Name: Un laser Rapid Probing Metodo Facilita la determinazione non invasiva e senza contatto di Leaf Proprietà termiche (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-07T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Scopri un metodo laser rapido per determinare le proprietà termiche delle foglie in modo non invasivo e senza contatto. Questa tecnica consente misurazioni veloci su Nicotiana tabacum per il monitoraggio della salute vegetale.

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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.

1. La coltivazione delle piante e preparazione del campione <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Spostare le piante al apparato di misura. Se le piante sono immobile, raccogliere foglie singole per la misura delle proprietà termiche. </li></ol> 2. Stabilire Foglia spessore e densità <ol><li> Determinare lo spessore foglia <ol><li> Preparare una [m / v] soluzione di agarosio 2% in soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) eautoclave esso. Lasciare raffreddare la soluzione fino a 40 ° C e incorporare un campione foglia posto in una capsula di Petri. Solidificare l'agarosio posizionando la piastra di Petri in frigorifero a 4 ° C per 30 min. </li><li> Tagliare il blocco di agarosio in fette da 200 micron utilizzando un vibratome con un angolo di taglio lama di rasoio di 15 °. Utilizzare una velocità di taglio di 1,0 mm s -1 e un'ampiezza di 0,5 mm. </li><li> Mount cinque sezioni foglia trasversale su un vetrino con cianoacrilato come fissativo. Determinare lo spessore del foglio sotto un microscopio con un obiettivo 20 × e un oculare con 10 × ingrandimento, utilizzando gli strumenti di misurazione integrati nel software del microscopio in base alle istruzioni del produttore. </li><li> Determinare lo spessore del foglio in aree campione senza venature. </li><li> In alternativa, determinare lo spessore foglia con un quadrante calibro in una zona di libero vena della lamina fogliare. Assicurarsi che la linea a scartamento ridotto è tenuto perpendicolare al piano della lamina fogliare. CAUTION: cianoacrilato è irritante per la pelle e può anche incollare le dita insieme, se non maneggiati con cura. </li></ol></li><li> Determinare la densità di foglia <ol><li> Determinare la massa a vuoto (m 0) di un picnometro asciutto, quindi riempirlo con acqua e determinare di nuovo la massa (m 1). Essiccare il picnometro completamente, posizionare un foglio all'interno e determinare la massa (m 2) una volta. Con la foglia all'interno, accuratamente riempire il picnometro con acqua e determinare la massa (m 3). </li><li> Calcolare la densità foglia (Ps) con l'equazione 1. Equazione 1: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq1.jpg"></li></ol></li></ol> 3. Determinare la trasmissione spettrale e Riflessione di foglie <ol><li> Mettere una foglia nella camera campione di un UV / VIS fissandolo tra i morsetti di esempio-holding. Per misure di trasmissione, posizionare il foglio di fronte alla det ettore. Per la riflessione misurazioni posizionare il foglio nella parte posteriore della camera di rilevamento. </li><li> Avviare il software di controllo spettrofotometro. Selezionare uno spettro da 900 nm a 1600 nm. Avviare una nuova scansione e registrare i valori per la trasmissione (μ T) e riflessione (μ R) visualizzato dal software UV / VIS spettrofotometro, basati sulla curva spettrale. </li><li> Eseguire tutte le misurazioni con almeno tre repliche biologiche. Aumentare il numero di repliche biologiche per cinque o più, se un campione di qualità eterogenea può essere previsto, ad esempio, la variazione nella morfologia superficie fogliare e spessore. </li><li> Calcolare la potenza di trasmissione (P T) e la riflessione (P R) moltiplicando i valori di R μ misurato μ T o dal laser laser di potenza P misurata secondo equazioni 2 e 3. Equazione 2:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg "/&gt; Equazione 3: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq3.jpg"> NOTA: La trasmissione può essere determinata anche con un sensore fotodiodo durante la misurazione (vedere 