(57)【要約】【課題】野菜などの農作物における農作物の表面に残留している農薬成分の分析を、試料を破壊せずに迅速に行う。【解決手段】農作物の表面に残留している農薬成分の濃度を測定する残留農薬分析方法において、ａ）赤外分光光度計を利用して、農薬残留濃度が既知の農作物の表面における農薬成分の拡散反射赤外スペクトルのデータを採取し、ｂ）このデータを１次微分スペクトルに変換し、ｃ）得られた１次微分スペクトルから、部分最小自乗回帰法を用いて各農薬濃度を算出する最適モデルを導出する。この最適モデルを分析対象の農作物に適用することにより、農作物表面に残留する農薬成分の分析を行う。【選択図】  図１
2004325135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
農作物の表面に残留している農薬成分の濃度を測定する残留農薬分析方法において、
ａ）前記農薬成分の残留濃度が既知の種々の値である複数の農作物について、農作物表面における前記農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを、赤外分光光度計を利用して拡散反射法により採取する第１ステップと、
ｂ）第１ステップにおいて採取されたデータを１次微分スペクトルに変換する第２ステップと、
ｃ）第２ステップにおいて得られたスペクトルに部分最小自乗回帰法を適用して、各農薬濃度を算出する最適モデルを導出する第３ステップと、
ｄ）赤外分光光度計を利用した拡散反射法により、前記農薬成分の残留濃度が未知である分析対象の農作物の表面における前記農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを採取する第４ステップと、
ｅ）第４ステップにおいて採取されたデータを１次微分スペクトルに変換する第５ステップと、
ｆ）第５ステップで得られた１次微分スペクトルに、第３ステップにおいて得られた最適モデルを適用して、前記分析対象の農作物の表面の前記農薬成分の残留濃度を算出する第６ステップと、
を有することを特徴とする残留農薬分析方法。
【請求項２】
農作物の表面に残留している農薬成分の濃度が許容値以下か否かを判別する残留農薬分析方法において、
ａ）前記農薬成分の残留濃度が既知の種々の値である複数の農作物について、農作物表面における農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを、赤外分光光度計を利用して拡散反射法により採取する第１ステップと、
ｂ）第１ステップにおいて採取されたデータを１次微分スペクトルに変換する第２ステップと、
ｃ）第２ステップにおいて得られたスペクトルに部分最小自乗回帰法を適用して、各農薬濃度を算出する最適モデルを導出する第３ステップと、
ｄ）赤外分光光度計を利用した拡散反射法により、前記農薬成分の残留濃度が未知である分析対象の農作物の表面における前記農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを採取する第４ステップと、
ｅ）第４ステップにおいて採取されたデータを１次微分スペクトルに変換する第５ステップと、
ｆ）第５ステップで得られた１次微分スペクトルに、第３ステップにおいて得られた最適モデルを適用して、前記分析対象の農作物の表面の前記農薬成分の残留濃度を算出する第６ステップと、
ｇ）第６ステップにおいて得られた残留農薬濃度値を境界値と比較することにより、前記分析対象の農作物の表面に残留している前記農薬成分の濃度が許容値以下か否かを判定する第７ステップと、
を有することを特徴とする残留農薬分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、野菜などの農作物における農作物の表面に残留している農薬成分を分析する残留農薬分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの殺虫剤や殺菌剤は、生体内に取り込まれた場合に、生体内の本来のホルモン作用に影響を与える外因性内分泌攪乱化学物質（いわゆる環境ホルモン（ＥＤＳ））となり得る。このことから、近年、食品の安全性に対して消費者の関心が高まっており、特に生で食される農産物等の食品について、残留農薬の低減が望まれている。
そこで、現在、食品等の残留農薬を迅速且つ正確に測定する方法の開発が期待されている。
【０００３】
