تم تطوير طريقة لتحديد السعة الحرارية المحددة والتوصيل الحراري لأنسجة الأوراق عن طريق التحقيق بالليزر بالأشعة تحت الحمراء القريبة غير الغازية والخالية من التلامس ، والتي تتطلب أقل من 1 دقيقة لكل عينة.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
والليزر السريع جس الطريقة يسهل تحديد غير الغازية وخالية الاتصال من الخواص الحرارية ورقة
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
يمكن للنباتات تنتج المواد الثمينة مثل المركبات الثانوية والبروتينات المؤتلف. تنقية الأخير من الكتلة الحيوية النباتية يمكن تبسيط بواسطة المعالجة الحرارية (ابيضاض). جهاز تبييض ويمكن تصميم أكثر دقة إذا عرفت الخصائص الحرارية من الأوراق في التفاصيل، أي قدرة الحرارة النوعية والتوصيل الحراري. قياس هذه الخصائص هو مضيعة للوقت وكثيفة العمالة، وعادة ما يتطلب أساليب الغازية التي الاتصال العينة مباشرة. هذا يمكن أن تقلل من المحصول المنتج وقد تكون غير متوافقة مع متطلبات الاحتواء، على سبيل المثال، في سياق الممارسات التصنيعية الجيدة. لمعالجة هذه القضايا، وقد وضعت غير الغازية، طريقة خالية من الاتصال التي تحدد قدرة الحرارة النوعية والتوصيل الحراري من أوراق النبات سليمة في حوالي دقيقة واحدة. الأسلوب ينطوي على تطبيق نبضة ليزر قصيرة المدى المحدد وشدة على منطقة صغيرة للعينة ورقة، مما تسبب في ارتفاع درجة الحرارة التي تقاس باستخدام مستشعر الأشعة تحت الحمراء القريب. يتم الجمع بين ارتفاع درجة الحرارة مع خصائص ورقة المعروفة (سمك وكثافة) لتحديد السعة الحرارية محددة. ثم يتم حساب التوصيل الحراري استنادا إلى بيان من انخفاض درجة الحرارة لاحق، مع الاشعاع الحراري والحمل الحراري نقل الحرارة في الاعتبار. وتناقش الحسابات المرتبطة والجوانب الحاسمة لمعالجة العينة.
المقدمة
تجهيز نطاق واسع من المواد البيولوجية وغالبا ما يتطلب خطوات العلاج للحرارة مثل البسترة. المعدات اللازمة لمثل هذه العمليات يمكن أن تكون مصممة بشكل أكثر دقة إذا تم الخصائص الحرارية للمواد البيولوجية تتميز بشكل جيد، بما في ذلك القدرة محددة حرارة (ج ص، ق) والتوصيل الحراري (λ). هذه المعايير يمكن تحديدها بسهولة للسوائل، ومعلقات والخليط من الكالوري 1. ومع ذلك، وقياس هذه المعايير في العينات الصلبة يمكن أن يكون كثيفة العمالة، وغالبا ما يتطلب الاتصال المباشر مع العينة أو حتى تدميرها 2. على سبيل المثال، تقنيات ضوئي؛ ضوحراري تتطلب اتصال مباشر بين العينة وكاشف 3. وهذه القيود هي مقبولة خلال تجهيز الأغذية، ولكن غير متوافقة مع عمليات درجة عالية من التنظيم مثل إنتاج البروتينات الصيدلانية البيولوجية في النباتات في سياق ممارسة التصنيع الجيد (4). أنان هذا السياق، قد تكون هناك حاجة متكررة للرصد (على سبيل المثال، أسبوعيا) من الخواص الحرارية خلال فترة النمو في سبعة أسابيع للنباتات الفردية كأداة لمراقبة الجودة. إذا كان هذا الرصد تتطلب وتستهلك ورقة لكل قياس، لن يكون هناك أي الكتلة الحيوية اليسار إلى معالجة في وقت الحصاد.
