Name: 迅速なレーザー法は葉熱特性の非侵襲的および非接触決意を容易にプロービング (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-07T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: 学ぶ、近赤外レーザー法を用いた葉の熱特性の非侵襲的測定法。Nicotiana tabacumなどの植物材料を損傷せず、1分以内で比熱容量と熱伝導率を測定し、分子農業における生育管理に応用可能です。

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著者は、この研究で使用された植物を栽培してくれたトーマス・ラーデマッハー博士とイブラヒム・アル・アメディ博士に感謝しています。原稿の編集にご協力いただいたRichard M. Twyman博士に感謝いたします。この研究の一部は、欧州研究会議のアドバンスドグラント「Future-Pharma」(提案番号269110)、フラウンホーファー財団(Future Foundation)、フラウンホーファー研究機構の内部プログラム(グラントNo.125-600164を引き付けます。

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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>
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</ol>

著者には開示すべき利益相反はありません。

上述した非接触、非破壊測定方法は、同時かつ再現可能な方法でのC、P、S及びʎを決定することができます。特にʎの計算はエラーに敏感であるいくつかのパラメータに依存します。それにもかかわらず、これらの誤差の影響は、線形またはサブ比例のいずれかであり、すべてのパラメータの変動係数は10％未満であることが見出されました。この方法は、このようにロバストと見なすことができるにもかかわらず、いくつかの技術的な改善が誤差の残りの原因を低減させることができます。 アセンブリ内に試料をマウントすると、平らな葉の表面は、測定のために好適であるため、技術的に困難であったが、サンプルは自然の起伏面を有しています。この問題は、好みにサンプルをクランプ、正確葉のサンプル、 例えば 、葉の厚さ及び幅に調整ジオメトリを持つ専用の試料ホルダを設計することによって克服することができでき向き。このアプローチは、測定がより再現になるだろうが、サンプルとホルダとの間しっかり接触は、葉の表面を平坦に引っ張るために必要とされるため、測定の非接触の性質を損なうことになります...

