スマートデバイスによる試験紙の直接撮影のみで⽐⾊定量分析を⾏う試み〇柴⽥ 慶之富⼭⾼等専⾨学校 技術室
1. 緒⾔
1.1. スマートデバイス法の開発と現状の課題
報告者はこれまでに，スマートフォンやタブレット端末等のスマートデバイスを分析装置とする⽐⾊定量法を構築し，簡便かつ正確性の⾼い⽔質分析を⾏ってきた[1-3]．この⼿法は，スマートデバイスのカメラと，デバイスにインストールした測定･解析アプリケーションにより，標準⾊（標準液で発⾊した試験紙や変⾊⾒本）および試験紙の呈⾊を数値として読み取り，検量線を⽣成して⽐⾊定量する．化学を専⾨としない実験者でも，既に所有しているスマートフォンを活⽤して⾊覚に依存しない⼀定のデータが得られる．本装置は学⽣実験および公開講座等で活⽤され，体験者から好評を得ている.
本装置の現場分析利⽤のために，標準⾊を使⽤せずに試験紙のみの撮影で分析したいという要望が多く寄せられている．試験紙の呈⾊をデバイス内にあらかじめ保存した標準⾊と⽐較するためには，撮影時の周辺環境（外光源や背景の変化）によらず，被写体を常に⼀定の⾊彩で撮影しなければならない．
つまり，周辺環境に合わせてイメージセンサの RGB 感度（露光およびホワイトバランス）を適切に補正する必要がある．しかしながら，カメラ標準のオート撮影機能では周辺環境の変化に完全には対応できず，外光の⾊かぶり等により観測したい⾊彩が撮影ごとに⼤きく異なってしまう．そのため，これまでは被写体を専⽤の付属セルで覆って周辺環境を固定するか，試験紙と標準⾊の同時撮影していた．
オート撮影には別の課題もある．カメラが撮影できる範囲は⼈間の⽬で知覚できる⾊域および明暗の範囲と⽐べて⾮常に狭い．不適切な感度補正により⿊潰れ･⽩⾶び等が発⽣すると，⽬的の⾊彩が意図したとおりに観測できなくなり，定量性に悪影響を与えてしまう．
1.2. 本報告で提案する解決案
上記の課題を解決するため，測定･解析アプリケーションを改良し，イメージセンサの感度補正を制御した．まず，⾊彩の RGB 値を定義した基準⾊を標準変⾊表および試験紙の余⽩に付加する．そして，カメラが基準⾊を撮影したときに定義した RGB 値で撮影するようにセンサ感度を補正する機能をアプリケーションに追加する．あらかじめ適切な標準⾊を撮影して保存すれば，以後は試験紙の撮影のみで⽐⾊分析を⾏える.
本稿では，スマートデバイスによる試験紙の直接撮影のみで⽐⾊定量分析を⾏う試みについて報告す
る．試験紙には，これまでにスマートデバイス法の開発経験があるものの中から学⽣実験で最も使⽤する万能 pH 試験紙[1]を選択した．この試験紙は，pH に応じて⾊相（⾚，橙，⻩，緑，⻘，紫などの⾊の種類），彩度（⾊の濃さ，鮮やかさ），明度（⾊の明るさ）が多彩に変化するため，基準⾊による補正の検証にも適している．試験紙の呈⾊は，RGB 値を⾏列変換して得られる⾊相 H，⾊差⻘ Cb（⻘が強いと正，緑が強いと負）および⾊差⾚ Cr（⾚が強いと正，⻩が強いと負）を⽤いて解析する．
基準⾊には，標準反射板（反射率 18％の灰⾊，いわゆるグレーカード）を採⽤した．この⾊は⼈間の⽬が知覚する⽩⾊（反射率 90％）と⿊⾊（反射率 3％）のほぼ中間の無彩⾊であり[4]，多彩な標準⾊の撮影にあたって適切な基準となると考えた．

