにおいて、分析用試料10から得られるスペクトルを記録部113に記録させる。
FIG. 4 is a time chart explaining the processing of steps S301 and S302. The horizontal axis of the figure is the time axis. At the “0” point on the time axis, irradiation of laser light from the
図5は、上述のように時系列的に記録されたスペクトルを例示する図である(分析用試料10は、トウモロコシにゼアラレノンを添加したサンプルのIMCカラム抽出定容液を固化したものである。励起光の波長は532nm、T=5秒、N=20とする。)。図5における各プロットは、時間の経過とともに上から下へ移行する。つまり、このスペクトル中の支配的な成分である夾雑物由来の蛍光の強度が時間の経過と共に低下していることがわかる。
FIG. 5: is a figure which illustrates the spectrum recorded in time series as mentioned above (The
すべての時間インターバルについて記録されたスペクトルのデータ(以下、全スペクトルデータという。)は、例えば行の番号をラマンシフト軸上の位置(ピクセルという。)により、列の番号を上記の時系列上の順序により、それぞれ定めた行列の形で表すことができる。ピクセル数をMとすれば、全スペクトルデータはM行N列の行列(以下、符号Aで表す。)として表される。 The spectrum data recorded for all time intervals (hereinafter, referred to as all spectrum data) includes, for example, the row number by the position (pixel) on the Raman shift axis, and the column number by the above time series. It can be expressed in the form of a matrix defined by the order. Assuming that the number of pixels is M, all spectrum data are represented as a matrix of M rows and N columns (hereinafter referred to as symbol A).
次に、分離部114が行う全スペクトルデータの処理(分離処理)を説明する。例えば分析用試料10を構成する成分が、かび毒(ラマンスペクトルに寄与。)と夾雑物(蛍光スペクトルに寄与。)の2種類に分けられることが既知であるか又は推測される場合は、行列Aを、上記のそれぞれの成分のスペクトルデータを表す列ベクトルからなるM行2列の行列Wと、それぞれの成分の強度の時系列データを表す行ベクトルからなる2行N列の行列Hに因子分解することを考える。そうすると、行列Aは「数1」式、行列W及びHは「数2」式でそれぞれあらわされる。なお、「数1」式中の「実測スペクトル(kT)」は、図4の時間軸上のタイミング「kT」(1≦k≦N)において実測され記録されたスペクトルを表す。
Next, processing (separation processing) of all spectrum data performed by the
上記の「数1」及び「数2」式から行列Wを求めることができれば、夾雑物由来の蛍光スペクトルから分離されると共に、時系列に沿って積分されることによりガウス雑音の影響が軽減されたかび毒由来のラマンスペクトルが得られる。「数1」式の解析的な解は得られないが、行列Wに初期値を与えて公知の最小二乗法により行列Hの近似解を求め、これからさらにWの近似解を求めるという演算を所定の収束条件が満たされるまで反復する交互最小二乗法により、近似解を得られることが知られている。
If the matrix W can be obtained from the
上述した交互最小二乗法では、実測値を要素とする行列A及び近似値を要素とする行列W・Hの残差の二乗ノルム||A−W・H||2を行列W又はHのいずれか一方について最小化することにより、行列W又はHのもう一方の次の段階の近似値を求める。この最小化演算をよりシンプルで高精度なものにするための数学的な工夫として、少なくとも行列Aの全要素が非負値で表される条件と、上記の残差の二乗ノルムに正則化項(例えばL1ノルム又はL2ノルム)を加算する拘束条件を課すことが知られている。また、ラマンスペクトルの強度の時系列データに時間依存性が顕著でないことから、行列Hの第1行の値を定数とする条件を課すことができる。 In the alternating least squares method described above, the squared norm of residuals || A−W · H || 2 of the matrix A whose actual measurement value is an element and the matrix W · H whose approximate value is an element are either the matrix W or H. One of the matrices W or H is approximated to the next stage by minimizing the other. As a mathematical device for making this minimization operation simpler and more accurate, at least all the elements of the matrix A are represented by non-negative values and the regularization term ( For example, it is known to impose a constraint condition of adding the L1 norm or the L2 norm). Moreover, since the time-series data of the intensity of the Raman spectrum does not have a remarkable time dependency, it is possible to impose a condition that the value in the first row of the matrix H is a constant.
