JP2009293984A - Agricultural chemicals detecting system of food by optical sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、食品の安全、安心を担保するシステムに関するものであり、このシステムにより、安全、安心な食品を消費者に提供するための食品の農薬検知システムに関する。 The present invention relates to a system for ensuring food safety and security, and relates to a food pesticide detection system for providing consumers with safe and secure food.
従来、農作物に限らず、食品の残留検査には対象食品を粉砕後に試料作成、分析など多大な時間と労力を要する液体クロマトグラフィー、また、検査時間を短縮するために開発されたフーリエ赤外分光法を利用した手法、表面プラズモン共鳴を応用したスクリーニング手法などそれぞれ固有の特徴を持った検査手法が開発されている。 Conventionally, not only agricultural products, but also residual chromatography of foods, liquid chromatography that requires a lot of time and effort, such as sample preparation and analysis after crushing the target food, and Fourier infrared spectroscopy developed to shorten the inspection time Inspection methods with unique characteristics have been developed, such as a method using a method and a screening method using surface plasmon resonance.
しかし、食品という特殊性と農産物という特殊性により、生産から流通、消費までの流れの中で、装置の特長を生かした検査システムが確立されていない。国内で生産された農産物、海外から輸入された農産物、などそれぞれ出発点が異なる食品が最終的には混在して消費者に届く従来の流通システムにおいて、適切な場所に適切な農薬検査装置が配置され、食の安全が確保されることが望まれている。
食の安全に関して複数の担保手法が提案されている。たとえば、トレーサビリティシステムを利用して、残留農薬の検査数値を生産者履歴として記録する手段も提案されているが、それらは科学的な測定及び分析を行わないため、情報改ざん、あるいは悪意のある毒物混入に対しては無力である。一方、農薬検知器のニーズは、農家などの生産現場で必要とされる装置と、大量に農産物や青果物を分配する現場で必要とされる装置とに大別されるが、それぞれの現場で必要とする仕様とコストには隔たりがあり、この隔たりが産業的な装置を実現する障害となっている。 前者は、検知速度よりコストが課題であり、後者は、コストより検知速度が課題である。そして消費者にとって最大の問題は、食品の流通の中で、特に、農産物の全数検査が実現していないことである。 Several collateral approaches have been proposed for food safety. For example, a method to record the inspection value of pesticide residues as a producer history using a traceability system has been proposed, but since they do not perform scientific measurement and analysis, information alteration or malicious poison It is powerless against contamination. On the other hand, the needs for pesticide detectors are broadly divided into equipment required at production sites such as farmers, and equipment required at sites that distribute agricultural products and fruits and vegetables in large quantities. There is a gap between specifications and costs, and this gap is an obstacle to realizing industrial equipment. In the former, the cost is more important than the detection speed, and in the latter, the detection speed is more problematic than the cost. The biggest problem for consumers is that 100% inspection of agricultural products has not been realized in the distribution of food.
例えば、短時間で農薬の検査で使われる手法の一つとしてFT-IRがある。この手法は、よく知られている手法であるが、感度の点で、LC-MSやGC-MSには及ばないため、農薬などの化学成分を同定する目的には課題がある。 For example, FT-IR is one of the methods used for pesticide testing in a short time. Although this method is a well-known method, it does not reach LC-MS and GC-MS in terms of sensitivity, so there is a problem in the purpose of identifying chemical components such as agricultural chemicals.
さらに、FT-IRでは検出器には遠赤外線を検出できる半導体センサが必要であり、このセンサは常温で使用できないため、冷却して動作させなければならないなど、コストを下げることや、可搬型にすることなどが困難な課題の要因となっている。 In addition, FT-IR requires a semiconductor sensor that can detect far-infrared rays in the detector. This sensor cannot be used at room temperature, so it must be cooled and operated. It becomes a factor of the difficult problem to do.
また、FT-IR方式では、被検体からの散乱光を、光干渉計に導入し、干渉させる必要があり、光学系の設計には高い精度が要求されるため、理化学用途から産業用途へ設計変更する際の課題のひとつになっている。 In the FT-IR method, the scattered light from the subject must be introduced into the optical interferometer to cause interference, and the optical system design requires high accuracy. It is one of the challenges when changing.
