(57)【要約】  少なくとも１つの分子に共有結合したポリマーを含む組成物であって、波長が約７５ｎｍ〜約１０００ｎｍの電磁放射に曝露することによって検出可能である、組成物。この種の組成物で処理された土壌の異変を検出することを含む方法であって、処理された土壌の異変を生じた部分と処理された土壌の異変を生じていない部分とを識別することによる、方法。処理された土壌の異変を生じていない部分は、処理された土壌の異変を生じた部分よりも高強度の蛍光を発する。
2014527087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの分子に共有結合したポリマーを含む組成物であって、波長が約７５ｎｍ〜約１０００ｎｍの電磁放射に曝露することによって検出可能である、組成物。
【請求項２】
前記ポリマーが合成ポリマーである、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
前記合成ポリマーが、
ポリアクリルアミド、
アクリル系ポリマー、
ポリ塩化ビニル、
酢酸ビニル、および
これらの組合せ
からなる群から選択される、請求項２に記載の組成物。
【請求項４】
前記ポリマーが生体高分子である、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
前記生体高分子が、
キトサン、
菌体外多糖、
キサンタム、
キチン、および
これらの組合せ
からなる群から選択される、請求項４に記載の組成物。
【請求項６】
前記少なくとも１つの分子が、
４−メスリルウンベリフェロン、
６−ブロモ−４−ヒドロキシクマリン、
６−ブロモ−４−メチル−３−フェニルクマリン、
６−ブロモ−３（４’ブロモフェニル）クマリン、
８−ブロモ−３（３’ブロモフェニル）クマリン、
８−ブロモ−６−クロロ−４−ヒドロキシクマリン、および
これらの組合せ
からなる群から選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項７】
前記組成物が、波長が約７５ｎｍ〜約３５０ｎｍの電磁放射に曝露することにより検出可能である、請求項１に記載の組成物。
【請求項８】
前記電磁放射が紫外光である、請求項７に記載の組成物。
【請求項９】
前記組成物が、波長が約７２０ｎｍ〜約１０００ｎｍの電磁放射に曝露することにより検出可能である、請求項１に記載の組成物。
【請求項１０】
前記電磁放射が赤外光である、請求項９に記載の組成物。
【請求項１１】
前記組成物が、土壌に適用された後も検出可能なままである、請求項１に記載の組成物。
【請求項１２】
請求項１に記載の組成物を含む土壌改質剤。
【請求項１３】
処理された土壌を波長約１０００ｎｍ〜約７５ｎｍの電磁放射に曝露することにより前記処理された土壌の異変を検出する工程を備える方法において、前記処理された土壌が、請求項１に記載の組成物を含有する、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、異変の検出が、
前記処理された土壌の異変を生じた部分と前記処理された土壌の異変を生じていない部分とを識別する工程を備え、
前記処理された土壌の前記異変を生じていない部分が、前記処理された土壌の前記異変を生じた部分よりも高強度の蛍光を発する、方法。
【請求項１５】
前記電磁放射が、可視光、紫外光、赤外光、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記組成物を前記土壌に適用する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記組成物が、前記土壌に、混合、噴霧、注ぎかけ、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つによって適用される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記土壌の異変を変化検出により監視する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記土壌の変化を、目視による再調査、計算支援による再調査、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つにより再調査する工程をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
菌体外多糖（ＥＰＳ）塩に共有結合したクマリン誘導体を含む組成物であって、波長が約７５ｎｍ〜約３５０ｎｍの電磁放射に曝露することにより検出可能である、組成物。
【請求項２１】
前記クマリン誘導体の構造がクマリンの構造と少なくとも７０％一致する、請求項２０に記載の組成物。
【請求項２２】
生体高分子である菌体外多糖（ＥＰＳ）塩と、紫外光または赤外光に曝露することにより目視で検出可能な１つ以上のさらなる成分とを含む、土壌改質剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景 
１．発明の分野
本発明は、変化検出に利用されるポリマーおよび官能化されたポリマーに関する。本発明はまた、変化検出に必要とされる計算能力の軽減ならびに変化検出の有効性および速度の向上にも関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
即席爆発装置対策（Ｃ−ＩＥＤ）を目的とした探知技術および追跡技術には多種多様な複雑な手法があり、その成功率も様々である。多くの場合、その監視システムは極めて複雑で、費用が極端に嵩むうえに、結局は有効でない。近時の改良によりＣ−ＩＥＤに関する取組みは前進したが、高速通信および高速検出を可能にするために必要な自動化が依然として行われていない場合が多い。地域安全保障（すなわち国境または境界線を横切る人物、物体、および機器の動きを監視する）ならびに地中に埋設された装置を監視および検出する方法の両面に対応するプラットホームが必要とされている。地中に埋設された装置や異変を追跡するだけでは十分でない。Ｃ−ＩＥＤに関する取組みを万全にするためには敵対者の動きを監視することも必要である。
【０００３】
その方法の中には、改善された光学的性能、改善された計算処理および計算帯域幅、ならびに進歩したアルゴリズム開発を活用して空中から遠隔変化検出を行うものもある。Ｃ−ＩＥＤの取組みを支援するに当たっては、変化検出能力を向上させることができる地中レーダー探査や新規な視点画像生成における画像変化解析等の方法が利用されている。これらの技術は最も高度な変化検出方法を代表するものの一部であるが、一部の携帯型プラットホームおよび搭載型プラットホームにおいては感度が低く、物理的な要求に対応できず、現時点では計算能力が得られないという難点を抱えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在の変化検出技法は、２枚の画像を比較してその差異や異常を探し出すというものである。この処理には、背景画像群または初期画像群を収集し、その後、第２画像群を収集することが必要である。第２画像群を収集した後、２つの画像群がフレーム毎に比較される。２枚の画像間の差は計算機で計算することができるが、これは計算に依存する度合いの高い処理である。２枚の画像の差は一般に非常に小さく、この処理の効率を高めるアルゴリズム開発に努力が注がれてきた。
発明の簡単な概要
本発明の様々な実施形態によって、Ｃ−ＩＥＤにおける高速検出および発見率の向上が実現すると共に、リスクが緩和される。至近距離からの探知を必要とする現在の技術とは異なり、本発明の実施形態は、精度および信頼性の高い自動化された遠隔変化検出を提供することによって、至近距離探知が回避され、生命を危険に曝すことがほぼなくなる。したがって、本発明の実施形態により、紛争状況下において生命に危険が及ぶことが減り、使用者が任務を遂行しやすくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
さらに、監視領域の小さな変化を直ぐに認識することができない現在の空中からの変化検出システムとは異なり、本発明の様々な実施形態は、解像度が限られた画像群を互いに
比較することだけに頼るものではない。そうではなく、本発明の実施形態は、標識化または化学修飾された生体高分子およびポリマーを利用することによって監視対象となる地表面の画質を高めるものである。地表面をポリマーで改質することによって、地上および空中システムを用いた検出が容易になると共に検出速度が向上し、自動遠隔検出を現在のＣ−ＩＥＤ技術の代替として実用に供することができる。さらに、地表面のポリマー改質を適切に用いると、国境および境界線を横断する人物を検出および追跡することが可能になる。
【０００６】
より具体的には、様々な実施形態による標識化ポリマーは、興味対象となる地表面に適用されると独特の表面を作り出すことができる。ポリマーを化学的に高機能化（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）することにより、ポリマーに可視光域以外で機能する独特の光学特性を付与する標識を結合させることができる。興味対象となる表面に装置または人物が異変を生じさせると、はっきりと認識できる修正跡すなわち「足跡」が生成し、これを、本発明の実施形態に従い、光学的または電磁的装置によって検出および識別することができる。これは国境警備に利用することができ、処理を施した国境を人物が横切ると標識化ポリマーが変化の跡を残すことになる。
【０００７】
本発明の様々な実施形態により、即席爆発装置（ＩＥＤ）の検出精度が改善された高精度システムが提供される。標識化ポリマーを用いることによって変化検出処理を大幅に簡素化できることは予期せぬ発見であった。標識化ポリマーを適用することによって均一な面を生成すれば初期画像群が不要になる。検出システムを用いることによって、ポリマー処理された領域の画像を収集し、表面の特徴のムラを探し出すことができる。様々な実施形態によれば、この表面の特徴には、標識化ポリマーが発する電磁放射を用いることができる。表面の特徴の「ムラ」は、表面に変化または修正があったことを示唆している可能性がある。様々な実施形態による処理は、他の変化検出と比べて計算依存度がはるかに低く、自動化することが可能である。様々な実施形態により、地上または空中プラットホームに搭載することが可能になり、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで変化検出を行うことが可能になる。様々な実施形態によれば、この処理は自動化することができ、それによってＩＥＤの識別または物体もしくは人物の動きの監視を高速かつ自律的に行うことが可能になる。これには、標識化ポリマーで処理した土壌に出現する異変を監視することにより国境または境界線を横切る人物を追跡することも含むことができる。