図6は、図5に示した全スペクトルデータから上記の分離処理を経て求めた、「数2」式の行列Wの各列ベクトル及び行列Hの各行ベクトルの近似解を示す図である。図6の左側の図は、ラマンシフトを横軸に、夾雑物由来の蛍光スペクトル(番号1)及びかび毒由来のラマンスペクトル(番号2)を表している。図6の右側の図は、時系列上の測定番号(1≦N≦20)を横軸に、蛍光強度の時間依存性(番号1、実践)を表している(ラマンスペクトルの時間依存性(番号2、破線)はゼロと仮定した。)(ステップS303)。
FIG. 6 is a diagram showing an approximate solution of each column vector of the matrix W and each row vector of the matrix H of the “
分析用試料10に含まれる成分が例えば4種類に分けられることが既知であるか又は推測される場合は、行列Aを、それぞれの成分のスペクトルデータを表す列ベクトルからなるM行4列の行列Wと、それぞれの成分の強度の時系列データを表す行ベクトルからなる4行N列の行列Hに因子分解することを考える。そうすると、行列W及びHは「数3」式で表される。
When it is known or inferred that the components contained in the
「数1」及び「数3」式から、上記と同様の交互最小二乗法を用いて、行列W及びHの近似解を求めることができる。この場合にも、行列Aの全要素が非負値で表される条件と正則化項の拘束条件を用いる。また、行列W及びHの全要素が非負値で表される条件を課すことができる。
An approximate solution of the matrices W and H can be obtained from the
図7は、図5に示した全スペクトルデータから上記の分離処理を経て求めた「数3」式の行列Wの各列ベクトル及び行列Hの各行ベクトルの近似解を示す図である。図7の左側の図は、ラマンシフトを横軸に、各成分(番号1ないし4)のスペクトルを表している。図7の右側の図は、時系列上の測定番号(1≦N≦20)を横軸に、各成分(番号1ないし4)の時間依存性を表している。番号1及び番号2の成分は、それぞれ図6の蛍光スペクトル(番号1)及びラマンスペクトル(番号2)とよく一致していることがわかる。このように分析用試料10に含まれる成分の種類が増えても、かび毒由来のラマンスペクトルを夾雑物由来の背景光から分離することができる(ステップS303)。
FIG. 7 is a diagram showing an approximate solution of each column vector of the matrix W and each row vector of the matrix H of the “
以上の通り、分析用試料10に含まれる夾雑物由来の蛍光強度の時間依存性に着目して、かび毒由来のラマンスペクトルを分離して分析用スペクトルとして得ることができた(ステップS304、ステップS104)。続いて、ステップS103で得た参照用スペクトルとステップS104で得た分析用スペクトルを入力として、多変量解析を用いた演算処理を行うことにより、かび毒由来のラマンスペクトルを抽出する(ステップS105)。図8は、ステップS105における処理の手順をさらに詳しく示したフローチャートである。
As described above, paying attention to the time dependence of the fluorescence intensity derived from the contaminants contained in the
生成部121は、ステップS103で得られた参照用スペクトルを記録部113から読み出して複数通りの係数(実数)を乗算し、複数通りの積データを得る(ステップS801)。生成部121は、次にステップS104(又はS304)で得られた分析用スペクトルを分離部114から得て、上記の複数通りの積データとそれぞれ加算することにより、複数通りの和スペクトルのデータを得る(ステップS802)。上記の複数通りの和スペクトルのデータは、実空間において検量線を引くため分析対象試料に複数通りの濃度の標準試料を添加し、その都度測定されるスペクトルのデータに等価である。
The
生成部121は、上記の複数通りの和スペクトルのデータに対して、ラマンシフト軸(又は対応する波長軸若しくは振動数軸)の向きにそれぞれ0回以上微分して得られたデータを列ベクトルとする行列を構成し、当該行列を解析対象データとして生成する(ステップS803)。解析対象データの行列は、ステップS302で得られた全スペクトルデータの行列と同様に、かび毒及びかび毒以外のそれぞれの成分のスペクトルデータを表す2列の列ベクトルからなる行列と、参照用スペクトルに乗算した係数(実空間における標準試料の濃度に相当する。)に対応するそれぞれの成分の強度プロファイルを表す2行の行ベクトルからなる行列の積に因子分解することができる。
The
解析部122は上記の解析対象データを得て、例えばかび毒以外の成分の強度プロファイルが一定である条件及び正則化項を加算する拘束条件を課した交互最小二乗法を用いることにより、かび毒由来のラマンスペクトル及び信号強度プロファイルを抽出することができる(特許第5780476号公報参照。)。
The