表面プラズモン共鳴を用いた検査装置は、感度も比較的高く、光学系の設計も産業用途に適用させやすいが、一方、非接触式の検査原理ではないため、集荷場などで食品を大量に処理しなければならない用途には適用できないことが課題である。 Inspection equipment using surface plasmon resonance has relatively high sensitivity, and the design of optical systems is easy to apply to industrial applications. On the other hand, it is not a non-contact inspection principle. The problem is that it cannot be applied to applications that must be done.
本発明によれば、次の３つの手段により、課題を解決する。
食品としての農産物の流通システムを分類し、それぞれの箇所に適切な農薬検査装置を配置する。
According to the present invention, the problem is solved by the following three means.
Categorize distribution systems for agricultural products as food, and place appropriate agricultural chemical inspection equipment at each location.
大量に農産物を集荷、分類、しなければならない場所には、農薬物質の同定よりも、毒物の検知に主眼を置き、感度よりも検知の高速性を優先した装置として、音響光学素子による農薬検査装置を提供する。農産物を育成する現場における、野菜や果物の農薬の監視、あるいは、土壌に含まれる農薬の監視などを目的として、表面プラズモン共鳴を利用した、小型、低コスト、リアルタイム性を特長とする農薬検査装置を提供する。さらに、大量の消費者を対象とするレストランや給食センターには、食の安全管理を目的とした農薬検査装置として、表面プラズモンを利用したセンサ用の農薬吸着粘着シートを提供する。 In places where a large amount of agricultural products must be collected, classified, and focused on the detection of toxic substances rather than identification of pesticide substances, pesticide inspection using acousto-optic elements as a device that prioritizes high-speed detection over sensitivity Providing equipment. Agricultural chemical testing equipment that uses surface plasmon resonance for monitoring agricultural chemicals in vegetables and fruits or monitoring agricultural chemicals contained in soil in the field where agricultural products are grown. I will provide a. Furthermore, an agrochemical adsorption adhesive sheet for sensors using surface plasmons is provided as a pesticide inspection device for food safety management in restaurants and lunch centers targeting a large number of consumers.
このような手段をシステムとして構築することにより、輸入農産物に対する農薬スクリーニング、国内農産物に対するスクリーニング、そして、食の原点である農家における検査、さらに、農薬吸着粘着シートを定期的に管理確認することによる流通システムを考慮した食の安全の確保が実現できる。 By constructing such a system as a system, agricultural chemical screening for imported agricultural products, screening for domestic agricultural products, inspection at the farm that is the origin of food, and distribution by checking and managing agricultural chemical adsorption adhesive sheets regularly It is possible to ensure food safety considering the system.
本発明の装置およびシステムを用いることにより、食の安全と安心が実時間で確保でき、消費者は農薬に対する不安を取り除くことができる。さらに、今後の農産物の国内生産量と、海外からの輸入量のバランスを適切に判断するための背景技術としての役割を果たすことができる。また、食品に関する社会的な保険システムを構築する上で重要な役割を果たす効果がある。 By using the apparatus and system of the present invention, food safety and security can be ensured in real time, and consumers can remove anxiety about agricultural chemicals. Furthermore, it can play a role as background technology to appropriately determine the balance between future domestic production of agricultural products and imports from overseas. It also plays an important role in building a social insurance system for food.
以下図を用いて本発明の詳細について説明する。図1において、輸入により国内に持ち込まれる食品、特に、農産物は検査機関で農薬検査装置Aにより農薬のスクリーニング検査が実施される。そして、国内の流通を実施している組織へ渡る。農薬検査装置Aについては、後述する。 The details of the present invention will be described below with reference to the drawings. In Fig. 1, foods brought into the country by import, especially agricultural products, are screened for agricultural chemicals by agricultural chemical inspection equipment A at the inspection agency. And it goes to the organization which carries out domestic distribution. The agrochemical inspection apparatus A will be described later.