بالإضافة إلى ذلك، باستخدام أجزاء ورقة فقط بدلا من شأنها أن تسبب إصابة للمصنع وتزيد من خطر نخر أو إصابة الممرض، ومرة أخرى تناقص الغلة العملية. قد يزيد من احتمال إصابة الممرض أيضا إذا كان سيتم استخدام الأسلوب مع اتصال مباشر إلى عينة، الأمر الذي أدى إلى خطر أن دفعة كاملة من النباتات يمكن أن يصاب من خلال الاتصال مع جهاز استشعار الملوثة. جوانب مشابهة لها للنظر في رصد مصنع يؤكد مثل الجفاف، على سبيل المثال، في سياق ecophysiological. على سبيل المثال، غالبا ما يتم رصد فقدان المياه من خلال تغيير في الكتلة الحيوية الطازجة، والتي تتطلب تري الغازيةatment من النباتات قيد التحقيق 5، على سبيل المثال، تشريح ورقة. بدلا من ذلك، تحديد السعة الحرارية محددة، والتي تعتمد على المحتوى المائي لعينة، بطريقة غير الغازية وصفه هنا، ويمكن استخدامها كمعلمة بديلة لوضع الماء من النباتات. في كلتا الحالتين (إنتاج الأدوية والفيزيولوجيا البيئية)، فإن الضغوط المصطنعة الناجمة عن تقنيات القياس المدمرة أو الغازية تكون ضارة لأنها يمكن أن تشوه البيانات التجريبية. طرق فلاش لذلك، تم ذكره سابقا 6 أو وضع عينات بين لوحات الفضة 7 غير مناسبة لمثل هذه العمليات والتجارب، إما لأنها تتطلب اتصال مباشر للعينة أو هي مدمرة. يجب أن تحدد المعلمات ج ص، ق وλ من أجل تصميم المعدات التكنولوجية لخطوة ابيضاض التي يمكن تبسيط تنقية المنتج وبالتالي تقليل تكاليف التصنيع 8-10. كلا جص، ق وλ يمكن الآن أن تحدد بسرعة عن طريق غير مدمرة بالقرب من الأشعة تحت الحمراء (الجرد) الليزر خالية من الاتصال التحقيق بطريقة متسقة وقابلة للتكرار 11 وسيتم شرح هذه الطريقة الجديدة في التفاصيل أدناه. النتائج المتحصل عليها مع هذه الطريقة استخدمت بنجاح لمحاكاة انتقال الحرارة في أوراق التبغ 12، والسماح للتصميم معدات التجهيز المناسبة واختيار معايير المطابقة مثل درجة الحرارة ابيضاض.
طريقة سهلة لإنشاء (الشكل 1)، ولها مرحلتين والقياس والتحليل، كل واحدة منها تضم اثنين من الخطوات الرئيسية. في مرحلة القياس، وأول تسخين عينة أوراق محليا من قبل نبضة ليزر قصيرة وسجلت أقصى درجة حرارة العينة. ثم يتم تسجيل البيانات الشخصية درجة حرارة العينة لمدة 50 ثانية. في مرحلة التحليل، خصائص ورقة مثل الكثافة (تحدد بسهولة ودقة من قبل measurem pycnometricوالأنف والحنجرة) وجنبا إلى جنب مع الحد الأقصى لدرجة حرارة العينة لحساب ج ص، ق. في الخطوة الثانية، يتم استخدام الشخصي في درجة الحرارة ورقة كمدخل لتوازن معادلة الطاقة، مع التوصيل، والاشعاع الحراري بعين الاعتبار، لحساب λ.
يتم توفير إرشادات مفصلة خطوة بخطوة في قسم البروتوكول، وتوسيع على محتويات الفيديو المصاحب. ثم تظهر القياسات النموذجية في قسم النتائج. وأخيرا، ويسلط الضوء على فوائد وقيود الأسلوب في قسم مناقشة جنبا إلى جنب مع التحسينات الممكنة والمزيد من التطبيقات.
الشكل 1: جهاز يستخدم لتحديد الخصائص الحرارية ورقة. A. صورة للجهاز قياس تستخدم لتحديد السعة الحرارية محددة والتوصيل الحراري للجنيهأفيس. لا تظهر الأجهزة الطرفية (أجهزة الكمبيوتر، والذبذبات). ب. التمثيل التخطيطي للجهاز القياس. وسلط الضوء على الليزر والمعدات المتصلة باللون الأحمر، يظهر الكشف عن قوائم الجرد الوطنية لقياس درجة الحرارة في الأرجواني، والعينة ورقة خضراء واستشعار القوة الضوئي باللون الأزرق. C. رسم من عناصر الإعداد قياس مع رمز اللون نفسه كما في B. يشير شريط حجم 0.1 م. د. لقطة توضح العناصر النموذجية للبرنامج حاسوبي لمراقبة الليزر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. زراعة النباتات وإعداد نموذج
- طرد كل كتلة الصوف المعدني مع 2/1 لتر من الماء منزوع الأيونات وفي وقت لاحق مع 1 لتر من 0.1٪ [م / ت] حل الأسمدة. وضع التبغ واحد (النيكوتين تبغ أو benthamiana N.) البذور في كل كتلة وتدفق بلطف مع 0.25 لتر من محلول السماد دون تجرف البذور.
