JP7156746B1

JP7156746B1 - 土壌の化学性分析方法及び化学性分析装置

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Publication number: JP7156746B1
Application number: JP2022096432A
Authority: JP
Inventors: 賢治田中; 直哉上野
Original assignee: Japan Conservation Engineers Co Ltd
Current assignee: Japan Conservation Engineers Co Ltd
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2022-10-19
Anticipated expiration: 2042-06-15
Also published as: JP2023183050A

Abstract

【課題】簡便な装置構成で、連続的かつ客観的な濃度測定値が得られる土壌の化学性分析方法及び分析装置を提供する。【解決手段】分析対象物２を含む試料液を所定の呈色反応試薬３１と反応させ、反応後の呈色状態により分析対象物２の濃度を定量し、土壌の化学性分析を行う。前準備では（Ｓ１）、複数の異なる既知濃度の分析対象物の溶液を準備し（Ｓ１１）、それぞれの分析対象物の溶液を所定の呈色反応試薬と反応させ（Ｓ１２）、反応後の呈色状態のそれぞれを、光の三原色であるＲＧＢ値として測定し（Ｓ１３）、異なる複数の既知濃度と測定されたＲＧＢ値とに基づいてＲＧＢ値に対する分析対象物の濃度の関係を示す検量線を生成し（Ｓ１４）、土壌分析では（Ｓ２）、分析すべき土壌を含む試料液を所定の呈色反応試薬と反応させ（Ｓ２１）、反応後の呈色状態のＲＧＢ値を測定し（Ｓ２２）、測定されたＲＧＢ値と検量線とを照合して濃度を定量する（Ｓ２３）。【選択図】図２

Description

本発明は、土壌中に含まれる窒素，リン酸，カリウムなどの栄養塩の成分濃度を測定し、土壌の化学性を分析する方法及び装置に関するものである。

土壌中に含まれる窒素，リン酸及びカリウムは植物の枝・葉・つぼみ・花の発育に欠かせない成分であるため、土壌の化学性を分析して、その濃度を測定することが行われている。この種の成分濃度を簡易に測定できるものとして、呈色反応試薬（発色試薬）を利用した簡易分析具が提案されている（特許文献１）。この簡易分析具は、合成樹脂で形成されたチューブに、分析対象物質に反応して発色するように調合された発色試薬が密封されたものである。使用時において、分析対象物質を溶かした溶液をチューブ内に入れると、分析対象溶液が発色試薬と化学反応して発色するので、分析者が、この発色の色目と、予め濃度毎に色分けされた標準色列とを目視で比較し、最も近い色に対応する数値を読み取ることにより、分析対象溶液に含まれている分析対象物質の濃度が求められる。

上記従来の簡易分析具を用いた濃度の測定は、標準色列との比色による官能評価である。すなわち、比色に用いる標準色列は段階的に選択された濃度に対応する標準色から構成されているため、得られる濃度の測定値が非連続・離散的な値にならざるを得ないという問題がある。また、分析者が目視で比色するため、測定値が主観的になる傾向があり、分析者の個人差により測定精度に信頼性がないという問題がある。

そのため、上記簡易分析具に分析対象溶液を入れ、発色した状態で特定波長の単色光を透過させ、このときの吸光度を吸光度計で測定する濃度分析方法が提案されている（特許文献２）。特定波長の単色光が透過したときの吸光度は、光路長と分析対象溶液の濃度に比例するので、光路長を一定にして測定すれば、吸光度から濃度が求められるというものである。

国際公開ＷＯ０２／０９０９７３パンフレット特開２０１７－７５８０９号公報

しかしながら、上記吸光度を利用した従来の濃度分析方法では、可視光線を特定の単色光に分光する分光器が必要となり、また換気測定具のチューブ自体の吸光度を相殺するために特定の単色光とは異なる波長の単色光を透過させたときの吸光度を測定する必要がある。したがって、簡便な装置構成で、連続的かつ客観的な濃度測定値が得られる方法及び装置の開発が希求されていた。