農産物を生産する現場では、その場観測が可能な可搬型の農薬検査装置Bを導入する。この装置Bに関しては後で詳しく説明する。この農薬検査装置Bを活用することにより、畑において農作物の葉を小量採取することにより農薬の程度を確認することができる。 At the site where agricultural products are produced, a portable pesticide inspection device B that allows in-situ observation is introduced. This device B will be described in detail later. By utilizing this pesticide inspection apparatus B, it is possible to confirm the level of pesticide by collecting a small amount of leaves of the crop in the field.
作農現場で農薬の検査が行われた農産物は、その後、農家を通じて国内の集配システムに渡される。その後、国内の流通システムに渡り、消費者まで届けられる。 Agricultural products that have been tested for pesticides at the farm are then handed over to the domestic collection and delivery system through the farmers. After that, it is delivered to consumers over the domestic distribution system.
農産物の国内の消費者は個人の一般消費者と、レストランや給食センターなどの加工食品を提供する大量消費者に分けられる。大量消費者は、ベルトによる搬送ラインを有する輸入検査機関や、国内集配機関と異なり、対象となる食品の量が少ない。また、この組織におけるニーズは全数検査よりは、管理を主体とした検査となるため、その目的に適した農薬検査装置Cを設置する。農薬検査装置Cの詳細については、後述する。 Domestic consumers of agricultural products are divided into individual general consumers and mass consumers who provide processed foods such as restaurants and lunch centers. Mass consumers, unlike import inspection agencies that have belt-carrying lines and domestic collection and delivery institutions, have a small amount of food. In addition, since the needs in this organization are inspections mainly for management rather than 100% inspections, an agrochemical inspection apparatus C suitable for the purpose is installed. Details of the pesticide inspection apparatus C will be described later.
農薬検査機Aは高速計測と非接触計測を特長としているが、光学系の構成により、農薬検査機A(1)と農薬検査機A(2)があり、それぞれ図2、図３を用いて農薬検査機Aを説明する。 Agricultural chemical inspection machine A is characterized by high-speed measurement and non-contact measurement. Depending on the configuration of the optical system, there are agricultural chemical inspection machine A (1) and agricultural chemical inspection machine A (2). Agricultural chemical testing machine A will be explained.
図２によれば、タングステンランプ等の光源から発する光を単体あるいは複数のレンズ等の集光光学系により、音響光学素子（AOTF）に入射する。AOTFは高周波を発生するドライバ装置とそれを制御するCPUを含む制御装置から構成される。制御装置からの信号により、AOTFは、入射した光から適当な波長のみを透過させる機能を有する。その透過波長は、制御装置により任意に制御することが可能である。 According to FIG. 2, light emitted from a light source such as a tungsten lamp is incident on an acousto-optic element (AOTF) by a condensing optical system such as a single lens or a plurality of lenses. AOTF is composed of a driver device that generates high frequencies and a control device that includes a CPU that controls the driver device. The AOTF has a function of transmitting only an appropriate wavelength from incident light by a signal from the control device. The transmission wavelength can be arbitrarily controlled by the control device.
AOTFを通過した光は、レンズ等の集光光学系を通して果物や野菜等の被検体に照射される。被検体からの反射光や散乱光はレンズ等の集光光学系を通して光検知器に導入される。このとき反射光や散乱光のスペクトルは、被検体の表面に付着する農薬の分子構造に依存したスペクトルを示す。すなわち、AOTFにより特定の波長に選択された波長ごとに、反射光や散乱光に農薬の分子に依存した特定のスペクトルパターン（吸収スペクトルと呼ばれる）が現れる。また、この強度は付着している分子の濃度に比例しているため、スペクトルパターンと強度を分析することにより、被検体の表面に付着している農薬を検知することが可能となる。 The light that has passed through the AOTF is irradiated to a subject such as a fruit or vegetable through a condensing optical system such as a lens. Reflected light and scattered light from the subject are introduced into the photodetector through a condensing optical system such as a lens. At this time, the spectrum of reflected light or scattered light indicates a spectrum depending on the molecular structure of the pesticide attached to the surface of the subject. That is, for each wavelength selected as a specific wavelength by AOTF, a specific spectral pattern (called an absorption spectrum) depending on the agrochemical molecule appears in the reflected light or scattered light. In addition, since the intensity is proportional to the concentration of molecules attached, it is possible to detect the pesticides adhering to the surface of the subject by analyzing the spectrum pattern and the intensity.
