הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ליזר מהיר גשוש שיטה מקלה על קביעת פולשני צור-חינם של תכונות תרמיות ליף

6.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/54835

⸱

7 בינואר 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.

במאמר זה

סיכום

פותחה שיטה לקביעת קיבולת החום הספציפית והמוליכות התרמית של רקמת העלים על ידי בדיקת לייזר אינפרא אדום קרוב לא פולשנית ונטולת מגע, הדורשת פחות מדקה אחת לדגימה.

תקציר

צמחים יכולים לייצר חומרים יקרי ערך כגון מטבוליטים משניים וחלבונים רקומביננטיים. הטיהור של האחרון מביומסה צמח יכולה להיות יעילה על ידי טיפול בחום (לבן). מנגנון לבן יכול להיות מתוכנן בצורה מדויקת יותר אם תכונות תרמיות של העלים ידועות לפרטיהם, כלומר, את היכולת החומה הסגולית ומוליכות תרמית. מדידת הנכסים אלה היא זמן רב ועבודה אינטנסיבית, ובדרך כלל דורשת שיטות פולשניות כי פנו המדגם ישירות. זה יכול להפחית את תשואת המוצר ועלול להיות בקנה אחד עם דרישות בלימה, למשל, בהקשר של ייצור נאות. כדי לטפל בבעיות אלה, שיטה לא פולשנית, ללא קשר פותחה הקובע את קיבולת חום סגולי מוליכות תרמית של עלה צמח שלמים כדקה. השיטה כרוכה ביישום דופק לייזר קצר של אורך מוגדר ועוצמת אל אזור קטן שלמדגם עלה, גרימת עלייה בטמפרטורה זו נמדדת באמצעות חיישן אינפרא אדום קרוב. גידול הטמפרטורה משולב עם תכונות עלה ידועות (עובי וצפיפות) כדי לקבוע את קיבולת החום הסגולית. מוליכות התרמית ואז מחושבת על בסיס הפרופיל של הירידה בטמפרטורה עוקבת לוקחות קרינת תרמית מעבר חום בהסעה בחשבון. החישובים הקשורים היבטים קריטיים של טיפול מדגם נדונים.

מבוא

עיבוד בקנה מידה גדול של חומרים ביולוגיים בדרך כלל דורש צעדים-טיפול בחום כמו פיסטור. ציוד תהליכים כאלה יכול להיות מתוכנן בצורה מדויקת יותר אם תכונות תרמיות של חומרים הביולוגיים מאופיינות היטב, כולל קיבולת החום הסגולית (ג, עמ 'הים) ו מוליכות תרמית (λ). פרמטרים אלה ניתן לקבוע בקלות לנוזלים, השעיות homogenates ידי calorimetry 1. עם זאת, פרמטרים כגון מדידה בדגימות מוצקות יכולים להיות עבודה אינטנסיבית, ולעתים קרובות דורשים מגע ישיר עם המדגם או אפילו חורבנה 2. לדוגמה, טכניקות photothermal דורשים מגע ישיר בין המדגם לבין גלאי 3. מגבלות אלו מקובלים במהלך עיבוד מזון, אך אינם עולים בקנה אחד עם תהליכי פיקוח הדוק כגון ייצור של חלבונים הביו-פרמצבטיקה בצמחים בהקשר של תרגול 4 ייצור נאותים. אניn בהקשר כזה, חזר (למשל, שבועי) ניטור של תכונות תרמיות שיידרש במהלך תקופת צמיחת שבעה שבועות עבור צמחים בודדים ככלי בקרת איכות. אם ניטור כזה ידרוש וצורכים עלו לכל מדידה, לא יהיה שום ביומסה עזבה לעבד בזמן הקציר.

