Methodenartikel

Ein Rapid-Laser Probing Verfahren erleichtert die Nicht-invasive und berührungslose Bestimmung der Blatt Thermische Eigenschaften

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DOI:

10.3791/54835

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7. Januar 2017

 ,  , 
1Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., 2Institute for Molecular Biotechnology, RWTH Aachen University, 3Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Es wurde eine Methode entwickelt, um die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Blattgewebe durch nicht-invasive, berührungslose Nahinfrarot-Lasersondierung zu bestimmen, die weniger als 1 Minute pro Probe benötigt.

Zusammenfassung

Pflanzen können wertvolle Substanzen wie sekundäre Stoffwechselprodukte und rekombinante Proteine ​​produzieren. Die Reinigung des letzteren aus pflanzlicher Biomasse kann durch Wärmebehandlung (Blanchieren) rationalisiert werden. A Blanchierens Vorrichtung kann genauer gestaltet werden , wenn die thermischen Eigenschaften der Blätter im Detail, dh der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit bekannt sind. Die Messung dieser Eigenschaften ist zeitaufwendig und arbeitsintensiv und erfordert in der Regel invasive Methoden, die die Probe direkt in Verbindung. Dies kann die Produktausbeute verringern und kann mit Contain Anforderungen, zum Beispiel im Rahmen der guten Herstellungspraxis unvereinbar. Um diese Probleme anzugehen, eine nicht-invasive, berührungslose Verfahren entwickelt, dass die spezifische Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit eines intakten Pflanzenblatt in etwa einer Minute bestimmt. Das Verfahren beinhaltet die Anwendung eines kurzen Laserimpuls von definierter Länge und Intensität auf einen kleinen Bereich derBlattprobe, um einen Temperaturanstieg verursacht, der einen nahen Infrarotsensor gemessen wird. Die Temperaturerhöhung wird mit bekannten Blatteigenschaften (Dicke und Dichte) kombiniert, um die spezifische Wärmekapazität zu bestimmen. Die Wärmeleitfähigkeit wird dann basierend auf dem Profil des anschließenden Temperaturabfalls berechnet, Wärmestrahlung und konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt wird. Die dazugehörigen Berechnungen und kritische Aspekte der Handhabung der Proben werden diskutiert.

Einleitung

Die groß angelegte Verarbeitung von biologischen Materialien erfordert häufig Wärmebehandlungsschritte wie Pasteurisierung. Die Ausrüstung für solche Verfahren kann genauer gestaltet werden , wenn die thermischen Eigenschaften der biologischen Materialien gut charakterisiert sind, einschließlich der spezifischen Wärmekapazität (C p, s) und der Wärmeleitfähigkeit (λ). Diese Parameter können leicht für Flüssigkeiten, Suspensionen und Homogenate von 1 Kalorimetrie bestimmt werden. Allerdings Messung solcher Parameter in festen Proben können arbeitsintensiv sein und erfordert oft einen direkten Kontakt mit der Probe oder sogar die Zerstörung 2. Beispielsweise erfordern Lichtwärmeumsetzmaterial Techniken direkten Kontakt zwischen der Probe und dem Detektor 3. Solche Einschränkungen sind während der Lebensmittelverarbeitung akzeptabel, aber mit stark regulierten Prozesse wie die Produktion von biopharmazeutischen Proteinen in Pflanzen im Rahmen der guten Herstellungs unvereinbar sind Praxis 4. ichn einem solchen Kontext wiederholt (beispielsweise wöchentlich) Überwachung der thermischen Eigenschaften kann während einer siebenwöchigen Wachstumsperiode für einzelne Pflanzen als Qualitätskontrollwerkzeug erforderlich. Wenn eine solche Überwachung erfordern würde und verbrauchen ein Blatt für jede Messung, gäbe es keine Biomasse übrig bleiben zum Zeitpunkt der Ernte verarbeitet werden.

