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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die thermischen Eigenschaften von Blättern berührungslos zu bestimmen. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich des Molecular Farming zur prozessbegleitenden Kontrolle des Pflanzenwachstums und der Pflanzengesundheit zu beantworten. Die Hauptvorteile dieser Technik bestehen darin, dass sie berührungslos und schnell ist und die Probe nicht beschädigt.

Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die automatisierte Inspektion von Plantagen mit einem mobilen Detektor, um die Fütterung und Ernährung von Pflanze zu Pflanze zu definieren. Um mit dem Pflanzenanbau zu beginnen, spülen Sie die Mineralwolleblöcke mit jeweils ein bis zwei Litern entionisiertem Wasser und spülen Sie dann jeden Block mit einem Liter einer 0,1%igen Düngerlösung. Geben Sie einen Tabaksamen in jeden Block und spülen Sie ihn mit 250 Millilitern Düngerlösung ab, wobei Sie darauf achten, dass der Samen nicht weggespült wird.

Kultivieren Sie die Pflanzen sieben Wochen lang in einem Gewächshaus oder Phytotron. Sind die Pflanzen gewachsen, ernten Sie entweder intakte, unbeschädigte Einzelblätter für die Pflanzencharakterisierung oder verwenden Sie intakte Pflanzen. Um mit der Bestimmung der Blattdicke zu beginnen, bereiten Sie im Autoklaven 50 Milliliter einer Agaroselösung mit 2 Vol.-% und phosphatgepufferter Kochsalzlösung vor.

Lassen Sie die Lösung auf 40 Grad Celsius abkühlen und geben Sie die Lösung dann in eine Petrischale, die eine einzelne Blattprobe enthält. Kühlen Sie die Probe 30 Minuten lang bei vier Grad Celsius ab, um die Agarose zu verfestigen und das Blatt einzubetten. Schneiden Sie dann den Agaroseblock mit einem Vibratom in 200-Mikrometer-Scheiben.

Montieren Sie fünf quer verlaufende Flügelabschnitte auf einem Glasobjektträger mit Cyanacrylat. Verwenden Sie ein Mikroskop oder eine Messuhr, um die Dicke der aderfreien Bereiche der Blattprobe zu bestimmen. Verwenden Sie eine weitere einzelne Blattprobe in Wasser, um die Blattdichte mit einem Pyknometer zu bestimmen.

Als nächstes klemmen Sie ein weiteres einzelnes Blatt vor den Detektor in eine Probenkammer des UV-Vis-Spektralphotometers. Wählen Sie in der Spektralphotometer-Software ein Spektrum von 900 bis 1.600 Nanometern aus. Führen Sie den Scan durch und zeichnen Sie den Übertragungswert basierend auf der Spektralkurve auf.

Klemmen Sie dann den Blatt hinter den Detektor und wiederholen Sie den Scan. Bestimmen Sie den Reflexionswert aus der Spektralkurve. Erhalten Sie Transmissions- und Reflexionsmessungen von mindestens drei Blattproben.

Montieren Sie zunächst einen fasergekoppelten Einstab-Nahinfrarot-Diodenlaser mit einer Kapazität von 1.550 Nanometern in den Kegel. Befestigen Sie dann eine bikonvexe Linse mit einer Brennweite von 25,4 Millimetern am Ende des Konus. Klemmen Sie einen Konus mit einem Durchmesser von 25,4 Millimetern und einer Edelstahlhalterung an ein Laborstativ.

Platzieren Sie einen Neutraldichtefilter mit einer optischen Dichte von 1,0 in einer 22 Millimeter dicken Keramikplatte über dem Zensor, um den Laserstrahl zu dämpfen. Montieren Sie einen Fotodioden-Leistungssensor 354 Millimeter unter der Unterseite des Objektivs. Schließen Sie den Leistungssensor der Fotodiode an ein Oszilloskop an.

Befestigen Sie einen 10 Zentimeter x 10 Zentimeter großen Rahmen mit einem sechs Zentimeter x sechs Zentimeter großen Probenbelichtungsbereich 308 Millimeter unterhalb des Objektivs. Montieren Sie den Detektor 135 Millimeter über dem keramischen Dämpfungsglied. Schließen Sie einen Nah-IR-Detektor an einen Computer an und bereiten Sie die Software vor.