6.3). </li></ol> 4. Sistemare il dispositivo di misurazione <ol><li> Montare una fibra-accoppiato single-bar NIR diodo laser (lunghezza d'onda = 1.550 nm) in un cono di diametro 25,4 mm su un supporto in acciaio inox. Collegare un regolatore per impostare la potenza di uscita (P Laser) del laser NIR per 4-6 W. </li><li> Inserire una lente biconvessa con una lunghezza focale di 25,4 mm all'estremità del cono per regolare la larghezza del fascio a 13 mm. </li><li> Posizionare un sensore di potenza fotodiodo 354 mm sotto la parte inferiore della lente. Poi attenuare il fotodiodo inserendo un filtro a densità neutra con una densità ottica di 1,0 e 22 mm strato ceramico sopra il sensore. </li><li> Collegare il sensore di potenza fotodiodo ad un oscilloscopio utilizzando un cavo coassiale. </li><li> Collegareun telaio 10 × 10 cm, ha un'area di esposizione 6 × 6 cm circa campione con l'impalcatura del sistema di misura ad un'altezza di 308 mm al di sotto della lente (Figura 1). Fissare la posizione di foglia nello spazio montandolo nella cornice cm 10 × 10. </li><li> Collegare un rilevatore NIR ad un personal computer tramite un cavo (USB) Universal Serial Bus e installare il software di interfaccia per il rivelatore. </li><li> Posizionare il rilevatore ad un angolo di 45 ° al fascio laser 135 mm sopra lo strato ceramico. Allineare l'area di misura del rivelatore per il punto laser sul campione variando la posizione del sensore e l'angolo fino si osserva il segnale di temperatura massima. </li><li> Utilizzare il software di interfaccia controllo laser per regolare la potenza del laser potenza a 5 W e la durata dell'impulso laser a 0,5 s. Selezionare il comando "controllo di corrente" nella finestra delle opzioni di controllo sotto la rappresentazione grafica della potenza del laser e regolare la potenza del laser digitando "5" in &amp; #34; Potenza [W] ". Campo Regolare la durata dell'impulso laser digitando" 0.5 "in" Tempo [s] "campo. </li><li> Per determinare la potenza del laser assoluto per ogni serie di esperimenti, sostituire il sensore di potenza fotodiodo con un sensore di potenza superficie dell'assorbitore termica alla fine di ogni serie di esperimenti e misurare la potenza di uscita del laser per 20 s senza campione. </li></ol> 5. Preparare i campioni di foglie <ol><li> Utilizzare foglie incolumità per le misurazioni. </li><li> Se rilevante per l'indagine, imitare i tipi tipici danni foglia forando la foglia con un bisturi, strofinando la foglia tra i guanti in lattice, esponendo la foglia di una fiamma o un raggio laser per 2-3 s, oppure utilizzare altre tecniche per simulare altri tipi di danni. </li><li> Con attenzione ma presto montare il campione foglia tra i morsetti di esempio-holding. </li></ol> 6. prendere la temperatura Misure <ol><li> Evitare il contatto diretto tra la foglia e la ceramicaattenuatore posto sopra il sensore fotodiodo per impedire il trasferimento di calore artificiale che interferisce con il calcolo del c p, s e λ (vedi paragrafo 9). </li><li> Utilizzare il software di misura della temperatura per raccogliere il profilo di temperatura del campione foglia per un totale di 60 s tramite il rivelatore NIR. In primo luogo, registrare la linea di base della temperatura per 10 s, quindi attivare il laser per 0,5 s e continuare la raccolta dei dati per il 49,5 s. <ol><li> Inizia una misura cliccando su "misura" e quindi "nuova misura". Successivamente fare clic sulla freccia verde sopra la rappresentazione grafica del profilo termico. Salvare il profilo di temperatura, cliccando sull'icona "Salva" (un disco stilizzato) sopra la rappresentazione grafica del profilo. </li></ol></li><li> Conferma la potenza laser trasmesso utilizzando il sensore di potenza fotodiodo calcolando la differenza di segnale per misurazioni con e senza un campione foglio utilizzando un oscilloscopio collegatoal sensore di potenza fotodiodo attraverso un cavo coassiale (Figura 2). <ol><li> Determinare l'altezza dei due fianchi (f 1, f 2 S e, S) nel profilo di tensione acquisita con l'oscilloscopio. </li><li> Ripetere la misurazione senza campione foglio come