【０００８】
他の方法は、変化検出用ポリマーおよび変化検出用官能化ポリマーを用いる自動化された地域安全保障（これらに限定されるものではないが、国境警備および監視を含む）に関連する。
【０００９】
以下の記載および添付の特許請求の範囲および添付図面を参照することにより、本発明の上記およびその他の特徴、面、および利点がより十分に理解されるであろう。
様々な実施形態がこの図面に示した配置および手段に限定されるわけではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】官能化されていないポリマー（２つの当量点は化合物中の異なる官能基を表す）および合成された標識化ポリマー変形体（ｖａｒｉａｎｔ）（元のポリマーのカルボン酸をｐ−トルエンスルホニルで官能化することにより選択的に官能化されたポリマー）の滴定チャート。
【図２】表面処理に用いた標識化すなわち化学修飾ポリマーの短波長ＵＶ光下の写真（菌体外多糖にハロゲン化クマリンを結合させ、次いで小さい土壌区画に適用したものである）。
【図３】標識化されていないＥＰＳ（元の生体高分子）およびＴｏｓ  ＥＰＳ（ｐ−トルエンスルホニルを生体高分子に結合させた修飾生体高分子）および０．１４４ｇ  ＭＵ  ＥＰＳ（標識である４−メスリルウンベリフェロン（４−ｍｅｔｈｌｙｌｕｍｂｅｌｌｉｆｅｒｏｎｅ）（ＭＵ）０．１４４ｇを蛍光標識としてポリマーに結合させたもの）の１Ｈ  ＮＭＲチャート。
【図４】基体であるＥＰＳ（Ｃ）、トシル化ＥＰＳ（光学標識または化学修飾ＥＰＳの中間体段階）（Ｂ）、および最終標識化ＥＰＳ（Ａ）（ＭＵ標識をＥＰＳに結合させたもの）の３種の１３Ｃ  ＮＭＲスペクトルを示すチャート。
【図５】異なる濃度の４−メチルウンベリフェロン（ＭＵ）をＥＰＳと反応させた複数の反応物（ＭＵを０．０３５ｇ、０．０５２ｇ、０．０７２ｇ、０．０８８ｇ、および０ｇをジエチルアミンと反応させ、塩化メチレンで洗浄し、次いでＥＰＳと反応させたもの）の１Ｈ  ＮＭＲのチャート。
【図６】５種の標識化ポリマー変形体（異なるクマリン誘導体をポリマーに結合させたもの）の様々な発光特性を示すＵＶスペクトルのチャート。
【図７】実施例９に記載するように異なる組合せおよび量のｐ−トルエンスルホニルを反応させたポリマーのＦＴ−ＩＲスペクトルを示すチャート。
【図８】異なる組合せおよび量のｐ−トルエンスルホニルを反応させたポリマーのＦＴ−ＩＲスペクトルを示すチャート。
【図９】ＭＵを０．００７２ｇをポリマーと反応させた標識化ポリマーのＦＴ−ＩＲスペクトルおよびｐ−トルエンスルホニルで官能化したポリマーのさらなるＦＴ−ＩＲスペクトルを示すチャート。
【図１０】変化検出に利用できる可能性のある異なる形態のポリマーを用いた土壌区画を示す一連の写真。
【図１１】図１０に示した４種の区画の異変前後の差分を閾値処理して計算により画像化した群を示すグラフ。
【図１２】何らかの物質による処理を一切行わなかった対照土壌区画および合成ポリマーであるポリアクリルアミド（ＰＡＭ）を土壌区画に表面噴霧することにより適用する処理を施した第２土壌区画を示す一連の写真。
【図１３】図１２に示した区画の異変前後の差分を閾値処理して計算により画像化した２枚の画像。
【図１４】変化検出に利用できる可能性のある異なる形態のポリマーで処理した土壌区画を示す６枚の写真群。
【図１５】図１４に示した区画の異変前後の差分を閾値処理して計算により画像化した３枚の画像群を示すグラフ。
【図１６】土壌区画に結合させた標識化ポリマー（４−メチルルウンベリフェロン（４−ｍｅｔｈｙｌｌｕｍｂｅｌｉｆｅｒｏｎｅ）をポリマーに結合させたもの）の埋設前後のＵＶ画像。
【図１７】標識化ポリマーで処理した土壌区画のコンピュータ生成画像（標識化ポリマーが検出されなかった領域を除外したもの、１０１は処理した領域の範囲である。）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明の詳細な説明
本発明は、以下に示す本発明の好ましい実施形態の詳細な説明およびその中に含まれる実施例を参照することによってより容易に理解することができる。明示されているか否かに拘わらず、本明細書における数値はすべて「約」という語で修飾されていると見なされる。一般に、「約」という語は、引用した値と均等である（すなわち同じ機能または結果が得られる）と当業者が見なすであろう数値範囲に相当する。多くの例においては、「約」という語は、概数にすると有効数字が最も近くなる数を含むことができる。
【００１２】
本発明の様々な実施形態は、地域安全保障における監視方法と、地中に埋説された装置を監視および検出する方法を結合して、変化検出に最も有効な方法を提供するものである
。標識化ポリマーを複雑なエレクトロニクス技術と連携させることにより、現存する最先端の変化検出技術および手法を提供することができる。
【００１３】
一実施形態は、独特の人為的な地表面および特徴を作り出すポリマーおよび標識化ポリマーの使用に関する。この特徴は、検出を困難にしている事項に対処することができると共に、均一な表面の生成を助けることができ、それによって異変が容易に認識可能になる。このポリマーは、レーダー、ライダー（Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）（ＬＩＤＡＲ）、光学的撮像等の多くの方式に役立つ。
【００１４】
ポリマーの多くは石油由来であり、結局は毒性が高い。より小さなモノマー単位が重合によって共有結合してより長いポリマー鎖を構成する。個々のモノマー単位は毒性が高く、完全に重合させることは難しい。残存している未重合の単位は水相内を非常に移動しやすく、土壌中および水中を速やかに移動する。
【００１５】
生物学的に生成したポリマーは石油系ポリマーと比較すると独特な利点を多く有している。生体高分子は、細菌および藻類の複雑な生合成による産物であるため、高分子構造は従来のプラスチック製造で通常生成するモノマー単位よりも多様である。これにより、機能性（適用後の架橋、特定の用途のための誘導体化の容易さ、長寿命化を含む）が高く、最終的に生分解可能なポリマーが得られる。これらの生体高分子の耐久性は様々であり、石油系ポリマーの寿命に到達させることはできない（生体高分子が数年であるのに対し石油由来のポリマーは数百万年）。この不利な面に関しては、定期的に適用を繰り返すことが必要である。適用を繰り返すことと引き替えに、生体高分子を用いることによって環境への影響が最小限に抑えられる。
【００１６】
生物学的に生成するポリマーの２つの主要な官能性単位はカルボン酸基およびアミノ基である。これらの官能性部位の多くは生体高分子を土壌基質内に引き込むが、官能性部位の中には、単に互いに架橋するだけの役割を果たし、官能化することができるものもある。このような架橋性部位は、土壌結合性（遠隔検出のための独特な表面を形成するのに必要）を保ったまま官能化することができる。架橋性部位に限らず、他の官能性部位も官能化することができるが、生体高分子を土壌内に確実に引き込むためには、この種の部位の最低限の数を官能化しないままにしておかなければならない。
【００１７】
様々な実施形態による生物学的に生成したポリマーの、ポリマー１ｇ当たりの官能性部位の最適量は、下限値および／または上限値を有する範囲内とすることができる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。下限値および／または上限値は、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５、０．５、０．５５、０．６、０．６５、０．７、０．７５、０．８、０．８５、０．９、０．９５、１、１．０５、１．１、１．１５、１．２、１．２５、１．３、１．３５、１．４、１．４５、１．５、１．５５、１．６、１．６５、１．７、１．７５、１．８、１．８５、１．９、１．９５、２、２．０５、２．１、２．１５、２．２、２．２５、２．３、２．３５、２．４、２．４５、２．５、２．５５、２．６、２．６５、２．７、２．７５、２．８、２．８５、２．９、２．９５、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、および１００ｍｍから選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、様々な実施形態による生物学的に生成したポリマーの、ポリマー１ｇ当たりの官能性部位の最適量を、ポリマー１ｇ当たり官能性部位０．２ｍｍｏｌ〜ポリマー１ｇ当たり官能性部位３ｍｍｏｌとすることができる。
【００１８】
ポリマーの分子量が非常に高い場合は、これらの例示的な範囲を幅広く変化させることができる。ポリマーは、下限値および／または上限値を有する範囲内の分子量を有する。
この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、１００００、２００００、３００００、４００００、５００００、６００００、７００００、８００００、９００００、１０００００、２０００００、３０００００、４０００００、５０００００、６０００００、７０００００、８０００００、９０００００、１００００００、２００００００、３００００００、４００００００、５００００００、６００００００、７００００００、８００００００、９００００００、および１０００００００Ｄａから選択することができる。例えば、ポリマーの分子量は、７００Ｄａ〜８ＭＤａとすることができる。１０ＭＤａを超える分子量も用いることができる。
【００１９】
特定の好ましい実施形態によれば、分子量が７００Ｄａ〜１５００Ｄａのポリマーは、ポリマー１ｇ当たりの官能性部位の最適量を、下限値および／または上限値を有する範囲内とすることができる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、および１０００ｍｍｏｌから選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、分子量が７００Ｄａ〜１５００Ｄａのポリマーは、官能性部位の最適量を、ポリマー１ｇ当たり官能性部位０．２ｍｍｏｌ〜ポリマー１ｇ当たり官能性部位３ｍｍｏｌとすることができる。１ｇ当たりの官能性部位の量はポリマーの分子量に応じて比例的に増減させることができる。