生物材料の大規模な処理は、しばしば、殺菌などの熱処理工程を必要とします。生物学的材料の熱的特性がよく特徴付けられている場合、そのようなプロセスのための装置は、比熱容量（C P、S）及び熱伝導率（λ）を含む、より正確に設計することができます。これらのパラメータは、熱量測定1により、液体、懸濁液およびホモジネートのために容易に決定することができます。しかし、固体試料にこのようなパラメータを測定することは、労働集約的であることができ、多くの場合、サンプルあるいはその破壊2との直接接触を必要とします。例えば、光熱技術は、サンプルと検出器3との間の直接的な接触を必要とします。このような制限は、食品加工の際に許容されるが、このような適正製造基準4の文脈における植物中のバイオ医薬品タンパク質の産生などの高度に規制プロセスと互換性がありません。私nはそのような状況では、熱的特性の繰り返し（ 例えば、毎週）監視は、品質管理ツールとして、個々の植物のための7週間の成長期間中に必要とされ得ます。このような監視が必要と各測定のための葉を消費してしまう場合は、収穫の時に処理するために残されたバイオマスはないだろう。 さらに、植物に負傷の原因となり、再度、プロセス歩留まりを減少、壊死または病原体感染の危険を増大させるだけではなく葉の部分を使用して。試料に直接接触と方法が使用される場合、病原体感染の可能性はまた、植物のバッチ全体が汚染され、センサ装置との接触によって感染することができるリスクを誘導する、増大させることができます。同様の側面は生態生理学的文脈で、 例えば 、干ばつなどの植物ストレスの監視のために考慮しなければなりません。例えば、水の損失は、多くの場合、侵襲的TREを必要とする新鮮なバイオマスの変化によって監視されます例えば 、調査5、下の植物のatment、葉を解剖。代わりに、ここで説明するように、非侵襲的に、サンプルの含水量に依存する比熱容量を決定する、植物の水和状態の代理パラメータとして使用することができます。彼らは実験データを歪曲することができますように、両方のシナリオ（医薬品製造および生態生理学）では、破壊的または侵襲的な測定技術により誘導される人工的なストレスは有害であろう。それらのいずれかがサンプルに直接接触することを必要とするか、または破壊的であるため、そのため、以前に報告されたフラッシュ・メソッド6または銀のプレート7との間のサンプルの配置は、このようなプロセスや実験に適していません。パラメータCはP、S及びλは、生成物の精製を単純化し、製造コスト8-10を低減することができるブランチング工程のための処理装置を設計するために決定されなければなりません。どちらもCP、S及びλは、現在急速に一貫して再現可能な方法11でプロービング非接触、非破壊近赤外（NIR）レーザーによって決定することができ、この新しい方法は、以下に詳細に説明します。この方法で得られた結果を正常タバコにおける熱伝達は、適切な処理装置の設計や、ブランチング温度、対応するパラメータの選択を可能にする、12を出るシミュレートするために使用されました。 この方法は、（ 図1）を設定することが容易であり、2つの主要な工程を含む、それぞれが2段階、測定、解析を、持っています。測定段階では、葉のサンプルを、最初に局所的に短いレーザーパルスによって加熱され、最大試料温度が記録されます。試料の温度プロファイルは、その後、50秒の持続時間のために記録されています。分析フェーズでは、密度など葉特性が（容易にかつ正確にpycnometric measuremによって決定しますENT）、Sを C pを計算するために、最大試料温度と組み合わされます。第2のステップでは、葉の温度プロファイルは、λを計算するために、アカウントに伝導、対流および放射しながら、エネルギー平衡方程式の入力として使用されます。 詳細な手順は、添付のビデオの内容に拡大し、プロトコルのセクションで提供されています。典型的な測定は、結果セクションに表示されます。最後に、この方法の利点と制限は、潜在的な改良と、さらにアプリケーションと一緒にディスカッションセクションで強調表示されます。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig1.jpg"> 図1：葉の熱的特性を決定するために使用される装置。 。比熱容量ルの熱伝導率を決定するために使用される測定装置の写真鳥類。周辺機器（コンピュータ、オシロスコープ）が示されていません。 B。測定装置の概略図。レーザーおよび接続された機器は赤色で強調表示され、温度測定用のNIR検出器は紫色で示されている、葉のサンプルは緑であり、フォトダイオードパワーセンサは青です。 C。 B.と同じカラーコード付き測定セットアップの要素の描画サイズのバーが0.1メートルを示しています。 D。レーザ制御ソフトウェアの典型的な要素を示すスクリーンショット。