Setzen Sie eine Absorberplatte auf das Blatt und schalten Sie den Laser ein. Stellen Sie den Detektorwinkel auf 45 Grad relativ zum Laserstrahl ein. Fahren Sie mit der Einstellung des Detektorwinkels und der Höhe fort, bis der maximale Temperaturmesswert erreicht ist.

Wählen Sie in der Lasersteuerungssoftware die Option Leistungssteuerung aus. Stellen Sie die Ausgangsleistung des Lasers auf fünf Watt und die Pulsdauer auf 0,5 Sekunden ein. Um mit den Messungen zu beginnen, bringen Sie entweder eine ganze Pflanze zum Messgerät oder ernten Sie ganze, unbeschädigte einzelne Blätter.

Montieren Sie die Blattprobe sofort in den Rahmen und achten Sie darauf, das Blatt nicht zu beschädigen. Lassen Sie das Blatt nicht mit dem keramischen Dämpfungsglied in Berührung kommen. Starten Sie in der Nah-IR-Software eine neue 60-Sekunden-Messung.

Zeichnen Sie das Basistemperaturprofil 10 Sekunden lang auf, bevor Sie einen einzelnen Laserpuls von 0,5 Sekunden aktivieren. Fahren Sie mit der Datenaufzeichnung für die verbleibenden 49,5 Sekunden fort. Wenn die Messung abgeschlossen ist, klicken Sie auf die Stopp-Schaltfläche über dem thermischen Profil und speichern Sie dann das Profil.

Exportieren Sie die Rohzeit- und Temperaturdaten als Dot-dat-Datei für die weitere Analyse. Ermitteln Sie dann in der Oszilloskop-Software die Flankenhöhen im Spannungsprofil, die während des Laserpulses automatisch erfasst wurden. Wiederholen Sie die Messung des Temperaturprofils mit einem einzigen Laserpuls von 0,5 Sekunden für jede Probe.

Wiederholen Sie dann die Lasersignalmessung ohne eine Blattprobe als Referenz. Ermitteln Sie aus diesem Spannungsprofil die Flankenhöhen und berechnen Sie die Übertragungswerte für jede Probe. Verwenden Sie eine Tabellenkalkulationssoftware, um die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Proben zu berechnen und grafisch darzustellen.

Einzelne Blattproben der Pflanzenarten Nicotiana tabacum, bekannt als Tabak, und Nicotiana benthamiana wurden mit dieser Methode analysiert. Beide Spezies zeigten einen schnellen Anstieg auf die maximale Temperatur in weniger als einer Sekunde als Reaktion auf den Laserpuls, gefolgt von einem exponentiellen Abfall der Umgebungstemperatur. Die spezifischen Wärmekapazitäts- und Wärmeleitfähigkeitswerte wurden für beide Arten aus Blättern berechnet, die an der Unter-, Mittel- und Oberseite der Pflanze gesammelt wurden.

Bei beiden Arten wurde eine Zunahme der Wärmeleitfähigkeit der Blätter weiter oben in der Pflanze beobachtet, während Nicotiana tabacum einen umgekehrten Trend in der spezifischen Wärmekapazität zeigte. Bei Nicotiana tabacum wurde keine Korrelation zwischen der Kultivierungsdauer und der Wärmeleitfähigkeit beobachtet. Darüber hinaus wurde bei Nicotiana benthamiana keine Korrelation zwischen den Anbaubedingungen und den thermischen Eigenschaften beobachtet.

Es wurde der Einfluss einzelner Variablen auf die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit von Nicotiana benthamiana war sehr empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur. Die spezifische Wärmekapazität war nicht signifikant empfindlich gegenüber einem der Parameter, die in ihre Berechnung einflossen.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in wenigen Minuten pro Probe durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, den Flügel mit der angegebenen Präzision korrekt zu montieren, um qualitativ hochwertige Messungen und reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie Fluoreszenzmessungen durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen wie die rekombinante Proteinexpression zu beantworten.

Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Pflanzenbiotechnologie, um das Pflanzenwachstum bei Nicotiana-Arten zu erforschen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Blättern berührungslos und zerstörungsfrei bestimmen können. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern für Ihre Augen gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer geeigneten Schutzbrille getroffen werden sollten.