【００２０】
実使用においては、ポリマーの多くは、自然界の極限温度の範囲内で遭遇する温度を含む幅広い温度（−２０〜９０℃）で安定である。さらに、一部のポリマーは、強風や雨などの極めて過酷な環境条件でも効果を維持し、土壌が横流れしないように確実に土壌を覆う。
【００２１】
変化検出に利用するのに望ましい性質を有する生体高分子は大きく３つに分けられる：（１）キチンやキトサン等の、多細胞生物によって産生されるもの；（２）菌体外多糖等の、細菌によって産生されるもの；および（３）キサンタム（ｘａｎｔｈａｍ）等の、植物から抽出されるもの。本発明の好ましい実施形態においては菌体外多糖（ＥＰＳ）を使用する。
【００２２】
本発明の実施形態においては、変化検出に生体高分子およびポリマーを用いる。まず最初に、ポリマーを道路または小道上またはその付近に適用することができる。一旦十分な量が適用された後にもし処理された領域に異変があれば、目視で確認することにより容易に識別することができる。ポリマーは均一な土壌表面を作り出し、土壌の微粒子同士を結合させる。この表面に異変があると、ポリマー「外皮」の真下にある土壌の微粒子が解放される。ＩＥＤまたは他の装置が埋め込まれた場合は、この解放により容易に識別可能な独特の「足跡」が生成する。
【００２３】
ポリマーを変化検出に利用することができる第２の機構およびより複雑な機構は、光学または赤外標識でポリマーを化学的に修飾することである。このポリマーは、土壌を安定化させるといった特性や、これらが特に注目される理由である耐候性を有している。このポリマーは様々な状況下で土壌に適用することができ、土壌基質に結合することが可能であり、その場に長期間留まることができる。このポリマーの性質を変化させて光学特性を有するようにすれば、新しく備わった性質も、土壌を安定化させる元の性質も利用するこ
とができる。典型的には、光学特性を有する標識または化合物が自然環境下で共鳴する時間は全くない。表面に標識を適用したとしても天候事象を１度経験すればこれらはもはや機能しなくなるであろう。標識をポリマーに結合させることによって、これらの化合物を自然界で長期間利用することができる。これらの標識は人間の可視範囲で視認できるものであってもよいが、人間の可視範囲で視認されないものが優先される。これらは赤外、可視、および紫外光の特徴のどれを生成するように合成してもよい。こうすることにより、これらの特徴を変化検出に利用することができる。表面全体に均一に適用した場合、この表面を横断する人物または物体は標識化ポリマー表面を圧縮または破壊することになり、変化が起こった場所に「足跡」および異変が残る。多くのポリマーは土壌に適用された後は透明になる。適切な特性を有する化学修飾ポリマーを合成すれば、目視では見つけにくくなるであろう。このような標識化ポリマー変形体は、異変を生じさせることおよび追跡が可能となる表面を作り出すために土壌表面に十分に適用することが必要であるが、変化があっても表面に異変が生じないほどの高濃度で適用するものではない。変化検出に使用される定番のポリマーの適用比率は土壌の安定化に利用されるものと同程度である。
【００２４】
土壌安定化のための生体高分子の適用比率は下限値および／または上限値を有する範囲内とすることができる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、２００、２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、２５０、２５５、２６０、２６５、２７０、２７５、２８０、２８５、２９０、２９５、および３００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー））から選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、土壌安定化のための生体高分子の適用比率は２５ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）〜１５０ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の範囲とすることができる。
【００２５】
土壌安定化のための合成ポリマーの適用比率は、下限値および／または上限値を有する範囲内とすることができる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、２５、５０、７５、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２２５、２５０、２７５、３００、３２５、３５０、３７５、４００、４２５、４５０、４７５、５００、５２５、５５０、５７５、６００、６２５、６５０、６７５、７００、７２５、７５０、７７５、８００、８２５、８５０、８７５、９００、９２５、９５０、９７５、１０００、１０２５、１０５０、１０７５、１１００、１１２５、１１５０、１１７５、１２００、１２２５、１２５０、１２７５、１３００、１３２５、１３５０、１３７５、１４００、１４２５、１４５０、１４７５、１５００、１５２５、１５５０、１５７５、１６００、１６２５、１６５０、１６７５、１７００、１７２５、１７５０、１７７５、１８００、１８２５、１８５０、１８７５、１９００、１９２５、１９５０、１９７５、および２０００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）から選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、土壌安定化のための合成ポリマーの適用比率は、１５０ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）〜１５００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の範囲とすることができる。
【００２６】
ポリマーは、その光学特性または分光特性または電磁特性を高めるために官能化する必要があるが、これらを有用なものにしている本来の特性を失うほど過度に官能化する必要はない。土壌基質に結合する能力と、当該環境下で長期間機能を維持する能力とは、実使用条件下で上首尾に使用するために必須である。
【００２７】
本発明の様々な実施形態によれば、ポリマーは、変化検出および地域安全保障以外に、
その機能的価値を高めるさらなる特性を有している。ポリマーは、砂埃の抑制、浸食防止、および土壌安定化作用を示すことができる。したがって、様々な実施形態による方法および組成物により、均一性が要求され、小さな変化を検出することが必要とされる場合にさらなる利点が得られる。ポリマーが砂埃を抑制することによって、埋設された装置の視認性が高まり、ポリマーが浸食を防止することによって、生成した表面が任務期間中は確実に完全なまま存続し、ポリマーが土壌を安定化することによって、これらのポリマーに、複数の方式を用いることによって容易に識別できる特性が付与される。ポリマーを適切に適用すれば、これらの特性を有するお陰で、独特の利点が得られる。ポリマーは適用後直ぐに土壌表面に結合し、独特の特定の特徴を生じる外皮を形成する。この外皮は人物の侵入または装置の埋設のいずれによっても異変を示すことが可能である。
【００２８】
図１は、官能化されていない基体ポリマー（２つの当量点は化合物中の異なる官能基を表す）および合成標識化ポリマー変形体（このポリマーは、元のポリマーのカルボン酸を選択的に官能化するためにｐ−トルエンスルホニルで官能化されている）の滴定を示すものである。
【００２９】
図２は、表面処理に用いた標識化すなわち化学修飾ポリマーの短波長ＵＶ光下における写真であり、菌体外多糖にハロゲン化クマリンを結合させ、次いで小さい土壌区画に適用したものである。この合成物質は土壌表面に結合し、ＵＶ光下で光学特性を示す。ポリマーを修飾することにより、人間の自然な可視範囲外で光学特性を示すことが可能になる（紫外（ＵＶ）光スペクトル下における蛍光等）（図２参照）。このように処方したポリマーは、変化検出に用いると独特の有利な特性を示す。様々な実施形態によれば、修飾された生体高分子（菌体外多糖［ＥＰＳ］）は、ＵＶ光で検出することができる化合物を有するので、変化検出能力が改善されている。画像群を重畳して変化を監視するハイブリッド画像技法にＵＶ光方式を利用することができる。通常、これを行うためには、初期画像の生成と、初期画像群からの変化を判断するその後の監視とが必要である。ポリマーまたは標識化ポリマーを用いて準備した表面を用いることにより、画像群の差が変化を明確に示し、誤検出や検出漏れが減り、検出精度が向上する。ポリマーを自然界の表面に結合させることにより、外皮が形成されるとともに蛍光標識の分光特性が付与されるので、埋設された装置を検出し、境界線および国境を横断する人物および物体の動きを監視するための自動化されたプラットホームの性能が大幅に改善される。
【００３０】
この手法により、Ｃ−ＩＥＤ対策に用いられる既存の数種の技法の感度および精度が大幅に向上するだけでなく、敵対者に見破られない新規な方法も生み出される。官能化ポリマーを用いることにより、設置された装置を遠隔から検出および識別する新規な方法を得ることができる。遠隔検出は、現場での高速通信と連携させることにより、ＩＥＤのために失われる生命を減らし、戦闘任務の効果および効率を高める可能性がある。
【００３１】
様々な実施形態により用いられるポリマーは、特に再編成過程を経ない生物学的合成においては、様々な分子量（ＭＷ）を有する。特定のＭＷを有する成分はより望ましい特性を有している。分子量が高い方が好ましい。それは、ポリマーの分子量が高い方が土壌に結合しやすく、含まれる官能性単位の数が多いためである。ＥＰＳの例示的な分子量範囲は７００Ｄａ〜８ＭＤａであるが、この範囲が非常に有用である。
【００３２】
ポリマーの官能化は、官能化または標識化の結果、使用できない可塑化したポリマープラスチックが生成することが確実に起こらないよう適切に行うことが必要である。ポリマーを過剰に官能化すると物理特性が変化し、土壌内への引き込みが妨げられる可能性がある。
【００３３】