図9は、ステップS104(S304)で得られたゼアラレノン由来の分析用スペクトル及びゼアラレノン標品から得た参照用スペクトルを用いて、ステップS801ないしS804の処理によって抽出されたゼアラレノン由来のラマンスペクトルを示す図である。図中の実線(最上段のプロット)は、蛍光から分離された後の分析用スペクトルである。図中の点線(最上段のすぐ下のプロット)は、ゼアラレノン以外の成分由来のスペクトルである。図中の一点鎖線(最下段のプロット)は、ゼアラレノン由来のラマンスペクトルである。 FIG. 9 shows a Raman spectrum derived from zearalenone extracted by the processes of steps S801 to S804 using the analysis spectrum derived from zearalenone obtained in step S104 (S304) and the reference spectrum obtained from the zearalenone preparation. It is a figure. The solid line (uppermost plot) in the figure is the analysis spectrum after being separated from the fluorescence. The dotted line in the figure (the plot immediately below the top row) is the spectrum derived from components other than zearalenone. The alternate long and short dash line (bottom plot) in the figure is the Raman spectrum derived from zearalenone.
図10は、ゼアラレノンの標品から得た参照用スペクトルの一例を示す。図9の最下段のプロットが図10のプロットと共通の特徴を示すことから、本実施例によりゼアラレノンのラマンスペクトルを抽出することができたことが確認される。 FIG. 10 shows an example of a reference spectrum obtained from a preparation of zearalenone. Since the plot at the bottom of FIG. 9 has the same characteristics as the plot in FIG. 10, it is confirmed that the Raman spectrum of zearalenone could be extracted by this example.
図11は、かび毒としてアフラトキシン4種(G1、G2、B1及びB2)を含む試料から抽出されたそれらのカビ毒由来のラマンスペクトルを、図9と同様に示す図である。図中の実線(最上段のプロット)は、蛍光から分離された後の分析用スペクトルである。図中の点線(最上段のすぐ下のプロット)は、アフラトキシン4種以外の成分由来のスペクトルである。図中の一点鎖線(最下段のプロット)4本は、アフラトキシン4種由来のラマンスペクトルである。図12のアフラトキシン4種の標品の参照用スペクトルと対比することにより、アフラトキシン4種のラマンスペクトルを抽出することができたことが確認される。これは、同一試料に含まれる複数種のかび毒を並行してそれぞれ分析し抽出した例である。 FIG. 11 is a diagram showing Raman spectra derived from those mold venoms extracted from a sample containing four types of aflatoxins (G1, G2, B1 and B2) as a mold toxicant, similar to FIG. 9. The solid line (uppermost plot) in the figure is the analysis spectrum after being separated from the fluorescence. The dotted line in the figure (the plot immediately below the top row) is the spectrum derived from components other than the four aflatoxins. Four dashed-dotted lines (lowermost plot) in the figure are Raman spectra derived from four aflatoxins. It is confirmed that the Raman spectra of the four types of aflatoxins could be extracted by comparing with the reference spectra of the four types of aflatoxin preparations in FIG. This is an example in which multiple types of mycotoxin contained in the same sample were analyzed and extracted in parallel.
