JP7347269B2 - 成分分析装置および成分分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料中の成分を分析する成分分析装置および成分分析方法に関する。

ガラス室やビニルハウスなどを利用して野菜、花卉、果樹などを栽培する施設園芸において、特に植物工場の場合、一般に植物（野菜等の作物）に必要な養分を水等の溶媒に溶かした養液による養液栽培が行われる。養液栽培としては、養液が循環する循環式の水耕栽培がある。
このような循環式の水耕栽培の場合、植物の成長によって培養液を構成する各成分が消費される。そのため、培養液が循環するにつれ栽培槽に保持される培養液の組成が変化する。植物の生育は培養液成分に影響されるので、培養液の成分分析の結果に基づき、必要に応じて適宜、培養液の調整が行われる。
特許文献１には、循環式を採用した水耕栽培において、培養液の物理量を検出し、その検出結果をもとに培養液のＰＨや養分濃度といった栽培環境条件を調整する例が開示されている。

培養液は、植物（野菜等の作物）の成長に必要な養分（必須元素）を、吸収に適した組成と濃度で水に溶かしたものである。培養液中の養分はイオンの状態で存在し、陽イオンと陰イオンのバランスがとられている。
培養液中に養分として比較的多く含有されている多量要素は、例えば、窒素（Ｎ（ＮＯ_３、ＮＨ_４））、リン（Ｐ（ＰＯ_４））、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、硫黄（Ｓ（ＳＯ_４））である。一方、培養液中に養分として僅かに含まれる微量要素は、例えば、鉄（Ｆｅ）、ホウ素（Ｂ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）である。

その他培養液中には、例えば、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、塩素イオン（Ｃｌ^－）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ_３ ^－）が含まれる。これらは溶媒である水（例えば、井戸水）に元々含まれていたり、溶媒に溶解させる上記した養分（イオン成分）を含む肥料塩に由来したりするものである。
上記のような培養液に含まれる多項目の成分を簡易に分析する方法として、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ：High Performance Liquid Chromatography）が知られている。ＨＰＬＣは、液体の移動相をポンプなどによって加圧してカラムを通過させ、分析種を固定相及び移動相との相互作用の差を利用して高性能に分離して検出する分析方法である。

特開２０１５－５３８８２号公報

ＨＰＬＣに用いられるカラム（ＨＰＬＣカラム）は、測定回数が増加するにつれ徐々に劣化する。劣化の主な理由は以下の通りである。
（１）培養液中の不純物によるＨＰＬＣカラムの汚染や、肥料成分の一部のＨＰＬＣカラムへの吸着量が徐々に増加することにより、移動相（肥料成分と溶離液）とＨＰＬＣカラム（固定相）との親和性が徐々に変化してしまう。
（２）ＨＰＬＣカラムのコンダクタンス（流体の流れやすさ）が汚染により変化してしまう。

ＨＰＬＣカラムが劣化すると、検出データ（クロマトグラム）における電気波形ピークが発生する時間やピークの高さ、半値幅が変動してしまうという問題がある。
そのため、一般的なＨＰＬＣ測定の場合、都度、物質の標準溶液を用いてＨＰＬＣ測定を行い、これにより得られる検出データを参照データとして用い、測定用溶液を用いたＨＰＬＣ測定の検出データと比較することで測定用溶液の成分分析を行っている。すなわち、ＨＰＬＣ測定系のキャリブレーションを都度行っている。
しかしながら、上記のように都度キャリブレーションを行う手法では、培養液の成分分析に手間がかかり、植物工場等の養液栽培現場におけるリアルタイムでの培養液測定、分析という要請に対応できない。

そこで、本発明は、測定系の都度のキャリブレーションを要することなく、試料中の成分を簡易に分析することができる成分分析装置および成分分析方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る成分分析装置の一態様は、成分の種類と濃度とが既知である標準試料を前記成分と相互作用する分析機器要素を用いて測定された成分毎の測定結果と、前記分析機器要素を用いた前記標準試料の測定回数との相関を表す参照データを取得する参照データ取得部と、測定試料を前記分析機器要素と同等の測定用分析機器要素を用いて測定した測定結果と、前記測定用分析機器要素を用いた前記測定試料の測定回数とを含む測定データを取得する測定データ取得部と、前記測定データに含まれる前記測定回数に対応する前記参照データを用いて、前記測定データに含まれる前記測定結果をもとに、前記測定試料中の成分を分析するデータ処理部と、を備え、前記測定試料は、水耕栽培における培養液であり、前記測定結果は、クロマトグラフィー測定の結果である。

このように、分析機器要素の劣化度を、当該分析機器要素を用いた測定の測定回数で近似する。そして、分析機器要素の劣化度に応じて変化する各成分の測定結果と、分析機器要素の劣化度を示す測定回数とを対応付けた参照データを用いて、測定試料の成分分析を行う。これにより、測定試料中の既知の成分について、測定系の都度のキャリブレーションを要することなく、分析機器要素の劣化度を考慮した分析を簡易に行うことができる。
また、試料に含まれる多項目の成分を簡易に分析することができる。また、水耕栽培における培養液は、含有される成分が既知であり、その濃度も大きく変動しない。また、水耕栽培においては、肥料成分の高精度な測定は要求されず、測定の手間を省くことの方が重要である。水耕栽培における培養液を測定試料として参照テーブルを用いた成分分析を行うことで、水耕栽培現場におけるリアルタイムでの測定、分析を簡易に行うことができる。

