Name: Un laser rapide Probing Méthode Facilite la détermination non-invasive et sans contact des feuilles Propriétés thermiques (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-07T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Découvrez une méthode de sondage laser infrarouge rapide pour mesurer sans contact les propriétés thermiques des feuilles. Cette technique non invasive permet d'évaluer la santé des plantes en moins d'une minute.

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Les auteurs remercient le Dr Thomas Rademacher et Ibrahim Al Amedi d’avoir cultivé les plantes utilisées dans cette étude. Nous tenons à remercier le Dr Richard M. Twyman pour son aide dans la révision du manuscrit. Ce travail a été en partie financé par la bourse avancée du Conseil européen de la recherche « Future-Pharma », proposition numéro 269110, la Fraunhofer Zukunftsstiftung (Fondation du futur), les programmes internes Fraunhofer-Gesellschaft sous la subvention n°. Attirer 125-600164.

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Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

La méthode de mesure non destructive sans contact décrite ci - dessus peut être utilisé pour déterminer c p, s et ʎ d&#39;une manière simultanée et reproductible. Le calcul de ʎ en particulier dépend de plusieurs paramètres qui sont sensibles aux erreurs. Néanmoins, l&#39;effet de ces erreurs est soit linéaire ou sous-proportionnelle, et le coefficient de variation pour tous les paramètres a été trouvée être inférieure à 10%. Même si la méthode peut donc être considérée comme robuste, quelques amélio...

Le traitement à grande échelle de matériaux biologiques nécessite souvent des étapes de traitement thermique telles que la pasteurisation. L'équipement pour de tels procédés peuvent être conçus plus précisément si les propriétés thermiques des matériaux biologiques sont bien caractérisés, y compris la capacité de chaleur spécifique (c p, s) et la conductivité thermique (λ). Ces paramètres peuvent être déterminés facilement pour les liquides, les suspensions et les homogénats par calorimétrie 1. Cependant, ces paramètres de mesure dans des échantillons solides peuvent être de main - d'œuvre, et nécessite souvent un contact direct avec l'échantillon ou même sa destruction 2. Par exemple, les techniques photothermiques exigent un contact direct entre l'échantillon et le détecteur 3. De telles limitations sont acceptables au cours de la transformation des aliments, mais sont incompatibles avec les processus fortement réglementés tels que la production de protéines biopharmaceutiques dans les plantes dans le cadre de bonnes pratiques de fabrication 4. jen un tel contexte, répété (par exemple, hebdomadaire) la surveillance des propriétés thermiques peut être nécessaire pendant une période de croissance de sept semaines pour les plantes individuelles comme un outil de contrôle de la qualité. Si un tel contrôle, il faudrait consommer une feuille et pour chaque mesure, il n'y aurait pas laissé la biomasse pour traiter au moment de la récolte. En outre, en utilisant uniquement des pièces de feuilles à la place causerait blessant à l'usine et augmenter le risque de nécrose ou une infection pathogène, ce qui diminue encore le rendement du procédé. La probabilité d'une infection par un pathogène peut également augmenter si une méthode par contact direct avec l'échantillon serait utilisé, ce qui induit le risque que tout un lot de plantes peuvent être infectés par le contact avec un dispositif de capteur contaminé. Aspects similaires doivent être considérés pour la surveillance des plantes souligne comme la sécheresse, par exemple, dans un contexte écophysiologique. Par exemple, la perte d'eau est souvent suivie par un changement de la biomasse fraîche, ce qui nécessite une tre invasiveatment des plantes visées par l' enquête 5, par exemple, une feuille de dissection. Au lieu de cela, la détermination de la capacité thermique spécifique, qui dépend de la teneur en eau d'un échantillon, d'une manière non invasive comme décrit ici, peut être utilisé comme paramètre de substitution pour l'état d'hydratation des plantes. Dans les deux scénarios (production pharmaceutique et écophysiologie), les contraintes artificielles induites par des techniques de mesure destructrices ou invasives seraient nuisibles car ils peuvent fausser les données expérimentales. Méthodes flash Par conséquent, précédemment rapportés 6 ou le placement d'échantillons entre les plaques d' argent 7 ne sont pas adaptés pour de tels procédés et expériences , soit parce qu'ils nécessitent un contact direct avec l'échantillon ou sont destructrices. Les paramètres c p, s et λ doivent être déterminées afin de concevoir l'équipement de traitement pour une étape de blanchiment qui peut simplifier la purification du produit et de réduire ainsi les coûts de fabrication 8-10. Les deux cp, s et λ peuvent maintenant être déterminées rapidement par sans contact proche infrarouge non-destructif (NIR) laser de sondage d'une manière cohérente et reproductible 11 et cette nouvelle méthode seront expliquées en détail ci - dessous. Les résultats obtenus par cette méthode ont été utilisés avec succès pour simuler le transfert de chaleur dans les feuilles de tabac 12, ce qui permet la conception d' un équipement de traitement approprié et la sélection des paramètres correspondant tel que la température de blanchissement. La méthode est facile à mettre en place (Figure 1) et comporte deux phases, la mesure et l' analyse, dont chacune comprend deux étapes principales. Dans la phase de mesure, un échantillon de la feuille est d'abord chauffée localement par une courte impulsion laser et la température maximale de l'échantillon est enregistrée. Le profil de température de l'échantillon est ensuite enregistrée pendant une durée de 50 s. Dans la phase d'analyse, les propriétés telles que la densité des feuilles (facilement et précisément déterminées par Measurem pycnométriqueent) sont combinés avec la température maximale de l' échantillon pour calculer c p, s. Dans la deuxième étape, le profil de température de la feuille est utilisée comme entrée pour une équation d'équilibre d'énergie, en prenant la conduction, la convection et le rayonnement en compte, pour le calcul de λ. Des instructions détaillées étape par étape sont fournies dans la section de protocole, l'expansion sur le contenu de la vidéo qui l'accompagne. Mesures typiques sont ensuite présentés dans la section des résultats. Enfin, les avantages et les limites de la méthode sont mis en évidence dans la section de discussion ainsi que des améliorations potentielles et d'autres applications. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig1.jpg"> Figure 1: Appareil utilisé pour déterminer les propriétés thermiques des feuilles. A. Photographie de l'appareil de mesure utilisé pour déterminer la capacité de chaleur spécifique et de la conductivité thermique leaves. Les périphériques (ordinateurs, oscilloscope) ne sont pas représentés. B. Représentation schématique de l'appareil de mesure. Le laser et l'équipement connecté sont surlignés en rouge, le détecteur NIR pour la mesure de température est affichée en violet, l'échantillon des feuilles est vert et le capteur de puissance de photodiode est bleu. C. Dessin des éléments de la configuration de mesure avec le même code couleur que dans B. La barre de taille indique 0,1 m. D. Capture d'écran illustrant les éléments typiques du logiciel de contrôle de laser. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