- زراعة النباتات لمدة 7 أسابيع في دفيئة أو المخبر البيئئي النباتي مع الرطوبة النسبية 70٪، وهو الضوئية 16 ساعة (180 مكرومول ق - م 1 - 2، λ = 400-700 نانومتر) و25/22 درجة مئوية ضوء / الحرارة المظلمة النظام الحاكم.
- نقل النباتات لجهاز القياس. إذا كانت النباتات هي قادرة على الحركة، وأوراق واحدة الحصاد لقياس الخواص الحرارية.
2. تحديد ورقة سمك وكثافة
- تحديد سماكة ورقة
- إعداد 2٪ [م / ت] حل الاغاروز في المياه المالحة الفوسفات مخزنة (PBS) والأوتوكلاف ذلك. اسمحوا الحل يبرد إلى 40 درجة مئوية، وتضمين عينة ورقة وضعها في طبق بتري. ترسيخ الاغاروز عن طريق وضع طبق بتري في الثلاجة عند 4 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
- خفض كتلة agarose إلى شرائح 200 ميكرومتر باستخدام vibratome بزاوية قطع شفرة حلاقة من 15 درجة. استخدام سرعة القطع 1.0 مم ق -1 واتساع 0.5 مم.
- جبل خمسة أقسام ورقة مستعرضة على شريحة زجاجية باستخدام cyanoacrylate بمثابة مثبت. تحديد سماكة ورقة تحت المجهر مع هدف 20 × والعدسة مع 10 × التكبير، وذلك باستخدام أدوات القياس في صلب البرنامج المجهر وفقا لتعليمات الشركة الصانعة.
- تحديد سمك أوراق الشجر في مناطق عينة من دون الأوردة.
- بدلا من ذلك، وتحديد سمك ورقة الاتصال الهاتفي مع عيار في منطقة خالية من الوريد للشفرة ورقة. تأكد من عقد عيار الطلب عمودي على الطائرة من رقة شفرة.
CAUTION: Cyanocrylate هو أنسجة الجلد ويمكن أيضا الغراء الأصابع معا إذا لم يتم التعامل معها بعناية.
- تحديد كثافة ورقة
- تحديد كتلة فارغة (م 0) لpycnometer الجاف، ثم ملئه بالماء وتحديد كتلة مرة أخرى (م 1). تجفيف pycnometer تماما، ضع ورقة داخل وتحديد الكتلة (م 2) مرة أخرى. مع ورقة داخل، وملء بعناية حتى pycnometer مع المياه وتحديد الكتلة (م 3).
- حساب كثافة ورقة (مز) باستخدام المعادلة 1.
المعادلة 1:
3. تحديد الإرسال الطيفي وانعكاس أوراق
- وضع ورقة في غرفة عينة من الأشعة فوق البنفسجية / VIS طيفي من تحديد ذلك بين المشابك-عقد العينة. لقياس انتقال، ضع ورقة أمام ديت ector. للتفكير القياسات تضع ورقة في الجزء الخلفي من غرفة الكشف.
- إطلاق برنامج حاسوبي لمراقبة الطيف الضوئي. حدد مجموعة من 900 نانومتر إلى 1600 نانومتر. بدء فحص جديد وتسجيل القيم النقلية (μ T) وتفكير (μ R) المعروضة بواسطة الأشعة فوق البنفسجية / VIS معمل البرمجيات، استنادا إلى منحنى الطيفي.
- أداء جميع القياسات مع لا يقل عن ثلاثة مكررات البيولوجية. زيادة عدد مكررات البيولوجية إلى خمسة أو أكثر إذا كان من المتوقع نوعية عينة غير متجانسة، أي الاختلاف في التشكل سطح الورقة وسمك.
- حساب السلطة النقلية (P T) وتفكير (P R) بضرب تي μ قياس أو القيم R ميكرون بواسطة الليزر الليزر السلطة P تقاس وفقا لمعادلات 2 و 3.
المعادلة 2:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg "/>
المعادلة 3:
ملاحظة: إحالة يمكن تحديد أيضا مع جهاز استشعار الضوئي خلال قياس (انظر 6.3).