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>1インチチューブ</td><td>Thorlabs</td><td>SM1L10E</td><td>ファイバーホルダー用チューブ</td></tr><tr><td>アガロース</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>A0701</td><td>アガロース</td></tr><tr><td>バイコンベックスレンズ f=25.4</td><td>Thorlabs</td><td>LB1761</td><td></td></tr><tr><td>レンズ デジタルハンドヘルド光学&nbsp;電力およびエネルギーメーターコンソール</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>熱表面吸収体センサー用コンソール</td></tr><tr><td>デジタル蛍光体オシロスコープ&nbsp;</td><td>Tektronix</td><td>DPO7104</td><td>オシロスコープ</td></tr><tr><td>DMR 光学顕微鏡</td><td>Leica</td><td>n.a.Light</td> <td>顕微鏡</td></tr><tr><td>Falcon 50 mL 円錐形遠心分離管</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-432-2</td><td>Pycnometer</td></tr><tr><td>Ferty 2 Mega</td><td>Kammlott</td><td>5.220072</td><td>肥料</td></tr><tr><td>ファイバーホルダー</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>ファイバーホルダー</td></tr><tr><td>Forma -86 &#176;C ULT冷凍庫</td><td>ThermoFisher</td><td>88400</td><td>冷凍庫</td></tr><tr><td>温室</td><td>n.a.n.a</td><td>.</td><td>植物栽培用</td></tr><tr><td>グローダンロックウールキューブ 10 x 10 cm</td><td></td><td></td><td>102446ロックウールブロック</td></tr><tr><td>赤外線検出器 オプトリス CT</td><td>オプトリス</td><td>OPTCTLT15</td><td>赤外線</td></tr><tr><td>検出器 赤外線検出器ソフトウェア コンパクトコネクト</td><td>オプトリス</td><td>n.a.</td><td>制御ソフトウェア赤外線検出器用</td></tr><tr><td>ラムダ 1050 UV/VIS分光光度計</td><td>PerkinElmer</td><td>L1050</td><td>UV/VIS分光光度計</td></tr><tr><td>レーザー 400 &mu;メートル、1,550&nbsp;nm伝導冷却シングルバーファイバー結合モジュール</td><td>DILAS</td><td>M1F-SS2.1</td><td>レーザー</td></tr><tr><td>レーザー</td><td>カバーAmtronLM200</td><td></td><td>レーザーカバー</td></tr><tr><td>レーザードライバー&nbsp;</td><td>Amtron</td><td>CS 408</td><td>レーザー ドライバー</td></tr><tr><td>Osram クール ホワイト 36 W</td><td>Osram</td><td>4930440</td><td>光源</td></tr><tr><td>フォトダイオード センサー&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>PDA20H-EC</td><td>透過測定用パワーセンサー</td></tr><tr><td>精密重量 Ohaus Analytical Plus</td><td>Ohaus</td><td>80251552</td><td>精密重量</td></tr><tr><td>サンプルフレーム</td><td>フラウンホーファーILT</td><td>n.a.</td><td>葉サンプルの固定</td></tr><tr><td>ソフトウェア パイロ制御</td><td>Amtron</td><td>n.a.</td><td>レーザー パワー制御ソフトウェア</td></tr><tr><td>Stainless-steel-holder</td><td>n.a.n.a</td><td>.</td><td>測定セットアップ用ホルダー</td></tr><tr><td>テフロンプレート 2 cm</td><td>フラウンホーファー ILT</td><td>n.a.</td><td>テフロン減衰</td></tr><tr><td>熱表面吸収体 パワーセンサー</td><td>Thorlabs</td><td>S314C</td><td>レーザーパワー測定用センサー</td></tr><tr><td>ビブラトーム</td><td>ライカ</td><td>1491200S001</td><td>ビブラトーム</td></tr><tr><td>Zoc/Pro 6.51&nbsp;</td><td>EmTec Innovative Software</td><td>n.a.Laser</td> <td>Control Software&nbsp;</td></tr></tbody></table>