בנוסף, שימוש בחלקים עלה רק במקום יגרום ופצע למפעל ולהגדיל את הסיכון של נמק או זיהום הפתוגן, שוב מצמצמים את התשואה התהליך. הסבירות של זיהום הפתוגן עלולה להגביר גם אם שיטה עם מקשר ישיר המדגם תשמש, גרימת הסיכון שאירוע האצווה כולה של צמחים יכולה להידבק באמצעות מגע עם מכשיר חיישן מזוהם. יש היבטים בדומה להיחשב לניטור של הצמח מדגיש כמו בצורת, למשל, בהקשר ecophysiological. לדוגמא, אובדן מים מנוטר לעתים קרובות על ידי שינוי ביומסה הטרי, מחייבת Tre פולשניתatment של הצמחים תחת חקירה 5, למשל, לנתח עלה. במקום זאת, קביעת קיבולת החום הסגולית, אשר תלויה את תכולת המים מדגם, באופן בלתי פולשני כמו לתאר כאן, יכול לשמש כפרמטר פונדקאי עבור מצב הידרציה של צמחים. בשני התרחישים (ייצור תרופות ואקופיזיולוגיה), מדגיש מלאכותי המושרה על ידי שיטות מדידה הרסניות או פולשני יהיה מזיק כפי שהם יכולים לעוות את נתוני הניסוי. לכן, שדווחו בעבר שיטות פלאש 6 או את המיקום של דגימות בין צלחות כסף 7 אינן מתאימות תהליכי ניסויים כאלה, כי הם גם דורשים מקשר ישיר המדגם או הם הרסניים. פרמטרי ג p, s ו- λ צריכות להיקבע על מנת לעצב המכשור הטכנולוגי עבור צעד לבן שיכול לפשט טיהור מוצר ובכך להפחית את עלויות ייצור 8-10. ג השניp, s ו- λ כעת ניתן נחוש במהירות על ידי לייזר אינפרא אדום ליד מגע ללא שאינו הרסני (NIR) חיטוט בצורה עקבית לשחזור 11 ו שיטה חדשה זו יוסבר בהרחבה בהמשך. התוצאות שהתקבלו בשיטה זו נעשה שימוש מוצלח לדמות העברת החום עלי טבק 12, המאפשר את העיצוב של ציוד עיבוד מתאים ובחירת המתאימים פרמטרים כגון טמפרטורה הלבנה.

השיטה קלה להקים (איור 1) ויש לו שני שלבים, מדידה וניתוח, שכל אחת מהן כולל שני שלבים עיקריים. בשלב המדידה, מדגם עלה מחומם ראשון באופן מקומי על ידי דופק ליזר קצר וטמפרטורת הדגימה המירבית היא רשמה. פרופיל הטמפרטורה של המדגם נרשם ואז למשך תקופה של 50 s. בשלב הניתוח, נכסים עלו כגון צפיפות (בקלות ובמדויק שקבעו measurem pycnometricאף אוזן גרון) משולב עם טמפרטורת הדגימה המירבית לחשב ג p, s. בשלב השני, פרופיל הטמפרטורה עלה משמש כקלט עבור משוואת מאזן אנרגיה, לוקח הולכה, הסעה וקרינה בחשבון, כדי לחשב λ.

הוראות צעד-אחר-צעד מפורטות ניתנים באזור פרוטוקול והרחיב על תוכן הסרטון מלווה. מדידות אופייניות מכן מוצגות בסעיף התוצאות. לבסוף, את היתרונות ומגבלות של השיטה מודגשות בסעיף הדיון יחד עם שיפורי פוטנציאל ויישומים נוספים.

figure-introduction-1
איור 1: מנגנון המשמש כדי לקבוע מאפיינים עלו תרמית. א. תצלום של המנגנון המדידה ששימשו לקביעת קיבולת חום סגולי מוליכות תרמית של leAves. ההתקנים ההיקפיים (המחשבים, אוסצילוסקופ) אינם מוצגים. B. ייצוג סכמטי של מנגנון המדידה. הליזר ואת הציוד מחובר מודגשים באדום, גלאי NIR למדידת טמפרטורה מוצגים סגול, מדגם העלה ירוק חיישן כוח פוטו-דיודה הוא כחול. ג. ציור של האלמנטים של ההתקנה המדידה עם אותו קוד הצבע כמו ב בר הגודל מצביע 0.1 מ '. D. תמונת מסך הממחיש את האלמנטים המאפיינים את תוכנות שליטת ליזר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