図13は、かび毒としてデオキシニバレノールを含む試料から抽出されたデオキシニバレノール由来のラマンスペクトルを、図9と同様に示す図である。図中の実線(最上段のプロット)は、蛍光から分離された後の分析用スペクトルである。図中の点線(最上段のすぐ下のプロット)は、デオキシニバレノール以外の成分由来のスペクトルである。図中の一点鎖線(最下段のプロット)は、デオキシニバレノール由来のラマンスペクトルである。図14のデオキシニバレノールの標品の参照用スペクトルと対比することにより、デオキシニバレノールのラマンスペクトルを抽出することができたことが確認される。 FIG. 13: is a figure which shows the Raman spectrum derived from deoxynivalenol extracted from the sample which contains deoxynivalenol as a mold poison similarly to FIG. The solid line (uppermost plot) in the figure is the analysis spectrum after being separated from the fluorescence. The dotted line in the figure (the plot immediately below the top row) is the spectrum derived from components other than deoxynivalenol. The alternate long and short dash line (bottom plot) in the figure is a Raman spectrum derived from deoxynivalenol. It is confirmed that the Raman spectrum of deoxynivalenol could be extracted by comparing with the reference spectrum of the standard sample of deoxynivalenol in FIG.
以上に説明した本発明の実施例によれば、試料中の夾雑物由来の蛍光等の背景光の影響を抑えて、かび毒由来のラマンスペクトルを抽出できることが確認された。実施例では、分析用スペクトルの取得(ステップS104)のためにステップS301ないしS304の処理を実行したが、試料の種類や特性によってはこれらの処理を省いて分析用スペクトルを取得してもよい。実施例ではラマン分光分析法を用いたが、図1のフローチャートに示した本発明の方法は、赤外吸収分光分析法を用いても実施することができる。 According to the examples of the present invention described above, it was confirmed that the Raman spectrum derived from mycotoxin can be extracted while suppressing the influence of background light such as fluorescence derived from contaminants in the sample. In the embodiment, the processes of steps S301 to S304 are executed to acquire the analysis spectrum (step S104), but depending on the type and characteristics of the sample, these processes may be omitted to acquire the analysis spectrum. Although Raman spectroscopy was used in the examples, the method of the present invention shown in the flowchart of FIG. 1 can also be carried out using infrared absorption spectroscopy.
実施例では図1のステップS102において抽出物を精製することを説明したが、かび毒を含む初期試料の特性によっては抽出物の精製を省き、初期試料をそのまま分析用試料にしてもよい。 Although the example explained that the extract is purified in step S102 in FIG. 1, the extract may be omitted depending on the characteristics of the initial sample containing the mycotoxin, and the initial sample may be directly used as the analytical sample.
10 分析用試料
20 発光部
100 分析装置
110 分光分析部
111 受光部
112 分光部
113 記録部
114 分離部
120 演算処理部
121 生成部
122 解析部
130 制御部
10
Claims (8)
分析の目的とする種類のかび毒が産生する可能性がある初期試料を採取し、
前記採取した初期試料から、前記分析の目的とする種類のかび毒を含む可能性がある分析用試料を生成し、
ラマン分光分析法を用いて、前記分析の目的とする種類のかび毒を含む標準試料から参照用スペクトルを取得し、
前記分析用試料に対して、連続する複数の時間インターバルにわたってレーザ光を照射し、
前記複数の時間インターバルごとに、前記分析用試料から散射されるラマン散乱光及び前記ラマン散乱光を除く背景光を集光すると共に、前記ラマン散乱光及び前記背景光を含むスペクトルを記録し、
前記複数の時間インターバルごとに記録されたスペクトルから、多変量解析を用いて、前記ラマン散乱光の強度及び前記背景光の強度のそれぞれの時間依存性を抽出すると共に前記ラマン散乱光のスペクトルを前記背景光のスペクトルから分離する分離処理を行うことにより、前記分析用試料から分析用スペクトルを取得し、
前記参照用スペクトルのデータ及び前記分析用スペクトルのデータを入力とする多変量解析を用いた演算処理を行うことにより、前記分析の目的とする種類のかび毒が前記初期試料に産生する場合において、前記分析用スペクトルから前記分析の目的とする種類のかび毒のスペクトルを抽出する
ことを特徴とするかび毒の分析方法。 In the method of analyzing mycotoxin using Raman spectroscopy,
Collecting an initial sample that may produce the type of mycotoxin for the purpose of analysis,
From the collected initial sample, generate an analytical sample that may contain a mold venom of the type intended for the analysis,
Using Raman spectroscopy, obtain a reference spectrum from a standard sample containing the type of mycotoxin of interest for the analysis,
Irradiating the analysis sample with laser light over a plurality of consecutive time intervals,