他にも、より適切な蛍光化合物、量子ドット、ナノ粒子、赤外（ＩＲ）放射性化合物等
の、生体高分子に結合することができる多種多様な標識がある。これらの化合物はいずれも僅かに異なる反応条件を必要とする。さらに、これらの化合物を判断する場合は、利益が最大で現実的な投資利益率が得られるようなコストが重要な要素となる。例えば、クマリンのハロゲン誘導体は、合成経路を用いてポリマーに結合させることは容易である。これは理想的である一方で、コストが極端に高く、大規模に実用化することはできない。コストと合成の容易さとのバランスを達成することが重要である。量子またはナノ粒子を用いる場合は毒性が懸念される。これらの変形体を大規模に適用および利用する場合は最小限の有用性しか得られない可能性がある。
【００３４】
アルゴリズムやカメラの高解像度化といった従来の遠隔変化検出の技法に注目することに替えて、様々な実施形態は、これらの技法を地上から支援することに注目するものである。
【００３５】
様々な実施形態によれば、標識化ポリマーは適用時は透明であり、周囲の土壌の色を呈する。標識化ポリマーが湿潤した場合は土壌の性質を模倣し、周囲の土壌環境に対応したより暗い色を呈する。ポリマー（標識化ポリマーを含む）は、土壌に非常に有効に結合し、周囲環境に浸出しないことが試験により示されている。標識化ポリマーは通常と異なるパターンの検出が求められる交通量の多い地域で極めて有用となる可能性がある。これは、路側沿い、歩道沿い、部隊の移動経路とすることもできるし、あるいは敵対者の移動が疑われる地域および２４時間の偵察ができない地域とすることもできる。一旦表面に異変が生じると、この異変は、さらなる検出のために表面を再構成するまでそのまま維持されるであろう。
【００３６】
ルートクリアランスにおいては、まず最初にその範囲の埋設装置を一掃した後、標識化ポリマーを継続的に監視することにより、その後も変わらず設置されていない装置がないことを保証することができる。これらのポリマーは既存の装置では検出されないと考えられると同時に、先に埋設装置を一掃した範囲の保証および予防手段として機能することができる。一旦その範囲の埋設装置を一掃し、地中に装置が埋設されていないことを確認した後、この範囲を処理して監視することで、この場所がさらに影響を受けて変化していないことを保証することができる。
【００３７】
特有の特徴を生じる標識化ポリマーにより形成された外皮は、そこに異変が起こるまで特定の範囲で機能する。この異変は、その表面上の車輌の移動または味方の動きが原因となる可能性がある。様々な実施形態により、外皮の表面を横切る動きがあればすべて追跡することができるシステムが提供される。車輌がこの表面を横切った場合、その跡は生体高分子を再び適用するまで表面上の痕跡となるであろう。この変化はその表面から自動的に追跡される。周囲の表面は機能を維持したままである。
【００３８】
ポリマーおよび標識化ポリマーが影響を及ぼし、変化検出を簡素化することができる主要な機構は２つある。まず１つ目は、土壌に適用されたポリマーが土壌の微粒子を閉じ込めて均一な表面を生成することである。この表面に異変があった場合、安定化された範囲の真下にある土壌の微粒子が解放され、これは処理された範囲と明らかに異なる性質を有している。この影響は目視で識別することができるので、範囲内のムラを識別しようする試みよりも目視による変化検出の方が容易になる。さらにこれは、後々の修正を抑止するように作用することができる。反乱者またはテロリストがＩＥＤを配置すると、埋設した装置の正体がはっきりとわかることに気付くであろう。小道が継続的に使用されるが資産が十分でない辺境地域では目視による探知がより重要になる。このような地域においては、異変が過度に識別できるように過剰に適用することが望ましい場合もある。
【００３９】
生体高分子の過剰適用は、下限値および／または上限値を有する範囲内で行うことがで
きる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、１００、１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、１４０、１４５、１５０、１５５、１６０、１６５、１７０、１７５、１８０、１８５、１９０、１９５、２００、２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、２５０、２５５、２６０、２６５、２７０、２７５、２８０、２８５、２９０、２９５、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、および１０００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）から選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、生体高分子の過剰適用は、１２５〜２５０ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の範囲で行うことができる。
【００４０】
合成ポリマーの過剰適用は、下限値および／または上限値を有する範囲内で行うことができる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２２５、２５０、２７５、３００、３２５、３５０、３７５、４００、４２５、４５０、４７５、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００、２２００、２３００、２４００、２５００、２６００、２７００、２８００、２９００、３０００、３１００、３２００、３３００、３４００、３５００、３６００、３７００、３８００、３９００、および４０００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）から選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、合成ポリマーの過剰適用は、３５０〜２５００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の範囲で行うことができる。
【００４１】
ポリマーが変化検出を支援することができる第２の方法は、画像を比較する従来の変化検出を支援することによるものである。ポリマー処理を施すことによって、影響を受けた範囲の影響がより大きくなることになり、計算処理を用いることで、未処理の範囲と比べて異変がより顕著に現れるであろう。
【００４２】
ポリマーが変化検出に影響を与えることができる第３の分野かつ最も重要な分野は、標識化ポリマーを使用することによるものである。この標識化ポリマーは均一な表面を作り出し、異変があった場合はこの均一な表面が修復できない形で変化する。幾つかの種類の方式を用いると、この均一な表面のお陰で検出処理を大幅に簡素化することができる。標識化ポリマーに利用することができる方式は幅広い。結合した化合物が赤外吸収性および／または赤外エネルギー放出性である場合、その範囲の赤外マップを生成することができ、赤外的な特徴のムラを監視および識別することができる。
【００４３】
ポリマーの特徴を検出するための機構は幅広く、地上プラットホームまたは空中プラットホームで使用することができるレーダー等がある。様々な実施形態はまた、絶対に安全な範囲（緑色光）、影響を受けた疑いまたは可能性のある範囲（黄色光）、および影響を受けた可能性が高いかまたは確実な範囲（赤色光）を示すことができるソフトウェアも用いる。このような表示はルートクリアランス班に装置の位置またはその可能性のある位置を警告し、埋設装置を一掃する速度および使用者の安全を高めることができる。
【００４４】
ポリマーは、様々な形態の機器およびトラックを用いて適用することができる。最も望ましいポリマーは、適用が容易であり、かつ最短時間で乾燥するものである。適用に必要な機器はコストが比較的低く、既存の軍事用プラットホームに搭載することができる。多くのポリマーは、再懸濁および適用または適用およびその後の散水による再懸濁が容易な乾燥固体粉末として輸送することができる。生体高分子を乾燥した小包装で輸送することで経済性が改善されることにより、有効性および実用性が高くなる。
【００４５】
ポリマーおよび標識化ポリマーを検出することができる様々なプラットホームが存在する。ポリマーで改質された土壌の検出に適したものとしては、レーダー、ＬＩＤＡＲ、および撮像システムが挙げられる。レーダーをベースとする検出の場合、レーダーシステムを地上用または空中用システムに搭載することができる。レーダーシステムは周辺領域の表面粗さを記録することができる信号を送出することができる。処理を施した後の異変のない範囲および処理を施した後に異変が生じた範囲の間の不一致を検出するアルゴリズムを開発することができる。このような不一致は、土壌表面に埋設または修正があったことを示唆している。このためには、周辺領域の平均表面粗さを組み合わせて不一致を識別するかまたは表面粗さが局所平均から外れた範囲を識別する比較アルゴリズムが必要である。レーダーシステムの感度は、システムの分解能が、埋設または異変が生じた面積よりはるかに小さい面積の表面粗さの差を検出できるほど十分に高くするべきである。レーダーシステムの分解能が十分に高くない場合は、局所表面粗さが変化しても異変および相違を認識することができず、局所範囲の表面粗さに平均化されてしまう。さらに、興味対象範囲の表面粗さマップを取得するためにレーダーを使用することができる。変化検出に使用されるポリマーを適用した後、レーダーシステムを用いて興味対象範囲の初期背景およびマップを取得することができる。レーダーシステムがこの範囲のさらなる表面粗さマップを取得する処理時間にこの表面に異変が生じるかまたは修正が行われると、２枚のマップを比較することができ、その相違を認識することができる。閾値を超える修正が施された場合は、これらの範囲を異変が生じた可能性のある興味対象範囲として識別することができる。このような異変は、影響を受けた可能性またはＩＥＤが埋設された可能性の最も高い範囲として識別および選択されるであろう。レーダーを利用する方法はライダー（ＬＩＤＡＲ）に類似している。
【００４６】