<table><tbody><tr><td>Tube 1"</td><td>Thorlabs</td><td>SM1L10E</td><td>Tube pour support de fibre</td></tr><tr><td>Agarose</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A0701</td><td>Agarose</td></tr><tr><td>Lentille bi-convexe f=25.4</td><td>Thorlabs</td><td>LB1761</td><td>Lentille</td></tr><tr><td>Numérique Handheld Optical&nbsp ; Console de compteur de puissance et d’énergie</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Console pour capteur d’absorption de surface thermique</td></tr><tr><td>Oscilloscope numérique au phosphore&nbsp ;</td><td>Tektronix</td><td>DPO7104</td><td>Oscilloscope</td></tr><tr><td>DMR Microscope optique</td><td>Leica</td><td>n.a.Microscope</td> <td>optique</td></tr><tr><td>Falcon 50 mL Tubes coniques à centrifuger</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-432-2</td><td>Pycnomètre</td></tr><tr><td>Ferty 2 Mega</td><td>Kammlott</td><td>5.220072</td><td>Engrais</td></tr><tr><td>Porte-fibres</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Porte-fibres</td></tr><tr><td>Forma -86 &#176 ; C Congélateur ULT</td><td>ThermoFisher</td><td>88400</td><td>Congélateur</td></tr><tr><td>Serre</td><td>n.a.n.a.Pour</td><td></td> <td>la culture des plantes</td></tr><tr><td>Grodan Rockwool Cubes 10 x 10 cm</td><td>Grodan</td><td>102446</td><td>Bloc de laine de roche</td></tr><tr><td>Détecteur infrarouge Optris CT</td><td>Optris</td><td>OPTCTLT15</td><td>Détecteur infrarouge</td></tr><tr><td>Logiciel de détection infrarouge Compact Connect</td><td>Optris</td><td>n.a.Logiciel</td> <td>de contrôle pour détecteur infrarouge</td></tr><tr><td>Lambda 1050 Spectrophotomètre UV/Vis</td><td>PerkinElmer</td><td>L1050</td><td>Spectrophotomètre UV/VIS</td></tr><tr><td>Laser 400 &mu ; m, 1 550&nbsp ; nm Module couplé à une seule barre refroidi par conduction</td><td>DILAS</td><td>M1F-SS2.1</td><td></td></tr><tr><td>Couverture laser Couverture laser</td><td>Amtron</td><td>LM200</td><td></td></tr><tr><td>Laser Cover Pilote laser&nbsp ;</td><td>Amtron</td><td>CS 408</td><td>Laser Driver</td></tr><tr><td>Osram blanc froid 36 W</td><td>Osram</td><td>4930440</td><td>Source lumineuse</td></tr><tr><td>Capteur de photodiode&nbsp ;</td><td>Thorlabs</td><td>PDA20H-EC</td><td>Capteur de puissance pour les mesures de transmission</td></tr><tr><td>Poids de précision Ohaus Analytical Plus</td><td>Ohaus</td><td>80251552</td><td>Poids de précision</td></tr><tr><td>Cadre d’échantillonnage</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Logiciel</td> <td>de fixation de l’échantillon de feuille</td></tr><tr><td>Pyro Control</td><td>Amtron</td><td>n.a.Logiciel</td> <td>de contrôle de puissance laser</td></tr><tr><td>Support en acier inoxydable</td><td>n.a.n.a</td><td>.</td><td>Support pour le réglage de la mesure</td></tr><tr><td>Plaques en téflon 2 cm</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Atténuation</td> du <td>téflon</td></tr><tr><td>Absorbeur de surface thermique Capteur</td><td>de puissance Thorlabs</td><td>S314C</td><td>Capteur pour les mesures de puissance laser</td></tr><tr><td>Vibratome</td><td>Leica</td><td>1491200S001</td><td>Vibratome</td></tr><tr><td>Zoc/Pro 6.51&nbsp ;</td><td>EmTec Innovative Software</td><td>n.a.Logiciel</td> <td>de contrôle laser&nbsp ;</td></tr></tbody></table>