Zusätzlich nur mit Blattteilen anstatt auf die Pflanze Verwundung und das Risiko einer Nekrose oder Pathogeninfektion erhöhen würde dazu führen, was wiederum die Prozessausbeute verringert. Die Wahrscheinlichkeit der Pathogen-Infektion kann auch erhöhen, wenn ein Verfahren mit direktem Kontakt zu der Probe verwendet werden würde, zu induzieren, das Risiko, dass eine gesamte Charge von Pflanzen kann mit einem kontaminierten Sensoreinrichtung durch Kontakt infiziert werden. Ähnliche Aspekte müssen berücksichtigt werden für die Überwachung der Anlage , wie Dürre betont, zum Beispiel in einem ökophysiologische Kontext. Beispielsweise wird der Wasserverlust oft durch eine Änderung in der frischen Biomasse überwacht, die ein invasives tre erfordertatment der Pflanzen untersuchten 5, beispielsweise ein Blatt sezieren. Stattdessen wird die spezifische Wärmekapazität zu bestimmen, die auf der Wassergehalt einer Probe, wie hier beschreiben, in einem nicht-invasive Art und Weise abhängt, kann als Surrogatparameter für den Hydratationsstatus von Anlagen verwendet werden. In beiden Szenarien (pharmazeutische Produktion und Ökophysiologie), induzierte künstliche Spannungen, die durch destruktive oder invasive Messtechniken wäre schädlich, da sie die experimentellen Daten verzerren können. Daher zuvor berichtet Blitzverfahren 6 oder die Platzierung von Proben zwischen Silberplatten 7 sind ungeeignet für solche Verfahren und Experimente , weil sie entweder einen direkten Kontakt zu der Probe erfordern oder zerstörend sind. Die Parameter c p, s und λ müssen, um die Ausrüstung für eine blanchiert Schritt zu entwerfen bestimmt werden , die Produktreinigung vereinfachen und somit die Herstellungskosten 8-10 reduzieren. Sowohl cp, s und λ kann nun schnell durch berührungslose zerstörungs nahen Infrarot (NIR) Laser in konsistenter und reproduzierbarer Weise Sondieren 11 bestimmt werden und dieses neue Verfahren wird im Detail nachstehend erläutert. Die Ergebnisse mit diesem Verfahren erhalten wurden , wurden erfolgreich eingesetzt , die Wärmeübertragung zu simulieren , in Tabak 12 verlässt, so dass die Gestaltung geeigneter Verarbeitungsgeräte und die Auswahl der Parameter, wie die Blanchierung Temperatur entspricht.

Das Verfahren ist einfach einzurichten (Abbildung 1) und hat zwei Phasen, Messung und Analyse, von denen jede zwei wichtige Schritte umfasst. In der Messphase wird zunächst eine Blattprobe lokal durch einen kurzen Laserpuls aufgeheizt und die maximale Probentemperatur aufgezeichnet. Das Temperaturprofil der Probe wird dann für eine Dauer von 50 s aufgezeichnet. In der Analysephase Blatteigenschaften wie Dichte (leicht und genau durch pyknometrische Measurem bestimmtent) mit dem maximalen Probentemperatur kombiniert c p, s berechnen. Im zweiten Schritt wird die Blatttemperaturprofil als Eingang für eine Energiebilanzgleichung unter Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung in Betracht, verwendet λ zu berechnen.

Detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitungen sind im Protokollabschnitt, der an dem Inhalt des zugehörigen Video erweitert. Typische Messungen werden dann im Ergebnisteil gezeigt. Schließlich werden die Vorteile und Grenzen des Verfahrens sind, zusammen mit potenziellen Verbesserungen und weitere Anwendungen in der Diskussion Abschnitt hervorgehoben.