利用可能な第２のプラットホームは光学をベースとするものである。ポリマーで処理した後の領域を高解像度カメラで撮像することができる。これらの画像は自然環境の初期状態の基準の役割を果たす。異変を認識したかまたはその可能性がある場合、興味対象領域を再度撮像することができる。コヒーレント変化検出により２枚の画像を比較することができる。元の画像と第２の画像との差分を計算する。この差分計算により、変化をより明確にするためのフィルタを適用することができる。差分処理の感度を増大させて僅かな変化をより明確にするための様々なアルゴリズムが開発されている。このような技術は十分に理解されており、開発がなされている。
【００４７】
第３の最も有用なプラットホームは、特定の波長の光源と光学検出器とを併用するものである。標識化または化学修飾ポリマーを興味対象範囲に均一な表面を作り出すような均一化方法で適用した後、光源およびカメラを用いて、興味対象範囲の表面にムラがないか走査することができる。光源は、標識化ポリマー複合体に吸収させた光に対する放射率が最大になる特定の励起波長を有することが必要である。これには、フィルタを備えた様々な発光ダイオード光源を用いることができ、またはポリマー複合体を劣化させないものであればレーザーもしくは短波長ＵＶ蛍光ランプ等の他の種類の光源も有用である。ポリマー複合体は一旦励起すると蛍光を放出し、これを、均一なポリマー表面を撮像する高解像度電荷結合素子またはフォトダイオードアレイ等の光学機器で検出することができる。予め指定したサイズよりも大きなムラは、影響を受けたかまたは変化が起こった可能性のある領域として認識される。
【００４８】
影響または変化を示唆するムラの予め指定されたサイズの面積は、下限値および／または上限値を有する範囲内とすることができる。この範囲には、この下限値および／または上限値が包含されていても除外されていてもよい。この下限値および／または上限値は、６．４５、１２．９、１９．３５、２５．８、３２．２５、３８．７、４５．１５、５１．６、５８．０５、６４．５、７０．９５、７７．４、８３．８５、９０．３、９６．７５、１０３．２０、１０９．６５、１１６．１、１２２．５５、１２９、１３５．４５、
１４１．９、１４８．３５、１５４．８０、１６１．２５、１６７．７、１７４．１５、１８０．６、１８７．０５、１９３．５、１９９．９、２０６．４、２１２．８５、２１９．３、２２５．７５、２３２．２、２３８．６５、２４５．１、２５１．５５、２５８．０、
２６４．４５、２７０．９、２７７．３５、２８３．８、２９０．２５、２９６．７、３０３．１５、３０９．６、３１６．０５、３２２．５、３５４．７５、３８７、４１９．２５、４５１．５、４８３．７５、５１６、５４８．２５、５８０．５、６１２．７５、６４５、７０９．５、７７４、８３８．５、９０３、９６７．５、１０３２、１０９６．５、１１６１、１２２５．５、１２９０、１９３５、２５８０、３２２５、３８７０、４５１５、５１６０、５８０５、６４５０、７０９５、７７４０、８３８５、９０３０、９６７５、１０３２０、１０９６５、１１６１０、１２２５５、１２９００、１９３５０、２５８００、３２２５０、３８７００、４５１５０、５１６００、５８０５０、６４５００、７０９５０、７７４００、８３８５０、９０３００、および９６７５００平方センチ（１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、および１５０００平方インチ）から選択することができる。例えば、特定の好ましい実施形態によれば、影響または変化を示唆するムラの予め指定されたサイズの面積は、３８．７平方センチ〜３７１６．１平方センチ（６平方インチ〜４平方フィート）の範囲内とすることができる。
【００４９】
さらに、影響の種類およびサイズも検出することができる。この分野ではあらゆる変化を追跡することになるため、これらの変化の一部が人間の動作に起因する場合もあり、それ以外では動物または自然の営みに起因する場合もある。影響のサイズおよび次元を測定することにより、影響を及ぼした原因に対する補正を行うことができる。この技術は、複数の画像または予め作成された等高線地図との差を比較するのではなく、面の均一性の途切れを識別する処理を行うことができる。これは計算依存度がはるかに低いので、現場で搭載型プラットホームを用いて計算することが可能になる。
【００５０】
標識化されていないポリマーを土壌に噴霧または混合することにより生体高分子材料を土壌に加えて、土壌表面の視認できる変化を観察する試験を行う。生体高分子対土壌の比率は生体高分子の種類に依存するが、少なくとも数ｃｍの深さから３０．５ｃｍ（１フィート）の深さまでの土壌の質量当たりの生体高分子の質量が約０．５％〜１０％となる範囲である。
【００５１】
表１に、幾つかの適用比率の範囲を示す（土壌の様々な深度におけるポリマーの百分率（ｗｔ／ｗｔ）および所与の適用深度における好ましい適用比率）。
【００５２】
【表１】
2014527087.tif 000003
【００５３】
４０４７ｍ２（１エーカー）当たり生体高分子１ｋｇから４０４７ｍ２（１エーカー）当たり生体高分子２５０ｋｇを用いることができる。好適な生体高分子としては、これらに限定されるものではないが、キサンタム、キチン、キトサン、およびこれらの組合せが挙げられる。利用可能な合成ポリマーとしては、これらに限定されるものではないが、ポリアクリルアミド、ポリビニル、ポリアクリレート、およびこれらの組合せが挙げられる。
【００５４】
天然由来ポリマー（すなわち生体高分子）を利用しない適用の場合、その比率は大幅に低減される。合成由来のポリマーの比率は、土壌表面から１ｃｍ〜３０．５ｃｍ（１フィート）までの深さにおいて土壌の０．０１質量％〜５質量％とすることができる。これらは土壌に噴霧するかまたは土壌と混合することも、あるいは土壌と混合してから押し固めることもできる。この比率は、土壌表面から１ｃｍ〜３０．５ｃｍ（１フィート）までの深さにおいて土壌の０．０２質量％〜１質量％、０．０３質量％〜０．１質量％とすることもできる。合成物質の好ましい範囲は、土壌表面から１ｃｍ〜３０．５ｃｍ（１フィート）までの深さにおいて土壌の約０．０５質量％である。
【００５５】
影響を受けた領域は目視で識別することによって検出することができる。まず第１に、影響を受けた範囲は容易に識別可能な大量の土壌微粒子を有することになり、その一方で、残りの処理された範囲の土壌微粒子は土壌を改質したポリマーによってまとめられているので、その量が少なくなるであろう。
【００５６】
第２に、異変が生じることにより影響を受けた範囲は、適用比率にもよるが、自然の状態に戻るのが難しいであろう。改質剤による土壌の粘着性が妨げとなり、表面は完全に回復することができない。影響を受けた範囲は、固められた土壌に異変を起こした原因とよく似た、視認できる異変の証拠を残すであろう。これを回復するには大変な労力と時間を要するが、通常このような状況下でこの時間と労力はかけられない。
【００５７】
これらのシステムはいずれも土壌表面の変化の監視に利用することができる。このような変化は、装置の埋設、生成した表面上の人物もしくは車輌による横断、または物理的な力を必要とする他の任意の機構による表面上の横断によって起こる可能性がある。
【００５８】
一実施形態は、少なくとも１つの分子に共有結合したポリマーを含む組成物に関し、この組成物は約７５ｎｍ〜約１０００ｎｍの波長の電磁放射に曝露することにより検出可能である。この組成物は土壌に適用した後も検出可能な状態を維持することができる。
【００５９】
ポリマーには、合成ポリマーを用いることができる。合成ポリマーは、任意の好適な合成ポリマーとすることができ、これらに限定されるものではないが、ポリアクリルアミド、アクリル系ポリマー、ポリ塩化ビニル、酢酸ビニル、および／またはこれらの組合せが挙げられる。ポリマーには、生体高分子を用いることもできる。生体高分子には、任意の好適な生体高分子を用いることができ、これらに限定されるものではないが、キトサン、菌体外多糖、キサンタム、キチン、および／またはこれらの組合せが挙げられる。
【００６０】
この少なくとも１つの分子は任意の好適な分子とすることができ、これらに限定されるものではないが、４−メスリルウンベリフェロン、６−ブロモ−４−ヒドロキシクマリン、６−ブロモ−４−メチル−３−フェニルクマリン、６−ブロモ−３（４’ブロモフェニル）クマリン、８−ブロモ−３（３’ブロモフェニル）クマリン、８−ブロモ−６−クロロ−４−ヒドロキシクマリン、および／またはこれらの組合せが挙げられる。
【００６１】
この組成物は様々な種類の電磁放射に曝露することによって検出可能である。例えば、この組成物は、約７５ｎｍ〜約３５０ｎｍの波長の電磁放射に曝露することによって検出することができる。この電磁放射は紫外光とすることができる。さらにこの組成物は、波長が約７２０ｎｍ〜約１０００ｎｍの波長の電磁放射に曝露することによって検出することができる。この電磁放射は赤外光とすることができる。
【００６２】
他の実施形態は、上述の組成物を含む土壌の改質剤に関連する。より具体的には、他の実施形態は、少なくとも１つの分子に共有結合したポリマーを含む組成物を含む土壌の改質剤に関連し、この組成物は、波長が約７５ｎｍ〜約１０００ｎｍの電磁放射に曝露することによって検出することができる。電磁放射は、可視光、紫外光、赤外光、およびこれらの組合せからなる群から選択することができる。
【００６３】
一実施形態は、処理された土壌を波長が約１０００ｎｍ〜約７５ｎｍの電磁放射に曝露することにより、処理された土壌の異変を検出することを含む方法に関し、この処理された土壌は、請求項１に記載の組成物を含む。異変を検出する工程は、処理された土壌の異変が生じた部分および処理された土壌の異変が生じていない部分の識別を含むことができ、処理された土壌の異変が生じていない部分は処理された土壌の異変が生じた部分よりも高強度の蛍光を発する。
【００６４】
この方法は、この組成物を土壌に適用する工程をさらに含むことができる。この組成物は、混合、噴霧、注ぎかけ（ｐｏｕｒｉｎｇ）、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つにより土壌に適用することができる。
【００６５】
この方法は、変化検出により土壌の異変を監視する工程をさらに含むことができる。この方法は、目視による再調査、計算支援による再調査、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つにより土壌の変化を再調査する工程をさらに含むことができる。
【００６６】
他の実施形態は、菌体外多糖（ＥＰＳ）塩に共有結合したクマリン誘導体を含む組成物に関する。この組成物は、波長約７５ｎｍ〜約３５０ｎｍの電磁放射に曝露することにより検出することができる。クマリン誘導体の構造は、クマリンの構造と少なくとも７０％が一致している。