un laser rapide probing méthode facilite la détermination non-invasive et sans contact des feuilles propriétés thermiques

A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties

Les plantes peuvent produire des substances précieuses telles que des métabolites secondaires et de protéines recombinantes. La purification de ce dernier à partir de la biomasse végétale peut être rationalisé par traitement thermique (blanchissement). Dispositif de blanchiment peut être conçu plus précisément si les propriétés thermiques des feuilles sont connues en détail, à savoir la capacité de chaleur spécifique et de la conductivité thermique. La mesure de ces propriétés est de temps et de main-d&#39;œuvre, et nécessite généralement des méthodes invasives qui entrent en contact avec l&#39;échantillon directement. Cela peut réduire le rendement du produit et peut être incompatible avec les exigences de confinement, par exemple, dans le cadre de bonnes pratiques de fabrication. Pour répondre à ces questions, une méthode non-invasive, sans contact a été développé qui détermine la capacité thermique spécifique et la conductivité thermique d&#39;une feuille de la plante intacte en une minute environ. Le procédé implique l&#39;application d&#39;une courte impulsion laser d&#39;une longueur et d&#39;une intensité définie à une petite zone de laExtrait de feuilles, ce qui provoque une augmentation de la température qui est mesurée au moyen d&#39;un capteur proche infrarouge. L&#39;augmentation de température est associée à des propriétés connues de la feuille (épaisseur et densité) afin de déterminer la capacité calorifique spécifique. La conductivité thermique est alors calculée en fonction du profil de la baisse de température ultérieure, en rayonnement thermique et le transfert de chaleur par convection en compte. Les calculs associés et les aspects critiques de la manipulation des échantillons sont discutés.