riferimento (f 1,0 e f 2,0). Calcolare trasmissione μ T come il rapporto di queste misurazioni secondo l'Equazione 4 (vedere anche figura 2). Equazione 4: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq4.jpg"></li></ol></li></ol><img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig2.jpg"> Figura 2: Misurazione trasmissione foglio utilizzando un sensore di potenza fotodiodo. A. profilo di tensione tipico per un esperimento di riferimento senza campione foglia visualizzato per mezzo di un oscilloscopio. B. profilo di tensionecon un campione foglio montato nell'apparecchiatura. In entrambi i casi, la potenza del laser trasmessa è proporzionale a ciascuno dei due fianchi. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 7. calcolare la capacità termica specifica del campione Leaf <ol><li> Calcolare la differenza di temperatura massima DT [K] durante l'impulso laser sottraendo il T temperatura ambiente 0 [K] dalla temperatura massima T foglio ma x [K] (Equazione 5). Equazione 5: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq5.jpg"></li><li> Calcolare l'energia assorbita da una foglia (E S [J]) in base alla effettiva potenza del laser e il laser durata dell'impulso (Equazione 6), dove P R [W] è la potenza del laser riflessa e P T [W] è il laser trasmesso energia. Equazione 6: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq6.jpg"></li><li> Calcolare la massa della superficie fogliare riscaldata (m S [kg]) usando l'equazione 7, dove d S [m] è lo spessore del foglio secondo 2.1), r laser [m] è il raggio dello spot laser, V S [ m 3] è il volume foglia riscaldata, e ρ S [kg m -3] è la densità del foglio secondo 2.2). Equazione 7: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq7.jpg"></li><li> Calcolare c p, s [J kg -1 K -1] secondo l'Equazione 8 dividendo l'energia assorbita E S dal prodotto della superficie fogliare riscaldata massa m S e massima delta di temperatura. Equazione 8: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq8.jpg"></li></ol> 8. Preparare i dati di temperatura del profilo per ThermCalcoli al conducibilità <ol><li> Utilizzare il comando "Esporta" del software di controllo sensore NIR per esportare il tempo e la temperatura dati grezzi in un file * .dat e aprire il file in un elaboratore di fogli di calcolo. </li><li> Applicare 1: riduzione del 100 dati, usando ad esempio un "IF (MOD (Value; 100) = 0;" x ";" 0 ")" di comando, con un conseguente densità dei dati di un punto di dati per 0,1 s. </li><li> Calcolare la media delle temperature T B basale [° C] per ogni profilo temperatura oltre i primi 10 s di una misurazione, durante la quale il laser era ancora spento. Poi, calcolare la differenza tra T B e la temperatura effettiva ambiente T 0 [° C]. </li><li> Utilizzare questa differenza di normalizzare individualmente ciascun profilo spostando verso T 0 (y-normalizzazione), per esempio, se T B - T 0 = 2.0 K, quindi sottrarre 2,0 K da ogni valore di temperatura nella temperatura proFile (Figura 3A). </li><li> Normalizzare coordinata temporale di ciascun profilo di temperatura (x-normalizzazione) eliminando ogni punto di dati prima che la temperatura massima del campione (T max) e assegnare nuovi valori di tempo iniziano con t = 0 per T max (Figura 3B). </li><li> Schermo ogni profilo per improvvisi cambiamenti di temperatura, ad esempio, differenze di temperatura che sono più di tre volte il livello di rumore della linea di base, che in genere è 3 × 0.31 K ≈ 1.0 K. Rimuovere queste regioni dal set di dati perché corrispondono alla misura artefatti (Figura 3C ). </li><li> Applicare una funzione di decadimento esponenziale (Equazione 9) ai dati utilizzando un processore foglio, dove T t [K] è la temperatura del campione foglio aderente al tempo t [s], T 0 è la temperatura ambiente, A [K] è l'ampiezza e t 1 [s] la costante di decadimento (Figura3D). Equazione 9: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq9.jpg"></li><li> Utilizzare la funzione montato per calcolare il calo di temperatura nel campione foglia da 0-80 s dopo l'impulso laser. </li><li> Trasformare i dati di temperatura misurati in [° C] a [K] scala aggiungendo un valore di 273,15 a ciascun punto di dati di temperatura (Figura 3E). </li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig3.jpg"> Figura 3: schema di elaborazione dei dati per il calcolo di λ. A. Dopo la riduzione dei dati, i profili di temperatura sono normalizzati alla temperatura ambiente. B. Successivamente, tutti i punti di dati prima che la temperatura massima del campione (T max) vengono rimossi. C. artefatti di misura (mostrato nel set di dati "incoerente") sono identificati in base alla temperatura si sposta più grande di thvolte ree il rumore di fondo e rimosse dal set di dati prima del montaggio di una funzione esponenziale. D. La scala di temperatura Celsius viene convertita in scala Kelvin. E. Per ogni intervallo di tempo, λ è calcolata in base al profilo di temperatura. F. Una finestra di 20 s è definito nei quali la variazione di temperatura corrispondente può essere osservato. G. Sulla base della finestra di tempo selezionato, la media e deviazione standard di sono calcolati per λ. H. Risultati rappresentativi per due differenti campioni di foglie N. tabacum. Frecce arancioni e linee indicano l'effetto della fase di lavorazione corrispondente sui dati presentati. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 9. Il calcolo della conducibilità termica del Campione Leaf <ol><li> Calcolare la differe temperaturaSNO tra il campione foglia e l'ambiente per ogni 0,1-s intervallo secondo l'Equazione 10, dove DT x [K] è la differenza di temperatura, T t [° C] è la temperatura del campione foglia mobili e T 0 [° C] il temperatura ambiente (Figura 3E). Equazione 10: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq10.jpg"></li><li> Si supponga che il calo di temperatura è dovuto all'effetto combinato di scambio termico convettivo, radiazione termica e conduzione termica. Utilizzare il corrispondente bilancio energetico (equazione 11) come base per il calcolo di λ, dove AE Temp [J] è la differenza di energia termica del campione in due punti temporali consecutivi, AE rad [J] è la differenza di energia dovuta alla radiazione termica, AE conv [J] è la differenza di energia dovuto al trasferimento di calore convettivo, e Δ; E cond [J] è la differenza di energia dovuto alla conduzione termica. Equazione 11: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq11.jpg"></li><li> Sostituire i termini generali del bilancio energetico con le proprietà fisiche effettive rendimento Equazione 12, dove DT t [K] è la differenza di temperatura del campione foglia attrezzata, ε l'emissività senza unità, σ [kg s -3 K -4] il Stefan costante -Boltzmann, Un rad [m 2] l'area di radiazione termica, h [J s -1 m -2 K -1] il coefficiente di scambio termico convettivo, Un conv [m 2] l'area di trasferimento di calore convettivo, A cond [m 2] la zona di conduzione termica e l [m] la lunghezza caratteristica. Equazione 12: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq12.jpg"></li><li> Calcolare il Characteristic lunghezza l basato sulla correlazione: l = V / A. </li><li> Utilizzare riscaldata volume del campione V S e l'area della sezione trasversale del campione foglio per calcolare A [m 2]. La superficie fogliare sezione trasversale corrisponde alla A cond secondo l'equazione 13, dove A cond è la zona dove si verifica la conduzione, r è il raggio laser dello spot laser e d s è lo spessore del foglio. Equazione 13: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq13.jpg"></li><li> Calcolare A rad e A conv secondo l'Equazione 14, dove A è l'area del laser dello spot laser. Equazione 14: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq14.jpg"></li><li> Equazioni sostitutivi 9, 12 e 13 in Equazione 11 e risolvere la seconda per λ, cedendo Equazione 15 dove t laser è tha durata dell'impulso laser [s]. Equazione 15: <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq15.jpg"></li><li> Assumere un valore di 0,94 per ε e calcolare λ per ogni intervallo di 0,1 s tempo nei primi 20 s del profilo di temperatura. La media dei valori 200 per λ ottenuti in questo modo e calcolare la deviazione standard (Figura 3F - H). </li></ol>