【００６７】
さらなる他の実施形態は、紫外光または赤外光に曝露することにより目視で検出できる生体高分子である菌体外多糖（ＥＰＳ）塩および１つまたはそれ以上の成分を含む、土壌の改質剤に関する。
【００６８】
（実施例）
実施例１
この実施例の目的は、本発明の様々な実施形態による、トシル化による生体高分子の官能化を示すことにある。３種のトシル化方法について例示する。
トシル化方法１
１００ｍＬの反応器内で、生体高分子である菌体外多糖（ＥＰＳ）１ｇを水４０ｍＬに溶解した。この溶液に４−トルエンスルホニルクロリド（Ｔｏｓ）０．２ｇを加え、少なくとも１時間低温（６０℃）で加熱しながら撹拌した。ＥＰＳ生体高分子を適切に反応させた後、この混合物に４−メスリウンベリフェリル（４−ｍｅｔｈｌｙｕｍｂｅｌｌｉｆｅｒｙｌ）（ＭＵ）０．４ｇを加えた。この混合物を高温（６０℃）で３時間撹拌した。この時間が経過すると反応は完結すると見なされている。結果として得られた生成物を塩化メチレンで洗浄することにより未反応のＭＵを除去した。この材料を洗浄した後、水相を有機相から分離した。水相にアルコール１００ｍＬを加えた。得られた反応物を溶液から析出させた。析出物を遠心分離により回収した。この材料を少なくとも２４時間低温（４０℃）で乾燥させた。この材料を利用するために、水に再度溶解させた後、土壌に適用した。
トシル化方法２
生体高分子１ｇをトルエン４０ｍＬに溶解した。Ｔｏｓを０．２ｇをこの溶液に撹拌しながら２０分間で加えた。次いで、ＭＵを０．４ｇを加えた。この混合物を１００℃の一定温度で加熱しながら８時間撹拌した。一旦室温に冷却して、生成物をエーテル４０ｍＬで希釈した。１０％炭酸水素ナトリウム溶液５０ｍＬをこの溶液に加えて相分離させた。水相を塩化メチレン洗浄液２０ｍＬで２回抽出した。有機相抽出液をさらに硫酸ナトリウムで乾燥させた後、溶媒を蒸発させた。
トシル化方法３
１ＭのＮａＯＨ溶液を調製し、４０ｍＬを分取して、２５０ｍＬビーカー内で生体高分子１ｇを加えた。Ｔｏｓを０．２ｇを加えた後、溶液を２０分間撹拌した。ＭＵを０．４ｇを加えて溶液を０℃に冷却しながら１時間撹拌した。温度を周囲温度に昇温し、さらに３時間撹拌した。反応が完結したら、この材料を塩化メチレンで洗浄した。水相を有機相から分離し、エタノール４０ｍＬを加えて官能化された生体高分子を溶液から析出させた。過剰の溶媒を傾瀉して除去した後、残りの試料を濾過して乾燥させた。
【００６９】
実施例２
この実施例の目的は、アミノ化を介した生体高分子の官能化を示すことにある。表１に示すように、様々な濃度のＭＵにジエチルアミン（ＤＥＡ）４０ｍＬを加えて少なくとも２時間低温（６０℃）で反応させた。ＤＥＡ−ＭＵ混合物を、混合物が混合できない粘性物質になるまで減量した。濃縮した混合物を、次いで水１００ｍＬで再び水和させ、ここに生体高分子１ｇを加えて数時間高温（６０℃）で撹拌した。反応が完結したら、混合物をメスレンクロリド（ｍｅｔｈｌｙｅｎｅ  ｃｈｌｏｒｉｄｅ）で洗浄し、水相を回収し、得られた生成物をエタノール４０ｍＬを用いて析出させた。析出した材料を遠心分離して、固形物（ｐｅｌｌｅｔ）からの浸出液（ｅｘｔｅｒｎａｔｅ）を傾瀉して除去した。固形物を水に再懸濁させ、９０％エタノール−１０％水の混合物を用いてエタノール中に析出させた。この生成物を再び遠心分離して浸出液を傾瀉して除去した。固形物を回収し、周囲温度で２４時間乾燥させた。その結果として、最終官能化または標識化ポリマーが得られる。
【００７０】
表２に、変化検出に利用される標識化すなわち化学修飾ポリマーを合成するためにＥＰ
Ｓと反応させた４−メチルウンベリフェロンの様々な量を示す。
【００７１】
【表２】
2014527087.tif 000004
【００７２】
実施例３
この実施例の目的は、アミノ化を介したポリマーの官能化を示すことにある。６−ブロモ−４−ヒドロキシクマリン０．０９８１ｇにジエチルアミン（ＤＥＡ）１００ｍＬを加えて１時間反応させた。得られた材料を、材料の粘度が増大するまで減量した。増粘した材料を再び水和させた。再水和した材料を塩化メチレンで洗浄した。水相を回収した。水相に生体高分子０．２５７１ｇを加えて数時間高温（６０℃）で撹拌した。反応が完結した後、混合物を再びメスレンクロリドで洗浄し、水相を回収し、得られた生成物をエタノール４０ｍＬを用いて析出させた。析出した材料を遠心分離して２４時間低温（６０℃）で乾燥させた。その結果として、最終官能化または標識化生体高分子が得られる。
【００７３】
実施例４
この実施例の目的は、アミノ化を介したポリマーの官能化を示すことにある。６−ブロモ−４−メチル−３−フェニルクマリン０．１３０５ｇにジエチルアミン（ＤＥＡ）１００ｍＬを加えて１時間反応させた。得られた材料を、材料の粘度が低下するまで減量した。増粘した材料を再び水和させた。再水和した材料を塩化メチレンで洗浄した。水相を回収した。この水相に生体高分子０．２６４９ｇを加えて数時間高温（６０℃）で撹拌した。反応が完結したら混合物を再びメスレンクロリドで洗浄し、水相を回収し、得られた生成物をエタノール４０ｍＬを用いて析出させた。析出した材料を遠心分離し、低温（６０℃）で２４時間乾燥させた。その結果として、最終官能化または標識化生体高分子が得られる。
【００７４】
実施例５
この実施例の目的は、アミノ化を介したポリマーの官能化を示すことにある。６−ブロモ−３（４’−ブロモフェニル）−８−クロロ−４−メチルクマリン０．１７７１ｇにジエチルアミン（ＤＥＡ）１００ｍＬを加えて１時間反応させた。得られた材料を、材料の粘度が低下するまで減量した。増粘した材料を再び水和させた。再水和した材料を塩化メチレンで洗浄した。水相を回収した。水相に生体高分子０．２７２２ｇを加えて数時間高温（６０℃）で撹拌した。反応が完結した後、混合物を再びメスレンクロリドで洗浄し、
水相を回収し、得られた生成物をエタノール４０ｍＬを用いて析出させた。析出した材料を遠心分離して低温（６０℃）で２４時間乾燥させた。その結果として、最終官能化または標識化生体高分子が得られる。
【００７５】
実施例６
この実施例の目的は、アミノ化を介したポリマーの官能化を示すことにある。８−ブロモ−３（３’−ブロモフェニル）−６−クロロ−４−メチルクマリン０．１３８４ｇにジエチルアミン（ＤＥＡ）１００ｍＬを加えて１時間反応させた。得られた材料を、材料の粘度が低下するまで減量した。増粘した材料を再び水和させた。再水和した材料を塩化メチレンで洗浄した。水相を回収した。水相に生体高分子０．２６７２ｇを加えて数時間高温（６０℃）で撹拌した。反応が完結した後、混合物を再びメスレンクロリドで洗浄し、水相を回収し、得られた生成物をエタノール４０ｍＬを用いて析出させた。析出した材料を遠心分離し、低温（６０℃）で２４時間乾燥させた。その結果として、最終官能化または標識化生体高分子が得られる。
【００７６】
実施例７
この実施例の目的は、アミノ化を介したポリマーの官能化を示すことにある。８−ブロモ−６−クロロ−４−ヒドロキシクマリン０．１１４ｇにジエチルアミン（ＤＥＡ）１００ｍＬを加えて１時間反応させた。得られた材料を、材料の粘度が低下するまで減量した。増粘した材料を再び水和させた。再水和した材料を塩化メチレンで洗浄した。水相を回収した。この水相に生体高分子０．２５７５ｇを加えて数時間高温（６０℃）で反応させた。反応が完結した後、混合物を再びメスレンクロリドで洗浄し、水相を回収し、得られた生成物をエタノール４０ｍＬを用いて析出させた。析出した材料を遠心分離し、低温（６０℃）で２４時間乾燥させた。その結果として、最終官能化または標識化生体高分子が得られる。
【００７７】
実施例８
この実施例の目的は、アミノ化およびトシル化を介したポリマーの官能化を示すことにある。ＤＥＡを４０ｍＬを１００ｍＬのビーカーに装入し、生体高分子２．５ｇを溶解して溶液にした。これを５０℃で１時間撹拌した後、室温に冷却した。５０ｍＬのビーカー内でＴｏｓを５ｇを水１０ｍＬに溶解した。これを、冷却した溶液に滴下した。２５０ｍＬのビーカー内で、ＭＵを１ｇをＤＥＡを１００ｍＬに溶解した。２つの溶液を合一して５０℃で１時間撹拌した。生成物を室温に冷却した後、１００ｍＬ。得られた生成物をベンゼンで洗浄した。水相を回収した。この溶液に、エタノールをこの溶液に加え、溶液から官能化生体高分子を析出させた。過剰な溶媒を傾瀉して除去した後、残りの試料を濾過して乾燥させた。
【００７８】
実施例９
１００ｍＬの反応器内で、菌体外多糖（ＥＰＳ）約１ｇを水４０ｍＬに溶解した。これを数個の反応器で繰り返した。それぞれの場合において、様々な量のＴｏｓを加えて少なくとも２４時間低温（６０℃）で撹拌した（混合物の一覧を表３に示す）。この時間が経過したら反応が完結していると見なされる。得られた生成物を塩化メチレンで洗浄することによりＴｏｓを除去した。水相を回収した。この水相にアルコール１００ｍＬを加えた。得られた反応物が溶液から析出した。析出物を遠心分離して回収した。この材料を再びエタノールで洗浄し、遠心分離した。遠心分離した材料から析出物の固形物を回収した。この材料を低温（４０℃）で少なくとも２４時間乾燥させた。
【００７９】
表３に、実施例９に記載したように様々な量のＥＰＳに加えたＴｏｓの量を示す。
【００８０】
【表３】
2014527087.tif 000005
【００８１】
実施例１〜９に示したように、核磁気共鳴（ＮＭＲ）等の分析手法から、ポリマー骨格に所望の標識または化合物が結合したことがわかる。図３は、実施例１に記載した、基体ＥＰＳをまずｐ−トルエンスルホニルで官能化した後、さらに４−メチルウンベリフェロンと反応させる、トシル化方法１の反応物を示すものである。反応の各工程毎に化学的環境が少しずつ異なっており、スペクトルが僅かに異なることがわかる。より具体的には、図３は、標識化されていないＥＰＳ（元の生体高分子）、およびＴｏｓ  ＥＰＳ（ｐ−トルエンスルホニルを生体高分子に結合させた修飾生体高分子）、および０．１４４ｇ  ＭＵ  ＥＰＳ（標識である４−メスリルウンベリフェロン（ＭＵ）０．１４４ｇを蛍光標識としてポリマーに結合させたもの）の１Ｈ  ＮＭＲを示している。各スペクトルから僅かな変化が認められ、各反応が予想通りに進行して完結したことを示している。
【００８２】