לגידול צמחים 1. הכנת דוגמאות

  1. רוקן כל בלוק צמר סלעים עם 1-2 ליטר מים ללא יונים, ובהמשך עם 1 ליטר של 0.1% [M / V] פתרון דשן. מניחים טבק אחד (טבק או נ benthamiana) זרע כל בלוק סומק בעדינות עם 0.25 ליטר של תמיסת הדישון ללא שטיפת הזרע.
  2. ולטפח את הצמחים במשך 7 שבועות בחממה או phytotron עם 70% לחות יחסית, photoperiod 16-שעות (180 μmol s - 1 מ '- 2; λ = 400-700 ננומטר) ובטמפרטורה 25/22 ° C אור / חושך מִשׁטָר.
  3. הזז את הצמחים למנגנון המדידה. אם הצמחים הם נייחים, דפים בודדים קציר למדידת תכונות תרמיות.

2. קביעה ליף עובי וצפיפות

  1. קבע את עובי עלה
    1. כן פתרון agarose 2% [M / V] ב פוספט שנאגר מלוח (PBS)חיטוי זה. תנו פתרון להתקרר עד 40 ° C ולהטביע מדגם עלה להציב בצלחת פטרי. לחזק את agarose על ידי הנחת צלחת פטרי במקרר ב 4 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
    2. חותכים את גוש agarose לפרוסות 200 מיקרומטר באמצעות vibratome עם זווית חיתוך סכין גילוח של 15 מעלות. השתמש מהירות חיתוך של 1.0 מ"מ s -1 ו אמפליטודה של 0.5 מ"מ.
    3. הר לחמישה חלקים עלה משוכל בשקופית זכוכית באמצעות cyanoacrylate בתור מקבע. קבע את העובי עלה תחת מיקרוסקופ עם 20 × אובייקטיבי עיני עם 10 × גדלה, תוך שימוש בכלי המדידה מובנה בתוך תוכנת מיקרוסקופ פי הוראות היצרן.
    4. קבע את העובי עלה ב אזורים מדגמים בלי ורידים.
    5. לחלופין, לקבוע את עובי עלה עם-מד חיוג בכל אזור וריד-חינם של הלהב עלה. ודא-מד חיוג מוחזק בניצב למישור של הלהב עלה.
      CAUTION: Cyanocrylate הוא מגרה את העור ועלול גם להדביק את האצבעות יחד אם לא לטפל בזהירות.
  2. לקבוע את הצפיפות עלה
    1. מהי מסת ריק (מ 0) של pycnometer יבש, ואז למלא אותו במים ולקבוע את המסה שוב (מ '1). יבש את pycnometer לחלוטין, למקם עלה פנימה לקבוע את המסה (m 2) פעם נוספת. עם עלה פנימה, בזהירות למלא את pycnometer במים לקבוע את המסה (m 3).
    2. חשב את צפיפות עלה (תהלים) באמצעות משוואה 1.
      משוואה 1: figure-protocol-1

3. קביעת הילוכים ספקטרלית השתקפות של עלים

  1. מניחים עלה בתא מדגם של ספקטרופוטומטר UV / VIS על ידי תיקון זה בין מלחציים מחזיק-המדגם. עבור מדידות שידור, מעמיד את העלה מול det Ector. עבור השתקפות מדידות מעמידות את עלו בחלק האחורי של חדר זיהוי.
  2. הפעל את תוכנת בקרת ספקטרופוטומטר. בחר ספקטרום מ 900 ננומטר ננומטר 1600. התחל סריקה חדשה ולהקליט את הערכים לתיבת הילוכים (μ T) והשתקפות (μ R) המוצגת על-ידי תוכנת ספקטרופוטומטר UV / VIS, המבוססת על עקומת רפאים.
  3. לבצע את כל המדידות עם שלושה ביולוגים משכפלים לפחות. הגדל את מספר משכפל הביולוגי עד חמש או יותר אם איכות מדגם הטרוגנית ניתן לצפות, כלומר, וריאציה במורפולוגיה עלה משטח ועובי.
  4. חשב את הכוח לתיבת הילוכים (P T) והשתקפות (P R) על ידי הכפלת T μ הנמדד או ערכי R μ ידי לייזר P כוח לייזר נמדד על פי משוואות 2 ו -3.
    משוואה 2:ftp_upload / 54,835 / 54835eq2.jpg "/>
    משוואה 3: figure-protocol-2
    הערה: השידור ניתן לקבוע גם עם חיישן פוטו-דיודה בזמן המדידה (ראה 6.3).