figure-introduction-1
Abbildung 1: Verwendetes Gerät Blatt thermischen Eigenschaften zu bestimmen. A. Fotografie der Messvorrichtung verwendet, um die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von le zu bestimmenAves. Die Peripheriegeräte (Computer, Oszilloskop) sind nicht gezeigt. B. Schematische Darstellung der Messvorrichtung. Der Laser und die angeschlossenen Geräte in Rot markiert sind, wird der NIR-Detektor für die Temperaturmessung in lila dargestellt, ist die Blattprobe grün und die Photodiode Leistungssensor ist blau. C. Zeichnung der Elemente des Messaufbaus mit dem gleichen Farbcode wie in B. Die Größe Balken zeigt 0,1 m. D. Screenshot illustriert die typischen Elemente der Lasersteuerungssoftware. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Protokoll

1. Pflanzenbau und Probenvorbereitung

  1. Schreibt jede Mineralwolle-Block mit 1-2 l entsalztem Wasser und anschließend mit 1 l von 0,1% [m / v] Düngemittellösung. Legen Sie ein Tabak (Nicotiana tabacum oder N. benthamiana) Samen in jedem Block und sanft bündig mit 0,25 l Düngerlösung ohne den Samen Waschen entfernt.
  2. Pflegen Sie die Pflanzen für 7 Wochen in einem Gewächshaus oder Phytotron mit 70% relativer Luftfeuchtigkeit, eine 16-h - Photoperiode (180 & mgr; mol s - 1 m - 2; λ = 400-700 nm) und einem 25/22 ° C Hell / Dunkel - Temperatur Regime.
  3. Verschieben Sie die Pflanzen an der Messvorrichtung. Wenn die Pflanzen sind unbeweglich, Ernte Einzelblätter für die Messung der thermischen Eigenschaften.

2. Bestimmen Sie Blatt Dicke und Dichte

  1. Bestimmen Sie die Blattdicke
    1. Vorbereiten eines 2% [m / v] Agarose-Lösung in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) undAutoklaven es. Lassen Sie die Lösung abkühlen auf 40 ° C und betten eine Blattprobe in einer Petrischale gelegt. Verfestigen der Agarose von der Petrischale platziert für 30 min in einem Kühlschrank bei 4 ° C.
    2. Schneiden Sie die Agarose-Block in 200 & mgr; m Scheiben ein Vibratom mit einer Rasierklinge Schnittwinkel von 15 ° verwendet wird. Verwenden einer Schneidgeschwindigkeit von 1,0 mm s -1 und einer Amplitude von 0,5 mm.
    3. Mount fünf transversal Blattstücke auf einem Glasobjektträger unter Verwendung von Cyanacrylat als Fixateur. Bestimmen Sie die Blattdicke unter einem Mikroskop mit einem 20 × Objektiv und einem Okular mit 10-facher Vergrößerung, mit Hilfe der Messwerkzeuge in die Mikroskop-Software gebaut nach den Anweisungen des Herstellers.
    4. Bestimmen Sie die Blattdicken in Probenbereiche ohne Adern.
    5. Alternativ bestimmen die Blattdicke mit einem Zifferblatt-Gauge in eine Vene freien Bereich der Blattspreite. Sicherstellen, dass das Zifferblatt-gauge senkrecht zur Ebene der Blattspreite gehalten.
      CAUTION: Cyanacrylat ist hautreizend und kann auch die Finger zusammenkleben, wenn nicht mit Sorgfalt behandelt.
  2. Bestimmen Sie die Blattdichte
    1. Bestimmen Sie die Leermasse (m 0) eines trockenen Pyknometers, dann mit Wasser füllen und zu bestimmen , um die Masse wieder (m 1). Trocknen Sie die Pyknometer vollständig, legen Sie ein Blatt innerhalb und bestimmen die Masse (m 2) noch einmal. Mit dem Blatt nach innen, füllen Das Pyknometer wird mit Wasser und Bestimmung der Masse (m 3).
    2. Berechnen Sie die Blattdichte (Ps) unter Verwendung der Gleichung 1.
      Gleichung 1: figure-protocol-1

