Name: Szybka metoda sondowania laserowego umożliwia nieinwazyjne i bezdotykowe określanie właściwości termicznych liści (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-07T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Poznaj nieinwazyjną metodę sondowania laserowego do określania właściwości termicznych liści. Technika ta umożliwia szybką, bezdotykową ocenę zdrowia roślin w rolnictwie precyzyjnym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy są wdzięczni dr Thomasowi Rademacherowi i Ibrahimowi Al Amedi za wyhodowanie roślin użytych w tym badaniu. Chcielibyśmy podziękować dr Richardowi M. Twymanowi za pomoc w redagowaniu manuskryptu. Praca ta została częściowo sfinansowana przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych w ramach Advanced Grant "Future-Pharma", numer wniosku 269110, Fraunhofer Zukunftsstiftung (Fundacja Przyszłości), Wewnętrzne Programy Fraunhofer-Gesellschaft w ramach grantu nr 269110. Przyciągaj 125-600164.

<ol><li>Wilhelm, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWilhelm%2C+E+%22Heat+Capacities%3A+Liquids%2C+Solutions+and+Vapours%22">Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours</a>. , Royal Society of Chemistry. 516(2010).</li>
<li>Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermography+to+explore+plant-environment+interactions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Bot%22%5BJournal%5D)">Thermography to explore plant-environment interactions.</a> J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).</li>
<li>Jayalakshmy, M. S., Philip, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermophysical+Properties+of+Plant+Leaves+and+Their+Influence+on+the+Environment+Temperature%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Thermophysics%22%5BJournal%5D)">Thermophysical Properties of Plant Leaves and Their Influence on the Environment Temperature.</a> International Journal of Thermophysics. 31, 2295-2304 (2010).</li>
<li>Buyel, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Process+development+strategies+in+plant+molecular+farming%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Pharm.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Process development strategies in plant molecular farming.</a> Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).</li>
<li>Schuster, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effectiveness+of+cuticular+transpiration+barriers+in+a+desert+plant+at+controlling+water+loss+at+high+temperatures%5BTitle%5D)+AND+%22AoB+PLANTS%22%5BJournal%5D)">Effectiveness of cuticular transpiration barriers in a desert plant at controlling water loss at high temperatures.</a> AoB PLANTS. 8, (2016).</li>
<li>Parker, W. J., Jenkins, R. J., Abbott, G. L., Butler, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flash+Method+of+Determining+Thermal+Diffusivity%2C+Heat+Capacity%2C+and+Thermal+Conductivity%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity.</a> J Appl Phys. 32, 1679-1684 (1961).</li>
<li>Hays, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+thermal+conductivity+of+leaves%5BTitle%5D)+AND+%22Planta%22%5BJournal%5D)">The thermal conductivity of leaves.</a> Planta. 125, 281-287 (1975).</li>
<li>Menzel, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimized+blanching+reduces+the+host+cell+protein+content+and+substantially+enhances+the+recovery+and+stability+of+two+plant+derived+malaria+vaccine+candidates%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Plant+Sci%22%5BJournal%5D)">Optimized blanching reduces the host cell protein content and substantially enhances the recovery and stability of two plant derived malaria vaccine candidates.</a> Front. Plant Sci. , (2015).</li>
<li>Buyel, J. F., Hubbuch, J., Fischer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Blanching+intact+leaves+or+heat+precipitation+in+an+agitated+vessel+or+heat+exchanger+removes+host+cell+proteins+from+tobacco+extracts%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Blanching intact leaves or heat precipitation in an agitated vessel or heat exchanger removes host cell proteins from tobacco extracts.</a> J. Vis. Exp. , Under review (2015).</li>
<li>Beiss, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat-precipitation+allows+the+efficient+purification+of+a+functional+plant-derived+malaria+transmission-blocking+vaccine+candidate+fusion+protein%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Heat-precipitation allows the efficient purification of a functional plant-derived malaria transmission-blocking vaccine candidate fusion protein.</a> Biotechnol. Bioeng. 112, 1297-1305 (2015).</li>
<li>Buyel, J. F., Gruchow, H. M., Tödter, N., Wehner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+thermal+properties+of+leaves+by+non-invasive+contact+free+laser+probing%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Determination of the thermal properties of leaves by non-invasive contact free laser probing.</a> J. Biotechnol. 217, 100-108 (2016).</li>
<li>Buyel, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numeric+simulation+can+be+used+to+predict+heat+transfer+during+the+blanching+of+leaves+and+intact%5BTitle%5D)+AND+%22Biochem.+Eng.+J%22%5BJournal%5D)">Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact.</a> Biochem. Eng. J. , (2015).</li>
