Articolo metodologico

Un laser Rapid Probing Metodo Facilita la determinazione non invasiva e senza contatto di Leaf Proprietà termiche

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DOI:

10.3791/54835

7 gennaio 2017

In questo articolo

Sommario

È stato sviluppato un metodo per determinare la capacità termica specifica e la conduttività termica del tessuto fogliare mediante sonda laser nel vicino infrarosso non invasiva e senza contatto, che richiede meno di 1 minuto per campione.

Abstract

Le piante possono produrre sostanze preziose come metaboliti secondari e proteine ​​ricombinanti. La purificazione di questo dalla biomassa vegetale può essere semplificato mediante trattamento termico (scottatura). Apparecchiatura scottatura può essere progettato con maggiore precisione se le proprietà termiche delle foglie sono noti in dettaglio, cioè, il calore specifico e la conducibilità termica. La misurazione di queste proprietà è in termini di tempo e manodopera, e di solito richiede metodi invasivi che contattano direttamente il campione. Ciò può ridurre la resa del prodotto e può essere incompatibile con i requisiti di contenimento, ad esempio, nel contesto di buona fabbricazione. Per affrontare questi problemi, un non-invasiva, metodo senza contatto è stato sviluppato che determina la capacità termica specifica e conducibilità termica di un foglio della pianta intatta in circa un minuto. Il metodo prevede l'applicazione di un breve impulso laser di lunghezza e di intensità definito ad una piccola area dellacampioni di foglie, causando un aumento della temperatura che viene misurata utilizzando un sensore infrarosso vicino. L'aumento di temperatura è combinato con note proprietà foglia (spessore e densità) per determinare la capacità termica specifica. La conducibilità termica viene poi calcolato sulla base del profilo del calo di temperatura successiva, prendendo radiazione termica e scambio termico convettivo in considerazione. I calcoli associati e gli aspetti critici della manipolazione del campione sono discussi.

Introduzione

La lavorazione su larga scala di materiali biologici spesso richiede fasi di trattamento termico come pastorizzazione. L'attrezzatura per tali processi può essere progettato con maggiore precisione se le proprietà termiche dei materiali biologici sono ben caratterizzati, compresa la capacità di calore specifico (c p, s) e la conducibilità termica (λ). Questi parametri possono essere determinati facilmente per liquidi, sospensioni e omogenati mediante calorimetria 1. Tuttavia, la misurazione di tali parametri in campioni solidi può essere laborioso e spesso richiede il contatto diretto con il campione o addirittura la distruzion....

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Protocollo

1. La coltivazione delle piante e preparazione del campione

  1. Lavare ogni blocco lana minerale con 1-2 L di acqua deionizzata e quindi con 1 L di 0,1% [m / v] Soluzione di concime. Mettere una tabacco (Nicotiana tabacum o N. benthamiana) seme in ogni blocco e delicatamente a filo con 0,25 L di soluzione fertilizzante senza lavare via il seme.
  2. Coltivare le piante per 7 settimane in una serra o fitotrone con il 70% di umidità relativa, a 16 ore fotoperiodo (180 micromol s - 1 m - 2; λ = 400-700 nm) e una temperatura 25/22 ° C chiaro / scuro regime.
  3. Spostare le piante al apparato ....

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Risultati

Misura della Proprietà Leaf

Utilizzando il metodo microscopico sopra, uno spessore del foglio di 0,22-0,29 × 10 - 3 m è stata determinata sia tabacum N. (0,25 ± 0,04 × 10 - 3 m, n = 33) e N. benthamiana (0,26 ± 0,02 × 10 - 3 m, n = 24), che è ben all'interno della 0,20-0,33 × 10 - gamma m 3 precedentemente.......

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Discussione

Il metodo di misura non distruttiva senza contatto sopra descritto può essere utilizzato per determinare c p, s e ʎ in modo simultaneo e riproducibile. Il calcolo dei ʎ in particolare dipende da diversi parametri che sono sensibili agli errori. Tuttavia, l'impatto di questi errori era lineare o sub-proporzionale, e il coefficiente di variazione per tutti i parametri è risultato essere inferiore al 10%. Anche se il metodo può quindi essere considerata robusta, alcuni miglioramenti tecnici possono .......

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori sono grati al Dr. Thomas Rademacher e Ibrahim Al Amedi per aver coltivato le piante utilizzate in questo studio. Vorremmo ringraziare il Dr. Richard M. Twyman per la sua assistenza nella revisione del manoscritto. Questo lavoro è stato in parte finanziato dall'European Research Council Advanced Grant "Future-Pharma", proposta numero 269110, dalla Fraunhofer Zukunftsstiftung (Future Foundation), dai programmi interni Fraunhofer-Gesellschaft nell'ambito della sovvenzione n. Attira 125-600164.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Tubo da 1"ThorlabsSM1L10ETubo per supporto fibra
AgarosioSigma AldrichA0701Agarosio
Lente Bi-Convessa f=25.4ThorlabsLB1761Lense
Digitale Palmare Ottico  Console per contatore di potenza ed energiaThorlabsPM100DConsole per sensore termico di assorbimento di superficie
Oscilloscopio digitale al fosforoTektronixDPO7104Oscilloscopio
DMR Microscopio otticoLeican.a.Microscopioottico
Falcon 50 mL Provette da centrifuga conicheFisher Scientific14-432-2Picnometro
Ferty 2 MegaKammlott5.220072Fertilizzante
Supporto per fibreThorlabsSupporto per fibre
Forma -86 ° C Congelatore ULTThermoFisher88400Congelatore
Serran.a.n.a.Perla coltivazione di piante
Grodan Rockwool Cubs 10 x 10 cmGrodan102446Rockwool
block Rilevatore a infrarossi Optris CTOptrisOPTCTLT15Rivelatore a infrarossi
Software Rivelatore a infrarossi Compact ConnectOptrisn.a.ControlSoftware per rivelatore a infrarossi
Lambda 1050 Spettrofotometro UV/VisPerkinElmerL1050Spettrofotometro UV/VIS
Laser 400 μ m, 1.550  Modulo accoppiato in fibra a barra singola raffreddato a conduzione nmDILASM1F-SS2.1Laser
Cover AmtronLM200Laser
Cover Laser Driver AmtronCS 408Laser Driver
Osram bianco freddo 36 WOsram4930440Sorgente luminosa
Sensore fotodiodo ThorlabsPDA20H-ECSensore di potenza per misure di trasmissione
Peso di precisione Ohaus Analytical PlusOhaus80251552Peso di precisione
Telaio campioneFraunhofer ILTn.a.Fissazionedel campione di foglie
Software Pyro ControlAmtron n.a.Softwaredi controllo della potenza laser
Supporto in acciaio inoxn.a.n.a.Supporto per impostazione della misurazione
Piastre in teflon 2 cmFraunhofer ILTn.a.Attenuazioneteflon
Assorbitore termico di superficie Sensore di potenzaThorlabsS314CSensore per misure di potenza laser
VibratomoLeica1491200S001Vibratomo
Zoc/Pro 6.51 EmTec Innovative Softwaren.a.Softwaredi controllo laser 
del

Riferimenti

  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.

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Metodo senza contattoCalore specificoConducibilit termicaSensore nel vicino infrarossoDeterminazione dello spessore fogliareMisurazione della densit fogliareSpecie di pianta di tabaccoAnalisi non distruttiva

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