4. מגדירים את מכשיר המדידה

  1. הר לייזר דיודה חד בר סיבים מצמידים NIR (אורך גל = 1,550 ננומטר) לצינור בקוטר 25.4 מ"מ על בעל נירוסטה. חבר הבקר כדי להגדיר את כוח פלט (לייזר P) של לייזר NIR 4-6 W.
  2. מניח עדשה דו-קמורה עם אורך מוקד של 25.4 מ"מ בסוף החרוט להתאים את רוחב הקורה עד 13 מ"מ.
  3. מניחים חיישן כוח פוטו-דיודה 354 מ"מ מתחת לחלק התחתון של העדשה. ואז להחליש את פוטודיודה ידי הצבת מסנן צפיפות ניטרלי עם צפיפות אופטית של 1.0 ו שכבת קרמיקה 22 מ"מ מעל החיישן.
  4. חבר את חיישן כוח פוטו-דיודה כדי אוסצילוסקופ באמצעות כבל קואקסיאלי.
  5. לְחַבֵּרמסגרת 10 ס"מ 10 × שהינו אזור חשיפה 6 × 6 ס"מ המדגם עם פיגום של ההתקנה מדידה בגובה של 308 מ"מ מתחת העדשה (איור 1). תקן את העמדה עלה בחלל על ידי הרכבה אותו חזרה אל מסגרת סנטימטר 10 × 10.
  6. חבר גלאי NIR למחשב האישי באמצעות כבל אפיק טורי אוניברסלי (USB) ולהתקין את התוכנה ממשק הגלאי.
  7. מניחים את גלאי בזווית של 45 מעלות אל קרן הלייזר 135 מ"מ מעל שכבת קרמיקה. יישר את אזור המדידה של הגלאי למקום הליזר על המדגם על ידי שינוי מיקום חיישן הזווית עד אות הטמפרטורה המקסימלית הוא ציין.
  8. השתמש בתוכנת ממשק שליטה לייזר כדי להתאים את כוח לייזר הפלט 5 W ואת משך הדופק לייזר 0.5 s. בחר את פקודת "בקרת זרם" בחלון אפשרויות שליטה מתחת הייצוג הגרפי של כוח הליזר ולהתאים את כוח הליזר על ידי הקלדה "5" אל & #34; כוח [W] ". שדה התאם את משך הדופק לייזר על ידי הקלדת" 0.5 "ל-" שדה זמן [s] ".
  9. כדי לקבוע את כוח לייזר מוחלטת עבור כל קבוצה של ניסויים, להחליף את חיישן הכוח photodiode עם חיישן כוח בולם תרמיקות קרקע בסוף כל סט של ניסויים ולמדוד את כוח לייזר פלט עבור 20 שניות בלי דוגמה.

5. מכינים את הדוגמות ליף

  1. השתמש עלים בשלמות וללא נזק למדידות.
  2. אם רלבנטית לבדיקת, לחקות סוגי הנזק עלה טיפוסי על ידי פירסינג עלה עם אזמל, משפשף את העלה בין כפפות לטקס, חשיפת עלה ל להבה פתוחה או קרן לייזר במשך 2-3 שניות, או משתמשים בשיטות אחרות כדי לדמות אחרים סוגים של נזק.
  3. בזהירות אך במהירות הר המדגם עלה בין מלחציים מחזיק-המדגם.