3. Bestimmen Sie die spektrale Transmission und Reflexion der Blätter

  1. Legen Sie ein Blatt in der Probenkammer eines UV / VIS-Spektrophotometer, indem sie zwischen Probe-Halteklammern fixieren. Für die Übertragung Messungen die Blatt vor dem det ector. Für Reflexionsmessungen legen Sie das Blatt an der Rückseite der Detektionskammer.
  2. Starten Sie das Spektralphotometer Steuerungssoftware. Wählen Sie ein Spektrum von 900 nm bis 1600 nm. Starten Sie einen neuen Scan und notieren Sie die Werte für die Übertragung (μ T) und Reflexion (μ R) angezeigt durch UV / VIS - Spektrophotometer - Software, basierend auf der spektralen Kurve.
  3. Führen Sie alle Messungen mit mindestens drei biologischen Replikaten. Erhöhen der Anzahl der biologischen Replikaten auf fünf oder mehr , wenn ein heterogenes Probenqualität erwartet werden kann, dh Variation in Blattoberflächenmorphologie und Dicke.
  4. Berechnen der Leistung für die Übertragung (P T) und Reflexion (P R) von den gemessenen μ T oder R μ Werte multipliziert mit der gemessenen Laserleistung P Laser gemäß den Gleichungen 2 und 3.
    Gleichung 2:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg "/>
    Gleichung 3: figure-protocol-2
    HINWEIS: Die Übertragung kann auch mit einem Photodiodensensor während der Messung (siehe 6.3) bestimmt werden.

4. Die Messvorrichtung einrichten

  1. Montieren eines fasergekoppelten Einzel bar NIR-Diodenlaser (Wellenlänge = 1,550 nm) in einem 25,4-mm-Durchmesser Kegel auf einem Edelstahlhalter. Schließen Sie einen Regler die Ausgangsleistung (P Laser) des NIR - Laser 4-6 W. einstellen
  2. Legen Sie eine bi-konvexe Linse mit einer Brennweite von 25,4 mm am Ende des Kegels, die Strahlbreite auf 13 mm einzustellen.
  3. Setzen Sie eine Fotodiode Leistungssensor 354 mm unterhalb der Unterseite der Linse. Dann dämpfen die Photodiode durch einen Neutraldichtefilter mit einer optischen Dichte von 1,0 platzieren und einen 22 mm-Keramikschicht über dem Sensor.
  4. Schließen Sie die Photodiode Leistungssensor mit einem Oszilloskop ein Koaxialkabel.
  5. Verbindenein 10 x 10 cm Rahmen, der eine 6 × 6 cm Probenbelichtungsbereich mit dem Gerüst des Messaufbaus in einer Höhe von 308 mm unterhalb der Linse (1) hat. Befestigen Sie das Blatt Position im Raum, indem sie in den 10 x 10 cm Rahmenmontage.
  6. Schließen Sie einen NIR-Detektor mit einem Personalcomputer einen Universal Serial Bus (USB) Kabel und die Software-Schnittstelle für den Detektor installieren.
  7. Platzieren Sie den Detektor in einem 45 ° Winkel zu dem Laserstrahl 135 mm über der Keramikschicht. Richten den Messbereich des Detektors zu dem Laserflecks auf der Probe durch Variation der Sensorposition und der Winkel, bis die maximale Temperatursignal beobachtet wird.
  8. Verwenden, um die Laser-Steuerschnittstellen-Software die Ausgangslaserleistung 5 W und die Dauer des Laserimpulses auf 0,5 s einzustellen. Wählen Sie die "Stromregelung" Befehl in der Steuerungsoptionen Fenster unterhalb der grafischen Darstellung der Laserleistung und stellen Sie die Laserleistung von "5" in den & # eingeben34; Leistung [W] ". Feld Stellen Sie die Laserpulsdauer durch Eingabe von" 0,5 "in die" Zeit [s] "ein.
  9. Um die absolute Laserleistung für jeden Satz von Experimenten bestimmen, ersetzen Sie die Fotodiode Leistungssensor mit einer thermischen Flächenabsorber Leistungssensor am Ende eines jeden Satzes von Experimenten und messen die Laserausgangsleistung für 20 s ohne Probe.