Mesure des propriétés des feuilles En utilisant le procédé ci - dessus microscopique, une épaisseur de feuille de 0,22 à 0,29 x 10-3 m a été déterminé à la fois de N. tabacum (0,25 ± 0,04 x 10-3 m, n = 33) et N. benthamiana (0,26 ± 0,02 x 10 - 3 m, n = 24), ce qui est bien dans la 0,20 à 0,33 × 10 - ...

Une méthode a été développée pour déterminer la capacité thermique spécifique et la conductivité thermique du tissu foliaire par sondage laser proche infrarouge non invasif et sans contact, qui nécessite moins de 1 min par échantillon.

Un laser rapide Probing Méthode Facilite la détermination non-invasive et sans contact des feuilles Propriétés thermiques

Plants can produce valuable substances such as secondary metabolites and recombinant proteins. The purification of the latter from plant biomass can be ...

L’objectif global de cette procédure est de déterminer les propriétés thermiques des feuilles sans contact. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l’agriculture moléculaire sur le contrôle en cours de processus de la croissance et de la santé des plantes. Les principaux avantages de cette technique sont qu’elle est sans contact, rapide et qu’elle n’endommage pas l’échantillon.Les implications de cette technique s’étendent à l’inspection automatisée des plantations avec un détecteur mobile pour définir l’alimentation et la nutrition plante par plante. Pour commencer la culture des plantes, rincez les blocs de laine minérale avec un à deux litres d’eau désionisée chacun, puis rincez chaque bloc avec un litre d’une solution d’engrais à 0,1 %. Placez une graine de tabac dans chaque bloc et rincez avec 250 millilitres de solution d’engrais, en veillant à ce que la graine ne soit pas emportée.Cultivez les plantes pendant sept semaines dans une serre ou un phytotron. Une fois que les plantes ont poussé, récoltez des feuilles simples intactes et intactes pour la caractérisation des plantes ou utilisez des plantes intactes. Pour commencer à déterminer l’épaisseur des feuilles, préparer en autoclave 50 millilitres d’une solution d’agarose à 2 % en masse par volume et d’une solution saline tamponnée au phosphate.Laissez la solution refroidir à 40 degrés Celsius, puis ajoutez la solution dans une boîte de Pétri contenant un échantillon de feuille unique. Refroidissez l’échantillon à quatre degrés Celsius pendant 30 minutes pour solidifier l’agarose et incruster la feuille. Ensuite, à l’aide d’un vibratome, coupez le bloc d’agarose en tranches de 200 micromètres.Montez cinq sections transversales de feuilles sur une lame de verre avec du cyanoacrylate. À l’aide d’un microscope ou d’un comparateur, déterminez l’épaisseur des zones dépourvues de veines de l’échantillon de feuilles. Utilisez un autre échantillon de feuille unique dans l’eau pour déterminer la densité des feuilles à l’aide d’un pycnomètre.Ensuite, fixez une autre feuille unique devant le détecteur dans la chambre d’échantillonnage d’un spectrophotomètre UV-Vis. Dans le logiciel du spectrophotomètre, sélectionnez un spectre de 900 à 1 600 nanomètres. Effectuez le balayage et enregistrez la valeur de transmission en fonction de la courbe spectrale.Ensuite, fixez la feuille derrière le détecteur et répétez le balayage. Déterminez la valeur de réflexion à partir de la courbe spectrale. Obtenir des mesures de transmission et de réflexion à partir d’au moins trois échantillons de feuilles.Pour commencer, montez un laser à diode proche IR à barre unique couplé à une fibre de 1 550 nanomètres dans le cône. Fixez ensuite une lentille biconvexe avec une distance focale de 25,4 millimètres à l’extrémité du cône. Fixez un cône de 25,4 millimètres de diamètre avec un support en acier inoxydable à un support de laboratoire.Placez un filtre à densité neutre avec une densité optique de 1,0 dans une plaque de céramique de 22 millimètres d’épaisseur au-dessus du censeur pour atténuer le faisceau laser. Montez un capteur de puissance à photodiode à 354 millimètres sous le bas de l’objectif. Connectez le capteur de puissance à photodiode à un oscilloscope.Fixez un cadre de 10 centimètres sur 10 centimètres avec une zone d’exposition d’échantillon de six centimètres sur six centimètres à 308 millimètres sous l’objectif. Montez le détecteur à 135 millimètres au-dessus de l’atténuateur en céramique. Connectez un détecteur proche infrarouge à un ordinateur