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<li>Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+capacity+measurements+of+various+biomass+types+and+pyrolysis+residues%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues.</a> Fuel. 115, 644-651 (2014).</li>
<li>Chaerle, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-sensor+plant+imaging%3A+Towards+the+development+of+a+stress-catalogue%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+J%22%5BJournal%5D)">Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue.</a> Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).</li>
<li>Hackl, H., Baresel, J. P., Mistele, B., Hu, Y., Schmidhalter, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Comparison+of+Plant+Temperatures+as+Measured+by+Thermal+Imaging+and+Infrared+Thermometry%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Agron.+Crop.+Sci%22%5BJournal%5D)">A Comparison of Plant Temperatures as Measured by Thermal Imaging and Infrared Thermometry.</a> J. Agron. Crop. Sci. , 415-429 (2012).</li>
<li>Yuan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+analysis+of+winter+wheat+leaves+for+detection+and+differentiation+of+diseases+and+insects%5BTitle%5D)+AND+%22Field+Crops+Res%22%5BJournal%5D)">Spectral analysis of winter wheat leaves for detection and differentiation of diseases and insects.</a> Field Crops Res. 156, 199-207 (2014).</li>
</ol>

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

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&#39;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 ...

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 distruzione 2. Ad esempio, tecniche fototermiche richiedono un contatto diretto tra il campione e rivelatore 3. Tali limitazioni sono accettabili durante la lavorazione, ma sono incompatibili con processi altamente regolati come la produzione di proteine biofarmaceutiche nelle piante nel contesto della pratica buona fabbricazione 4. ion tale contesto, ripetuto (per es, settimanale) il monitoraggio delle proprietà termiche può essere richiesto nel corso di un periodo di crescita di sette settimane per impianti individuali come uno strumento di controllo della qualità. Se un tale monitoraggio richiederebbe e consumare una foglia per ogni misura, non ci sarebbe biomassa sinistra per elaborare al momento del raccolto. Inoltre, utilizzando solo parti foglia invece causerebbe ferendo alla pianta ed aumentare il rischio di necrosi o infezione patogeno, ancora diminuendo la resa del processo. La probabilità di infezione patogeno può anche aumentare se sarebbe utilizzato un metodo con contatto diretto al campione, inducendo il rischio che un intero lotto di piante possono essere infettati attraverso il contatto con un dispositivo sensore contaminato. Aspetti simili devono essere considerati per il monitoraggio della pianta sottolinea come la siccità, ad esempio, in un contesto ecofisiologica. Ad esempio, la perdita di acqua è spesso controllata da un cambiamento nella biomassa fresca, che richiede un tre invasivaatment degli impianti oggetto di indagine 5, ad esempio, dissezione una foglia. Invece, determinare la capacità termica specifica, che dipende dal contenuto di acqua di un campione, in modo non invasivo come descritto qui, può essere utilizzato come parametro surrogato per lo stato di idratazione delle piante. In entrambi i casi (produzione farmaceutica e ecofisiologia), sollecitazioni artificiali indotti da tecniche di misurazione distruttive o invasive sarebbe deleterio quanto possono falsare i dati sperimentali. Metodi istantanei Pertanto, precedentemente riportati 6 o il posizionamento dei campioni tra le piastre 7 argento sono inadatti per tali processi ed esperimenti perché o richiedono un contatto diretto con il campione o sono distruttive. I parametri c p, s e λ devono essere determinati al fine di progettare apparecchiature di processo per un passo sbollentare in grado di semplificare la purificazione dei prodotti e ridurre i costi di produzione 8-10 così. entrambi cp, s e λ possono ora essere rapidamente determinati da non distruttivo vicino infrarosso (NIR) laser senza contatto sondare in modo coerente e riproducibile 11 e questo nuovo metodo saranno spiegate in dettaglio di seguito. I risultati ottenuti con questo metodo sono stati usati con successo per simulare il trasferimento di calore in foglie di tabacco 12, consentendo la progettazione di apparecchiature per il trattamento appropriato e la selezione dei parametri corrispondenti quali la temperatura scottatura. Il metodo è facile da configurare (Figura 1) e presenta due fasi, misurazione e analisi, ciascuna delle quali comprende due fasi principali. Nella fase di misurazione, un campione foglia viene prima riscaldato localmente con un breve impulso laser e la temperatura massima campione viene registrato. Il profilo di temperatura del campione viene quindi registrato per una durata di 50 s. Nella fase di analisi, proprietà foglia come densità (facilmente e accuratamente determinate da measurem picnometricoent) sono combinati con la temperatura massima del campione per calcolare c p, s. Nella seconda fase, il profilo di temperatura del foglio è usato come ingresso per un equazione di bilancio energetico, tenendo conduzione, convezione ed irraggiamento in considerazione, per calcolare λ. Dettagliate istruzioni passo-passo sono forniti nella sezione del protocollo, ampliando il contenuto del video di accompagnamento. Misure tipiche vengono quindi visualizzati nella sezione risultati. Infine, i vantaggi ei limiti del metodo sono evidenziati nella sezione di discussione insieme con i potenziali miglioramenti e ulteriori applicazioni. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig1.jpg"> Figura 1: La strumentazione utilizzata per determinare le proprietà termiche del foglio. A. Fotografico dell'apparecchiatura di misurazione utilizzato per determinare il calore specifico e la conduttività termica di leAves. I dispositivi periferici (computer, oscilloscopio) non sono presentati. B. Rappresentazione schematica del dispositivo di misurazione. Il laser e apparecchiature collegate sono evidenziati in rosso, il rivelatore NIR per misurare la temperatura è mostrato in viola, il campione foglia è verde e il sensore di potenza fotodiodo è blu. C. Disegno degli elementi del sistema di misura con lo stesso codice di colore come in B. La barra indica dimensioni 0,1 m. D. Schermata che illustra gli elementi tipici del software di controllo laser. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