迅速なレーザー法は葉熱特性の非侵襲的および非接触決意を容易にプロービング

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

植物は、このような二次代謝産物および組換えタンパク質などの価値のある物質を生成することができます。植物バイオマスからの後者の精製は、熱処理（ブランチング）することによって合理化することができます。葉の熱特性を詳細、 すなわち 、特定の熱容量と熱伝導性で知られている場合、ブランチング装置は、より正確に設計することができます。これらの特性の測定には時間がかかり、労働集約的であり、通常は直接試料に接触侵襲的な方法を必要とします。これは、製品の歩留まりを低下させることができるとのGMPの文脈における封じ込めの要件、 例えば、と互換性がない可能性があります。これらの問題に対処するために、非侵襲性、非接触方法は、約1分での比熱容量と無傷植物の葉の熱伝導率を決定することを開発しました。この方法は、小領域に定義された長さおよび強度の短レーザーパルスの適用を含みます近赤外センサーを用いて測定される温度上昇を引き起こす葉サンプル。温度上昇は、比熱容量を決定するために、既知の葉の特性（厚さ及び密度）と組み合わされます。熱伝導率は、アカウントに熱放射および対流熱伝達を取って、その後の温度低下のプロファイルに基づいて算出されます。関連する計算とサンプルの取り扱いの重要な側面が議論されています。