さらに、上記の成分分析装置において、前記参照データ取得部は、前記成分の種類毎にクロマトグラムの保持時間と前記測定回数との相関を表す第１の参照データと、前記成分の種類毎、かつ、前記成分の濃度毎に、前記クロマトグラムのピーク高さと前記測定回数との相関を表す第２の参照データと、を取得してもよい。
クロマトグラフィー測定の場合、分析機器要素は測定カラムである。測定カラムが劣化すると、移動相と固定相との親和性が変化し、測定結果（クロマトグラムの保持時間、ピーク高さ）が変動する。保持時間と測定回数との相関を表す第1の参照データと、ピーク高さと測定回数との相関を表す第２の参照データとを用いることで、測定カラムの劣化を考慮した形で適切に測定試料の成分分析を行うことができる。

また、上記の成分分析装置において、前記データ処理部は、前記第１の参照データを参照して、前記測定データに含まれる前記測定回数に対応する保持時間を分析対象成分の保持時間として導出する保持時間導出部と、前記測定データをもとに、前記保持時間導出部により導出された保持時間と等しい保持時間を有するピークを、前記分析対象成分に相当するピークとして同定し、当該ピークのピーク高さを取得するピーク高さ取得部と、前記第２の参照データを参照して、前記測定データに含まれる前記測定回数と前記分析対象成分とに対応する濃度毎のピーク高さと、前記ピーク高さ取得部により取得されたピーク高さとを比較し、前記分析対象成分の濃度を導出する濃度導出部と、を備えていてもよい。
このように、第１の参照データを、測定試料の測定結果として得られたピークの同定（どの成分に相当するピークであるかの確認）に用い、第２の参照データを、同定した成分の定量化に用いることができる。したがって、第１の参照データと第２の参照データとを用いて、容易かつ適切に測定試料の成分分析を行うことができる。

さらに、上記の成分分析装置において、前記参照データ取得部は、所定の種類かつ所定の濃度の成分の測定結果を基準として正規化された前記参照データを取得してもよい。この場合、参照データのデータ容量を削減することができるとともに、参照データを用いたデータ処理効率を向上させることができる。

さらにまた、上記の成分分析装置において、前記標準試料は、窒素、リン、マグネシウム、カルシウムおよびカリウムの少なくとも１つを含んでいてもよい。このように、水耕栽培における培養液中に養分として比較的多く含有されている５大栄養素を分析対象の成分とすることで、培養液成分を適切に分析することができ、必要に応じて適宜、培養液の調整を行うことができる。
また、上記の成分分析装置において、前記参照データ取得部は、所定の濃度のマグネシウムの測定結果を基準として正規化された前記参照データを取得してもよい。マグネシウムは培養液中に養分として比較的多く含有され、適度な吸収速度を有する成分であるため、マグネシウムを基準とすることで、適切に正規化された参照データとすることができる。

また、本発明に係る成分分析方法の一態様は、成分の種類と濃度とが既知である標準試料を前記成分と相互作用する分析機器要素を用いて測定された成分毎の測定結果と、前記分析機器要素を用いた前記標準試料の測定回数との相関を表す参照データを取得するステップと、測定試料を前記分析機器要素と同等の測定用分析機器要素を用いて測定した測定結果と、前記測定用分析機器要素を用いた前記測定試料の測定回数とを含む測定データを取得するステップと、前記測定データに含まれる前記測定回数に対応する前記参照データを用いて、前記測定データに含まれる前記測定結果をもとに、前記測定試料中の成分を分析するステップと、を含み、前記測定試料は、水耕栽培における培養液であり、前記測定結果は、クロマトグラフィー測定の結果である。

このように、分析機器要素の劣化度を、当該分析機器要素を用いた測定の測定回数で近似する。そして、分析機器要素の劣化度に応じて変化する各成分の測定結果と、分析機器要素の劣化度を示す測定回数とを対応付けた参照データを用いて、測定試料の成分分析を行う。これにより、測定試料中の既知の成分について、測定系の都度のキャリブレーションを要することなく、分析機器要素の劣化度を考慮した分析を簡易に行うことができる。

また、上記の成分分析方法は、前記参照データを取得するステップの後、前記測定データを取得するステップと前記成分を分析するステップとを繰り返し行うことができる。
この場合、測定試料の測定を行うたびに標準試料を測定する手間を省くことができ、リアルタイムでの成分分析を簡易に行うことができる。

本発明では、試料中の既知の成分について、測定系の都度のキャリブレーションを要することなく簡易に分析することができる。

本実施形態における成分分析システムの構成例を示す図である。 本実施形態における成分分析装置の構造例を示す図である。 切換バルブの動作例である。 切換バルブの動作例である。 一般的なＨＰＬＣ測定手順を示すフローチャートである。 本実施形態のＨＰＬＣ測定手順を示すフローチャートである。 相対的ピーク高さと積算被ばく量とを示すデータである。 積算被ばく量と相対的ピーク高さとの関係を示すグラフである。 標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定の結果の一例である。 参照データの一例である。 補正テーブルの一例である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態では、試料の成分分析を行う成分分析装置として高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ：High Performance Liquid Chromatography ）装置を用い、植物工場において植物（野菜等の作物）に必要な養分を水に溶かした養液の成分分析を行う成分分析システムについて説明する。