4. إعداد جهاز القياس
- شن يقترن الألياف شريط واحد الجرد الوطني ليزر ديود (الطول الموجي = 1550 نانومتر) في قطر مخروط 25.4 ملم على حامل الفولاذ المقاوم للصدأ. ربط وحدة تحكم لضبط انتاج الطاقة (P الليزر) ليزر الجرد الوطني إلى 4-6 دبليو
- وضع عدسة محدبة ثنائية مع طول بؤري من 25.4 ملم في نهاية المخروط لضبط العرض شعاع إلى 13 ملم.
- وضع جهاز استشعار قوة الضوئي 354 مم أسفل الجزء السفلي من العدسة. ثم التخفيف من الثنائي الضوئي عن طريق وضع مرشح كثافة محايد مع الكثافة البصرية من 1.0 و 22 ملم طبقة السيراميك فوق الاستشعار.
- ربط أجهزة الاستشعار السلطة الضوئي إلى الذبذبات باستخدام الكابلات المحورية.
- ربطالإطار 10 × 10 سم والذي يبلغ 6 × 6 سم عينة منطقة التعرض للسقالة من الإعداد القياس على ارتفاع 308 ملم تحت عدسة (الشكل 1). تحديد موقف ورقة في الفضاء من قبل المتصاعدة في سم إطار 10 × 10.
- ربط جهاز الكشف عن قوائم الجرد الوطنية إلى جهاز كمبيوتر شخصي باستخدام الناقل التسلسلي العالمي (USB) الكابل وتثبيت البرنامج واجهة للكشف.
- وضع كاشف في زاوية 45 درجة لشعاع الليزر 135 مم فوق طبقة السيراميك. محاذاة منطقة القياس للكشف على بقعة الليزر على عينة من خلال تغيير موقف أجهزة الاستشعار وزاوية حتى يتم احترام الحد الأقصى للإشارة درجة الحرارة.
- استخدام الليزر البرمجيات واجهة التحكم لضبط انتاج الطاقة ليزر ل5 واط ومدة نبضة ليزر إلى 0.5 ثانية. حدد "السيطرة الحالية" الأمر في نافذة خيارات التحكم دون تمثيل رسومي للقوة الليزر وضبط قوة الليزر عن طريق كتابة "5" في & #34؛ الطاقة [W] ". الحقل ضبط مدة نبضة ليزر عن طريق كتابة" 0.5 "في" الوقت [ق] "حقل.
- لتحديد قوة الليزر المطلقة لكل مجموعة من التجارب، واستبدال أجهزة الاستشعار السلطة الضوئي مع جهاز استشعار قوة امتصاص سطح الحراري في نهاية كل مجموعة من التجارب وقياس انتاج الطاقة ليزر ل 20 ثانية بدون عينة.
5. إعداد العينات ورقة
- استخدام الأوراق سليمة وغير التالفة للقياسات.
- إذا كان ذلك مناسبا للتحقيق، تحاكي أنواع الضرر ورقة النموذجية التي كتبها خارقة ورقة مع مشرط، وفرك ورقة بين قفازات اللاتكس، ويعرض ورقة للهب مكشوف أو شعاع الليزر لمدة 2-3 الصورة، أو استخدام أساليب أخرى لمحاكاة الآخر أنواع الضرر.
- بعناية ولكن سرعان ما جبل العينة ورقة بين المشابك-عقد العينة.
6. خذ قياسات درجة الحرارة
- تجنب الاتصال المباشر بين ورقة والسيراميكالمخفف وضعت فوق الاستشعار الضوئي لمنع الاصطناعي نقل الحرارة التي تتعارض مع حساب ج ص، ق وλ (انظر القسم 9).
- استخدام برنامج قياس درجة الحرارة لجمع البيانات الشخصية درجة حرارة العينة ورقة ليصبح المجموع 60 ثانية عن طريق الكشف عن قوائم الجرد الوطنية. لأول مرة، وسجل خط الأساس في درجة الحرارة لمدة 10 ثانية، ثم تفعيل ليزر 0.5 الصورة ومواصلة جمع البيانات عن 49.5 ثانية.
- بدء قياس بالنقر على "قياس" ثم "القياس الجديد". بعد ذلك انقر على السهم الأخضر فوق تمثيل رسومي للملف الحرارية. حفظ الملف الشخصى درجة الحرارة عن طريق النقر على أيقونة "حفظ" (قرص منمنمة) فوق تمثيل رسومي للالشخصي.
- تأكيد قوة الليزر التي تنتقل عن طريق استخدام أجهزة الاستشعار السلطة الضوئي عن طريق حساب الفرق في إشارة لقياسات مع وبدون عينة ورقة باستخدام الذبذبات اتصالللاستشعار قوة الضوئي عن طريق كابل متحد المحور (الشكل 2).