図3に農薬検査装置A（１）を応用した例を示す。図３によれば、タングステンランプ等の光源から被検体までの照射過程は同様である。被検体からの反射光、あるいは散乱光は、被検体の表面に付着している農薬の情報を含んでいる。農薬の分子構造が良く似ている場合はスペクトルも似てくるため、分離して判別するためには、スペクトルの弁別能力を向上させる必要がある。図３に示すように、被検体から発する、反射光や散乱光を、例えば、反射ミラー１と反射ミラー２に示すように、複数の方向で捉えて、その集光した光をAOTFに再び戻し、AOTFを通過させて光検知に導入する光学系を構成することにより、AOTFの波長分別機能を2重に利用することで、システムのスペクトル分解能を向上させることができる。 Fig. 3 shows an example of application of pesticide testing equipment A (1). According to FIG. 3, the irradiation process from the light source such as a tungsten lamp to the subject is the same. The reflected light or scattered light from the subject includes information on the pesticide adhering to the surface of the subject. If the molecular structure of pesticides is very similar, the spectrum will also be similar, so it is necessary to improve the spectrum discrimination ability in order to separate and distinguish. As shown in FIG. 3, the reflected light and scattered light emitted from the subject are captured in a plurality of directions as shown in, for example, the reflection mirror 1 and the reflection mirror 2, and the collected light is returned to the AOTF again. By configuring an optical system that passes through the AOTF and introduces it into the light detection, the spectral resolution of the system can be improved by using the wavelength separation function of the AOTF twice.
図4に被検体が水洗される場合の農薬検査装置Bの実施例を示す。図４によれば、農産物等を洗浄した水をフローセルに導入する。フローセルの内部は、その側面に表面プラズモン共鳴型のセンサ部分である金属表面が露出している。表面プラズモン共鳴型センサの光源には、レーザーを用い、ガラス基板への入射角を角度回転型のスキャナーで変化させることにより、共鳴する角度を調整することができる。 FIG. 4 shows an embodiment of the pesticide testing apparatus B when the subject is washed with water. According to FIG. 4, water from which agricultural products and the like have been washed is introduced into the flow cell. The inside of the flow cell has a metal surface that is a surface plasmon resonance type sensor portion exposed on its side surface. A laser is used as the light source of the surface plasmon resonance type sensor, and the angle of resonance can be adjusted by changing the incident angle to the glass substrate with an angle rotation type scanner.
また、プラズモンと共鳴して反射する反射光は光検知器PDアレイにより、その強度と反射角度を計測する。計測時間とフローセルから排出される水の流量を適切に制御することにより、洗浄水に含まれる農薬の分子を検出ことができる。この表面プラズモン共鳴型センサは、図1において、輸入検査、国内集配、など被検体の対象が多い箇所で、かつ被検体が洗浄を行うときに有効である。フローセルからの排水は、紫外線照射などによる浄化槽に導入される。 The intensity and reflection angle of the reflected light reflected in resonance with the plasmon is measured by the photodetector PD array. By appropriately controlling the measurement time and the flow rate of the water discharged from the flow cell, the pesticide molecules contained in the wash water can be detected. This surface plasmon resonance type sensor is effective when the subject performs cleaning at a location where there are many subjects of the subject such as import inspection and domestic collection and delivery in FIG. Waste water from the flow cell is introduced into a septic tank by ultraviolet irradiation or the like.