1

2. 実験
2.1. 測定･解析アプリケーション Iris Lens の作製
測定･解析アプリケーション Iris Lens を Android OS 向けに作製した．デバイスのカメラを標準⾊および試験紙にかざすと，Iris Lens は以下の動作により⽐⾊定量分析を⾏う．
(1) 標準⾊および試験紙の位置を ArUco マーカによって認識する．基準⾊を定義した⾊彩の通りに撮影するようにイメージセンサの感度を⾃動補正する．（基準⾊を利⽤しない場合は，カメラのオート撮影機能によってセンサ感度を補正する．
）(2) 標準⾊および試験紙の呈⾊における⾊情報値（RGB, HSL, YCbCr）を取得する．
(3) 標準⾊の⾊情報値から検量線を⽣成し，呈⾊の⾊情報値から定量計算を⾏う．
なお，試験紙のみを撮影して⽐⾊分析を⾏うことも可能である．この場合，あらかじめ標準⾊の⾊情報値を保存しておき，その値から検量線を⽣成して定量する．
2.2. pH 測定
測定⽤スマートデバイス（Google, Pixel 6a）に前述した測定･解析アプリケーション Iris Lens をインストールした．Iris Lens で標準⾊および試験紙の呈⾊を簡単に読み取るために，万能 pH 試験紙（アドバンテック東洋，UNIV）および付属の標準変⾊表を⽤いて，ArUco マーカ付き試験ストリップおよび⽐⾊板を作成した（図 1）．標準変⾊表および試験紙の余⽩に，基準⾊として標準反射板を付加した．
Iris Lens による pH 測定は，①⽐⾊板あり（オート撮影），②⽐⾊板あり（基準⾊補正），③試験ストリップのみの 3 通りの⽅法で⾏った．試験紙に測定試料 15 µL を滴下し，余分な⽔分を除いた後，5 秒以内に測定した．測定試料には各種 pH 標準液（富⼠フイルム和光純薬，pH 1.68, 4.01, 6.86, 9.18, 10.01（25℃））を⽤いた．全ての測定は屋内実験室（室温 23.0-23.9℃，相対湿度 23-27%，照度 310-410 lx）で⾏った．

図 1a 試験ストリップ

図 1b ⽐⾊板と試験ストリップ

また，スマートデバイス法との⽐較検討のため，④コンパクト pH メータ（堀場アドバンステクノ，LAQUAtwin，pH-33B）においても各種 pH 標準液（校正液を兼ねる）の pH を測定した．
3. 結果･考察
3.1. 基準⾊によるイメージセンサ感度補正の効果
⽐⾊板（①オート撮影および②基準⾊補正）における標準⾊の RGB 値を図 2 に⽰す．両者の平均値2を⽐較すると，①オート撮影では⾊の彩度が強調されて撮影されている（図 2［左］）．例えば，酸性領域では⾚がより強く撮影され，塩基性領域では⻘がより強く撮影されている．ある程度であれば⾊相を明確に観測できる利点もあるが，pH 1〜4 では Red センサが飽和して適切な値を取得できなくなっている．それに対し②基準⾊補正では，⿊潰れおよび⽩⾶びを起こさず，すべての領域で⾊情報値を取得できている．

図 2 ［左］標準⾊の RGB 平均値（センサの値域は［0−1］）．
［右］RGB 標準偏差．測定回数n = 5．
標準偏差を⽐較すると，①オート撮影に対して②基準⾊補正は標準偏差がおおむね半分程度となっている．中性から塩基性領域（pH 7〜11）は⾊彩が暗くなり，①オート撮影では標準偏差が⼤きくなる傾向があるが，②基準⾊補正では常に標準⾊を⼀定の⽔準で撮影できている（図 2［右］）．
基準⾊補正により取得した RGB 値（平均値）をあらかじめ保存しておくことで，pH 試験紙のみで⽐⾊分析できる．実際には，⾊相･濃淡･明暗の変化を RGB 値のままでは把握しづらいため，これを HSL値（⾊相 H，彩度 S，明度 L）および YCbCr 値（輝度 Y，⾊差⻘ Cb，⾊差⾚ Cr）に⾏列変換する．検量線は，⾊彩の明るさ変化に影響を受けにくい⾊相 H，⾊差⻘ Cb および⾊差⾚ Cr を⽤いて作成する．
変換値から最⼩⼆乗法により⽣成する検量線例を図 3 に⽰す．

図 3 検量線の例．
［左］pH（酸性）対 ⾊差⾚ Cr．
［中］pH（中性）対 ⾊差⻘ Cb．
［右］pH（塩基性）対 ⾊相 H．測定回数 n = 5．
⽐⾊板あり（①オート撮影および②基準⾊補正）の pH 測定結果を表 1 に⽰す．pH 1.68 について，①オート撮影では⽐⾊板および試験紙ともに⽩⾶びしており，pH 測定値に⼤きな誤差(+0.6)を⽣じている．⼀⽅で，②基準⾊補正では⾊彩を取得できているものの，測定誤差（-0.3）がやや⼤きい．これ3

は，検量線の pH 1〜3 領域において標準点との残差が⼤きいことによる（図 3［左］）．別の⽅法による回帰曲線や補間法の検討が必要である．また，⾊彩が Red センサの飽和に近いこともあり，標準偏差も⼤きくなっている．
表 1 ⽐⾊板あり（①オート撮影および②基準⾊補正）の pH 測定結果．測定試料（緩衝液）の pHは製品ラベル記載の値．測定回数 n = 5．

bufferpH(1) Auto correction(2) Grey correction

Ave.

Ave.

Std. Dev.

Std. Dev.