図１は、植物工場における成分分析システムの構成例を示す図である。
この成分分析システムは、施設内水耕栽培を行う養液栽培機構（水耕栽培機構）１０において用いられる培養液に含まれる成分を分析するシステムである。この成分分析システムは、養液栽培機構１０と、養液栽培機構１０内で循環する培養液の一部を採取して成分を分析する成分分析装置２０と、を備える。

養液栽培機構１０は、植物１１が栽培される栽培槽１２と、培養液１３を貯蔵する培養液タンク１４と、栽培槽１２と培養液タンク１４との間で培養液１３を循環させるための循環流路１５と、循環流路１５に培養液１３を送液する送液ポンプ１６と、を備える。
培養液１３は、培養液タンク１４から送液ポンプ１６により植物１１が育成される栽培槽１２に供給される。栽培槽１２内の培養液１３には、植物１１の地下部（根）が浸漬されている。栽培槽１２にて植物１１によって吸収されなかった培養液１３は、排液流路１７を介して培養液タンク１４へ戻される。このように、培養液１３は、栽培槽１２と培養液タンク１４との間を循環流路１５および排液流路１７を介して循環する。

また、循環流路１５を流れる培養液１３の一部は、循環流路１５の一部から分岐した液体試料採取流路１８を介して、例えば自動的に採取され、採取された培養液１３は成分分析装置２０により成分分析される。
このような循環式の水耕栽培の場合、培養液１３が循環するにつれ栽培槽１２に保持される培養液１３の組成が変化する。植物１１の生育は養液成分に影響されるので、養液分析の結果に基づき、必要に応じて適宜、培養液１３の調整が行われる。

成分分析装置２０は、培養液１３の分析に高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を採用した液体分析装置である。
図２は、成分分析装置２０の構造例を示す図である。
成分分析装置２０は、成分と相互作用する分析機器要素としてＨＰＬＣカラム２６を備える。ＨＰＬＣカラム２６を溶離液とともに培養液１３が流れると、培養液１３に含まれる各成分（肥料成分）は、ＨＰＬＣカラム２６が保持する固定相と相互作用しながら移動する。この各成分とＨＰＬＣカラム２６との相互作用の強さの相違により、ＨＰＬＣカラム２６から各成分が溶出する時間が変わる。

この原理を利用して、培養液１３を成分毎に分離し、検出部２７において分離成分を検出する。このとき検出部２７は、各成分のＨＰＬＣカラム２６での保持時間に対応して、各成分に相当する信号（パルス波形）を検出する。この検出データ（測定結果）をデータ処理部３０によって解析することで、養液成分の同定や定量を行うことができる。データ処理部３０による分析結果は制御部４０に送出され、制御部４０は、当該分析結果に基づき、養液栽培機構１０における培養液１３の調整を行う。

培養液の成分分析の場合、培養液成分（肥料成分）は既知であり、培養液中の未知である物質の検出は不要である。また、各肥料成分がＨＰＬＣカラムから溶出される順序や、各肥料成分の分離の度合（パルス波形における裾野の重なり具合）が事前に分かるので、必要最小限のＨＰＬＣカラム長を設定できる。つまり、成分分析装置２０をコンパクトにすることができる。

図２に示すように、養液栽培機構１０から液体試料採取流路１８を介して採取された培養液１３は、フィルタ２１を介して試料注入用ポンプ（シリンジポンプ）２２により採取される。試料注入用ポンプ２２は、採取した培養液１３を送出する際に切換バルブ２３に接続される。
切換バルブ２３には、試料注入用ポンプ２２からの流路配管２５ａの他に、溶離液槽２４に貯蔵されている溶離液２４ａを送液する送液ポンプ２４ｂの溶離液排出側配管２５ｂや、ＨＰＬＣカラム２６への注入用配管２５ｃ、サンプルループ配管２５ｄ、ドレイン配管２５ｅが接続されている。

成分分析装置２０における成分分析を行う場合、まず図３に示すように、切換バルブ２３により、送液ポンプ２４ｂにより送られてくる溶離液２４ａがＨＰＬＣカラム２６側へ送液されるように流路が設定される。ＨＰＬＣカラム２６側へ送液された溶離液２４ａは、ＨＰＬＣカラム２６を通過し、図２に示す検出部２７および廃液流路２８を介して廃液槽２９へ送られ、廃液２９ａとして溜められる。
一方で、切換バルブ２３は、試料注入用ポンプ２２からの流路配管２５ａと、サンプルループ配管２５ｄと、ドレイン配管２５ｅとが連通するように流路を設定する。この状態で試料注入用ポンプ２２は、養液栽培機構１０の培養液タンク１４より培養液１３の一部を採取する。試料注入用ポンプ２２から送出される培養液１３は、サンプルループ配管２５ｄ内に注入される。

その後、図４に示すように、切換バルブ２３は、送液ポンプ２４ｂの溶離液排出側配管２５ｂと、サンプルループ配管２５ｄと、ＨＰＬＣカラム２６への注入用配管２５ｃとが連通するように流路を設定する。なお、試料注入用ポンプ２２からの流路配管２５ａは、ドレイン配管２５ｅと接続される。
この状態で送液ポンプ２４ｂから溶離液２４ａを送液すると、溶離液２４ａは、サンプルループ配管２５ｄを通り、サンプルループ配管２５ｄ内に注入されている培養液１３とともにＨＰＬＣカラム２６に注入される。