- تحديد ارتفاع الأجنحة اثنين (و 1، S وو 2، S) في ملف تعريف الجهد المكتسبة مع الذبذبات.
- تكرار القياس بدون عينة أوراق كمرجع (و 1،0 و 2،0 و). حساب انتقال μ T ونسبة من هذه القياسات وفقا لمعادلة 4 (انظر أيضا الشكل 2).
المعادلة 4:
الشكل 2: قياس نقل ورقة باستخدام جهاز استشعار قوة الضوئي. A. الملف الشخصي الجهد نموذجي لتجربة المرجعية دون عينة ورقة تصور باستخدام الذبذبات. ب. الملف الشخصي الجهدمع عينة ورقة تركيبه في الجهاز. في كلتا الحالتين، فإن قوة الليزر التي تنتقل عن طريق يتناسب مع كل من الجناحين اثنين. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
7. احسب السعة الحرارية النوعية للنموذج ورقة
- حساب الحد الأقصى الفرق في درجة الحرارة ΔT [ك] خلال نبضة ليزر عن طريق طرح تي درجة حرارة الغرفة 0 [ك] من الحد الأقصى لدرجة الحرارة ورقة تي أماه س [ك] (المعادلة 5).
المعادلة 5:
- حساب الطاقة التي تمتصها ورقة (E S [J]) استنادا إلى قوة الليزر والليزر مدة النبضة فعالة (المعادلة 6)، حيث P R [W] هي قوة الليزر المنعكسة وP T [W] هو الليزر التي تنتقل عن طريق قوة.
EQUAنشوئها 6:
- حساب كتلة من مساحة الورقة ساخنة (م S [كغ]) باستخدام المعادلة 7، حيث d S [م] هو سمك ورقة وفقا ل2.1)، ص الليزر [م] هو نصف قطر بقعة الليزر، V S [ م 3] هو حجم ورقة ساخنة، وρ S [كغ م -3] هو كثافة ورقة وفقا ل2.2).
المعادلة 7:
- حساب ج ص، ق [J كجم -1 ك -1] وفقا لمعادلة 8 بقسمة يمتص الطاقة E S من قبل المنتج من مساحة الورقة ساخنة كتلة m S والحد الأقصى الفرق في درجة الحرارة ΔT.
المعادلة 8:
8. إعداد بيانات الملف درجة الحرارة لثيرمالحسابات آل التوصيل
- استخدام "تصدير" قيادة البرنامج نير السيطرة استشعار لتصدير الوقت ودرجة الحرارة البيانات الخام كملف دات * وفتح ملف في معالج البيانات.
- تطبيق 1: 100 الحد البيانات، على سبيل المثال، باستخدام "IF (MOD (القيمة؛ 100) = 0؛" س "،" 0 ")" الأمر، مما أدى إلى كثافة البيانات من نقطة بيانات واحدة لكل 0.1 ق.
- حساب متوسط خط الأساس في درجة الحرارة T B [° C] لكل ملف تعريف درجة الحرارة أكثر من 10 الصورة الأولية للمقياس، حيث كان ليزر لا يزال بعيدا. ثم، وحساب الفرق بين تي باء والمحيط الفعلية في درجة الحرارة T 0 [° C].
- استخدام هذا الاختلاف لتطبيع بشكل فردي كل ملف عن طريق تحويل ذلك نحو T 0 (ذ التطبيع)، على سبيل المثال، إذا T B - T 0 = 2.0 K، ثم طرح 2.0 K من كل قيمة درجة الحرارة في درجة حرارة العلاقات العامةofile (الشكل 3A).
- تطبيع الوقت تنسق كل صورة من صور درجات الحرارة (خ التطبيع) عن طريق حذف كل نقطة البيانات قبل الحد الأقصى لدرجة حرارة العينة (تي ماكس) وتعيين قيم الوقت جديدة بدءا ر = 0 لتي ماكس (الشكل 3B).
- شاشة كل ملف لتحولات في درجات الحرارة المفاجئ، أي الاختلافات في درجات الحرارة التي هي أكثر من ثلاثة أضعاف مستوى الضوضاء خط الأساس، وهو عادة 3 × 0.31 K ≈ 1.0 ك إزالة هذه المناطق من مجموعة البيانات لأنها تتوافق مع القياس التحف (الشكل 3C ).