1.68

2.29

0.14

1.38

0.12

4.01

3.78

0.03

3.78

0.03

6.86

6.80

0.02

6.75

0.03

9.18

8.72

0.16

8.79

0.10

10.01

10.00

0.27

9.90

0.20

pH 4.01 および 6.86 について，互いに期待通りの値が得られている．
pH 9.18 および 10.01 について，互いに誤差あるいは標準偏差が⼤きい．これは，塩基性において呈⾊の彩度 S がとても低い（灰⾊に近い）ことによる（図 4）．pH を測定する直前に試験紙の余分な⽔分を取り除くが，このとき⽔分と⼀緒に発⾊も幾分か抜けてしまう．塩基性ではわずかな脱⾊でも試験紙⾃体の⾊が⾒えて⾊ムラが発⽣しやすい．測定精度が低くなっている対策として，彩度 S が⼀定以上の pixel のみを抽出して⾊を読み取り，試験紙の地の⾊を避けて測定すれば良いと考える．

図 4 試験ストリップの呈⾊例（左から pH 1.68，4.01，6.86，9.18，10.01）．灰⾊の枠は⾊彩を読み取った範囲を⽰す．pH が⾼いほど，試験紙の地の⾊による⾊ムラの影響が⼤きい．
全体として，②基準⾊補正は分析できる⾊彩の範囲が拡がり，測定値の再現性も⾼くなった．基準⾊により分析能⼒が向上したといえる．
3.2. 試験紙の直接撮影のみによる⽐⾊定量分析②⽐⾊板あり（基準⾊補正），③試験ストリップのみ，④コンパクト pH メータにおける pH 測定結果を表 2 に⽰す．すべての試料について，②⽐⾊板ありと③試験ストリップのみの結果は良く⼀致している．基準⾊により試験紙を常に同じ⾊相･⾊差で撮影できており，試験紙のみの⽐⾊分析を⾏うことができた．簡易分析器である④コンパクト pH メータの測定値と⽐較しても，本法の測定誤差の⼤きさはそれとおおむね同程度であり，本法には⼗分な分析能⼒があるといえる．

4表 2 ②⽐⾊板あり（基準⾊補正），③試験ストリップのみ，④コンパクト pH メータにおけるpH 測定結果．測定試料（緩衝液）の pH は製品ラベル記載の値．Iris Lens の測定回数 n = 5．

bufferpH(2) Grey correction(3) Test paper only(4) pH meter

Ave.

Ave.

Measured

Std. Dev.

Std. Dev.

1.68

1.38

0.12

1.37

0.18

1.65

4.01

3.78

0.03

3.77

0.05

4.20

6.86

6.75

0.03

6.80

0.09

6.97

9.18

8.79

0.10

8.87

0.05

9.40

10.01

9.90

0.20

9.72

0.05

10.25

4. 結⾔
基準⾊補正により適切に撮影できる⾊彩の範囲が広がり，スマートデバイス法の分析能⼒が向上した．
また，pH 試験紙の直接撮影のみによる⽐⾊分析について，おおむね良好な結果を得られた．なお，今回の測定実験は⽩⾊蛍光灯の屋内実験室で⾏った．よって，屋内でも照明が電球⾊である場合や，屋外で太陽光に当てられた場合など，外光源の違いが測定にどのような影響を与えるかについては明らかになっていない．現場分析利⽤のためにはこれらの追加検証が必要である．
標準⾊および試験紙を認識するために ArUco マーカを使⽤している．⽐⾊板や試験ストリップの配置･配⾊は特徴的であり，マーカが無くとも画像認識できるように改めたいと考えている．
本校では万能 pH 試験紙を作製して⾝の回りの pH を測定する学⽣実験を 1 年次に⾏っている．まずは，スマートデバイス法を演⽰実験として取り⼊れて本研究の成果を学⽣の教育に還元したい．
⽂献1.

柴⽥慶之．タブレット端末を分析装置として⽤いる pH 簡易測定法の教材開発．総合技術研究会
2017 東京⼤学 プログラム･要旨集，2017，p.119．

2.

甲斐穂⾼，越後亜美，岡芳樹，⿊⽥⼤介，柴⽥慶之，間中淳．スマートデバイスを⽤いた環境分析と⼯学教育への応⽤〜伊勢湾を⽔質から科学する〜．⼯学教育 66(4)，2018，pp.52-60．

3.

間中淳，柴⽥慶之，武内義弥，古川奉史，袋布昌幹．スマートフォンと試験紙を⽤いる次亜塩素酸の簡易定量法の開発．分析化学 72(1, 2)，2023．

4.

⼤和⽥良，勝倉崚太，岸剛史，⽊村崇志，船⽣望，圓井義典（2016）．写真の教科書 写真を本格的に学びたい⼈のための基礎と演習，インプレス．

謝辞
本研究は JSPS 科研費 JP 22H04243 の助成を受けたものです．また，本研究を⽀えてくださった同僚の皆様に感謝致します．

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