6. קחו את מדידות הטמפרטורה

  1. יש להימנע ממגע ישיר בין העלה לבין הקרמיקההמחליש הממוקם מעל חיישן פוטו-דיודה כדי למנוע העברת חום מלאכותית המפריעה חישוב ג p, s ו- λ (ראה סעיף 9).
  2. השתמש בתוכנת מדידת הטמפרטורה לאסוף את פרופיל הטמפרטורה של המדגם עלה עבור סכום כולל של 60 שניות באמצעות גלאי NIR. ראשית, להקליט את הבסיס הטמפרטורה במשך 10 שניות, ולאחר מכן להפעיל את הלייזר על 0.5 s ולהמשיך איסוף נתונים עבור 49.5 s.
    1. התחל מדידה על ידי לחיצה על "מדידה" ולאחר מכן "חדשה ומדידה". לאחר מכן לחץ על החץ הירוק מעל הייצוג הגרפי של הפרופיל התרמי. שמור את פרופיל הטמפרטורה על ידי לחיצה על הסמל "השמור" (דיסק מסוגנן) מעל הייצוג הגרפי של הפרופיל.
  3. אשר את כוח לייזר מועבר באמצעות חיישן כוח פוטו-דיודה ידי חישוב ההפרש אות למדידות עם ובלי מדגם עלה באמצעות אוסצילוסקופ מחוברלחיישן כוח פוטו-דיודה באמצעות כבל קואקסיאלי (איור 2).
    1. לקבוע את גובהו של שתי חביות (f 1, S ו- f 2, S) בפרופיל מתח רכשה עם האוסילוסקופ.
    2. חזור על המדידה מבלי מדגם עלה כהפניה (ו 1,0 ו- F 2,0). חישוב שידור μ T כיחס בין המדידות הללו על פי משוואה 4 (ראה גם איור 2).
      משוואה 4: figure-protocol-3

figure-protocol-4
איור 2: מדידת הולכה עלה באמצעות חיישן כוח פוטו-דיודה. א. פרופיל מתח אופייני עבור ניסוי אסמכתה מבלי מדגם עלה מדמיין באמצעות אוסצילוסקופ. B. פרופיל מתחעם מדגם עלה רכוב במנגנון. בשני המקרים, כוח הליזר המועבר עומד ביחס לכל אחד משני האגפים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

7. חשב את קיבולת החום הסגולית של המדגם ליף

  1. חשב את ההבדל הטמפרטורה המקסימלית ΔT [K] במהלך הדופק לייזר על ידי הפחתת הטמפרטורה בחדר T 0 [K] מן x ma T הטמפרטורה עלה מקסימלית [K] (משוואה 5).
    משוואה 5: figure-protocol-5
  2. חשב את האנרגיה הנספגת ע"י עלה (E S [J]) על בסיס משך הדופק כוח לייזר לייזר יעיל (משוואה 6), כאשר P R [W] היא הכוח הלייזר משתקפת ו- P T [W] הוא לייזר משודר כּוֹחַ.
    Equation 6: figure-protocol-6
  3. לחשב את המסה של האזור עלה מחוממת (מ 'S [ק"ג]) באמצעות משוואה 7, שבו d S [מ] הוא עובי עלה פי 2.1), r לייזר [מ] הוא רדיוס של המקום לייזר, V S [ מ '3] הוא נפח העלה המחומם, ו ρ S [קילו מ -3] היא הצפיפות עלה פי 2.2).
    משוואה 7: figure-protocol-7
  4. חישוב ג p, s [J קילו -1 K -1] על פי משוואה 8 על ידי חלוקת S E האנרגיה הנספגת ע"י המוצר של S המסה m באזור העלה המחומם ΔT הבדל הטמפרטורה המקסימלית.
    משוואה 8: figure-protocol-8