<li>Hedlund, H., Johansson, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+capacity+of+birch+determined+by+calorimetry%3A+implications+for+the+state+of+water+in+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Thermochim+Acta%22%5BJournal%5D)">Heat capacity of birch determined by calorimetry: implications for the state of water in plants.</a> Thermochim Acta. 349, 79-88 (2000).</li>
<li>Chandrakanthi, M., Mehrotra, A. K., Hettiaratchi, J. P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+conductivity+of+leaf+compost+used+in+biofilters%3A+An+experimental+and+theoretical+investigation%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Pollut%22%5BJournal%5D)">Thermal conductivity of leaf compost used in biofilters: An experimental and theoretical investigation.</a> Environ. Pollut. 136, 167-174 (2005).</li>
<li>Larcher, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLarcher%2C+W+%22Physiological+Plant+Ecology%3A+Ecophysiology+and+Stress+Physiology+of+Functional+Groups%22">Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups</a>. , Springer Science & Business Media. (2003).</li>
<li>Cowen, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+gamma-ray+burst%27s+enduring+fireball%5BTitle%5D)+AND+%22Science+News%22%5BJournal%5D)">A gamma-ray burst's enduring fireball.</a> Science News. 152, 197(1997).</li>
<li>Jones, H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+infrared+imaging+of+crop+canopies+for+the+remote+diagnosis+and+quantification+of+plant+responses+to+water+stress+in+the+field%5BTitle%5D)+AND+%22Funct.+Plant+Biol%22%5BJournal%5D)">Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field.</a> Funct. Plant Biol. 36, 978-989 (2009).</li>
<li>Defraeye, T., Verboven, P., Ho, Q. T., Nicolai, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Convective+heat+and+mass+exchange+predictions+at+leaf+surfaces%3A+Applications%2C+methods+and+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Comput.+Electron.+Agric%22%5BJournal%5D)">Convective heat and mass exchange predictions at leaf surfaces: Applications, methods and perspectives.</a> Comput. Electron. Agric. 96, 180-201 (2013).</li>
<li>Arndt, S. K., Irawan, A., Sanders, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Apoplastic+water+fraction+and+rehydration+techniques+introduce+significant+errors+in+measurements+of+relative+water+content+and+osmotic+potential+in+plant+leaves%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Plant%22%5BJournal%5D)">Apoplastic water fraction and rehydration techniques introduce significant errors in measurements of relative water content and osmotic potential in plant leaves.</a> Physiol. Plant. 155, 355-368 (2015).</li>
<li>Jones, H. G., Schofield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+and+other+remote+sensing+of+plant+stress%5BTitle%5D)+AND+%22General+and+Applied+Plant+Physiology%22%5BJournal%5D)">Thermal and other remote sensing of plant stress.</a> General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).</li>
<li>Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radiation+measurement+for+plant+ecophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Exp.+Bot%22%5BJournal%5D)">Radiation measurement for plant ecophysiology.</a> J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).</li>
<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>

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Opisana powyżej bezkontaktowa, nieniszcząca metoda pomiarowa może być stosowana do jednoczesnego i powtarzalnego wyznaczania c, p, s i ʎ. Obliczanie ʎ zależy w szczególności od kilku parametrów, które są wrażliwe na błędy. Niemniej jednak wpływ tych błędów był albo liniowy, albo nieproporcjonalny, a współczynnik zmienności dla wszystkich parametrów wynosił mniej niż 10%. Mimo że metodę tę można uznać za solidną, można wprowadzić pewne ulepszenia techniczne w celu ograniczenia pozostałych źródeł błędów...

Przetwarzanie materiałów biologicznych na dużą skalę często wymaga etapów obróbki termicznej, takich jak pasteryzacja. Urządzenia do takich procesów można zaprojektować dokładniej, jeśli właściwości termiczne materiałów biologicznych są dobrze scharakteryzowane, w tym ciepło właściwe (cp,s) oraz przewodność cieplna (λ). Parametry te można łatwo wyznaczyć dla cieczy, zawiesin i homogenatów za pomocą kalorymetrii 1. Jednak pomiar takich parametrów w próbkach stałych może być pracochłonny i często wymaga bezpośredniego kontaktu z próbką, a nawet jej zniszczenia 2. Na przykład techniki fototermiczne wymagają bezpośredniego kontaktu między próbką a detektorem 3. Takie ograniczenia są dopuszczalne podczas przetwarzania żywności, ale są niekompatybilne z wysoko regulowanymi procesami, takimi jak produkcja białek biofarmaceutycznych w roślinach w kontekście dobrej praktyki produkcyjnej 4. W takim ujęciu, powtarzalny (np. cotygodniowy) monitoring właściwości termicznych poszczególnych roślin w ciągu siedmiotygodniowego okresu wzrostu może być wymagany jako narzędzie kontroli jakości. Gdyby taki monitoring wymagał i zużywał liść przy każdym pomiarze, w czasie zbiorów nie pozostałaby biomasa do przetworzenia.