従来はクロマトグラフ等により残留農薬量の測定が行われていた。しかし、従来の測定法では、残留農薬を測定するために数時間、場合によっては数日を要していた。このため、すべての食品等について残留農薬を測定するのは不可能で、消費者の要望に十分応えることができなかった。更に、クロマトグラフやその他の生物測定法では、多くの複雑な化学処理が必要であった（非特許文献１）。
【０００４】
そこで本発明者らは、これまでに、全反射減衰赤外分光法（ＡＴＲ赤外分光法）を用いた農産物の残留農薬測定方法を開発している（非特許文献２〜６）。この測定方法によると、１０分程度で複数の残留農薬の量を測定することが可能である。
【０００５】
【非特許文献１】
高橋義行、「プラント・プロテクト（Ｐｌａｎｔ  Ｐｒｏｔｅｃｔ）」、１９９５年、第４９巻、第９号、ｐｐ．３４−３８
【非特許文献２】
石澤広明、松沢恒友、鳥羽栄治、「カンファレンス・プロシーディングス・オブ・アイエムティーシー’９８（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＭＴＣ’９８）」、１９９８年５月、第１巻、ｐｐ．６７５−６７８
【非特許文献３】
石澤広明、鳥羽栄治、「トランサクション・オブ・ザ・ソサイアティー・オブ・インスルメント・アンド・コントロール・エンジニアズ（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）」、１９９７年、第３３巻、第１号、ｐｐ．５４−５６
【非特許文献４】
石澤広明、鳥羽栄治、「プロシーディングス・オブ・インターナショナル・カンファレンス・エレクトリック・メジャーメント・アンド・インスルメント（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）」、１９９７年、ｐｐ．１２７−１３０
【非特許文献５】
石澤広明、鳥羽栄治、「トランサクション・オブ・ザ・ソサイアティー・オブ・インスルメント・アンド・コントロール・エンジニアズ（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）」、１９９４年、第３１巻、第１２号、ｐｐ．１４３６−１４４１
【非特許文献６】
石澤広明、西松豊典、鳥羽栄治、「第１７回アイトリプルイー・インスルメンテイション・アンド・メジャーメント・テクノロジー・カンファレンス・プロシーディングス（１７ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）」、２０００年、ｐｐ．１５２４−１５２８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＡＴＲ赤外分光法を用いた場合、各試料の測定の度にバックグラウンドスペクトルを測定する必要があった。また、この方法では、果物や穀物等のプリズムの表面に密着させることのできないものは測定することができなかった。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、赤外分光光度計を利用した拡散反射法を用いることにより、平坦な表面を持たない農産物についても、非破壊で残留農薬濃度の測定を行うことが可能な残留農薬分析方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る残留農薬分析方法は、農作物の表面に残留している農薬成分の濃度を測定する残留農薬分析方法において、
ａ）前記農薬成分の残留濃度が既知の種々の値である複数の農作物について、農作物表面における前記農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを、赤外分光光度計を利用して拡散反射法により採取する第１ステップと、
ｂ）第１ステップにおいて採取されたデータを１次微分スペクトルに変換する第２ステップと、
ｃ）第２ステップにおいて得られたスペクトルに部分最小自乗回帰法を適用して、各農薬濃度を算出する最適モデルを導出する第３ステップと、
ｄ）赤外分光光度計を利用した拡散反射法により、前記農薬成分の残留濃度が未知である分析対象の農作物の表面における前記農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを採取する第４ステップと、
ｅ）第４ステップにおいて採取されたデータを１次微分スペクトルに変換する第５ステップと、