8. הכינו את נתוני פרופיל טמפרטורה עבור Thermחישובים אל מוליכות

  1. השתמש בפקודה "ייצוא" של תוכנות שליטה חיישן NIR לייצא את הנתונים הגולמיים זמן וטמפרטורה כקובץ .dat * ופתח את הקובץ במעבד גיליון אלקטרוני.
  2. החל 1: 100 הפחתות נתונים, למשל, באמצעות נקודה "IF (MOD (ערך; 100) = 0;;" x "" 0 ")" פקודה, וכתוצאה מכך צפיפות נתונים של נתונים אחד לכל 0.1 שניות.
  3. חשבתי את B T טמפרטורת הבסיס הממוצע [° C] עבור כל פרופיל טמפרטורה מעל 10 s הראשונית של מדידה, שבמהלכו הליזר היה עדיין כבוי. ואז, לחשב את ההבדל בין T B ואת T טמפרטורת הסביבה בפועל 0 [° C].
  4. השתמש הבדל זה בנפרד לנרמל כל פרופיל על ידי העברת אותו לכיוון T 0 (y-נורמליזציה), למשל, אם T B - T 0 = 2.0 K, כך להפחית 2.0 K מכל ערך הטמפרטורה טמפרטורה profile (איור 3 א).
  5. לנרמל את הזמן לתאם של כל פרופיל טמפרטורה (x-נורמליזציה) על ידי מחיק כל נתונים מצביעים לפני טמפרטורת הדגימה המירבית (מקסימום T) ולהקצות ערכי זמן חדשים החל t = 0 עבור T מקס (איור 3 ב).
  6. מסך כל פרופיל עבור משמרות טמפרטורה פתאומיות, כלומר, הבדלי טמפרטורה, כי הם יותר משלושה פעמים את רמת רעש הבסיס, שהוא בדרך כלל 3 × 0.31 K ≈ 1.0 ק סר אזורים אלה מהסט משום שהנתונים הם מתאימים במדידה חפצה (איור 3 ג ).
  7. התאם פונקצית דעיכה מעריכית (משוואה 9) לנתונים באמצעות מעבד גיליון אלקטרוני, שבו T t [K] הוא הטמפרטורה מדגם עלה המצוידת בזמן t [s], T 0 היא טמפרטורת הסביבה, A [K] הוא משרעת ו t 1 [s] קבוע הדעיכה (איור3D).
    משוואה 9: figure-protocol-9
  8. השתמש בפונקציה המצוידת לחשב את הירידה בטמפרטורה במדגם עלה מ 0-80 שניות אחרי דופק הליזר.
  9. להפוך את נתוני הטמפרטורה הנמדדת [° C] סולם [K] על ידי הוספת ערך של 273.15 לכל נקודה נתוני טמפרטורה (איור 3E).

figure-protocol-10
איור 3: תוכנית עיבוד נתונים לחישוב λ. א. לאחר הפחתת נתונים, פרופילי הטמפרטורה הם מנורמלים לטמפרטורת הסביבה. B. לאחר מכן, כל נקודות הנתונים לפני שטמפרטורת הדגימה המירבית (מקסימום T) יוסרו. ג. חפצי מדידה (המוצג במערכת "עולה בקנה אחד" נתונים) מזוהים מבוססים על טמפרטורת משמרות גדולה יותר הפעמים רי רעש הבסיס והוציא מן הנתונים לפני הולם פונקציה מעריכית. D. סקלת הטמפרטורה צלזיוס מומר סולם קלווין. א עבור כל פרק זמן, λ מחושבת על בסיס פרופיל הטמפרטורה. F. חלון של 20 שניות מוגדר בהם שינוי הטמפרטורה רלוונטי ניתן לצפות. G. בהתבסס על חלון הזמן שנבחר, סטיית הממוצע ורמת מחושבים עבור λ. H. נציג תוצאות עבור שני מדגם עלה שונים נ tabacum. חצים וקווים אורנג מצביעים על ההשפעה של צעד העיבוד המקביל על הנתונים המוצגים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