図5に農薬検査機Cの実施例を示す。この実施例は、原理は既知の表面プラズモン共鳴型のセンサそのものである。ただし、光源には白色LEDを利用した広帯域光源を用い、反射光の検出には、CCD等のラインセンサを用いることにより、被検体となる分子の種類による入射光角度の可変機構や、反射角度の可変機構を省略することにより、可搬型の光学系構成にすることができ、さらに低コスト化を実現できる。被検体は、農作物の葉を小量絞った液滴や、現場の畑の土壌を洗浄した液滴などが適している。 FIG. 5 shows an example of the agrochemical inspection machine C. This embodiment is a known surface plasmon resonance type sensor itself. However, a broadband light source using a white LED is used as the light source, and a CCD or other line sensor is used to detect reflected light. By omitting the variable mechanism, a portable optical system configuration can be obtained, and further cost reduction can be realized. As the subject, a droplet obtained by squeezing a small amount of a crop crop or a droplet obtained by washing soil in a field is suitable.
農薬検査装置Cは、瞬時計測、小型、可搬型、低コストなどが特長であり、さらに、土壌に含まれる農薬の検査にも対応できるなど、現場の作業者が利用する装置である。 The pesticide inspection apparatus C is an apparatus that is used by workers in the field, such as instantaneous measurement, small size, portable type, low cost, etc., and also capable of testing pesticides contained in soil.
次に、図6、図７を用いて、表面プラズモン共鳴型センサによる農薬検査機システムの実施例を示す。表面プラズモン共鳴型センサでは、表面プラズモンを発生させる金属薄膜部分への被検体分子の密着が課題となっている。図6によれば、表面プラズモン共鳴型センサの金属薄膜面に、柔軟性を有する粘着シートを介して被検体分子を密着させる手段を示している。 Next, an embodiment of an agrochemical inspection machine system using a surface plasmon resonance sensor will be described with reference to FIGS. In the surface plasmon resonance type sensor, the adhesion of the analyte molecule to the metal thin film portion that generates the surface plasmon is a problem. FIG. 6 shows a means for bringing analyte molecules into close contact with the metal thin film surface of the surface plasmon resonance sensor via a flexible adhesive sheet.
粘着シートは粘着体を保持するシートベース部分、被検体としての分子を捉える粘着体部分、および、保護シール１、保護シール２で構成される。被検査対象の農作物などの表面に付着している農薬を、粘着シートの粘着性を利用して写し取り、その粘着シートを表面プラズモン共鳴型のセンサに密着させることにより、分子の検出を行うものである。ここで使用する粘着体は、粘着性を示すが、粘着物を被検査対象側に残留させない特長を有する。 The pressure-sensitive adhesive sheet includes a sheet base portion that holds a pressure-sensitive adhesive body, a pressure-sensitive adhesive body portion that captures molecules as a subject, a protective seal 1, and a protective seal 2. Copying pesticides adhering to the surface of crops to be inspected using the adhesive properties of the adhesive sheet, and detecting the molecules by attaching the adhesive sheet to a surface plasmon resonance sensor It is. The pressure-sensitive adhesive body used here exhibits adhesiveness but has a feature that the pressure-sensitive adhesive does not remain on the inspection target side.
粘着シートを被検査対象に貼る場合、先ず、保護シール１だけはがして、被検査対象の表面の付着物を写し取る。その際、保護シール２は、まだ粘着シートに貼られたままであり、その領域には被検査対象物の表面物は吸着していない。次に、その粘着シートを表面プラズモン共鳴センサに密着させる際、保護シール２を取り除いてから、センサの金属電極部分へ接触させる。このようにすることで、粘着シートには、粘着性をもった面に、分子を捕獲した粘着体部分と、何も付着しない粘着体部分を作り出すことができる。 When sticking an adhesive sheet to a test object, first, only the protective seal 1 is peeled off, and the deposit on the surface of the test object is copied. At that time, the protective seal 2 is still stuck on the adhesive sheet, and the surface object of the inspection object is not adsorbed in the region. Next, when the pressure-sensitive adhesive sheet is brought into close contact with the surface plasmon resonance sensor, the protective seal 2 is removed and then brought into contact with the metal electrode portion of the sensor. By doing in this way, the pressure-sensitive adhesive sheet can be formed with a pressure-sensitive adhesive part that has captured molecules and a pressure-sensitive adhesive part that is not attached to anything.