まず、ＨＰＬＣ装置による一般的なＨＰＬＣ測定手順について、図５を参照しながら説明する。ここで、ＨＰＬＣ装置は、例えば図２に示す成分分析装置２０と同様の構成とすることができる。
ステップＳ１では、標準溶液（標準試料）を採取する。ここで、標準溶液は、栽培槽に最初に投入する培養液であり、含有されている成分の種類（肥料成分種）と成分の濃度（肥料成分の濃度）とは既知である。
ステップＳ２では、標準溶液を用いてクロマトグラフィー測定（ＨＰＬＣ測定）を行い、検出データをもとに、必要最小限のＨＰＬＣカラム長を決定する。

ステップＳ３では、ステップＳ２において決定されたカラム長を有するＨＰＬＣカラムを用いて標準溶液のＨＰＬＣ測定を行い、これにより得られた検出データを「参照データ」として記憶する。ここで、検出データは、ＨＰＬＣカラムによって成分分離された溶液を検出部によって検出して得られる電気パルスデータ（クロマトグラム）である。すなわち、検出データは、時間対電気信号の特性データとなる。
次にステップＳ４では、実際の水耕栽培時の培養液の一部を測定試料として採取する。
ステップＳ５では、採取した測定試料を用いて、上記標準溶液を測定したときと同じ測定系においてＨＰＬＣ測定を行う。
ステップＳ６では、測定試料を用いたＨＰＬＣ測定を行って得られた検出データを「測定データ」として取得する。

ステップＳ７では、ステップＳ６において取得された測定データと、ステップＳ３において記憶した参照データとを比較する。そして、参照データにおける物質（肥料成分）Ａに相当する電気パルスのピーク時点と同じ時点における測定データのピークを物質Ａに相当するピークとして同定し、そのピークの大きさ（高さ）を参照データのピークの大きさ（高さ）と比較して、物質Ａの濃度を算定する。同様の手順で他の肥料成分の濃度も算定する。
ステップＳ８では、培養液の分析を終了するか否かを判定する。そして、分析を継続すると判定した場合はステップＳ３に戻り、分析を終了すると判定した場合には図５の処理を終了する。

なお、ここでは標準溶液が変わらないことを前提とし、ステップＳ１およびＳ２を１回だけ行う場合について説明したが、標準溶液が変わる場合は、標準溶液が変わるたびにステップＳ１およびＳ２の処理を実施するものとする。

上記のように、一般的なＨＰＬＣ測定では、測定試料の成分分析を行う場合、都度、標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定を行って参照データを取得し、測定データと参照データとを比較して各成分の濃度を算定する。このように、ＨＰＬＣ測定系のキャリブレーションを都度行うことにより、ＨＰＬＣカラムの劣化によって測定データにおける電気波形ピークが発生する時間やピークの高さ、半値幅が変動した場合であっても、適切な成分分析が可能となる。

しかしながら、上記のように、都度、標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定を行う手法では、培養液の成分分析に非常に手間がかかる。
本実施形態における成分分析装置２０は、測定試料となる培養液の成分（肥料成分）の種類が既知であり、各肥料成分の濃度があまり変動しないことを利用し、都度、検量線をとらずとも、ＨＰＬＣカラムの劣化を考慮した形で簡易に成分分析を行うようにしたものである。

図６は、本実施形態の成分分析装置２０におけるＨＰＬＣ測定手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、成分分析装置２０は、標準溶液を採取する。ここで、標準溶液は、栽培槽に最初に投入する培養液であり、肥料成分種や各肥料成分の濃度は既知である。
ステップＳ１２では、成分分析装置２０は、標準溶液を用いてクロマトグラフィー測定（ＨＰＬＣ測定）を行い、検出データをもとに、必要最小限のＨＰＬＣカラム長を決定する。

ステップＳ１３では、成分分析装置２０は、ステップＳ１２において決定されたカラム長を有するＨＰＬＣカラムを用いて標準溶液のＨＰＬＣ測定を複数回繰り返し行う。そして、これにより得られた検出データをＨＰＬＣ測定の測定回数（ＨＰＬＣカラムに溶液を通した回数）と対応付けて「参照データ」として記憶する。ここで、検出データは、ＨＰＬＣカラムによって成分分離された培養液を検出部によって検出して得られる電気パルスデータ（クロマトグラム）である。すなわち、検出データは、時間対電気信号の特性データとなる。
このステップＳ１３では、成分分析装置２０は、標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定を、ＨＰＬＣカラムの劣化がある程度進むまで（例えば、３００回）繰り返し行う。
本実施形態では、検出データとして、クロマトグラムの保持時間と、クロマトグラムのピーク高さとを取得する。ここで、保持時間は、ＨＰＬＣ測定開始からピークの頂点までの時間（リテンションタイム）である。そして、参照データとして、成分の種類毎に保持時間と測定回数とを対応付けたデータと、成分の種類毎にピーク高さと測定回数とを対応付けたデータとを記憶する

ステップＳ１４では、成分分析装置２０は、参照データの取得を終了するか否かを判定する。ここでは、予め決められた異なる複数の成分濃度の標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定が、すべて終了しているか否かを判定する。そして、成分分析装置２０は、すべてのＨＰＬＣ測定が終了していないと判定した場合にはステップＳ１１に戻り、成分濃度の異なる標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定を行う。一方、成分分析装置２０は、すべてのＨＰＬＣ測定が終了していると判定した場合には、参照データの取得を終了すると判定してステップＳ１５に移行する。