ｆ）第５ステップで得られた１次微分スペクトルに、第３ステップにおいて得られた最適モデルを適用して、前記分析対象の農作物の表面の前記農薬成分の残留濃度を算出する第６ステップと、
を有することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、農薬成分の残留濃度が既知の種々の値である複数の農作物に対し、それらの表面に残留している該農薬成分によるフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータが、赤外分光光度計を利用した拡散反射法により採取される（第１ステップ）。すなわち、赤外光を試料に入射し、拡散反射した赤外光を検出器で検出することにより、フーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータが採取される。次に、このスペクトルデータが１次微分スペクトルに変換される（第２ステップ）。続いて、第２ステップにおいて得られたスペクトルに部分最小自乗回帰法を適用して、各試料の農薬濃度を算出する最適モデルが導出される（第３ステップ）。以後、第４ステップから第６ステップにより、未知の農作物における農薬成分の残留濃度を迅速に測定できる状態となる。更に、第７ステップにより、未知の農作物における農薬成分の残留濃度が許容値以下か否かを迅速に判別することができる。
【００１０】
【発明の効果】
赤外分光光度計を利用した拡散反射法を用いることにより、平坦な表面を持たないレタス等の農産物試料についても、試料を破壊することなく、短時間で、試料表面に残留する農薬の濃度を測定することができる。
【００１１】
【実施例】
図１に示すように、上向き拡散反射装置１１（パイク・テクノロジーズ社）を備えるＦＴ−ＩＲ分光光度計１０（島津製作所ＦＴ−ＩＲ８２００Ｄ）により、レタス試料１２（ｃｒｉｓｐ  ｈｅａｄｓ：レタス株）のフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルを測定する。マイケルソン干渉計（図示せず）からの干渉赤外光１３を平面鏡セット（下方鏡及び上方鏡）のうちの上方鏡１４を介して楕円鏡１５に投射し、その焦点面上に配置した試料１２に照射する。試料から発せられた拡散反射赤外光１６は楕円鏡１５により集光され、平面鏡セットのうちの下方鏡１７により反射されて焦電検出器１８で検出される。検出器１８からは、試料から発せられた拡散反射赤外光に応じた検出信号が出力される。
ランベルト−ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則によれば、高速フーリエ変換された拡散反射赤外光は、試料の化学的情報を含んでいる。本発明においては、この原理を利用して残留農薬濃度の測定を行っている。
【００１２】
検出器１８は、制御部２０およびパーソナルコンピュータ（パソコン）３０に接続されている。
制御部２０は、検出信号をＡ／Ｄ変換して干渉信号データを得る。そして、この干渉信号データをフーリエ変換することによってフーリエ変換拡散反射赤外スペクトルのデータを作製する。実際に拡散反射法により試料１２の拡散反射赤外スペクトルを測定する場合は、まず、試料１２が無い状態で拡散反射赤外スペクトルを測定する。これがバックグランドスペクトルである。次に、試料１２を試料載置部に載置して拡散反射赤外スペクトルを測定する。この試料１２の拡散反射赤外スペクトルを前述のバックグランドスペクトルで減算することにより、拡散反射による赤外スペクトルのデータ（以下「スペクトルデータ」という）が得られる。このスペクトルデータに基づき、制御部２０内の表示部に拡散反射赤外スペクトルが表示される。また、このスペクトルデータは、インタフェイスを介してパソコン３０に転送される。
【００１３】
パソコン３０は、クベルカームンク（Ｋｕｂｅｌｋａ−Ｍｕｎｋ）変換を行うことにより、透過スペクトルと同じ形態を有するスペクトルに変換する。その後、１６４０ｃｍ−１の水の吸収波数で正規化したスペクトル、及び較正モデルを導出するために、サヴィツキー−ゴーレイ（Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ）法を用いて、１次微分スペクトルに変換する。そして、この１次微分スペクトルに基づき、部分最小自乗回帰法を用いた以下のような手法で、試料の残留農薬濃度を測定するための較正モデルを算出する。そして、この較正モデルのうちの最適モデルに基づき、試料１２に残留する農薬の濃度を算出する。