- تناسب وظيفة تسوس الأسي (المعادلة 9) إلى البيانات باستخدام معالج البيانات، حيث تي تي [ك] هو المجهزة درجة حرارة العينة ورقة في الوقت t [ق]، T 0 هي درجة الحرارة المحيطة، و[ك] والسعة ور 1 [ق] ثابت الاضمحلال (الشكل3D).
المعادلة 9:
- استخدام وظيفة تركيبها على حساب انخفاض درجة الحرارة في عينة ورقة 0-80 الصورة بعد نبضة ليزر.
- تحويل البيانات درجة الحرارة المقاسة في [° C] إلى [ك] نطاق بإضافة قيمة 273.15 إلى كل نقطة بيانات درجة الحرارة (الشكل 3E).
الشكل 3: بيانات مخطط التجهيز لحساب λ. A. بعد التخفيض البيانات، وملامح درجة الحرارة إلى طبيعتها إلى درجة الحرارة المحيطة. ب. وبعد ذلك، تتم إزالة كافة نقاط البيانات قبل أقصى درجة حرارة العينة (تي ماكس). C. وحددت على أساس القطع الأثرية قياس (كما هو موضح في مجموعة البيانات "يتعارض") على درجة حرارة تحول أكبر من المرات العناصر الأرضية النادرة ضجيج خط الأساس وإزالتها من مجموعة البيانات قبل تركيب لالدالة الأسية. د. يتم تحويل نطاق درجة الحرارة درجة مئوية في نطاق كلفن. E. لكل فترة زمنية، يتم حساب λ استنادا إلى بيان درجة الحرارة. F. يتم تعريف نافذة 20 ق فيه التغير في درجة الحرارة ذات الصلة يمكن ملاحظتها. G. وبناء على نافذة زمنية محددة، يتم حساب متوسط والانحراف المعياري لλ. H. نتائج ممثل لاثنين من مختلف عينات أوراق N. تبغ. السهام البرتقالي وخطوط تشير إلى تأثير خطوات المعالجة المقابلة على البيانات المقدمة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
9. حساب من التوصيل الحراري للعينة ورقة
- حساب اح درجات الحرارةالامتحانات التنافسية الوطنية بين العينة ورقة والبيئة لكل ليالي 0.1 الفاصلة وفقا لمعادلة 10، حيث ΔT العاشر [ك] هو الفرق في درجة الحرارة، تي تي [° C] هو المجهزة درجة حرارة العينة ورقة وT 0 [° C] ل درجة حرارة الغرفة (الشكل 3E).
معادلة 10:
- نفترض أن الانخفاض في درجات الحرارة ويرجع ذلك إلى التأثير المشترك لنقل الحرارة الحمل الحراري والإشعاع الحراري والتوصيل الحراري. استخدام ميزان الطاقة المقابلة (المعادلة 11) كأساس لحساب λ، حيث ΔE درجة الحرارة [J] هو الفرق في الطاقة الحرارية من العينة عند نقطتين الوقت متتالية، ΔE راد [J] هو الفرق الطاقة المناسب للإشعاع الحراري، ΔE التحويل [J] هو الفرق الطاقة نظرا لانتقال الحرارة بالحمل، وΔ؛ E كوند [J] هو الفرق الطاقة بسبب التوصيل الحراري.
معادلة 11:
- استبدال بصفة عامة في توازن الطاقة مع الخصائص الفيزيائية الفعلية العائد معادلة 12، حيث ΔT ر [ك] هو الفرق في درجة حرارة العينة المجهزة ورقة، ε الابتعاثية الكمية اللابعدية، سيجما [كغ ق -3 ك -4] ستيفان ثابت -Boltzmann، وراد [م 2] مجال الاشعاع الحراري، ح [J ق -1 م -2 ك -1] والحمل الحراري معامل نقل الحرارة، والتحويل [م 2] مجال نقل الحرارة الحمل الحراري، وكوند [م 2] مجال التوصيل الحراري ول [م] طول مميزة.
معادلة 12:
- حساب شاراcteristic طول لتر على أساس علاقة: ل = V / A.
- استخدام ساخنة حجم العينة V S ومساحة المقطع العرضي للعينة ورقة لحساب A [م 2]. ومساحة الورقة مستعرضة يتوافق مع كوند وفقا لمعادلة 13، حيث A كوند هو المجال الذي يحدث التوصيل، ص الليزر هو شعاع بقعة الليزر ود ق هو سمك ورقة.
المعادلة (13):
- حساب وراد و A التحويل وفقا لمعادلة 14، حيث والليزر هو مجال بقعة الليزر.