5. Bereiten Sie die Blattproben

  1. Verwenden Sie intakt und unbeschädigte Blätter für die Messungen.
  2. Falls für die Untersuchung, imitieren typische Arten Blattschäden durch das Blatt mit einem Skalpell Piercing, reibt das Blatt zwischen Latex-Handschuhe, Aussetzen des Blattes in eine offene Flamme oder ein Laserstrahl für 2-3 s oder andere Techniken verwenden, um andere zu simulieren Arten von Schäden.
  3. Vorsichtig aber schnell die Blattprobe zwischen Probe-Halteklammern befestigen.

6. Nehmen Sie die Temperaturmessung

  1. Vermeiden Sie den direkten Kontakt zwischen dem Blatt und der KeramikDämpfungsglied über der Photodiode Sensor platziert künstliche Wärmeübertragung zu verhindern , die mit der Berechnung von c p, s und λ (siehe Abschnitt 9) stört.
  2. Verwenden, um die Temperaturmessung Software das Temperaturprofil der Blattprobe für insgesamt 60 s über den NIR-Detektor zu sammeln. Zunächst wird die Temperatur Grundlage für 10 s aufzuzeichnen, dann aktivieren Sie den Laser für 0,5 s und die Datensammlung für 49,5 s weiter.
    1. Starten Sie eine Messung durch "Messen" und dann "New Measurement" klicken. Danach klicken Sie auf den grünen Pfeil über der grafischen Darstellung des thermischen Profils. Speichern Sie das Temperaturprofil, indem Sie auf das Symbol "Speichern" klicken (eine stilisierte Platte) über die grafische Darstellung des Profils.
  3. Bestätigen Sie die übertragenen Laserleistung mit Hilfe der Photodiode Leistungssensor durch die Differenz in der Signal für Messungen mit der Berechnung und ohne Blattprobe mit einem Oszilloskop verbundenan die Photodiode Leistungssensor über ein Koaxialkabel (Abbildung 2).
    1. Bestimmen die Höhe der beiden Flanken (f 1, f 2 S und, S) in dem Spannungsverlauf mit dem Oszilloskop erfasst.
    2. Wiederholen Sie die Messung ohne Blattprobe als Referenz (f 1,0 und f 2,0). Berechnen Übertragungs μ T als das Verhältnis dieser Messungen gemäß Gleichung 4 (siehe auch 2).
      Gleichung 4: figure-protocol-3

figure-protocol-4
Abbildung 2: Messblatt Übertragung einer Photodiode Stromsensor. A. Typische Spannungsprofil für einen Referenzversuch ohne eine Blattprobe visualisiert mit einem Oszilloskop. B. Spannungsprofilmit einer Blattprobe in der Vorrichtung montiert. In beiden Fällen ist die transmittierte Laserleistung auf jeder der beiden Flanken proportional. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

7. Berechnen Sie die spezifische Wärmekapazität des Blattprobe

  1. Berechne die maximale Temperaturdifferenz & Delta; T [K] während des Laserpulses durch die Raumtemperatur T Subtrahieren 0 [K] aus dem maximalen Blatttemperatur T ma x [K] (Gleichung 5).
    Gleichung 5: figure-protocol-5
  2. Berechne die durch eine Blatt absorbierte Energie (E S [J]) basierend auf der effektiven Laserleistung und Laserpulsdauer (Gleichung 6), wobei P R [W] ist das reflektierte Laserleistung und P T [W] ist das übertragene Laser Power.
    Equation 6: figure-protocol-6
  3. Berechnen der Masse des erhitzten Blattfläche (m S [kg]) unter Verwendung von Gleichung 7, wobei d S [m] ist die Blattdicke nach 2.1), r Laser [m] der Radius des Laserflecks, V S [ m 3] die erhitzte Blattvolumen und ρ S [kg m -3] ist die Blattdichte gemäß 2.2).
    Gleichung 7: figure-protocol-7
  4. Berechnen c p, s [J kg -1 K -1] nach Gleichung 8 durch die absorbierte Energie E S dividiert durch das Produkt aus der erhitzten Blattfläche Masse m S und die maximale Temperaturdifferenz & Delta; T.
    Gleichung 8: figure-protocol-8