図４は、同じ生成物の１３Ｃ  ＮＭＲを示すものであり、この物質が多段反応を介して変化していく様子を示している。より具体的には、図４は、基体ＥＰＳ（Ｃ）、トシル化ＥＰＳ（光学標識化すなわち化学修飾ＥＰＳの中間段階）（Ｂ）、および最終標識化ＥＰＳ（Ａ）（ＭＵ標識がＥＰＳに結合したもの）の３種の１３Ｃ  ＮＭＲスペクトルを示している。基体ＥＰＳ（スペクトルＣ）は、リゾビウム属の種（Ｒｈｉｚｏｂｉｕｍ  ｓｐｐ）により産生された生体高分子である。基体ＥＰＳ（スペクトルＣ）をｐ−トルエンスルホニルクロリドと反応させることによりスペクトルＢが得られる。スペクトルＡは、スペクトルＢの合成化合物をさらに反応させることにより得られた標識化ＥＰＳ（４−メスリウンベリフェロン（４−ｍｅｔｈｌｙｕｍｂｅｌｌｉｆｅｒｏｎｅ）をＥＰＳに結合させたもの）から得られたものである。一連の反応を実施して評価を行った結果、図５に示すように、ポリマーが官能化された比率に応じて化合物の特性が少しずつ変化していくことが示された。より具体的には、図５は、異なる濃度の４−メチルウンベリフェロン（ＭＵ）をＥＰＳと反応させた複数の反応物（ＭＵを０．０３５ｇ、０．０５２ｇ、０．０７２ｇ、０．０８８、および０ｇをジエチルアミンと反応させ、塩化メチレンで洗浄した後、ＥＰＳと反応させたもの）の１Ｈ  ＮＭＲをまとめたものである。スペクトルの差から、ＭＵを添加した各反応物に少しずつ差があり、ＭＵ変形体がいずれも互いに少しずつ異
なっている様子がわかるが、ＭＵがＥＰＳに結合していない基体ＥＰＳとはいずれも明らかに異なっていることがわかる。実施例２に記載したように、ＭＵを４種の異なる比率で基体ポリマーと反応させ、１Ｈ  ＮＭＲスペクトルをまとめて、Ｎｏ  ＭＵとして示した未反応ポリマーのスペクトルと比較した。反応を行った化合物のスペクトルの大部分が比較的似ていた一方で、Ｎｏ  ＭＵおよびＭＵを最低比率でポリマーと反応させたものは明らかに他の３種のＭＵ反応物とは異なっていた。
【００８３】
図６は、実施例３〜７のＵＶ／Ｖｉｓスペクトルをまとめたものである。より具体的には、図６は、５種類の標識化ポリマー変形体（異なるクマリン誘導体をポリマーに結合させたもの）の発光特性の変化を示すＵＶスペクトルである。各ポリマー変形体は望ましいかまたは望ましくない異なる特性を示し、これを、異なる光学的特徴を生じる幅広い化合物に応用することができる。クマリンＡ〜Ｅのスペクトルはそれぞれ、６−ブロモ−４−ヒドロキシクマリン、６−ブロモ−４−メスリ（ｍｅｔｈｌｙ）−３−フェニルクマリン、６−ブロモ−３（４’ブロモフェニル）クマリン、８−ブロモ−３（３’ブロモフェニル）クマリン、および８−ブロモ−６−クロロ−４−ヒドロキシクマリンに対応する。この化合物は比較的類似しており、最大強度が低ＵＶ側に少しずつシフトしていく。これらは化合物がすべてポリマーに結合し、僅かに異なる化合物が生成していることを示している。試験に用いたハロゲン化クマリンは合成時間が短くかつ合成が容易であるが、今までは、生体高分子骨格に一旦結合させるとその光学特性が失われてしまっていた。最も有望な変形体は、生体高分子の標識化に、クマリンの芳香族部分以外のクマリンの官能基を用いることを含むものである。
【００８４】
一連の反応を実施して分析を行ったところ、標識化または化学修飾ポリマーの特性が少しずつ異なっていることがわかった。実施例９に記載したように、Ｐ−トルエンスルホニルを異なる量でＥＰＳに結合させた。ＦＴ−ＩＲスペクトルをまとめたものを図７および８に示す。図７は、実施例９に記載したように、ｐ−トルエンスルホニルとポリマーとを異なる組合せおよび量で反応させた場合のＦＴ−ＩＲスペクトルである。様々な混合物のＦＴ−ＩＲスペクトルは非常に似通っており、同一の官能基が僅かに強度の異なる官能基の伸縮を示している。図８は、ｐ−トルエンスルホニルとポリマーとを異なる組合せおよび量で反応させた場合のＦＴ−ＩＲスペクトルを示すものである。スペクトルの大部分は非常に似通っており、同一官能基の一部の伸縮がわずかに異なる強度を示している。反応混合物に添加するＴｏｓの濃度を変化させるとＦＴ−ＩＲスペクトルの強度が変化することからわかるように、僅かに異なる化学的生成物が生成する。これは反応が十分に完結したことを示している。
【００８５】
図９は、２種類の化合物のＦＴ−ＩＲを比較したものであり、ＴｏｓをＥＰＳと反応させたものと、ＭＵをＥＰＳと反応させたものである。両化合物は比較的類似した官能性を示しており、その僅かな違いの原因は、実施例２および９に記載した反応を行ったために化学構造に差が生じたことにある。より具体的には、図９は、ＭＵを０．００７２ｇをポリマーと反応させた標識化ポリマーのＦＴ−ＩＲスペクトルと、ｐ−トルエンスルホニルで官能化されたポリマーのさらなるＦＴ−ＩＲスペクトルである。ピークがわずかにシフトしたことは、ポリマー骨格に異なる分子を結合させたことにより化学的環境が僅かに異なっているが、ポリマーの官能性全体を変化させるほど異なっているわけではないことを示唆している。
【００８６】
実施例１０
砂質ローム材料を含む土壌区画を組み立てた。この土壌に、生体高分子、ＥＰＳ、およびキトサンを異なる比率で加えた。各区画について、物体を埋設する模擬実験を行う前後の両方の写真を収集した。デジタルカメラで前後の画像を取得し、変化が起こった部分を識別するために比較した。
【００８７】
箱を組み立てて土壌を詰めた。生体高分子であるＥＰＳを１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の比率で数個の箱に適用した。ＥＰＳ生体高分子は２種の異なる方法で適用した。第１の方法は、土壌表面への噴霧とした。第２の方法は、土壌表面を２．５４ｃｍ（１インチ）の深さまでかきほぐすことと、次いでかきほぐした表面に材料を適用して上から２．５４ｃｍ（１インチ）の深さまで混合することを含むものとした。対照は、何らかの材料による処理を一切行わない土壌からなるものとした。
【００８８】
処理後のすべての土壌区画を、触れて湿気を感じなくなるまで乾燥させた。各区画の初期画像を収集した。最初の画像を取得した後、区画の中の小さな範囲を荒らして、その範囲の中に物体を置いた。各箱の中央部の深さ約１．２７ｃｍ（１／２インチ）の土壌範囲にそれぞれ金属ワッシャーを埋め込んだ。埋めたワッシャーを覆い隠した。埋めた物体を覆い隠す際は慎重に行った。荒らした後の土壌区画の２番目の写真を収集した。
【００８９】
デジタル画像編集ソフトウェアを用いて異変前後の画像を位置合わせした。前後の写真をコンピュータソフトウェアで自動的に位置合わせして、彩度を低下させた。埋設後の画像に差分フィルタを適用し、埋設前後の画像に変化があればその範囲を強調した。差分処理において背景ノイズを除去するために差分画像に閾値処理した。次いで、閾値処理した差分画像の顕著に変化した範囲を強調するためにカラー化した。この処理は様々な方法で実施することができ、その多くは、変化検出アルゴリズム（ｃｈａｎｇｅ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）や差分アルゴリズム等からなるものである。
【００９０】
図１０に示すように、生体高分子（生体高分子であるＥＰＳおよびキトサンの両方）の土壌改質剤を噴霧して適用することによって処理された土壌区画は、対照箱よりも差が若干大きかった。より具体的には、図１０は、変化検出に利用できる可能性のある異なる種類のポリマーの土壌区画を示している。対照土壌区画は土壌を処理せずに準備したものである。２番目の土壌区画は、表面にＥＰＳを１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）で噴霧することにより作製したものである。３番目の土壌区画は、１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）で土壌の２．５４ｃｍ（１インチ）の深さまで混合することにより作製したものである。４番目の土壌区画は、別の生体高分子であるキトサンを、５０ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の比率で土壌の２．５４ｃｍ（１インチ）の深さまで混合することにより作製したものである。土壌区画を目視で水分が認められなくなるまで周囲温度で乾燥させた。乾燥したら、各土壌区画の中央部の２．５４ｃｍ（１インチ）の深さのところにワッシャーを埋めた。ワッシャーを慎重に覆い隠した。得られた画像は各試験において異変を生じさせた後のものである。
【００９１】
図１１に示すように、異変前後の画像の差をソフトウェアで画像化した。より具体的には、図１１は、未処理の区画、ＥＰＳを１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）で表面噴霧処理した区画、ＥＰＳを１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の比率で土壌の１インチの深さまで混合した区画、およびキトサンを５０ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の比率で噴霧した区画の、異変前後の土壌区画の画像を収集したものである。異変前後の画像の差分を計算して閾値処理を行うことにより変化を目立たせた。用いたポリマーおよび試験方法の中でキトサンが最も変化検出性能が高かった。キトサンの表面噴霧はＥＰＳの表面噴霧よりも性能が優れていた。土壌に混合したＥＰＳは最も変化が明確であったが、依然として解像度に劣るという難点があり、全体的な処理が必要である。これらの画像から、生体高分子が変化検出に利用できる性能を有することが明らかであるが、コヒーレント変化検出を大幅に修正しても、必要とされる高い詳細度が依然として不足している。これらは、手法を変化させずに解像度だけを変化させてこの処理を改善するものである。
【００９２】
実施例１１
砂質ローム材料を含む土壌区画を組み立てた。この土壌に合成ポリマー（ＰＡＭ）を添加した。各区画について、物体埋設の模擬実験を行う前後の両方の写真をデジタルカメラで収集した。前後の画像を収集し、比較して、変化が存在する場所を識別した。
【００９３】
処理後のすべての土壌区画を、触れても湿気を感じなくなるまで乾燥させた。各区画の初期画像を収集した。最初の画像を収集した後、区画の中の小さな範囲を荒らして、その範囲の中に物体を置いた。各箱の中央部の深さ約１．２７ｃｍ（１／２インチ）の土壌範囲にそれぞれ金属ワッシャーを埋め込んだ。埋めたワッシャーを覆い隠した。埋めた物体を覆い隠す際は慎重に行った。荒らした土壌区画の２番目の写真を収集した。
