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

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。