et préparez le logiciel.Placez une plaque absorbante sur la feuille et allumez le laser. Ajustez l’angle du détecteur à 45 degrés par rapport au faisceau laser. Continuez à régler l’angle et la hauteur du détecteur jusqu’à ce que la lecture de température maximale soit observée.Dans le logiciel de contrôle laser, sélectionnez contrôle de puissance. Réglez la puissance laser de sortie sur cinq watts et la durée de l’impulsion sur 0,5 seconde. Pour commencer les mesures, apportez une plante entière à l’appareil de mesure ou récoltez des feuilles entières et intactes.Montez immédiatement l’échantillon de feuille dans le cadre, en prenant soin de ne pas endommager la feuille. Ne laissez pas la feuille entrer en contact avec l’atténuateur en céramique. Dans le logiciel proche infrarouge, démarrez une nouvelle mesure de 60 secondes.Enregistrez le profil de température de référence pendant 10 secondes avant d’activer une seule impulsion laser de 0,5 seconde. Continuez à enregistrer les données pendant les 49,5 secondes restantes. Une fois la mesure terminée, cliquez sur le bouton d’arrêt au-dessus du profil thermique, puis enregistrez le profil.Exportez les données brutes de temps et de température sous forme de fichier point dat pour une analyse plus approfondie. Ensuite, dans le logiciel de l’oscilloscope, déterminez les hauteurs de flanc dans le profil de tension, qui ont été automatiquement collectées lors de l’impulsion laser. Répétez la mesure du profil de température avec une seule impulsion laser de 0,5 seconde pour chaque échantillon.Répétez ensuite la mesure du signal laser sans échantillon de feuille comme référence. Déterminez les hauteurs de flanc à partir de ce profil de tension et calculez les valeurs de transmission pour chaque échantillon. Utilisez un tableur pour calculer et représenter graphiquement la capacité thermique spécifique et la conductivité thermique des échantillons.Des échantillons de feuilles uniques des espèces végétales Nicotiana tabacum, connue sous le nom de tabac, et Nicotiana benthamiana ont été analysés avec cette méthode. Les deux espèces ont montré une augmentation rapide de la température maximale en moins d’une seconde en réponse à l’impulsion laser, suivie d’une diminution exponentielle de la température ambiante. Les valeurs spécifiques de capacité thermique et de conductivité thermique ont été calculées pour les deux espèces à partir de feuilles prélevées au bas, au milieu et au haut de la plante.Une augmentation de la conductivité thermique pour les feuilles plus haut dans la plante a été observée pour les deux espèces, mais Nicotiana tabacum a montré une tendance inverse de la capacité thermique spécifique. Aucune corrélation entre la durée de culture et la conductivité thermique n’a été observée chez Nicotiana tabacum. De plus, aucune corrélation entre les conditions de culture et les propriétés thermiques n’a été observée chez Nicotiana benthamiana.L’effet de variables individuelles sur la capacité thermique spécifique et la conductivité thermique a été examiné. La conductivité thermique de Nicotiana benthamiana était très sensible à la température ambiante. La capacité thermique spécifique n’était significativement sensible à aucun des paramètres impliqués dans son calcul.Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques minutes par échantillon si elle est correctement exécutée. Lors de cette procédure, il est important de ne pas oublier de monter correctement la feuille à la précision donnée pour garantir des mesures de haute qualité et des résultats reproductibles. Suite à cette procédure, d’autres méthodes telles que les mesures de fluorescence peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires telles que l’expression des protéines recombinantes.Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la biotechnologie végétale pour explorer la croissance des plantes chez les espèces de Nikitana. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de déterminer la capacité thermique spécifique et la conductivité thermique des feuilles de manière sans contact et non destructive. N’oubliez pas que travailler avec des lasers peut être dangereux pour vos yeux et que des précautions telles que le port de lunettes de sécurité appropriées doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.

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