8. Bereiten Sie die Temperaturprofildaten für ThermBerechnungen al Leitfähigkeit

  1. Verwenden Sie den Befehl "Export" der NIR-Sensor Control Software, die Zeit und die Temperatur Rohdaten als * .dat-Datei und öffnen Sie die Datei in einem Tabellenkalkulationsprozessor zu exportieren.
  2. Anwenden 1: 100 Datenreduktion, beispielsweise unter Verwendung eines "IF (MOD (Value; 100) = 0;" x "," 0 ")" -Befehl, was zu einer Datendichte von einem Datenpunkt pro 0,1 s.
  3. Berechne den Mittelwert T B Basistemperatur [° C] für jeden Temperaturprofil über den ersten 10 s einer Messung, während der der Laser noch ausgeschaltet war. Dann berechnet man die Differenz zwischen T B und der tatsächlichen Umgebungstemperatur T 0 [° C].
  4. Verwenden Sie diese Differenz individuell jedes Profil normalisieren , indem sie in Richtung T 0 (y-Normalisierung) verschoben wird , zB wenn T B - T 0 = 2,0 K, subtrahieren dann 2,0 K von jedem Temperaturwert im Temperatur profile (3A).
  5. Normalisieren der Zeitkoordinate jedes Temperaturprofil (x-Normalisierung) von jedem Datenpunkt , bevor die maximale Probentemperatur (T max) zu löschen , und weisen neue Zeitwerte bei t = 0 für T max (3B).
  6. Bildschirm jedes Profil für plötzliche Temperaturverschiebungen, dh Temperaturunterschiede , die mehr als das Dreifache der Grundrauschpegel sind, die typischerweise 3 × 0,31 K ≈ 1,0 K. diese Regionen aus dem Datensatz entfernen , weil sie entsprechen Artefakte Messung (3C ).
  7. Setzen Sie einen exponentiellen Abfall - Funktion (Gleichung 9) auf die Daten einer Tabelle Prozessor, wobei T t [K] ist die Einbaublattprobentemperatur zum Zeitpunkt t [s], 0 T die Umgebungstemperatur, A [K] wird die Amplitude und t 1 [s] die Zerfallskonstante (Abbildung3D).
    Gleichung 9: figure-protocol-9
  8. Verwenden Sie die Funktion ausgestattet, die Temperatur Rückgang der Blattprobe 0-80 s nach dem Laserpuls zu berechnen.
  9. Verwandeln Sie die Temperaturdaten gemessen in [° C] in die [K] Maßstab durch einen Wert von 273,15 jeder Temperaturdatenpunkt Hinzufügen (Abbildung 3E).

figure-protocol-10
Abbildung 3: Datenverarbeitungsschema für die Berechnung von λ. A. Nach der Datenreduktion, sind die Temperaturprofile auf die Umgebungstemperatur normalisiert. B. Als nächstes entfernt werden alle Datenpunkte , bevor die maximale Probentemperatur (T max). C. Messartefakte (in der "inkonsistent" Datensatz gezeigt) auf Temperatur identifiziert basierend verschiebt größer als threie fache der Basislinienrauschen und aus dem Datensatz vor der Montage einer Exponentialfunktion entfernt. D. Die Celsius-Temperaturskala ist in der Kelvin-Skala umgewandelt. E. Für jedes Zeitintervall wird λ berechnet basierend auf dem Temperaturprofil. F. Ein Fenster von 20 s, bei der eine relevante Temperaturänderung definiert beobachtet werden kann. G. Basierend auf der ausgewählten Zeitfenster werden der Mittelwert und die Standardabweichung für λ berechnet. H. Repräsentative Ergebnisse für zwei verschiedene N. tabacum Blattproben. Orange Pfeilen und Linien zeigen die Wirkung des entsprechenden Verarbeitungsschritts auf den vorgestellten Daten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