【００１４】
（残留農薬の種類及び参照値）
本実施例においては、そのままの状態のレタス株（ｉｎｔａｃｔ  ｌｅｔｔｕｃｅ  ｈｅａｄｓ）を試料として用い、以下の３種の残留農薬を分析した。（１）メソミル殺虫剤（Ｓ−メチル  Ｎ−（メチルカルバモイロキシ）チオアセチミド）、（２）フェンバレレート殺虫剤（（ＲＳ）−α−シアノ−３−フェノキシベンジル）、（３）ベノミル殺菌剤（メチル  １−（ブチルカルバモイル）−２−ベンジミド−アゾレカルバメート）。
農場から４０個のレタス株を試料として採取し、農薬適用手順によって３グループに分けた。第１グループは農薬を全く散布しないもの（以下、「農薬未使用レタス試料」とする）、第２グループは残留レベルが許容値以下となるように通常の手順で農薬を散布したもの、そして第３グループは残留レベルが許容値以上となるようにしたもの（以下、「農薬過使用レタス試料」とする）である。各試料のグループ分けはクロマトグラフ法により確認した。そして、その結果の値をｐｐｍ（１０−６ｇ／ｇ）で表し、それを試料の参照残留農薬濃度とした。
【００１５】
次に、各試料のスペクトルを、試料側面の中央部分において測定した。スペクトル測定の際、波数分解能は２ｃｍ−１に、積算回数は１００回とした。拡散反射赤外スペクトルは２８００ｃｍ−１〜８００ｃｍ−１の範囲で測定した。クベルカームンク（Ｋｕｂｅｌｋａ−Ｍｕｎｋ）変換を行うことにより、透過スペクトルと同じ形態を有するスペクトルを得た。その後、１６４０ｃｍ−１の水の吸収波数で正規化したスペクトル、及び、較正モデルを導出するための１次微分スペクトルを得た。
【００１６】
（部分最小自乗回帰法を用いた較正及び検定手法）
試料の残留農薬濃度を測定するための較正モデルは、スペクトルの部分最小自乗回帰（ＰＬＳＲ）により得た。この際、マトラブ・ケモメトリクス・ツールボックス（Ｍａｔｌａｂ  ｃｈｅｍｏｍｅｍｅｔｒｉｃｓ  ｔｏｏｌｂｏｘ）（マスワークス社製：Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ  Ｉｎｃ．）を使用した。ＰＬＳＲで、参照残留農薬濃度及びスペクトルデータから主成分ベクトルを連続的に抽出した。この作業は、予測誤差が最小になるまで連続して行った。その後、モデルの相互較正を一つ抜き法（ｌｅａｖｅ−ｏｎｅ−ｏｕｔ  ｍｅｔｈｏｄ）により行った。ＰＬＳＲモデルの最適因子数を得るために、各々の抽出因子の各数値について二乗和誤差（ＰＲＥＳＳ）値を計算した。測定により得たスペクトルデータをクベルカームンク（Ｋｕｂｅｌｋａ−Ｍｕｎｋ）変換により変換し、これに対してサヴィツキー−ゴーレイ法により得られる１次微分スペクトルをＰＬＳＲの際に使用した。これらのスペクトル加工は、ケモメトリクスソフトウェアであるＳＨＩＭＡＤＺＵ  Ｈｙｐｅｒ  ＩＲ（島津製作所製）により行った。
【００１７】
図２に（ａ）農薬過使用レタス試料、（ｂ）農薬未使用レタス試料、（ｃ）メソミル殺虫剤、（ｄ）フェンバレレート殺虫剤、（ｅ）ベノミル殺虫剤、の拡散反射スペクトル図をそれぞれ示す。図２では、試料のスペクトルを１６４０ｃｍ−１の水の吸収波数で正規化している。図２に示されるように、農薬を全く散布しない試料と農薬残留レベルが許容値以上となるようにした試料では、１８００ｃｍ−１〜１０００ｃｍ−１のスペクトルパターンにおいて、農薬の適用状況の特徴が現れている。すなわち、農薬残留レベルが許容値以上となるようにした試料において、各農薬に特徴的なピークがより顕著に現れている。なお、各農薬の標準試料スペクトルの特徴的な吸収バンドは表１に示す通りである。
【００１８】
【表１】
2004325135.tif 000003
【００１９】
各試料のスペクトルは、各農薬の特徴的な吸収バンド領域において、大きな差異が見られた。この差異は、正規化されたスペクトルよりも、図３に示す１次微分スペクトルにおいて、より明らかであった。農薬残留レベルが許容値以上となるようにした試料においては、図３において矢印で示された農薬の特徴的な吸収バンドに由来する１次微分スペクトルの主なピークまたは谷が明確になっている。
更に、本発明に係る方法では１時間に２４試料の測定を行うことができ、１時間に６試料の測定しか行うことができないＡＴＲ法と比べて迅速に試料の測定を行うことができる。