このように、所定の成分濃度を有する標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定を、未使用のＨＰＬＣカラムがある程度劣化するまで繰り返し行うことを、成分濃度が異なる複数の標準溶液を用いて行い、参照データを取得する。このとき取得される参照データは、成分の種類毎に保持時間と測定回数との相関を表す第１の参照データと、成分の種類毎、かつ、成分の濃度毎に、ピーク高さと測定回数との相関を表す第２の参照データと、を含む。

ステップＳ１５では、成分分析装置２０は、参照データをもとに参照テーブルを作成する。参照テーブルは、測定回数と検出データとの相関を示すテーブルであり、ＨＰＬＣカラムの劣化に対する補正テーブルである。参照テーブルは、所定の種類かつ所定の濃度の成分の所定の測定回数での検出データを基準として正規化（規格化）された参照データである。参照テーブルは、例えば、参照データを所定の成分の初回測定時の検出データを１として正規化（規格化）することで作成することができる。
以下、参照データおよび参照テーブルについて詳細に説明する。

ＨＰＬＣカラムの劣化は、培養液中の不純物によるＨＰＬＣカラムの汚染や、肥料成分の一部のＨＰＬＣカラムへの吸着量の増加によって進む。具体的には、ＨＰＬＣカラムの劣化度は、ＨＰＬＣカラムが当該ＨＰＬＣカラムと相互作用する物質に暴露される量（積算被ばく量（累積曝露量））に相関がある。

１回の測定でＨＰＬＣカラムと相互作用する物質の量（各物質の総量）をｍ、１回の測定でのＨＰＬＣカラムと上記物質との接触時間をｔとするとき、１回の測定でのＨＰＬＣカラムの被ばく量（曝露量）は、ｍ×ｔとなる。
したがって、ｎ回の測定での積算被ばく量は、以下のように表される。
積算被ばく量＝ｍ_１×ｔ_１＋ｍ_２×ｔ_２＋・・・＋ｍ_ｎ×ｔ_ｎ ………（１）
そして、ＨＰＬＣカラムの劣化度ｒは積算被ばく量に比例する（正の相関がある）ので、劣化度ｒは以下のように表すことができる。
ｒ∝（ｍ_１×ｔ_１＋ｍ_２×ｔ_２＋・・・＋ｍ_ｎ×ｔ_ｎ） ………（２）

ただし、同条件のＨＰＬＣカラムで複数回測定する場合、各測定における物質の接触時間は等しいため、
ｔ_１＝ｔ_２＝・・・＝ｔ_ｎ－１＝ｔ_ｎ ………（３）
となる。
また、例えば、施設園芸や植物工場の場合、培養液に含まれる成分（肥料成分）は既知であり、また全肥料成分の変動率も小さい。よって、実質的に、各測定における物質量は等しいと考えることができる。
ｍ_１＝ｍ_２＝・・・＝ｍ_ｎ－１＝ｍ_ｎ ………（４）

つまり、施設園芸や植物工場の場合、
ｔ_１＝ｔ_２＝・・・＝ｔ_ｎ－１＝ｔ_ｎ＝ｔ
ｍ_１＝ｍ_２＝・・・＝ｍ_ｎ－１＝ｍ_ｎ＝ｍ
とすると、ＨＰＬＣカラムの劣化度ｒは、
ｒ∝（ｍ×ｔ）×ｎ ………（５）
と表すことができる。つまり、ＨＰＬＣカラムの劣化度ｒは、測定回数ｎで近似できるといえる。

図７（ａ）は、測定成分がマグネシウム（Ｍｇ）である場合の、測定回数が１回、１００回、３００回での電気パルスのピーク高さを示す表である。この図７（ａ）に示すピーク高さの値は、Ｍｇ濃度を１０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍとしてそれぞれピーク値を３００回測定し、Ｍｇ濃度が１０ｐｐｍであるときの初回測定時のピーク値を１として正規化した相対ピーク値（相対的ピーク高さ）である。
また、図７（ｂ）は、積算被ばく量を示す表である。この図７（ｂ）に示す積算被ばく量の値は、濃度×測定回数により算出される値である。

図８は、図７（ａ）の相対的ピーク高さと図７（ｂ）の積算被ばく量との関係を示すグラフである。この図８からも明らかなように、積算被ばく量と相対的ピーク高さとの間には相関関係があることが分かる。
図９は、水耕栽培における培養液中の主成分であるナトリウム（Ｎａ）、アンモニウム（ＮＨ_４）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）を含む標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定の結果（電気パルスデータ）を示す図である。この図９に示すように、測定回数が増加するにつれ、各成分に相当する電気パルスのピーク高さ（強度）は低くなることがわかる。また、測定回数が増加するにつれ、各成分の保持時間が長くなる（電気パルスのピークが得られるまでに時間がかかる）こともわかる。
つまり、ＨＰＬＣ測定において、ＨＰＬＣカラムの劣化は、保持時間およびピーク高さ（強度）に影響を及ぼす。

そこで、本実施形態では、ＨＰＬＣカラムの劣化度を示す測定回数と、検出データ（保持時間、ピーク高さ）との相関を示す参照テーブルを取得し、この参照テーブルを参照して、測定試料の成分分析を行う。

