Szybka metoda sondowania laserowego umożliwia nieinwazyjne i bezdotykowe określanie właściwości termicznych liści

Ogólnym celem tej procedury jest określenie właściwości termicznych liści w sposób bezkontaktowy. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie rolnictwa molekularnego dotyczące kontroli wzrostu i zdrowia roślin w trakcie procesu. Głównymi zaletami tej techniki jest to, że jest bezdotykowa, szybka i nie uszkadza próbki.

Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku zautomatyzowanej inspekcji plantacji za pomocą mobilnego detektora w celu zdefiniowania karmienia i odżywiania dla każdej rośliny z osobna. Aby rozpocząć uprawę roślin, należy przepłukać bloki wełny mineralnej jednym do dwóch litrów wody dejonizowanej każdy, a następnie przepłukać każdy blok jednym litrem 0,1% roztworu nawozu. Umieść jedno ziarno tytoniu w każdym bloku i przepłucz 250 mililitrami roztworu nawozu, upewniając się, że nasiona nie zostaną zmyte.

Uprawiaj rośliny przez siedem tygodni w szklarni lub fitotronie. Gdy rośliny wyrosną, zbierz nienaruszone, nieuszkodzone pojedyncze liście w celu scharakteryzowania roślin lub użyj nienaruszonych roślin. Aby rozpocząć oznaczanie grubości liści, przygotuj w autoklawie 50 mililitrów 2% objętościowo roztworu agarozy i soli fizjologicznej buforowanej fosforanami.

Pozostawić roztwór do ostygnięcia do 40 stopni Celsjusza, a następnie dodać roztwór do szalki Petriego zawierającej próbkę pojedynczego liścia. Schłodzić próbkę w temperaturze czterech stopni Celsjusza przez 30 minut, aby zestalić agarozę i osadzić liść. Następnie za pomocą wibratomu pokrój blok agarozy na plastry o długości 200 mikrometrów.

Zamontuj pięć poprzecznych odcinków skrzydła na szkiełku z cyjanoakrylanem. Użyj mikroskopu lub czujnika zegarowego, aby określić grubość obszarów wolnej od nerwów w próbce liścia. Użyj innej próbki pojedynczego liścia w wodzie, aby określić gęstość liści za pomocą piknometru.

Następnie zaciśnij kolejne pojedyncze skrzydło przed detektorem w komorze na próbkę spektrofotometru UV vis. W oprogramowaniu spektrofotometru wybierz widmo od 900 do 1 600 nanometrów. Wykonaj skanowanie i zapisz wartość transmisji w oparciu o krzywą widmową.

Następnie zaciśnij liść za detektorem i powtórz skanowanie. Wyznacz wartość odbicia na podstawie krzywej widmowej. Uzyskać pomiary transmisji i odbicia z co najmniej trzech próbek liści.

Aby rozpocząć, zamontuj w stożku laser diodowy bliskiej podczerwieni o długości 1 550 nanometrów ze sprzężonym włóknem światłowodowym. Następnie zabezpiecz dwuwypukłą soczewkę o ogniskowej 25,4 milimetra na końcu stożka. Przymocuj stożek o średnicy 25,4 milimetra z uchwytem ze stali nierdzewnej do stojaka laboratoryjnego.

Umieść filtr o neutralnej gęstości o gęstości optycznej 1.0 w ceramicznej płytce o grubości 22 milimetrów nad cenzorem, aby osłabić wiązkę laserową. Zamontuj czujnik mocy diody fotograficznej 354 milimetry poniżej dolnej części obiektywu. Podłącz czujnik mocy fotodiody do oscyloskopu.

Przymocuj ramkę o wymiarach 10 centymetrów na 10 centymetrów z obszarem ekspozycji próbki o wymiarach sześć centymetrów na sześć centymetrów 308 milimetrów poniżej obiektywu. Zamontuj detektor 135 milimetrów nad tłumikiem ceramicznym. Podłącz detektor bliskiej podczerwieni do komputera i przygotuj oprogramowanie.