חישוב 9. של מוליכות תרמית של המדגם ליף

  1. חשב את הטמפרטורה differeNCE בין המדגם עלה ואיכות הסביבה עבור כל מרווח 0.1-ים על פי משוואה 10, כאשר x ΔT [K] ההבדל הטמפרטורה, T t [° C] היא הטמפרטורה מדגם עלה מצויד ו- T 0 [° C] את טמפרטורת סביבה (3E איור).
    משוואה 10: figure-protocol-11
  2. נניח כי ירידת הטמפרטורה היא בשל ההשפעה המשולבת של העברת חום הסעה, קרינה תרמית הולכה תרמית. השתמש מאזן האנרגיה המתאים (משוואה 11) כבסיס לחישוב λ, שם Temp ΔE [J] הוא ההבדל האנרגיה התרמית של המדגם בשתי נקודות רצופות זמן, ΔE rad [J] ההבדל אנרגיה בשל לקרינה תרמית, מרת ΔE [J] הבדל האנרגיה בשל מעבר חום בהסעה, ו Δ; מנצח E [J] הבדל האנרגיה בשל הולכה תרמית.
    משוואה 11: figure-protocol-12
  3. תחליף את התנאים הכלליים במאזן האנרגיה עם התכונות הפיסיקליות בפועל מניב 12 משוואה, שבו ΔT t [K] הוא ההבדל הטמפרטורה מדגם עלה מצויד, ε emissivity unitless, [ק"ג של -3 K -4] σ סטפן -Boltzmann מתמדת, rad [מ '2] באזור של קרינה תרמית, h [J s -1 מ -2 K -1] מקדם מעבר חום בהסעה, A המרה [מ' 2] באזור מעבר חום בהסעה, A מנצח [מ '2] בתחום הולכת תרמית ואני [מ] האורך האופייני.
    משוואה 12:
    figure-protocol-13
  4. חשב את Charal אורך cteristic המבוסס על המתאם: L = V / A.
  5. השתמש S מדגם נפח V מחוממת ואזור חתך של המדגם עלה לחשב [מ '2]. האזור עלה חתך מקביל מנצח על פי משוואה 13, כאשר A מנצח הוא האזור בו הולכה מתרחשת, לייזר r הוא רדיוס של המקום לייזר ו- s d הוא עובי עלה.
    משוואה 13: figure-protocol-14
  6. לחשב rad ו- A המרה על פי משוואה 14, כאשר A לייזר הוא האזור של המקום לייזר.
    משוואה 14: figure-protocol-15
  7. משוואות תחליף 9, 12 ו -13 לתוך משוואת 11 ולפתור האחרון עבור λ, מניב משוואת 15 שבו ליזר t הוא tהוא משך הדופק לייזר [s].
    משוואה 15:
    figure-protocol-16
  8. נניח שווי של 0.94 עבור ε ולחשב λ עבור כל מרווח 0.1-הזמן מעל 20 שנות ה הראשונה של פרופיל הטמפרטורה. ממוצע 200 ערכים עבור λ שהושגו בדרך זו ולחשב את סטיית התקן (איור 3F - H).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

מדידה ליף מאפיינים

בשיטה המיקרוסקופית לעיל, עובי עלה של 0.22-0.29 × 10 - 3 מ 'נקבע לשני tabacum נ (0.25 ± 0.04 × 10 - 3 מ', n = 33) ו נ benthamiana (0.26 ± 0.02 × 10 - 3 מ ', n = 24), שהוא גם בתוך 0.20-0.33 × 10 - מגוון מ ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

המגע ללא, שיטת מדידה בלתי הרסניות שתוארו לעיל ניתן להשתמש כדי לקבוע ג p, s ו- ʎ באופן סימולטני לשחזור. חישוב ʎ בפרט תלוי כמה פרמטרים רגישים שגיאים. אף על פי כן, ההשפעה של שגיאות אלה הייתה גם ליניארי או תת-מידתי, ואת המקדם שונה עבור כל הפרמטרים נמצאו פחות מ -10%. למרות השיטה יכולה אפוא להיחשב חזק, כמה שיפורים טכניים יכולים להתבצע כדי להפחית את המקורות הנותרים של שגיאה.

הרכבה מדגם לתוך המכלול הי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.