For each of the plurality of time intervals, while condensing the Raman scattered light scattered from the analysis sample and the background light excluding the Raman scattered light, record a spectrum containing the Raman scattered light and the background light,
From the spectra recorded for each of the plurality of time intervals, using multivariate analysis, the time dependence of the intensity of the Raman scattered light and the intensity of the background light and the spectrum of the Raman scattered light is extracted. By performing a separation process to separate from the spectrum of background light, to obtain an analysis spectrum from the analysis sample,
By performing arithmetic processing using the multivariate analysis with the data of the reference spectrum and the data of the analysis spectrum as an input, in the case where the type of mycotoxin of the type of the analysis is produced in the initial sample, A method for analyzing a mycotoxin, which comprises extracting a spectrum of a mycotoxin of a type intended for the analysis from the spectrum for analysis.
前記参照用スペクトルのデータに複数通りの係数を乗算して得られた複数通りの積のデータのそれぞれを前記分析用スペクトルのデータに加算して得られた複数通りの和スペクトルのデータから、行列で表すことができる解析対象データを生成し、
多変量解析を用いて、前記解析対象データから前記分析の目的とする種類のかび毒のスペクトル及び信号強度プロファイルを抽出する
ことを特徴とする請求項1に記載のかび毒の分析方法。 The arithmetic processing is
From a plurality of sum spectrum data obtained by adding each of a plurality of product data obtained by multiplying the reference spectrum data by a plurality of coefficients, a matrix Generate analysis target data that can be expressed by
The method for analyzing mycotoxin according to claim 1, wherein a spectrum and signal intensity profile of the type of mycotoxin targeted for the analysis are extracted from the data to be analyzed using multivariate analysis.
前記複数の種類のかび毒ごとに前記参照用スペクトルを取得し、
前記複数の分析の目的とする種類ごとに前記演算処理を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のかび毒の分析方法。 In the case where there are multiple types of mycotoxin of the type of the analysis,
Obtaining the reference spectrum for each of the plurality of types of mycotoxin,
The method for analyzing a mycotoxin according to claim 1, wherein the arithmetic processing is performed for each target type of the plurality of analyses.
前記記録されたスペクトルを、前記ラマン散乱光のスペクトル及び前記背景光のスペクトルをそれぞれ列ベクトルとして含む第1の行列と、前記複数の時間インターバルごとの順序に対応する前記ラマン散乱光の信号強度プロファイル及び前記複数の時間インターバルごとの順序に対応する前記背景光の信号強度プロファイルをそれぞれ行ベクトルとして含む第2の行列に分解して表したとき、
少なくとも前記記録されたスペクトルが非負値行列で表されるという条件と、誤差に正則化項を加算する拘束条件とを課した最小二乗法を用いて、前記第1の行列及び前記第2の行列を交互に求める演算を所定の収束条件が満たされるまで反復する
ことを特徴とする請求項1に記載のかび毒の分析方法。 Multivariate analysis in the separation process,
A first matrix containing the recorded spectrum as a column vector of the spectrum of the Raman scattered light and the spectrum of the background light as a column vector, and a signal intensity profile of the Raman scattered light corresponding to the order of the plurality of time intervals. And when decomposed into a second matrix including the signal intensity profile of the background light corresponding to the order of each of the plurality of time intervals as a row vector,
Using the least squares method that imposes at least the condition that the recorded spectrum is represented by a non-negative matrix and a constraint condition that adds a regularization term to an error, the first matrix and the second matrix The method for analyzing mycotoxin according to claim 1, wherein the calculation for alternately obtaining is repeated until a predetermined convergence condition is satisfied.