図１０は、ナトリウム（Ｎａ）、アンモニウム（ＮＨ_４）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）を含む標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定により取得される参照データの一例である。
このような参照データを取得する場合には、上述した図６のステップＳ１３では、上記の既知の成分が含まれる標準溶液を用いて、ＨＰＬＣカラムの劣化が生じるまで繰り返しＨＰＬＣ測定を行い、検出データ（保持時間、ピーク高さ）を得る。

そして、図１０に示すように、成分毎に、検出データを測定回数（１回、１００回、３００回）と対応付けて記憶する。図１０の上段に示す表は、成分の種類毎に、測定回数と保持時間とを対応付けた第１の参照データであり、図１０の下段に示す表は、成分の種類毎、かつ、成分の濃度毎に、測定回数とピーク高さとを対応付けた第２の参照データである。図１０に示す例では、各成分の濃度は２ｐｐｍ、５ｐｐｍ、１０ｐｐｍとしている。

図１１は、図１０の参照データをもとに作成された参照テーブルである。
図１１の上段に示す表は、保持時間に関する第１の参照テーブルであり、図１１の下段に示す表は、ピーク高さに関する第２の参照テーブルである。第１の参照テーブルは、図１０の上段に示す第１の参照データを、マグネシウム（Ｍｇ）の１回目の測定のときの保持時間を１として正規化したものである。また、第２の参照テーブルは、図１０の下段に示す第２の参照データを、マグネシウム（Ｍｇ）の１回目の測定で、濃度が２ｐｐｍのときのピーク高さを１として正規化したものである。

ここで、マグネシウム（Ｍｇ）を基準として参照テーブルを作成する理由について説明する。
測定試料を水耕栽培における培養液には、肥料成分の他に、阻害成分も含まれる。上記の成分のうち、アンモニウム（ＮＨ_４）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）は肥料成分、ナトリウム（Ｎａ）は塩害となり得る阻害成分である。
ナトリウムは、培養液を循環して使用する過程で溜まっていく成分であり、本来、無い方が好ましい。つまり、もともと培養液に含まれていない（もしくは殆ど含まれていない）。そのため、ナトリウムは正規化の基準として適当ではない。
また、アンモニアは肥料成分であるが、植物がすぐに吸収してしまう（吸収速度が速い）成分である。そのため、基準としては適当ではない。
これに対して、マグネシウムは肥料成分であり、植物が程よく吸収し、かつ、程よく電気パルス信号を出す成分である。そのため、基準として適している。

なお、ここでは、測定試料を水耕栽培における培養液とし、測定対象とする成分（標準溶液に含まれる既知の成分）を、ナトリウム、アンモニウム、マグネシウム、カルシウム、カリウムとして説明したが、測定対象とする成分は上記に限定されない。測定対象とする成分は、培養液中に養分として比較的多く含有されている５大栄養素（窒素、リン、マグネシウム、カルシウム、カリウム）の少なくとも１つを含めばよい。

参照テーブルを使用して測定試料の成分の濃度定量化を行う場合には、成分分析装置２０は、実際の水耕栽培時の培養液の一部を測定試料として採取する（図６のステップＳ１６）。
そして、図６のステップＳ１７では、成分分析装置２０は、採取した測定試料に対して、標準溶液を測定したときと同じＨＰＬＣ測定系を用いてＨＰＬＣ測定を行う。このときＨＰＬＣ測定で用いるＨＰＬＣカラム２６（測定用分析機器要素）は、標準溶液のＨＰＬＣ測定で用いたＨＰＬＣカラムと同等のＨＰＬＣカラムである。ここで、同等のＨＰＬＣカラムとは、成分分離能（カラムの大きさ、長さ等）が同等であることをいい、同一成分かつ同一濃度の試料を測定した場合に同様の検出データが得られるＨＰＬＣカラムのことをいう。
ステップＳ１８では、成分分析装置２０は、測定試料を用いてＨＰＬＣ測定を行って得られた検出データ（保持時間、ピーク高さ）と、測定試料を用いたＨＰＬＣ測定の測定回数と、を含むデータを「測定データ」として取得する。

ステップＳ１９では、成分分析装置２０は、測定データをもとに、参照テーブルを参照して、測定試料に含まれる各成分の濃度定量化を行う。
具体的には、第１の参照テーブルを参照して、測定データに含まれるＨＰＬＣ測定の測定回数に対応する各成分の保持時間を導出する。そして、測定データをもとに、第１の参照テーブルから導出された保持時間と等しい保持時間を有するピークを、分析対象の成分に相当するピークとして同定する。例えば、測定回数が１００回である場合、図１１の第１の第１の参照テーブルを参照して、初回のマグネシウムに相当するピークの１．０４倍の位置にあるピークを、マグネシウムに相当するピークとして同定する。

次に、測定データから各成分のピーク高さを読み取る。そして、第２の参照テーブルを参照して、読み取ったピーク高さに対応する濃度を取得する。例えば、同定したマグネシウムのピーク高さが、初回の測定であって、濃度が２ｐｐｍのときのマグネシウムに相当するピーク高さの１．０３倍である場合、図１１の第２の参照テーブルを参照して、測定試料中のマグネシウムの濃度は５ｐｐｍであると判断する。
同様の手順で他の成分についても濃度を算定する。