本発明が解決しようとする課題は、簡便な装置構成で、連続的かつ客観的な濃度測定値が得られる土壌の化学性分析方法及び化学性分析装置を提供することである。

本発明は、土壌の化学性分析対象物を含む試料液を所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態により化学性分析対象物の濃度を定量する土壌の化学性分析方法において、予め、複数の異なる既知濃度の化学性分析対象物の溶液を所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態のそれぞれのＲ値，Ｇ値及びＢ値を測定することでＲ値，Ｇ値及びＢ値に対する化学性分析対象物の濃度の関係を示す、濃度Ｃ＝ａ＋ｂＲ＋ｃＧ＋ｄＢ（ａ～ｄは変量解析にて求められた定数）で表される検量線を生成しておき、土壌の化学性を分析する場合には、分析すべき土壌を含む試料液を前記所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態のＲ値，Ｇ値及びＢ値を測定し、測定されたＲ値，Ｇ値及びＢ値と前記検量線とを照合して濃度を定量することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、予め、ＲＧＢ測定器と既知濃度の化学性分析対象物とを用いてＲＧＢ値－濃度の検量線を生成しておき、分析現場では、未知濃度の化学性分析対象物のＲＧＢ値を測定し、これを検量線に照合することで濃度を定量する。これにより、簡便な装置構成で、連続的かつ客観的な濃度測定値が得られる。

本発明に係る土壌の化学性分析方法の一実施の形態を示す工程図である。本発明に係る土壌の化学性分析装置の一実施の形態を示すブロック図である。図２のステップＳ１１，Ｓ１２の内容を説明するための図である。図２のステップＳ１３の内容を説明するための図である。図２のステップＳ２１の内容を説明するための図である。図２のステップＳ２２の内容を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態例を説明する。図１は、本発明に係る土壌の化学性分析方法の一実施の形態を示す工程図、図２は、本発明に係る土壌の化学性分析装置の一実施の形態を示すブロック図、図３Ａは、図２のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１の内容を説明するための図、図３Ｂは、図２のステップＳ１３，Ｓ２２の内容を説明するための図である。

本実施形態の土壌の化学性分析方法及び化学性分析装置は、土壌に含まれ、植物の枝・葉・つぼみ・花の発育に欠かせない成分である窒素，リン酸又はカリウムの含有濃度を測定することで、その土壌の特質を分析し、今後の土壌改良などに利用するものである。そのため、本実施形態では、化学性分析対象物である窒素，リン酸又はカリウム等の栄養塩類と反応することで濃度に応じた色彩を呈色する試薬を用いる。この試薬は特に限定されず、適宜の組成物を用いることができる。

背景技術の欄で説明したとおり、従来の濃度測定方法では、反応後の呈色状態を、予め濃度毎に色分けされた標準色列と目視で比較することで濃度を特定するが、本実施形態では、こうした人為的な判断を排除するために、ＲＧＢ測定器１１にて測定したＲＧＢ値を利用して濃度を定量する。

すなわち、図１に示すように、本実施形態の土壌の化学性分析装置１は、ＲＧＢ測定器１１と、演算器１２と、記憶器１３と、表示器１４とを備える。

ＲＧＢ測定器１１は、化学性分析対象物２のＲＧＢ値を測定し、これを演算器１２に出力する。ＲＧＢ値とは、色を指定・特定するための連続的な物理量であり、光の三原色である赤色と緑色と青色のそれぞれを、０～２５５の値で示し、その組み合わせによって色が特定される。たとえば、（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の組合せが、（２５５，２５５，２５５）の場合は白色を示し、（０，０，０）の場合は黒色を示し、（２５５，０，０）の場合は赤色を示し、（０，２５５，０）の場合は緑色を示し、（０，０，２５５）の場合は青色を示す。本実施形態のＲＧＢ測定器１１の仕様は特に限定されず、ＲＧＢ値が測定できれば適用することができる。ただし、後述する検量線を生成する際に使用するＲＧＢ測定器１１と、実際の濃度測定で用いるＲＧＢ測定器１１とは、同じ個体を用いることが、測定精度の観点から好ましいといえる。

演算器１２及び記憶器１３は、ＣＰＵ又はＭＰＵなどの演算処理装置とＲＯＭ及びＲＡＭなどの記憶装置とを含むパーソナルコンピュータなどで構成され、演算器１２が演算処理装置に相当し、記憶器１３が記憶装置に相当する。演算器１２は、ＲＯＭに格納された濃度測定用プログラムを読み出し、ＲＧＢ測定器１１から出力されたＲＧＢ値を、後述する手順で記憶器１３に記憶された検量線データと照合することで、目的とする化学性分析対象物２の濃度を定量する。

表示器１４は、ディスプレイやプリンタなどの出力装置又は記録装置で構成され、化学性分析対象物２、ＲＧＢ測定器１１から出力されたＲＧＢ値、定量された濃度などが表示又は媒体に記録されて出力される。