葉特性の測定 上記の顕微鏡法を用いて、0.22から0.29×10の葉の厚さ-とN.ベンタミアナ （0.26±0.02×10 - - 3メートルはN.タバカム （3メートルはn = 33 0.25±0.04×10）の両方について測定しました以前に、様々な植物種3の葉について報告さ3メートルの範囲- 0.20から0.33×10の範囲内である3メートル 、N = 24）、。顕微鏡測定からの結果の1標準偏差内であった3メートル （N = 10）、 -ダイヤルゲージで厚みを決定することは、〜0.28×10の値が得られました。適用が容易であったようにこのよ...

A は、サンプルごとに1分未満で済む非侵襲的で非接触の近赤外線レーザープローブにより、葉組織の比熱容量と熱伝導率を決定する方法を開発しました。

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

この手順の全体的な目標は、非接触の方法で葉の熱特性を決定することです。この方法は、植物の成長と健康のインプロセス制御に関する分子農業の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、非接触で高速であり、サンプルに損傷を与えないことです。この手法の意味するところは、移動式検出器を使用して植物ごとに給餌と栄養を定義するためのプランテーションの自動検査にまで及びます。植物の栽培を開始するには、ミネラルウールブロックをそれぞれ1〜2リットルの脱イオン水で洗い流し、次に各ブロックを1リットルの0.1%肥料溶液で洗い流します。各ブロックにタバコの種を1つずつ置き、250ミリリットルの肥料溶液で洗い流し、種子が洗い流されないようにします。温室または植物園で7週間植物を栽培します。植物が成長したら、植物の特性評価のために無傷で損傷を受けていない単一の葉を収穫するか、無傷の植物を使用します。葉の厚さの測定を開始するには、オートクレーブで50ミリリットルの2体積質量のアガロース溶液とリン酸緩衝生理食塩水を準備します。溶液を摂氏40度まで冷ましてから、1枚の葉のサンプルを含むシャーレに溶液を加えます。サンプルを摂氏4度で30分間冷却して、アガロースを固化させ、葉を埋め込みます。次に、ビブラトームを使用して、アガロースブロックを200マイクロメートルのスライスにカットします。シアノアクリレートを含むスライドガラスに5つの横方向の葉のセクションを取り付けます。顕微鏡またはダイヤルゲージを使用して、葉のサンプルの静脈のない領域の厚さを決定します。水中の別の単一葉サンプルを使用して、ピクノメーターで葉の密度を決定します。次に、検出器の前に別の1枚の葉を紫外可視分光光度計のサンプルチャンバーで固定します。分光光度計ソフトウェアで、900 〜 1、600ナノメートルのスペクトルを選択します。スキャンを実行し、スペクトル曲線に基づいて透過値を記録します。次に、リーフを検出器の後ろに固定し、スキャンを繰り返します。スペクトル曲線から反射値を決定します。少なくとも 3 つの葉のサンプルから透過と反射の測定値を取得します。まず、1,550ナノメートルのファイバー結合シングルバー近赤外ダイオードレーザーをコーンに取り付けます。次に、コーンの端に焦点距離が25.4ミリメートルの両凸レンズを固定します。直径25.4mmのコーンをステンレス製ホルダーで実験室のスタンドに固定します。センサーの上の22mm厚のセラミックプレートに光学濃度1.0のNDフィルターを配置して、レーザービームを減衰させます。フォトダイオードパワーセンサーをレンズの底面から354mm下に取り付けます。フォトダイオードパワーセンサーをオシロスコープに接続します。10 cm x 10 cmのフレームを、レンズの下308 mmに6 cm x 6 cmのサンプル露光領域を取り付けます。検出器をセラミックアッテネーターの135mm上に取り付けます。近赤外検出器をコンピューターに接続し、ソフトウェアを準備します。葉の上に吸収板を載せ、レーザーをオンにします。検出器の角度をレーザービームに対して45度に調整します。最大温度の読み取り値が観察されるまで、検出器の角度と高さの調整を続けます。レーザー制御ソフトウェアで、電力制御を選択します。出力レーザー出力を5ワットに、パルス幅を0.5秒に設定します。測定を開始するには、植物全体を測定装置に持って行くか、損傷のない単一の葉全体を収穫します。葉を傷つけないように注意しながら、すぐに葉のサンプルをフレームにセットします。リーフがセラミックアッテネーターに接触しないようにしてください。near-IRソフトウェアで、新しい60秒の測定を開始します。ベースライン温度プロファイルを10秒間記録してから、0.5秒のレーザーパルスを1回活性化します。残りの 49.5 秒間、データの記録を続けます。測定が完了したら、サーマルプロファイルの上にある停止ボタンをクリックし、プロファイルを保存します。生の時間と温度のデータをドット dat ファイルとしてエクスポートし、さらに分析します。次に、オシロスコープ・ソフトウェアで、レーザ・パルス中に自動的に収集された電圧プロファイルの側面高さを決定します。各サンプルに対して、0.5秒のレーザーパルスを1回使用して温度プロファイル測定を繰り返します。次に、リーフサンプルを基準にせずにレーザー信号測定を繰り返します。この電圧プロファイルから逃げ面の高さを決定し、各サンプルの透過値を計算します。スプレッドシートソフトウェアを使用して、サンプルの比熱容量と熱伝導率を計算し、グラフ化します。この方法では、タバコとして知られる植物種Nicotiana tabacumとNicotiana benthamianaの単葉サンプルを分析しました。どちらの種も、レーザーパルスに応答して1秒未満で最高温度まで急速に上昇し、その後、周囲温度が指数関数的に低下しました。比熱容量と熱伝導率の値は、植物の下部、中央、および上部で収集された葉から、両方の種について計算されました。植物のさらに上の葉の熱伝導率の増加は、両方の種で観察されましたが、Nicotiana tabacumは比熱容量に逆の傾向を示しました。栽培期間と熱伝導率との間には、Nicotiana tabacumでは相関関係は観察されませんでした。また、Nicotiana benthamianaでは、栽培条件と熱的性質との間に相関関係は認められませんでした。比熱容量と熱伝導率に対する個々の変数の影響を調べました。Nicotiana benthamianaの熱伝導率は、周囲温度に非常に敏感でした。比熱容量は、その計算に関連するどのパラメータにもあまり敏感ではありませんでした。この手法を習得すると、適切に実行されれば、サンプルごとに数分で完了できます。この手順を試行する際は、高品質の測定と再現性のある結果を確保するために、リーフを所定の精度で正しく取り付けることを忘れないでください。この手順に続いて、組換えタンパク質発現などの追加の質問に答えるために、蛍光測定などの他の方法を実行できます。その開発後、この技術は、植物バイオテクノロジーの分野の研究者がニコチアナ種の植物成長を探求する道を開きました。このビデオを見た後、非接触で非破壊的な方法で葉の比熱容量と熱伝導率を決定する方法をよく理解しているはずです。レーザーでの作業は目に害を及ぼす可能性があるため、この手順を実行するときは、適切な安全メガネを着用するなどの予防措置を常に講じる必要があることを忘れないでください。

a-rapid-laser-probing-method-facilitates-non-invasive-contact-free

Research

JoVE Journal

Biochemistry

生物化学

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熱特性測定のための周波数領域熱反射法

学ぶ、近赤外レーザー法を用いた葉の熱特性の非侵襲的測定法。Nicotiana tabacumなどの植物材料を損傷せず、1分以内で比熱容量と熱伝導率を測定し、分子農業における生育管理に応用可能です。

迅速なレーザー法は葉熱特性の非侵襲的および非接触決意を容易にプロービング

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