【００９４】
デジタル画像編集ソフトウェアを用いて異変前後の画像を位置合わせした。前後の写真をコンピュータソフトウェアで自動的に位置合わせして、彩度を低下させた。埋設後の画像に差分フィルタを適用し、埋設前後の画像に変化があればその範囲を強調した。差分処理において背景ノイズを除去するために差分画像に閾値処理を行った。次いで、閾値処理した差分画像の顕著に変化した範囲を強調するためにカラー化した。この処理は様々な方法で実施することができ、その多くは、変化検出アルゴリズムや差分アルゴリズム等からなるものである。
【００９５】
ＰＡＭを表面噴霧することにより処理された土壌および対照に埋設された器具を視覚化したところ、図１２および１３に示すように顕著な差は見られなかった。図１２は、何らかの物質による処理を一切行っていない対照土壌区画および合成ポリマーであるポリアクリルアミド（ＰＡＭ）を土壌区画に表面噴霧して適用することによって処理された第２の土壌区画を示している。土壌区画を目視で水分が認められなくなるまで周囲温度で乾燥させた。乾燥したら、各土壌区画の中央部の深さ２．５４ｃｍ（１インチ）のところにワッシャーを埋めた。ワッシャーを慎重に覆い隠した。得られた画像は各試験において異変を生じさせた後のものである。
【００９６】
図１３は、一切処理を施していない区画および合成ポリマーＰＡＭを表面噴霧することにより処理した区画の異変前後の土壌区画の画像を収集したものである。異変前後の画像の差分を計算して閾値処理することにより変化を目立たせた。ＰＡＭの場合は若干の変化が見られたが、その変化は計算能力を抑えられるほど十分に明確ではなく、検出精度が高くなるだけであった。図１３は、異変前後の画像から計算された差分であり、ここから、ＰＡＭを用いることによって差分画像の解像度が向上するが、画像の処理および比較に必要な計算能力を大幅に低下させるほどではないことがわかる。
【００９７】
実施例１２
砂質ローム材料を含む土壌区画を組み立てた。標識化ＥＰＳを土壌に１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）の比率で適用することを含む試験を行った。標識化ＥＰＳは、実施例１〜９において合成した４−メチルルウンベリフェロンと反応させたＥＰＳからなるものとした。これを土壌表面に噴霧した。
【００９８】
各区画について、物体埋設の模擬実験を行う前後の両方の写真をデジタルカメラで収集した。前後の画像をデジタルカメラで収集し、比較して、変化が存在する場所を識別した。
【００９９】
残留水分が認められなくなるまで土壌区画を乾燥させた。区画の初期画像を収集した。最初の画像を収集した後、区画の中の小さな範囲を荒らして、その範囲の中に物体を置いた。試験区画の中央部の深さ約１．２７ｃｍ（１／２インチ）の土壌範囲にそれぞれ金属ワッシャーを埋め込んだ。埋めたワッシャーを覆い隠した。埋めた物体を覆い隠す際は慎
重に行った。荒れた土壌区画の２番目の写真を収集した。  ＥＰＳに結合させた標識の光学特性を活性化させるためにＵＶ光源を利用した。ＵＶ光源は土壌区画から約６１．０ｃｍ（２フィート）の位置に配置された短距離用（ｓｈｏｒｔ  ｒａｎｇｅ）バルブからなるものとした。ＵＶ光源下で、器具の埋設前後の標識化表面を比較する画像を収集した。
【０１００】
デジタル画像編集ソフトウェアを用いて異変前後の画像を位置合わせした。前後の写真をコンピュータソフトウェアで自動的に位置合わせして、彩度を低下させた。埋設後の画像に差分フィルタを適用して、埋設前後の画像に変化があった範囲を強調した。差分処理においては、差分画像に閾値処理を適用して背景ノイズを除去した。画像間の特定色の画素の差分を計算した。他の色はすべて除去するかまたは閾値処理することによって他の色を除去して差分画像のみを表示するようにした。次いで、閾値処理された画像の大幅に変化した範囲を強調するためにカラー化した。この処理は様々な方法で実施することができ、その多くは、変化検出アルゴリズムや差分アルゴリズム等からなる。
【０１０１】
図１４に示すように、標識化ポリマーを用いた土壌の異変前後の画像を収集した（性能が最も高い非標識化ポリマーとの比較としてのキトサン表面噴霧を含む）。より具体的には、図１４は、変化検出に利用できる可能性のある異なる種類のポリマーの土壌区画を示すものである。土壌を処理していない対照土壌区画を準備した。第２の土壌区画は、キトサンを５０ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）で表面に噴霧することにより作製した。第３の土壌区画は、４−メチルウンベリフェロンで官能化した標識化生体高分子を１００ｋｇ／４０４７ｍ２（１エーカー）で土壌の２．５４ｃｍ（１インチ）の深さまで混合することにより作製した。土壌区画を目視で水分が確認できなくなるまで周囲温度で乾燥させた。乾燥したら、各土壌区画の中央部の深さ２．５４ｃｍ（１インチ）のところにワッシャーを埋めた。ワッシャーを慎重に覆い隠した。得られた画像は各試験において異変を生じさせた後のものである。図１５に示すように、標識化物の差分画像を得るためにＵＶ光を利用した場合、標識化ＥＰＳの異変前後の差が最も顕著であった。より具体的には、図１５は、未処理区画、キトサン表面噴霧区画、および標識化生体高分子表面噴霧区画（標識は４−メチルルウンベリフェロンとした）の区画の異変前後の土壌区画の画像を収集したものである。異変前後の画像の差分を計算して閾値処理し、変化を目立たせた。対照およびキトサン表面噴霧の画像を自然光下で収集した。標識化ポリマーの土壌区画の画像を短波長ＵＶランプ下で収集した。標識化ポリマーは、他のどの試験よりもはるかに速く異変の位置を非常に明確に示した。
【０１０２】
図１６に示すように、ＵＶ光下における埋設後の標識化ＥＰＳの画像の差は容易に識別可能であった。より具体的には、図１６は、土壌区画に結合させた標識化ポリマー（４−メチルルウンベリフェロンをポリマーに結合させたもの）の埋設前後のＵＶ画像を示すものである。埋設後の画像中央の異変が、ＥＰＳ、ＰＡＭ、およびキトサン処理された土壌と比較して容易に識別可能である。こうした処理を行うことが画像解析による変化検出の利用性を大幅に改善すると同時に、標識化生体高分子を使用することによって高速検出および即時検出が容易になり、必要とされる計算能力が抑えられる。
【０１０３】
標識化生体高分子を利用して埋設装置を視覚化することによって、変化検出を行うために必要なリソースの量が大幅に簡素化される。図１７は、図１６と見た目は似ているが、検出された興味対象のみを可視色で示しており、計算依存度を抑えた識別化が可能になる。より具体的には、図１７は、標識化ポリマーで処理された土壌区画の画像を示すものであり、標識化ポリマーが検出されなかった範囲を除外したものである。２枚の画像を必要とする画像変化検出と比較して、この場合に必要とされるのは１枚の画像のみであり、土壌の異変を検出する際の計算依存度がはるかに低下した方法が可能になる。埋設および影響が写真の中央部に非常にはっきりとしている。ポリマーに結合させた標識の色が画像の唯一の色になるように選択的にフィルタ処理される。処理された領域は環１０１で明示さ
れている。ここに示した埋設物は環１０２で示されている。埋設範囲が非常にはっきりとわかる。特定のサイズより大きい無色の範囲を識別するフィルタにより、２枚の画像の差を用いることなく欠陥が高速で識別されるであろう。こうすることにより、リアルタイムで地上または空中プラットホームで利用することができる小型の搭載型システムが可能になる。
【０１０４】
本発明を特定の好ましい形態を参照しながらかなり詳細に説明してきたが、他の形態も可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲を、本明細書に含まれる好ましい形態の記載に制限すべきではない。
【０１０５】
本明細書と同時に提出されたすべての論文および文書ならびに本明細書と共に公衆の閲覧に付されたすべての論文および文書に注目されたい。このすべての論文および文書の内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０１０６】
本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、および図面を含む）に開示したあらゆる特徴は、そうでないことが明記されていない限り、同一、均等、または類似の目的を果たす代替的な特徴で置き換えることができる。したがって、そうでないことが明記されていない限り、ここに開示された各特徴は、一連の均等または類似の特徴を包括したものの単なる一例である。
【０１０７】
特許請求の範囲において、特定の機能を実現する「ための手段」（“ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ”  ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ  ａ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）または特定の機能を実現する「ための工程」（“ｓｔｅｐ  ｆｏｒ”  ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ  ａ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と明記されていない構成要素は、米国特許法第１１２条第６段落に規定された「ミーンズ（ｍｅａｎｓ）」句または「ステップ（ｓｔｅｐ）」句として解釈すべきでない。特に、本特許請求の範囲に「するための工程（ｓｔｅｐ  ｏｆ）」が使用されていても、これは米国特許法第１１２条第６段落の条文を適用することを意図するものではない。
【図２】
2014527087.tif 000006
【図１７】
2014527087.tif 000007
【図１】
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【図３】
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【図４】
2014527087.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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