Umieść płytkę absorbera na liściu i włącz laser. Dostosuj kąt detektora do 45 stopni w stosunku do wiązki laserowej. Kontynuuj regulację kąta i wysokości czujnika, aż do uzyskania maksymalnego odczytu temperatury.

W oprogramowaniu do sterowania laserem wybierz sterowanie mocą. Ustaw moc wyjściową lasera na pięć watów, a czas trwania impulsu na 0.5 sekundy. Aby rozpocząć pomiary, przynieś całą roślinę do aparatury pomiarowej lub zbierz całe, nieuszkodzone pojedyncze liście.

Próbkę skrzydła należy natychmiast zamontować w ościeżnicy, uważając, aby nie uszkodzić skrzydła. Nie pozwól, aby skrzydło stykało się z tłumikiem ceramicznym. W oprogramowaniu bliskiej podczerwieni rozpocznij nowy 60-sekundowy pomiar.

Rejestruj profil temperatury podstawowej przez 10 sekund przed aktywacją pojedynczego 0.5-sekundowego impulsu laserowego. Kontynuuj nagrywanie danych przez pozostałe 49,5 sekundy. Po zakończeniu pomiaru kliknij przycisk zatrzymania nad profilem termicznym, a następnie zapisz profil.

Eksportuj surowe dane dotyczące czasu i temperatury jako plik kropkowy w celu dalszej analizy. Następnie w oprogramowaniu oscyloskopu należy określić wysokości boków w profilu napięcia, które zostały automatycznie zebrane podczas impulsu laserowego. Powtórz pomiar profilu temperatury za pomocą pojedynczego 0,5-sekundowego impulsu laserowego dla każdej próbki.

Następnie powtórz pomiar sygnału laserowego bez próbki liści jako odniesienia. Na podstawie tego profilu napięcia należy określić wysokości powierzchni bocznych i obliczyć wartości transmisji dla każdej próbki. Użyj arkusza kalkulacyjnego, aby obliczyć i wykreślić na wykresie pojemność cieplną właściwą i przewodność cieplną próbek.

Tą metodą analizowano próbki pojedynczych liści roślin z gatunku Nicotiana tabacum, znanego jako tytoń i Nicotiana benthamiana. Oba gatunki wykazały szybki wzrost temperatury do maksymalnej w czasie krótszym niż jedna sekunda w odpowiedzi na impuls laserowy, po którym nastąpił wykładniczy spadek temperatury otoczenia. Wartości ciepła właściwego i przewodności cieplnej obliczono dla obu gatunków z liści zebranych na dole, w środku i na górze rośliny.

W przypadku obu gatunków zaobserwowano wzrost przewodności cieplnej liści znajdujących się wyżej w roślinie, jednak Nicotiana tabacum wykazywała odwrotny trend w właściwej pojemności cieplnej. Nie zaobserwowano korelacji między czasem uprawy a przewodnością cieplną u Nicotiana tabacum. Ponadto nie zaobserwowano korelacji między warunkami uprawy a właściwościami termicznymi u Nicotiana benthamiana.

Zbadano wpływ poszczególnych zmiennych na pojemność cieplną właściwą i przewodność cieplną. Przewodność cieplna Nicotiana benthamiana była bardzo wrażliwa na temperaturę otoczenia. Ciepło właściwe nie było istotnie wrażliwe na żaden z parametrów uwzględnionych w jego obliczeniach.

Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu kilku minut na próbkę, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Przystępując do tej procedury, należy pamiętać o prawidłowym montażu skrzydła z zadaną precyzją, aby zapewnić wysoką jakość pomiarów i powtarzalne wyniki. Po tej procedurze można wykonać inne metody, takie jak pomiary fluorescencji, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak ekspresja białka rekombinowanego.

Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się biotechnologią roślin do badania wzrostu roślin u gatunków Nicotiana. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak określić właściwą pojemność cieplną i przewodność cieplną liści w sposób bezkontaktowy i nieniszczący. Nie zapominaj, że praca z laserami może być niebezpieczna dla oczu, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie odpowiednich okularów ochronnych.