<table><tbody><tr><td>Tubo da 1"</td><td>Thorlabs</td><td>SM1L10E</td><td>Tubo per supporto fibra</td></tr><tr><td>Agarosio</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A0701</td><td>Agarosio</td></tr><tr><td>Lente Bi-Convessa f=25.4</td><td>Thorlabs</td><td>LB1761</td><td>Lense</td></tr><tr><td>Digitale Palmare Ottico&nbsp; Console per contatore di potenza ed energia</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Console per sensore termico di assorbimento di superficie</td></tr><tr><td>Oscilloscopio digitale al fosforo</td><td>Tektronix</td><td>DPO7104</td><td>Oscilloscopio</td></tr><tr><td>DMR Microscopio ottico</td><td>Leica</td><td>n.a.Microscopio</td> <td>ottico</td></tr><tr><td>Falcon 50 mL Provette da centrifuga coniche</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-432-2</td><td>Picnometro</td></tr><tr><td>Ferty 2 Mega</td><td>Kammlott</td><td>5.220072</td><td>Fertilizzante</td></tr><tr><td>Supporto per fibre</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Supporto per fibre</td></tr><tr><td>Forma -86 &#176; C Congelatore ULT</td><td>ThermoFisher</td><td>88400</td><td>Congelatore</td></tr><tr><td>Serra</td><td>n.a.n.a.Per</td><td></td> <td>la coltivazione di piante</td></tr><tr><td>Grodan Rockwool Cubs 10 x 10 cm</td><td>Grodan</td><td>102446</td><td>Rockwool</td></tr><tr><td>block Rilevatore a infrarossi Optris CT</td><td>Optris</td><td>OPTCTLT15</td><td>Rivelatore a infrarossi</td></tr><tr><td>Software Rivelatore a infrarossi Compact Connect</td><td>Optris</td><td>n.a.Control</td> <td>Software per rivelatore a infrarossi</td></tr><tr><td>Lambda 1050 Spettrofotometro UV/Vis</td><td>PerkinElmer</td><td>L1050</td><td>Spettrofotometro UV/VIS</td></tr><tr><td>Laser 400 &mu; m, 1.550&nbsp; Modulo accoppiato in fibra a barra singola raffreddato a conduzione nm</td><td>DILAS</td><td>M1F-SS2.1</td><td>Laser</td></tr><tr><td>Cover Amtron</td><td></td><td>LM200</td><td>Laser</td></tr><tr><td>Cover Laser Driver&nbsp;</td><td>Amtron</td><td>CS 408</td><td>Laser Driver</td></tr><tr><td>Osram bianco freddo 36 W</td><td>Osram</td><td>4930440</td><td>Sorgente luminosa</td></tr><tr><td>Sensore fotodiodo&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>PDA20H-EC</td><td>Sensore di potenza per misure di trasmissione</td></tr><tr><td>Peso di precisione Ohaus Analytical Plus</td><td>Ohaus</td><td>80251552</td><td>Peso di precisione</td></tr><tr><td>Telaio campione</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Fissazione</td> <td>del campione di foglie</td></tr><tr><td>Software Pyro Control</td><td></td><td>Amtron n.a.Software</td> <td>di controllo della potenza laser</td></tr><tr><td>Supporto in acciaio inox</td><td>n.a.n.a</td><td>.</td><td>Supporto per impostazione della misurazione</td></tr><tr><td>Piastre in teflon 2 cm</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Attenuazione</td> del <td>teflon</td></tr><tr><td>Assorbitore termico di superficie Sensore di potenza</td><td>Thorlabs</td><td>S314C</td><td>Sensore per misure di potenza laser</td></tr><tr><td>Vibratomo</td><td>Leica</td><td>1491200S001</td><td>Vibratomo</td></tr><tr><td>Zoc/Pro 6.51&nbsp;</td><td>EmTec Innovative Software</td><td>n.a.Software</td> <td>di controllo laser&nbsp;</td></tr></tbody></table>