معادلة 14:
- معادلات بديلة 9 و 12 و 13 إلى معادلة 11 وحل هذا الأخير لλ، مما أسفر عن معادلة 15 حيث t الليزر هو رانه نبضة ليزر مدة [ق].
معادلة 15:
- تحمل قيمة 0.94 لε وحساب λ عن كل فاصل زمني 0.1 حان الوقت خلال 20 ثانية الأولى من التعريف درجة الحرارة. متوسط 200 قيم λ الحصول عليها بهذه الطريقة وحساب الانحراف المعياري (الشكل 3F - H).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
قياس خصائص ورقة
باستخدام طريقة المجهري أعلاه، سمك ورقة من 0،22-0،29 × 10-3 م كان مصمما على حد سواء تبغ N. (0.25 ± 0.04 × 10-3 م، ن = 33) وbenthamiana N. (0.26 ± 0.02 × 10 - 3 م، ن = 24)، والتي على ما يرام داخل 0،20-0،33 × 10 - مجموعة م
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
و، طريقة القياس غير المدمرة خالية من الاتصال المذكورة أعلاه يمكن أن تستخدم لتحديد ج ص، ق وʎ بطريقة متزامنة وقابلة للتكرار. حساب ʎ على وجه الخصوص يعتمد على العديد من المعلمات التي تعتبر حساسة للأخطاء. ومع ذلك، كان تأثير هذه الأخطاء وجد إما خطية أو شبه النسبي، ومعامل الاختلاف لجميع المعلمات إلى أن تكون أقل من 10٪. على الرغم من أن طريقة يمكن بالتالي اعتبار قوية، ويمكن إجراء بعض التحسينات التقنية للحد من مصادر المتبقية من الخطأ.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين تضارب في المصالح للإفصاح عنها.
شكر وتقدير
يعرب المؤلفون عن امتنانهم للدكتور توماس راديماخر وإبراهيم العمدي لزراعة النباتات المستخدمة في هذه الدراسة. نود أن نشكر الدكتور ريتشارد إم تويمان على مساعدته في تحرير المخطوطة. تم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل منحة مجلس البحوث الأوروبي المتقدمة "Future-Pharma" ، الاقتراح رقم 269110 ، Fraunhofer Zukunftsstiftung (مؤسسة المستقبل) ، برامج Fraunhofer-Gesellschaft الداخلية بموجب المنحة رقم. اجذب 125-600164.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| أنبوب 1 " | أنبوب Thorlabs | SM1L10E | لحامل الألياف |
| Agarose | Sigma Aldrich | A0701 | عدسة |
| Agarose Bi-Convex f = 25.4 | Thorlabs | LB1761 | Lense |
| الرقمية المحمولة بصرية ؛ وحدة التحكم في عداد الطاقة والطاقة | Thorlabs | PM100D | لجهاز استشعار امتصاص السطح الحراري |
| راسم الذبذبات الفوسفور الرقمي | Tektronix | DPO7104 | راسم الذبذبات |
| DMR المجهر الخفيف | Leica | n.a.Light | المجهر |
| Falcon 50 مل أنابيب الطرد المركزي المخروطي | فيشر Scientific | 14-432-2 | Pycnometer |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | حامل ألياف الأسمدة |
| Thorlabs | حامل الألياف | ||
| Forma -86 &# 176 ؛ C ULT الفريزر | ThermoFisher | 88400 | فريزر |
| الدفيئة | n.a.n.a.لزراعة | النباتات | |
| Grodan Rockwool مكعبات 10 × 10 سم | Grodan | 102446 | كتلة الصوف الصخري |
| كاشف الأشعة تحت الحمراء Optris CT | Optris | OPTCTLT15 | كاشف الأشعة تحت الحمراء |
| برنامج كاشف الأشعة تحت الحمراء Compact Connect | Optris | n.a.Control | Software للكشف عن الأشعة تحت الحمراء |
| Lambda 1050 UV / Vis مقياس الطيف | PerkinElmer | L1050 | / VIS مقياس الطيف |
| ليزر 400 & mu ؛ م ، 1،550 ؛ وحدة توصيل نانومترية مبردة أحادية بار من الألياف | DILAS | M1F-SS2.1 | |
| غطاء ليزر | Amtron | LM200 | ليزر |
| ليزر | Amtron | CS 408 | Laser |
| Driver Osram أبيض بارد 36 واط | Osram | 4930440 | مصدر |
| الضوء مستشعر الثنائي الضوئي | مستشعر الطاقة Thorlabs | PDA20H-EC | لقياسات النقل |
| الوزن الدقيق Ohaus Analytical Plus | Ohaus | 80251552 | الوزن الدقيق |
| إطار العينة | Fraunhofer ILT | n.a.تثبيت | عينة الورقة |
| البرمجيات Pyro Control | Amtron | n.a.برنامج | التحكم بالطاقة |
| بالليزر حامل الفولاذ المقاوم | n.a.na.a | . | حامل لإعداد القياس |
| ألواح تفلون 2 سم | Fraunhofer ILT | n.a.Teflon | توهين |
| امتصاص السطح الحراري مستشعر الطاقة | Thorlabs | S314C | لقياسات طاقة الليزر |
| Vibratome | Leica | 1491200S001 | Vibratome |
| Zoc / Pro 6.51 | EmTec Innovative Software | n.a.Laser | Control Software |
المراجع
- Wilhelm, E. Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , Royal Society of Chemistry. 516(2010).
- Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. Thermography to explore plant-environment interactions. J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).
- Jayalakshmy, M. S., Philip, J. Thermophysical Properties of Plant Leaves and Their Influence on the Environment Temperature. International Journal of Thermophysics. 31, 2295-2304 (2010).
- Buyel, J. F. Process development strategies in plant molecular farming. Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).
- Schuster, A. C., et al. Effectiveness of cuticular transpiration barriers in a desert plant at controlling water loss at high temperatures. AoB PLANTS. 8, (2016).
- Parker, W. J., Jenkins, R. J., Abbott, G. L., Butler, C. P. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity. J Appl Phys. 32, 1679-1684 (1961).
- Hays, R. L. The thermal conductivity of leaves. Planta. 125, 281-287 (1975).
- Menzel, S., et al. Optimized blanching reduces the host cell protein content and substantially enhances the recovery and stability of two plant derived malaria vaccine candidates. Front. Plant Sci. , (2015).
- Buyel, J. F., Hubbuch, J., Fischer, R. Blanching intact leaves or heat precipitation in an agitated vessel or heat exchanger removes host cell proteins from tobacco extracts. J. Vis. Exp. , Under review (2015).
- Beiss, V., et al. Heat-precipitation allows the efficient purification of a functional plant-derived malaria transmission-blocking vaccine candidate fusion protein. Biotechnol. Bioeng. 112, 1297-1305 (2015).
- Buyel, J. F., Gruchow, H. M., Tödter, N., Wehner, M. Determination of the thermal properties of leaves by non-invasive contact free laser probing. J. Biotechnol. 217, 100-108 (2016).
- Buyel, J. F. Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact. Biochem. Eng. J. , (2015).
- Hedlund, H., Johansson, P. Heat capacity of birch determined by calorimetry: implications for the state of water in plants. Thermochim Acta. 349, 79-88 (2000).
- Chandrakanthi, M., Mehrotra, A. K., Hettiaratchi, J. P. A. Thermal conductivity of leaf compost used in biofilters: An experimental and theoretical investigation. Environ. Pollut. 136, 167-174 (2005).
- Larcher, W. Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , Springer Science & Business Media. (2003).
- Cowen, R. A gamma-ray burst's enduring fireball. Science News. 152, 197(1997).
- Jones, H. G., et al. Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field. Funct. Plant Biol. 36, 978-989 (2009).
- Defraeye, T., Verboven, P., Ho, Q. T., Nicolai, B. Convective heat and mass exchange predictions at leaf surfaces: Applications, methods and perspectives. Comput. Electron. Agric. 96, 180-201 (2013).
- Arndt, S. K., Irawan, A., Sanders, G. J. Apoplastic water fraction and rehydration techniques introduce significant errors in measurements of relative water content and osmotic potential in plant leaves. Physiol. Plant. 155, 355-368 (2015).
- Jones, H. G., Schofield, P. Thermal and other remote sensing of plant stress. General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).
- Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. Radiation measurement for plant ecophysiology. J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).
- Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues. Fuel. 115, 644-651 (2014).
- Chaerle, L., et al. Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue. Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).
- Hackl, H., Baresel, J. P., Mistele, B., Hu, Y., Schmidhalter, U. A Comparison of Plant Temperatures as Measured by Thermal Imaging and Infrared Thermometry. J. Agron. Crop. Sci. , 415-429 (2012).
- Yuan, L., et al. Spectral analysis of winter wheat leaves for detection and differentiation of diseases and insects. Field Crops Res. 156, 199-207 (2014).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
الوسوم