分析の目的とする種類のかび毒が産生する可能性がある初期試料から生成された分析用試料から、前記振動分光分析法を用いて分析用スペクトルを取得することができる分光分析部と、
前記分析用スペクトルのデータ及び前記分析の目的とする種類のかび毒を含む標準試料から前記振動分光分析法を用いて取得された参照用スペクトルのデータを入力として、多変量解析を用いた演算処理を行うことにより、前記分析の目的とする種類のかび毒が前記試料に産生する場合において前記分析の目的とする種類のかび毒のスペクトルを抽出する
ことができる演算処理部とを備え、
前記分光分析部は、
レーザ光を照射された前記分析用試料が散射するラマン散乱光及び前記ラマン散乱光を除く背景光を集光して、前記ラマン散乱光及び前記背景光を含むスペクトルを記録することができる記録部と、
連続する複数の時間インターバルにわたって前記分析用試料が連続してレーザ光を照射されたときに、前記複数の時間インターバルごとに記録されたスペクトルから、多変量解析を用いて、前記ラマン散乱光の強度及び前記背景光の強度のそれぞれの時間依存性を抽出すると共に前記ラマン散乱光のスペクトルを前記背景光のスペクトルから分離することにより、前記分析用スペクトルを取得することができる分離部と
を備えたことを特徴とするかび毒の分析装置。 In a mold venom analyzer capable of analyzing mold venom using vibrational spectroscopy,
From an analytical sample produced from an initial sample in which the type of mycotoxin of interest may be produced, a spectroscopic analysis unit capable of obtaining an analytical spectrum using the vibrational spectroscopic analysis method,
The data of the spectrum for analysis and the data of the spectrum for reference obtained by using the vibrational spectroscopic analysis method from the standard sample containing the type of mycotoxin targeted for the analysis are input, and arithmetic processing using multivariate analysis is performed. By carrying out, a processing unit capable of extracting the spectrum of the target fungal venom of the analysis when the target fungal venom of the analysis is produced in the sample ,
The spectroscopic analysis unit,
A recording unit capable of recording a spectrum including the Raman scattered light and the background light by condensing the Raman scattered light scattered by the analysis sample irradiated with laser light and the background light excluding the Raman scattered light. When,
When the analysis sample is continuously irradiated with laser light over a plurality of continuous time intervals, from the spectrum recorded for each of the plurality of time intervals, using multivariate analysis, the intensity of the Raman scattered light. And separating the spectrum of the Raman scattered light from the spectrum of the background light while extracting the respective time dependence of the intensity of the background light, and a separation unit capable of acquiring the analysis spectrum . A mold venom analyzer characterized in that
前記参照用スペクトルのデータに複数通りの係数を乗算して得られた複数通りの積のデータのそれぞれを前記分析用スペクトルのデータに加算して得られた複数通りの和スペクトルのデータから、行列で表すことができる解析対象データを生成することができる生成部と、
多変量解析を用いて、前記解析対象データから前記分析の目的とする種類のかび毒のスペクトル及び信号強度プロファイルを抽出することができる解析部と
を備えたことを特徴とする請求項7に記載のかび毒の分析装置。 The arithmetic processing unit,
From a plurality of sum spectrum data obtained by adding each of a plurality of product data obtained by multiplying the reference spectrum data by a plurality of coefficients, a matrix A generation unit that can generate analysis target data that can be represented by
An analysis unit capable of extracting a spectrum and a signal intensity profile of a mold venom of a type intended for the analysis from the data to be analyzed by using a multivariate analysis. Mycotoxin analyzer.
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