un laser rapid probing metodo facilita la determinazione non invasiva e senza contatto di leaf proprietà termiche

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

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&#39;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&#39;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.

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...

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.

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

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

L'obiettivo generale di questa procedura è determinare le proprietà termiche delle foglie in modo senza contatto. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'agricoltura molecolare sul controllo in-process della crescita e della salute delle piante. I principali vantaggi di questa tecnica sono che è senza contatto, veloce e non danneggia il campione.Le implicazioni di questa tecnica si estendono all'ispezione automatizzata delle piantagioni con un rilevatore mobile per definire l'alimentazione e la nutrizione pianta per pianta. Per iniziare la coltivazione delle piante, sciacquare i blocchi di lana minerale con uno o due litri di acqua deionizzata ciascuno, quindi sciacquare ogni blocco con un litro di una soluzione di fertilizzante allo 0,1%. Metti un seme di tabacco in ogni blocco e sciacqua con 250 millilitri di soluzione fertilizzante, assicurandoti che il seme non venga lavato via.Coltiva le piante per sette settimane in una serra o in un fitotrone. Una volta che le piante sono cresciute, raccogli le singole foglie intatte e non danneggiate per la caratterizzazione delle piante o usa piante intatte. Per iniziare la determinazione dello spessore fogliare, preparare in autoclave 50 millilitri di una soluzione di agarosio al 2% in massa in volume e soluzione salina tamponata con fosfato.Lasciare raffreddare la soluzione a 40 gradi Celsius e poi aggiungere la soluzione a una capsula di Petri contenente un singolo campione di foglia. Raffreddare il campione a quattro gradi Celsius per 30 minuti per solidificare l'agarosio e incorporare la foglia. Quindi utilizzare un vibratomo per tagliare il blocco di agarosio in fette di 200 micrometri.Montare cinque sezioni trasversali dell'anta su uno scivolo di vetro con cianoacrilato. Utilizzare un microscopio o un comparatore per determinare lo spessore delle aree prive di vene del campione di foglie. Utilizzare un altro campione di foglia singola in acqua per determinare la densità delle foglie con un picnometro.Quindi, bloccare un'altra singola foglia davanti al rivelatore in una camera di campionamento dello spettrofotometro UV-vis. Nel software dello spettrofotometro, selezionare uno spettro da 900 a 1.600 nanometri. Eseguire la scansione e registrare il valore di trasmissione in base alla curva spettrale.Quindi, bloccare la foglia dietro il rivelatore e ripetere la scansione. Determinare il valore di riflessione dalla curva spettrale. Ottenere misure di trasmissione e riflessione da almeno tre campioni di foglie.Per iniziare, monta un laser a diodi infrarossi a barra singola accoppiato a fibra da 1.550 nanometri nel cono. Quindi fissare una lente biconvessa con una lunghezza focale di 25,4 millimetri all'estremità del cono. Fissare un cono di 25,4 millimetri di diametro con un supporto in acciaio inossidabile a un supporto da laboratorio.Posizionare un filtro a densità neutra con una densità ottica di 1,0 in una piastra di ceramica spessa 22 millimetri sopra il censore per attenuare il raggio laser. Montare un sensore di potenza a fotodiodo 354 millimetri sotto la parte inferiore dell'obiettivo. Collegare il sensore di potenza del fotodiodo a un oscilloscopio.Applicare una montatura di 10 centimetri per 10 centimetri con un'area di esposizione campione di sei centimetri per sei centimetri 308 millimetri sotto l'obiettivo. Montare il rilevatore a 135 millimetri sopra l'attenuatore in ceramica. Collegare un rilevatore a infrarossi a un computer e preparare il software.Metti una piastra assorbente sulla foglia e accendi il laser. Regolare l'angolo del