次に、図２及び図３を参照しながら、本実施形態の土壌の化学性分析方法を説明する。図２に示すように、本実施形態の土壌の化学性分析方法は、実際の土壌分析を実施する前に、前準備として化学性分析対象物に応じた呈色反応試薬の検量線を生成する（ステップＳ１（Ｓ１１～Ｓ１４））。たとえば、化学性分析対象物２が、窒素，リン酸又はカリウムのどれであるかによって呈色反応試薬の種類が異なり、また化学性分析対象物２が同じでも、複数種類の呈色反応試薬が使用できることもあるため、目的とする化学性分析対象物２とこれに使用する呈色反応試薬とに応じた検量線を生成する。そして、目的とする化学性分析対象物２とこれに使用する呈色反応試薬とが同じ場合に、予め生成された検量線を用いて濃度を定量する（ステップＳ２（Ｓ２１～Ｓ２３））。

ステップＳ１１からステップＳ１４の前準備（ステップＳ１）では、まずステップＳ１１において、図３Ａに示すように、複数の異なる既知濃度の化学性分析対象物２の溶液を準備する。たとえば、化学性分析対象物２がリン酸である場合、土壌に含まれるリン酸の濃度が最大Ｘｐｐｍであると考えられる場合、０～Ｘｐｐｍの間の濃度であって、互いに異なる複数の既知濃度（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３…ｐｐｍ）の化学性分析対象物２の溶液を調製し、準備する。

次のステップＳ１２において、図３Ａに示すように、選定された所定の呈色反応試薬３１が貼り付けられた試験紙３を、ステップＳ１１にて調製して準備した化学性分析対象物２の溶液に浸し、化学性分析対象物２の溶液と呈色反応試薬３１とを反応させる。反応が停止して呈色が安定するまで所定時間を要する場合は、それまで放置する。

次のステップＳ１３において、化学性分析対象物２の溶液と呈色反応試薬３１との反応が停止して呈色が安定したら、試験紙３を化学性分析対象物２の溶液から引き上げ、乾燥させたのち、図３Ｂに示すように、ＲＧＢ測定器１１を用いて呈色反応試薬３１の呈色状態をＲＧＢ値として測定し、これを演算器１２へ出力する。演算器１２は、化学性分析対象物２の既知濃度と、測定されたＲＧＢ値とを関連付けて記憶器１３に記憶する。

以上のステップＳ１２とＳ１３との処理を、準備した全ての既知濃度の化学性分析対象物２について行い、演算器１２は、それぞれの化学性分析対象物２の既知濃度と、測定されたＲＧＢ値とを関連付けて記憶器１３に記憶する。

次のステップＳ１４において、複数の異なる既知濃度の化学性分析対象物２の溶液に対して測定されたそれぞれのＲＧＢ値に基づいて、ＲＧＢ値と濃度との関係を示す検量線を生成する。この検量線の生成手法としては、３つの独立変量であるＲ値，Ｇ値，Ｂ値に対する濃度Ｃを近似する重回帰分析を用いることができる。ただし、本発明の検量線は、重回帰分析以外の多変量解析法を用いて要約してもよい。

ステップＳ１４において、たとえば検量線が濃度Ｃ＝ａ＋ｂＲ＋ｃＧ＋ｄＢ（ａ～ｄは変量解析にて求められた定数）として求められたら、演算器１２はこれを記憶器１３に記憶し、実際に行われる土壌分析に備える。

以上のステップＳ１（Ｓ１１～Ｓ１４）にて前準備が終了したら、次のステップＳ２（Ｓ２１～Ｓ２３）において実際の土壌分析を行う。

まずステップＳ２１において、目的とする土壌を採取し、図４Ａに示すように採取した土壌２１を純水などの溶液に入れ、撹拌する。これにより土壌中に含まれた化学性分析対象物２が溶液に溶解するので、この溶液に、選定された所定の呈色反応試薬３１が貼り付けられた試験紙３を浸し、化学性分析対象物２の溶液と呈色反応試薬３１とを反応させる。反応が停止して呈色が安定するまで所定時間を要する場合は、それまで放置する。

次のステップＳ２２において、化学性分析対象物２の溶液と呈色反応試薬３１との反応が停止して呈色が安定したら、試験紙３を化学性分析対象物２の溶液から引き上げ、乾燥させたのち、図４Ｂに示すように、ＲＧＢ測定器１１を用いて呈色反応試薬３１の呈色状態をＲＧＢ値として測定し、これを演算器１２へ出力する。

次のステップＳ２３において、演算器１２は、ＲＧＢ測定器１１から出力されたＲＧＢ値を、記憶器１３に記憶された検量線に照合することで濃度を定量する。すなわち、たとえば検量線が濃度Ｃ＝ａ＋ｂＲ＋ｃＧ＋ｄＢ（ａ～ｄは変量解析にて求められた定数）として記憶されている場合は、測定されたＲＧＢ値のそれぞれを当該検量線に代入し、濃度Ｃを演算により求める。