תודות

המחברים אסירי תודה לד"ר תומאס רדמאכר ואיברהים אל עמדי על טיפוח הצמחים ששימשו במחקר זה. ברצוננו להודות לד"ר ריצ'רד מ. טוויימן על עזרתו בעריכת כתב היד. עבודה זו מומנה בחלקה על ידי מענק מתקדם של מועצת המחקר האירופית "Future-Pharma", הצעה מספר 269110, קרן העתיד (Fraunhofer Zukunftsstiftung), התוכניות הפנימיות של Fraunhofer-Gesellschaft במסגרת מענק מס. משוך 125-600164.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
צינור 1 "צינור ThorlabsSM1L10Eלמחזיק סיבים
AgaroseSigma AldrichA0701Agarose
Bi-Convex עדשה f = 25.4ThorlabsLB1761עדשה
דיגיטלית כף יד אופטית  קונסולת מד כוח ואנרגיהThorlabsPM100Dקונסולת לחיישן בולם משטח תרמי
אוסצילוסקופ זרחן דיגיטלי TektronixDPO7104 אוסילוסקופ
DMR מיקרוסקופ אורLeican.a.Lightמיקרוסקופ
פלקון 50 מ"ל צינורות צנטריפוגה חרוטייםפישר סיינטיפיק סיינטיפיק14-432-2פיקנומטר
Ferty 2 מגהקמלוט5.220072
מחזיק סיבימחזיק סיביםThorlabs
Forma -86 & #176; C מקפיא ULTThermoFisher88400מקפיא
חממהn.a.n.a.לגידולצמחים
גרודן קוביות צמר סלעים 10 x 10 ס"מגרודן102446בלוק Rockwool
גלאי אינפרא אדום Optris CTOptris OPTCTLT15גלאי אינפרא אדום
תוכנת גלאי אינפרא אדום Compact ConnectOptrisn.a.Controlתוכנה לגלאי אינפרא אדום
Lambda 1050 ספקטרופוטומטר UV / VisPerkinElmerL1050UV/VIS ספקטרופוטומטר
לייזר 400 μ מ', 1,550  מודול מצמד סיבים יחיד בר יחיד מקורר nmDILASM1F-SS2.1כיסוי לייזר
AmtronLM200כיסוי
לייזר דרייבר AmtronCS 408דרייבר לייזר
Osram לבן קריר 36 WOsram4930440מקור אור
חיישן פוטודיודה ThorlabsPDA20H-ECחיישן כוח למדידות שידור
משקל מדויק Ohaus Analytical PlusOhaus80251552משקל מדויק
מסגרת מדגםFraunhofer ILTn.a.קיבועדגימת העלה
תוכנה Pyro ControlAmtronn.a.LaserPower Control מחזיק
נירוסטהn.a.n.a.מחזיק להגדרת מדידה
לוחות טפלון 2 ס"מFraunhofer ILTn.a.הנחתתטפלון
בולם משטח תרמי חיישן כוחThorlabsS314Cחיישן למדידות כוח
לייזר VibratomeLeica1491200S001Vibratome
Zoc/Pro 6.51 EmTec תוכנה חדשניתתוכנת בקרת לייזר 
דשן

מקורות

  1. Wilhelm, E. Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , Royal Society of Chemistry. 516(2010).
  2. Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. Thermography to explore plant-environment interactions. J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).
  3. 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).
  4. Buyel, J. F. Process development strategies in plant molecular farming. Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Hays, R. L. The thermal conductivity of leaves. Planta. 125, 281-287 (1975).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Buyel, J. F. Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact. Biochem. Eng. J. , (2015).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Larcher, W. Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , Springer Science & Business Media. (2003).
  16. Cowen, R. A gamma-ray burst's enduring fireball. Science News. 152, 197(1997).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Jones, H. G., Schofield, P. Thermal and other remote sensing of plant stress. General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).
  21. Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. Radiation measurement for plant ecophysiology. J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).
  22. Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues. Fuel. 115, 644-651 (2014).
  23. Chaerle, L., et al. Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue. Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).
  24. 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).
  25. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

ליזר מהיר גשוש שיטה מקלה על קביעת פולשני צור-חינם של תכונות תרמיות ליף
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.