また、本発明に係る方法によれば、各々のサンプルの測定を行う度にバックグラウンドスペクトルを測定するという必要がないため、迅速に測定を行えるだけでなく、容易に測定を行える。
【００２０】
図４は１次微分スペクトルにおける一つ抜き法によるＰＬＳ法の相互較正を行った結果の、ＰＬＳ因子数と二乗和誤差の関係を示している。信頼度９５％のＦ検定の結果、メソミル殺虫剤に対するＰＬＳモデルの最適因子数は６、フェンバレレート殺虫剤に対するＰＬＳモデルの最適因子数は５、及びベノミル殺菌剤に対するＰＬＳモデルの最適因子数は４であった。
表２に示される１次微分スペクトルを用いて得られるモデルにより、最適判別法が得られる。
【００２１】
【表２】
2004325135.tif 000004
【００２２】
この１次微分スペクトルにより得られるモデルは、正規化スペクトルにより得られるモデルよりも正確であることがわかっている。これは農薬残留レベルが許容値以上となるようにした試料の１次微分スペクトルにおいて、農薬に特徴的な吸収バンドが、正規化スペクトルのバンドと比べてより顕著となっている実験結果からもわかる。これらのモデルは０．９よりも大きい相関係数を有している。
【００２３】
図５にメソミル殺虫剤、フェンバレレート殺虫剤、及びベノミル殺菌剤に対するＰＬＳ最適モデルによる残留農薬濃度値と参照残留農薬濃度値の関係を表す散布図を示す。信頼度９５％のｔ検定によるモデルにおいては偏り（ｂｉａｓ）及び歪み（ｓｋｅｗ）のいずれに対しても帰無仮説が成り立ったため、偏りおよび歪みのいずれの補正もこれらのモデルには必要ではなかった。
本発明の方法による測定の結果、フェンバレレート殺虫剤の標準残留濃度は２．０ｐｐｍ、ベノミル殺菌剤の標準残留濃度は０．８ｐｐｍであり、また、これらの残留殺虫剤の測定に対する較正の標準誤差は、フェンバレレート殺虫剤の残留基準値またはベノミル殺菌剤の登録保留基準値といった農薬の安全基準値の１０分の１以下であった。このように、本発明に係る残留農薬測定方法は、他の方法で測定を行った場合と比べて高い感度と高いＳ／Ｎ比を有する。このことから、上記モデルによれば、正確な食物の安全性診断が行えるものと思われる。
一方、メソミル殺虫剤のモデルの標準誤差は、メソミル殺虫剤の登録保留基準値０．５ｐｐｍに対して、０．６２ｐｐｍであった。これは、０ｐｐｍ〜１０ｐｐｍという広い測定範囲で較正を行ったためであって、０〜２ｐｐｍといった狭い範囲で較正を行うことで、標準誤差を実用レベルまで改善することは容易に行うことができると考えられる。
【００２４】
現在、農業生産物について、残留農薬量の迅速な分析法が求められている。本発明に係る方法によれば、拡散反射赤外スペクトル方法を用いることにより、迅速かつ正確な測定を現実に行うことが可能である。本発明に係る方法を用いれば、一つのスペクトル測定にほんの２分程度しかかからない。また、本発明に係る方法を用いることにより、従来の方法と比べてより再現性よく正確に測定を行うことが可能である。また、最適な較正モデルを導出し、残留農薬の許容値を超えないように識別レベルをセットすれば、試料が安全性を満足するものであるか否かの識別作業を、農作物の流通過程で実際に行うことが可能となるものと思われる。
更に、本発明に係る方法は、農作物以外にも、内分泌攪乱物質を含む土壌や水などの測定にも用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る残留農薬分析方法に用いる装置の概略構成図。
【図２】（ａ）農薬過使用レタス試料の拡散反射スペクトル図、（ｂ）農薬未使用レタス試料の拡散反射スペクトル図、（ｃ）メソミル殺虫剤の拡散反射スペクトル図、（ｄ）フェンバレレート殺虫剤の拡散反射スペクトル図、（ｅ）ベノミル殺虫剤の拡散反射スペクトル図。
【図３】農薬過使用レタス試料および農薬未使用レタス試料の１次微分拡散反射スペクトル図。
【図４】ＰＬＳ因子数と二乗和誤差の関係図。
【図５】ＰＬＳモデルによる残留農薬濃度値と参照残留農薬濃度値の関係を示す散布図。
【符号の説明】
１０…ＦＴ−ＩＲ分光光度計
１１…上向き拡散反射装置
１２…試料
１８…検出器
２０…制御部
３０…パソコン
【図１】
2004325135.tif 000005
【図２】
2004325135.tif 000006
【図３】
2004325135.tif 000007
【図４】
2004325135.tif 000008
【図５】
2004325135.tif 000009