9. Berechnung der Wärmeleitfähigkeit des Blattprobe

  1. Berechnen Sie die Temperatur difference zwischen der Blattprobe und der Umgebung für jeden 0,1-s - Intervall gemäß Gleichung 10, wobei & Delta; T x [K] ist die Temperaturdifferenz, T t [° C] ist die Einbaublattprobentemperatur und T 0 [° C] die Umgebungstemperatur (Figur 3E).
    Gleichung 10: figure-protocol-11
  2. Es sei angenommen, dass der Rückgang der Temperatur auf die kombinierte Wirkung der konvektive Wärmeübertragung, Wärmestrahlung und Wärmeleitung zurückzuführen ist. Verwenden , um die entsprechende Energiebilanz (Gleichung 11) als Grundlage für die Berechnung von λ, wobei & Delta; E Temp [J] ist der Unterschied in der Wärmeenergie der Probe bei zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten & Delta; E rad [J] ist die Energiedifferenz durch Wärmestrahlung, ist & Delta; E conv [J] die Energiedifferenz durch konvektive Wärmeübertragung und Δ; E cond [J] ist die Energiedifferenz aufgrund der Wärmeleitung.
    Gleichung 11: figure-protocol-12
  3. Ersetzen Sie die Allgemeinen Geschäfts in der Energiebilanz mit den tatsächlichen Eigenschaften physikalischen Gleichung ergibt 12, wobei & Delta; T t [K] ist der Unterschied in Einbaublattprobentemperatur, ε der einheitslose Emissivität, σ [kg s -3 K -4] die Stefan -Boltzmann konstante, A rad [m 2] der Bereich der Wärmestrahlung, h [J s -1 m -2 K -1] die Konvektionswärmeübergangskoeffizienten, A CONV [m 2] der Bereich der konvektiven Wärmeübertragung, A cond [m 2] der Bereich der Wärmeleitung und l [m] der charakteristischen Länge.
    Gleichung 12:
    figure-protocol-13
  4. Berechnen Sie die characteristic Länge l basierend auf der Korrelation: L = V / A.
  5. Verwenden des erhitzten V S Probenvolumen und die Querschnittsfläche der Blattprobe A [m 2] zu berechnen. Die Querschnittsblattfläche entspricht A cond nach Gleichung 13, wobei A cond ist das Gebiet , wo Leitungs auftritt, r Laser ist der Radius des Laserflecks und d s die Blattdicke.
    Gleichung 13: figure-protocol-14
  6. Berechnen Sie eine Rad - und A konv gemäß Gleichung 14, wobei ein Laser die Fläche des Laserspots ist.
    Gleichung 14: figure-protocol-15
  7. Substitute Gleichungen 9, 12 und 13 in die Gleichung 11 und die letztere für λ zu lösen, wodurch man 15 Equation wo t t Laser ister Laserpulsdauer [s].
    Gleichung 15:
    figure-protocol-16
  8. Angenommen , ein Wert von 0,94 für ε und berechnen λ für jede 0,1-s Zeitintervall in den ersten 20 s des Temperaturprofils. Der Mittelwert der 200 Werte für λ auf diese Weise erhalten und berechnen Sie die Standardabweichung (3F - H).