図２のステップＳ１１において、化学性分析対象物をリン酸とし、７個の異なる既知のリン酸濃度溶液を準備し、ステップＳ１２及びＳ１３を実施した。そして、これにより得られた７個の濃度とそれぞれのＲＧＢ値とを用い、ステップＳ１４において、重回帰分析法により、ＲＧＢ値と濃度との関係を示す検量線を生成したところ、濃度Ｃ（ｍｇ／Ｌ）＝７．８９２０Ｒ－１３．４８８３Ｇ＋１．９５４９Ｂ＋９３３．５９０３となった。この重回帰式（検量線）の相関係数Ｒは０．９８８０７５３８、決定係数Ｒ^２は０．９６６１３８０、Ｒ値のｐ値は０．８８８３％、Ｇ値のｐ値は０．１７１３％、Ｂ値のｐ値は４．５９２４％、切片のｐ値は０．０００２％であった。

この検量線を用い、実際の土壌を採取して１０個のサンプルを準備し、図２のステップＳ２１～Ｓ２３を実施して１０個のサンプルのリン酸濃度（ｍｇ／Ｌ）を定量したところ、下表１のとおりの結果になった。

以上のとおり、本実施形態の土壌の化学性分析方法及び化学性分析装置によれば、呈色の判断を分析者の官能評価により行うのではなく、ＲＧＢ測定器１１を用いて光学的・機械的に行うので、客観的で信頼性の高い濃度測定値を得ることができる。

また、本実施形態の土壌の化学性分析方法及び化学性分析装置によれば、自然光などを単色光に分光する必要なく濃度が測定できるので、ＲＧＢ測定器１１とコンピュータ１２，１３という極めて簡便な構成で分析装置１を提供することができる。

また、本実施形態の土壌の化学性分析方法及び化学性分析装置によれば、昼間・夜間といった測定環境の光量の大小にかかわらず、安定した濃度測定値を定量することができる。

１…化学性分析装置
１１…ＲＧＢ測定器
１２…演算器
１３…記憶器
１４…表示器
２…化学性分析対象物（化学性分析対象物の溶液）
２１…土壌
３…試験紙
３１…試薬

Claims

土壌の化学性分析対象物を含む試料液を所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態により化学性分析対象物の濃度を定量する土壌の化学性分析方法において、
予め、
複数の異なる既知濃度の化学性分析対象物の溶液を準備し、
それぞれの化学性分析対象物の溶液を前記所定の呈色反応試薬と反応させ、
反応後の呈色状態のそれぞれを、光の三原色であるＲ値，Ｇ値及びＢ値として測定し、
前記異なる複数の既知濃度と測定されたＲ値，Ｇ値及びＢ値とに基づいてＲ値，Ｇ値及びＢ値に対する化学性分析対象物の濃度の関係を示す検量線を濃度Ｃ＝ａ＋ｂＲ＋ｃＧ＋ｄＢ（ａ～ｄは変量解析にて求められた定数）として生成し、
土壌の化学性を分析する場合には、
分析すべき土壌を含む試料液を前記所定の呈色反応試薬と反応させ、
反応後の呈色状態のＲ値，Ｇ値及びＢ値を測定し、
測定されたＲ値，Ｇ値及びＢ値と前記検量線とを照合して濃度を定量する土壌の化学性分析方法。
土壌の化学性分析対象物を含む試料液を所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態により化学性分析対象物の濃度を定量する土壌の化学性分析装置において、
光の三原色であるＲ値，Ｇ値及びＢ値を測定するＲＧＢ測定器と、
予め、異なる複数の既知濃度の化学性分析対象物を準備し、それぞれの化学性分析対象物を前記所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態のそれぞれを、Ｒ値，Ｇ値及びＢ値として測定し、前記異なる複数の既知濃度と測定されたＲ値，Ｇ値及びＢ値とに基づいて生成された、Ｒ値，Ｇ値及びＢ値に対する濃度の関係を示す、濃度Ｃ＝ａ＋ｂＲ＋ｃＧ＋ｄＢ（ａ～ｄは変量解析にて求められた定数）で表される検量線を記憶する記憶器と、
土壌の化学性を分析する場合に、分析すべき土壌を含む試料液を前記所定の呈色反応試薬と反応させ、反応後の呈色状態について、前記ＲＧＢ測定器により測定されたＲ値，Ｇ値及びＢ値と、前記記憶器に記憶された前記検量線とを照合して濃度を定量する演算器と、を備える土壌の化学性分析装置。