なお、本実施形態においては、参照データを正規化（規格化）して作成された参照テーブルを使用して測定試料の成分の濃度定量化を行う場合について説明したが、正規化（規格化）する前の参照データをそのまま使用して測定試料の成分の濃度定量化を行ってもよい。ただし、正規化（規格化）された参照テーブルを使用した方が、データ容量を削減することができるとともに、データ処理効率を向上させることができるため、好ましい。
また、本実施形態では、標準溶液を用いたＨＰＬＣ測定を繰り返し行って参照データを取得し、参照テーブルを作成する場合について説明したが、予め分析センター等で作成された参照テーブル（参照データ）を予め成分分析装置２０に記憶させておいてもよいし、成分分析装置２０がネットワーク経由で参照テーブル（参照データ）を取得できる構成であってもよい。

図６に戻って、ステップＳ２０では、成分分析装置２０は、標準溶液を測定したときと同じ測定系でのＨＰＬＣ測定を終了するか否かを判定する。そして、ＨＰＬＣ測定を終了すると判定した場合には、図６の処理を終了する。一方、ＨＰＬＣ測定を継続すると判定した場合には、ある程度培養液が循環したあと、ステップＳ１６に戻って再び測定試料を採取し、測定試料に対するＨＰＬＣ測定を行う。つまり、測定試料の成分分析を行う実測段階では、都度、標準溶液のＨＰＬＣ測定を行う必要がなく、測定試料を用いたＨＰＬＣ測定を繰り返し行うことができる。

以上説明したように、本実施形態における成分分析装置２０は、標準溶液（標準試料）をＨＰＬＣ測定して得られる成分毎の測定結果と、標準試料の測定回数との相関を表す参照データを取得し、その参照データから作成された参照テーブルを用いて、測定試料の成分分析を行う。このように、ＨＰＬＣカラムの劣化度を、ＨＰＬＣ測定の測定回数で近似し、ＨＰＬＣカラムの劣化度に応じて変化する各成分の測定結果と、ＨＰＬＣカラムの劣化度を示す測定回数とを対応付けた参照データ（参照テーブル）を用いて、測定試料の成分分析を行う。
これにより、測定試料中の既知の成分について、測定系の都度のキャリブレーションを要することなく、ＨＰＬＣカラムの劣化度を考慮した分析を簡易に行うことができる。また、都度のキャリブレーションの手間を省くことができるので、リアルタイムでの成分分析が可能である。

ここで、参照データは、成分の種類毎にクロマトグラムの保持時間と測定回数との相関を表す第１の参照データと、成分の種類毎、かつ、成分の濃度毎に、クロマトグラムのピーク高さと測定回数との相関を表す第２の参照データとを含む。
クロマトグラフィー測定おいて、ＨＰＬＣカラムが劣化すると、移動相と固定相との親和性が変化し、クロマトグラムの保持時間やピーク高さが変動する。上記のように、保持時間と測定回数との相関を表す第1の参照データと、ピーク高さと測定回数との相関を表す第２の参照データとを用いることで、ＨＰＬＣカラムの劣化を考慮した形で適切に測定試料の成分分析を行うことができる。

測定試料の成分分析を行う際には、まず、第１の参照データを参照して、測定試料の測定回数に対応する保持時間を分析対象成分の保持時間として導出し、導出された保持時間と等しい保持時間を有するピークを、分析対象成分に相当するピークとして同定する。つまり、測定試料の検出データ（測定結果）に含まれる電気パルスのピークのうち、第１の参照データにおける成分Ａに相当するピーク時点と同じ時点にあるピークを、成分Ａのピークとして同定する。次に、測定試料の検出データをもとに、同定した分析対象成分のピーク高さを取得する。そして、第２の参照データを参照して、測定試料の測定回数と分析対象成分とに対応する濃度毎のピーク高さと、測定試料の検出データから取得した分析対象成分のピーク高さとを比較し、分析対象成分の濃度を導出する。
このように、第１の参照データを、測定試料の測定結果として得られたピークの同定（どの成分に相当するピークであるかの確認）に用い、第２の参照データを、同定した成分の定量化に用いることで、容易かつ適切に測定試料の成分分析を行うことができる。

また、本実施形態では、測定試料は、水耕栽培における培養液とする。水耕栽培における培養液は、含有される成分が既知であり、その濃度も大きく変動しない。
一方、一般的なＨＰＬＣ分析では、測定対象に未知の物質が存在する場合が多い。未知の物質の挙動は予測できないので、本実施形態において適用したような参照テーブル（補正テーブル）を準備することができない。
本実施形態にように、測定対象が植物工場などの養液栽培における培養液である場合、上述したように培養液中の肥料成分とその濃度とは確定しているので、適切な参照テーブル（補正テーブル）を準備することができる。

なお、厳密には、水耕栽培における作物（植物）の成長過程において、当該植物から排出される有機酸等が培養液内に含有されるようになる。この有機酸等は、標準溶液には含有されない物質である。
しかしながら、作物（植物）毎に排出される有機酸等は判明しており、そのデータも予め知ることが可能である。さらに、そもそも上記の有機酸等の濃度は極めて薄いので、ＨＰＬＣ測定への影響を無視することもできる。