図7に、保護シール１、および保護シール２を取り除いて、金属蒸着電極部分に粘着シートを密着させたときの実施例を示す。金属電極表面には、被検体の分子を捕獲した粘着体部分と、何もない粘着体部分がほとんど同じ面積で密着している。このような状態のセンサの反射光１には、粘着体分子固有の特性を示す情報を含み、また、反射光２には、粘着体分子と被検体分子を含む情報が含まれている。図7に示すように、反射光１と反射光２を、差動増幅器により検出することにより、被検体分子だけの情報を取り出すことができる。このとき、光検知器１および光検知器２は、ライン状のセンサであり、分割しているか一体型であるかは、問わない。つまり、2次元CCDセンサなどを用いた画像処理の方法で、反射光1と反射光２の差動増幅検出ができればよい。 FIG. 7 shows an embodiment in which the protective seal 1 and the protective seal 2 are removed and an adhesive sheet is brought into close contact with the metal vapor deposition electrode portion. On the surface of the metal electrode, an adhesive part that captures the molecule of the subject and an adhesive part that has nothing are adhered in almost the same area. The reflected light 1 of the sensor in such a state includes information indicating characteristics unique to the adhesive molecule, and the reflected light 2 includes information including the adhesive molecule and the analyte molecule. As shown in FIG. 7, by detecting the reflected light 1 and the reflected light 2 with a differential amplifier, it is possible to extract information on only the analyte molecule. At this time, the light detector 1 and the light detector 2 are line-shaped sensors, and it does not matter whether they are divided or integrated. That is, it is only necessary that differential amplification detection of the reflected light 1 and the reflected light 2 can be performed by an image processing method using a two-dimensional CCD sensor or the like.
この粘着シートを使うことにより、被検査対象物と検査の実行を分離することができ、農薬の検査ニーズを多様にすることができる。たとえば、レストランなどの外食産業の現場において、農作物を全数検査することが困難な状況でも、粘着シートを対象物に貼り、そのシートを別室に設置した検査装置で検査することで、農作物以外の食品も含めて、実時間で安全と安心を検査することが可能となる。そのコストは、高速の検査装置を複数台導入するよりも低コストである。 By using this pressure-sensitive adhesive sheet, it is possible to separate the object to be inspected from the execution of the inspection, and to diversify the inspection needs of agricultural chemicals. For example, even in the situation where it is difficult to inspect all crops in the restaurant industry such as restaurants, foods other than crops can be obtained by attaching an adhesive sheet to the object and inspecting it with an inspection device installed in a separate room. It is possible to inspect safety and security in real time. The cost is lower than introducing a plurality of high-speed inspection devices.
図１において、国内流通部分に密接な組織として、この農薬検知システム全体を管理運営する組織が必要である。この組織は、農薬検査機A、農薬検査機B、農薬検査機Cの、校正や保守を行い、さらに、低コストを望むユーザーに対して提供した、粘着シートによる受託検査を実施する。 In FIG. 1, an organization that manages and operates the entire pesticide detection system is necessary as an organization closely related to the domestic distribution part. This organization calibrates and maintains Agricultural Chemical Inspection Machine A, Agricultural Chemical Inspection Machine B, and Agricultural Chemical Inspection Machine C, and also performs contract inspection using adhesive sheets provided to users who want low costs.
本発明の活用例として、インターネット機能を利用することにより、農薬検査機A、農薬検査機B、農薬検査機C、および、粘着シートの収集と報告などを有機的に結合し、農産物以外の食品も含めて、消費者に対して、農薬が関係する食品の安全と安心を担保するシステムを構築することができる。 As an example of use of the present invention, by using the Internet function, the agrochemical inspection machine A, the agricultural chemical inspection machine B, the agricultural chemical inspection machine C, and the collection and reporting of adhesive sheets are organically combined to produce foods other than agricultural products. In addition, it is possible to build a system that ensures the safety and security of foods related to agricultural chemicals.
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