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Ergebnisse

Die Messung der Blatteigenschaften

Unter Verwendung der obigen mikroskopischen Methode, eine Blattdicke von 0,22 bis 0,29 × 10 - 3 m wurde für beide N. tabacum (0,25 ± 0,04 × 10 - 3 m, n = 33) bestimmt und N. benthamiana (0,26 ± 0,02 × 10 - 3 m, n = 24), die innerhalb der 0,20 bis 0,33 × 10 gut ist - 3 m B...

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Diskussion

Die berührungslose, zerstörungsfreie Messung oben beschriebene Verfahren kann verwendet werden , c p, s und ʎ in einer simultanen und reproduzierbar zu bestimmen. Die Berechnung der ʎ insbesondere hängt von mehreren Parametern, die zu Fehlern empfindlich sind. Dennoch war die Wirkung dieser Fehler entweder linear oder Unter proportional, und der Variationskoeffizient für alle Parameter weniger als 10% festgestellt wurde. Obwohl das Verfahren somit als robust angesehen werden können, können einige tec...

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Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Danksagungen

Die Autoren danken Dr. Thomas Rademacher und Ibrahim Al Amedi für die Kultivierung der in dieser Studie verwendeten Pflanzen. Wir danken Dr. Richard M. Twyman für seine Unterstützung bei der Bearbeitung des Manuskripts. Diese Arbeit wurde teilweise gefördert durch den European Research Council Advanced Grant »Future-Pharma«, Fördernummer 269110, die Fraunhofer Zukunftsstiftung, die Fraunhofer-Gesellschaft Interne Programme unter der Fördernummer 269110. Ziehen Sie 125-600164 an.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1" RohrThorlabsSM1L10ERohr für Faserhalter
AgaroseSigma AldrichA0701Agarose
Bi-Konvexe Linse f=25.4ThorlabsLB1761Objektiv
Digital Handheld Optik  Leistungs- und EnergiezählerkonsoleThorlabsPM100DKonsole für thermischen Oberflächenabsorbersensor
Digitales Phosphor-OszilloskopTektronixDPO7104Oszilloskop
DMR-LichtmikroskopLeican.a.Lichtmikroskop
Falcon 50 mL Konische ZentrifugenröhrchenFisher Scientific14-432-2Pyknometer
Ferty 2 MegaKammlott5.220072Düngemittelfaserhalter
ThorlabsFaserhalter
Forma -86 ° C ULT GefrierschrankThermoFisher88400Tiefkühlschrank
Gewächshausn.a.n.a.Fürden Pflanzenanbau
Grodan Steinwolle Würfel 10 x 10 cmGrodan102446Steinwolle Block
Infrarotdetektor Optris CTOptrisOPTCTLT15Infrarotdetektor
Infrarotdetektor Software Compact ConnectOptrisn.a.Steuerungssoftware für Infrarotdetektor
Lambda 1050 UV/Vis SpektralphotometerPerkinElmerL1050UV/VIS Spektralphotometer
Laser 400 μ m, 1.550  nm konduktionsgekühltes fasergekoppeltes Modul mit einem StabDILASM1F-SS2.1Laser
LaserabdeckungAmtronLM200Laser Cover
Lasertreiber  AmtronCS 408Laser Driver
Osram kaltweiß 36 WOsram4930440Lichtquelle
Photodiode Sensor ThorlabsPDA20H-ECLeistungssensor für Transmissionsmessungen
Präzisionsgewicht Ohaus Analytical PlusOhaus80251552Präzisionsgewicht
ProbenrahmenFraunhofer ILTn.a.Fixierungder Blattprobe
Software Pyro ControlAmtronn.a.LaserPower Control Software
Edelstahl-Haltern.a.n.a.Halterung für Messaufbau
Teflonplatten 2 cmFraunhofer ILTn.a.Teflondämpfung
Thermischer Oberflächenabsorber LeistungssensorThorlabsS314CSensor für Laserleistungsmessungen
VibratomeLeica1491200S001Vibratome
Zoc/Pro 6.51 EmTec Innovative Softwaren.a.Lasersteuerungssoftware 

Referenzen

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