rivelatore a 45 gradi rispetto al raggio laser. Continuare a regolare l'angolo e l'altezza del rilevatore fino a quando non viene osservata la lettura della temperatura massima.Nel software di controllo laser, selezionare il controllo dell'alimentazione. Impostare la potenza del laser in uscita su cinque watt e la durata dell'impulso su 0,5 secondi. Per iniziare le misurazioni, portare un'intera pianta all'apparato di misurazione o raccogliere singole foglie intere e non danneggiate.Montare immediatamente il campione di foglia nel telaio, facendo attenzione a non danneggiare la foglia. Evitare che l'anta entri in contatto con l'attenuatore in ceramica. Nel software nel vicino infrarosso, avviare una nuova misurazione di 60 secondi.Registrare il profilo della temperatura di base per 10 secondi prima di attivare un singolo impulso laser di 0,5 secondi. Continuare a registrare i dati per i restanti 49,5 secondi. Al termine della misurazione, fare clic sul pulsante di arresto sopra il profilo termico e quindi salvare il profilo.Esporta i dati grezzi di tempo e temperatura come file dot dat per ulteriori analisi. Quindi, nel software dell'oscilloscopio, è possibile determinare le altezze dei fianchi nel profilo di tensione, che sono state raccolte automaticamente durante l'impulso laser. Ripetere la misurazione del profilo di temperatura con un singolo impulso laser di 0,5 secondi per ogni campione.Quindi ripetere la misurazione del segnale laser senza un campione di foglie come riferimento. Determinare le altezze dei fianchi da questo profilo di tensione e calcolare i valori di trasmissione per ciascun campione. Utilizza il software per fogli di calcolo per calcolare e rappresentare graficamente la capacità termica specifica e la conducibilità termica dei campioni.Con questo metodo sono stati analizzati campioni di foglie singole delle specie vegetali Nicotiana tabacum, nota come tabacco, e Nicotiana benthamiana. Entrambe le specie hanno mostrato un rapido aumento della temperatura massima in meno di un secondo in risposta all'impulso laser, seguito da una diminuzione esponenziale della temperatura ambiente. I valori di capacità termica specifica e conducibilità termica sono stati calcolati per entrambe le specie dalle foglie raccolte nella parte inferiore, centrale e superiore della pianta.Per entrambe le specie è stato osservato un aumento della conducibilità termica per le foglie più in alto della pianta, tuttavia la Nicotiana tabacum ha mostrato una tendenza inversa nella capacità termica specifica. Nella Nicotiana tabacum non è stata osservata alcuna correlazione tra la durata della coltivazione e la conducibilità termica. Inoltre, non è stata osservata alcuna correlazione tra le condizioni di coltivazione e le proprietà termiche in Nicotiana benthamiana.È stato esaminato l'effetto delle singole variabili sulla capacità termica specifica e sulla conducibilità termica. La conducibilità termica di Nicotiana benthamiana era altamente sensibile alla temperatura ambiente. La capacità termica specifica non era significativamente sensibile a nessuno dei parametri coinvolti nel suo calcolo.Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in pochi minuti per campione se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di montare correttamente l'anta con la precisione data per garantire misurazioni di alta qualità e risultati riproducibili. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come le misurazioni della fluorescenza per rispondere a ulteriori domande come l'espressione della proteina ricombinante.Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della biotecnologia vegetale per esplorare la crescita delle piante nelle specie di Nicotiana. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come determinare la capacità termica specifica e la conduttività termica delle foglie in modo senza contatto e non distruttivo. Non dimenticare che lavorare con i laser può essere pericoloso per gli occhi e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come indossare gli occhiali di sicurezza appropriati.

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