また、水耕栽培においては、季節（日照条件）や気温、作物（植物）の育成段階に応じて、肥料濃度を途中で変更することも考えられる。上述した実施形態では、劣化度ｒを測定回数ｎで近似して参照データを作成する場合について説明したが、肥料濃度が途中で変更し得る場合には、上記（１）式で表される物理量ｍ（濃度）を含めた累積曝露量（積算被ばく量）をパラメータとして参照データを作成してもよい。
ただし、水耕栽培においては、肥料成分の高精度な測定は要求されず、測定の手間を省くことの方が重要である。また、水耕栽培では、肥料濃度を途中で大幅に変更することは考えにくい。そのため、物理量ｍ（濃度）を考慮せずに作成した参照データをそのまま使用しても測定精度には殆ど影響はない。

以上のように、本実施形態では、従来のような都度のＨＰＬＣ測定系のキャリブレーションを行うことなく、参照テーブル（補正テーブル）を用いて測定試料の成分分析を行うので、水耕栽培現場におけるリアルタイムでの成分分析を簡易に行うことができる。

（変形例）
上記実施形態においては、試料の成分分析の手法として、液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を用いる場合について説明したが、試料によっては、例えばガスクロマトグラフィーを用いることもできる。さらに、成分分析の手法は、クロマトグラフィーに限定されるものではない。つまり、成分と相互作用する分析機器要素は、カラムに限定されない。測定回数が増加するにつれて劣化し、測定結果が変化し得る分析機器要素（例えば、電極を有するものなど）であれば適用可能である。

また、上記実施形態においては、測定試料が水耕栽培における培養液である場合について説明したが、測定試料は細胞培養液であってもよい。また、既知の成分の測定に限定すれば、培養液以外の水質測定にも適用できる。

１０…養液栽培機構（水耕栽培機構）、１１…植物、１２…栽培槽、１３…培養液、１４…培養液タンク、１５…循環流路、１６…送液ポンプ、１７…排液流路、１８…液体試料採取流路、２０…成分分析装置、２１…フィルタ、２２…試料注入用ポンプ、２３…切換バルブ、２４…溶離液槽、２４ａ…溶離液、２６…ＨＰＬＣカラム、２７…検出部、２８…廃液流路、２９…廃液槽、２９ａ…廃液、３０…データ処理部、４０…制御部

Claims (8)

1. 成分の種類と濃度とが既知である標準試料を前記成分と相互作用する分析機器要素を用いて測定された成分毎の測定結果と、前記分析機器要素を用いた前記標準試料の測定回数との相関を表す参照データを取得する参照データ取得部と、
   測定試料を前記分析機器要素と同等の測定用分析機器要素を用いて測定した測定結果と、前記測定用分析機器要素を用いた前記測定試料の測定回数とを含む測定データを取得する測定データ取得部と、
   前記測定データに含まれる前記測定回数に対応する前記参照データを用いて、前記測定データに含まれる前記測定結果をもとに、前記測定試料中の成分を分析するデータ処理部と、を備え、
   前記測定試料は、水耕栽培における培養液であり、
   前記測定結果は、クロマトグラフィー測定の結果であることを特徴とする成分分析装置。
2. 前記参照データ取得部は、
   前記成分の種類毎にクロマトグラムの保持時間と前記測定回数との相関を表す第１の参照データと、
   前記成分の種類毎、かつ、前記成分の濃度毎に、前記クロマトグラムのピーク高さと前記測定回数との相関を表す第２の参照データと、を取得することを特徴とする請求項１に記載の成分分析装置。
3. 前記データ処理部は、
   前記第１の参照データを参照して、前記測定データに含まれる前記測定回数に対応する保持時間を分析対象成分の保持時間として導出する保持時間導出部と、
   前記測定データをもとに、前記保持時間導出部により導出された保持時間と等しい保持時間を有するピークを、前記分析対象成分に相当するピークとして同定し、当該ピークのピーク高さを取得するピーク高さ取得部と、
   前記第２の参照データを参照して、前記測定データに含まれる前記測定回数と前記分析対象成分とに対応する濃度毎のピーク高さと、前記ピーク高さ取得部により取得されたピーク高さとを比較し、前記分析対象成分の濃度を導出する濃度導出部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の成分分析装置。
4. 前記参照データ取得部は、
   所定の種類かつ所定の濃度の成分の測定結果を基準として正規化された前記参照データを取得することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の成分分析装置。
5. 前記標準試料は、窒素、リン、マグネシウム、カルシウムおよびカリウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の成分分析装置。
6. 前記参照データ取得部は、
   所定の濃度のマグネシウムの測定結果を基準として正規化された前記参照データを取得することを特徴とする請求項５に記載の成分分析装置。
7. 成分の種類と濃度とが既知である標準試料を前記成分と相互作用する分析機器要素を用いて測定された成分毎の測定結果と、前記分析機器要素を用いた前記標準試料の測定回数との相関を表す参照データを取得するステップと、
   測定試料を前記分析機器要素と同等の測定用分析機器要素を用いて測定した測定結果と、前記測定用分析機器要素を用いた前記測定試料の測定回数とを含む測定データを取得するステップと、
   前記測定データに含まれる前記測定回数に対応する前記参照データを用いて、前記測定データに含まれる前記測定結果をもとに、前記測定試料中の成分を分析するステップと、を含み、
   前記測定試料は、水耕栽培における培養液であり、
   前記測定結果は、クロマトグラフィー測定の結果であることを特徴とする成分分析方法。
8. 前記参照データを取得するステップの後、
   前記測定データを取得するステップと前記成分を分析するステップとを繰り返し行うことを特徴とする請求項７に記載の成分分析方法。

Images