Ponadto użycie samych części liści spowodowałoby uszkodzenie rośliny i zwiększyłoby ryzyko wystąpienia nekrozy lub infekcji patogenami, co ponownie obniżyłoby wydajność procesu. Prawdopodobieństwo infekcji patogenami może również wzrosnąć w przypadku zastosowania metody z bezpośrednim kontaktem z próbką, co niesie ze sobą ryzyko zainfekowania całej partii roślin poprzez kontakt z zanieczyszczonym urządzeniem pomiarowym. Podobne aspekty należy rozważyć w przypadku monitorowania stresów roślinnych, takich jak susza, np. w kontekście ekofizjologicznym. Przykładowo, utrata wody jest często monitorowana poprzez zmianę biomasy świeżej, co wymaga inwazyjnego traktowania badanych roślin 5, np. poprzez wycinanie liścia. Zamiast tego, nieinwazyjne wyznaczanie ciepła właściwego, które zależy od zawartości wody w próbce, zgodnie z opisem przedstawionym w niniejszym opracowaniu, może służyć jako parametr zastępczy dla stanu nawodnienia roślin. W obu scenariuszach (produkcja farmaceutyczna i ekofizjologia) sztuczne stresy wywołane niszczącymi lub inwazyjnymi technikami pomiarowymi byłyby szkodliwe, ponieważ mogą zniekształcić dane eksperymentalne. W związku z tym wcześniej opisane metody błyskowe 6 lub umieszczanie próbek między srebrnymi płytkami 7 są nieodpowiednie dla takich procesów i eksperymentów, ponieważ wymagają one albo bezpośredniego kontaktu z próbką, albo są niszczące. Parametry cp,s oraz λ muszą zostać wyznaczone w celu zaprojektowania urządzeń procesowych do etapu blanszowania, który może uprościć oczyszczanie produktu, a tym samym obniżyć koszty produkcji 8-10. Zarówno cp,s, jak i λ mogą obecnie być szybko wyznaczane w sposób spójny i powtarzalny za pomocą bezkontaktowego, nieniszczącego sondowania laserowego w bliskiej podczerwieni (NIR) 11, a nowa metoda ta zostanie szczegółowo omówiona poniżej. Wyniki uzyskane za pomocą tej metody zostały z sukcesem wykorzystane do symulacji wymiany ciepła w liściach tytoniu 12, co pozwoliło na zaprojektowanie odpowiedniego sprzętu procesowego i wybór odpowiadających mu parametrów, takich jak temperatura blanszowania.
Metoda jest łatwa w konfiguracji (Rysunek 1) i składa się z dwóch faz: pomiaru oraz analizy, z których każda obejmuje dwa główne etapy. W fazie pomiaru próbka liścia jest najpierw lokalnie podgrzewana krótkim impulsem laserowym, a następnie rejestrowana jest maksymalna temperatura próbki. Następnie profil temperatury próbki jest rejestrowany przez czas 50 s. W fazie analizy właściwości liścia, takie jak gęstość (wyznaczana w sposób łatwy i dokładny za pomocą pomiaru pyknometrycznego), są łączone z maksymalną temperaturą próbki w celu obliczenia cp,s. W drugim etapie profil temperatury liścia jest wykorzystywany jako dane wejściowe do równania bilansu energetycznego, uwzględniającego przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie, w celu obliczenia λ.
Szczegółowe instrukcje krok po kroku znajdują się w sekcji protokołu, która rozwija treść towarzyszącego filmu. Typowe pomiary przedstawiono następnie w sekcji wyników. Na koniec, w sekcji dyskusji, podkreślono zalety i ograniczenia metody wraz z potencjalnymi ulepszeniami i dalszymi zastosowaniami.
<img alt="Układ spektroskopowy i schemat analizy wzbudzenia optycznego; interfejs oprogramowania do sterowania danymi." src="/files/ftp_upload/54835/54835fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Aparatura używana do wyznaczania właściwości termicznych liści. A. Fotografia aparatury pomiarowej wykorzystywanej do wyznaczania ciepła właściwego i przewodności cieplnej liści. Urządzenia peryferyjne (komputery, oscyloskop) nie zostały pokazane. B. Schematyczna reprezentacja aparatury pomiarowej. Laser i podłączony sprzęt zaznaczono na czerwono, detektor NIR do pomiaru temperatury pokazano na fioletowo, próbkę liścia na zielono, a czujnik mocy fotodiody na niebiesko. C. Rysunek elementów układu pomiarowego z tym samym kodowaniem kolorystycznym co w B. Pasek skali wskazuje 0.1 m. D. Zrzut ekranu ilustrujący typowe elementy oprogramowania do sterowania laserem. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Tubus 1"</td><td>Thorlabs</td><td>SM1L10E</td><td>Tubus do uchwytu światłowodu</td></tr><tr><td>Agarose</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A0701</td><td>Agarose</td></tr><tr><td>Bi-Convex lense f=25.4</td><td>Thorlabs</td><td>LB1761</td><td>Lense</td></tr><tr><td>Cyfrowy ręczny optyczny&nbsp; Konsola miernika mocy i energii</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Konsola do czujnika termicznego absorbera powierzchni</td></tr><tr><td>Cyfrowy oscyloskop luminoforowy&nbsp;</td><td>Tektronix</td><td>DPO7104</td><td>Oscyloskop</td></tr><tr><td>Mikroskop świetlny DMR</td><td>Leica</td><td>n.a.Mikroskop</td> <td>świetlny</td></tr><tr><td>Falcon 50 mL Stożkowe probówki wirówkowe</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-432-2</td><td>Piknometr</td></tr><tr><td>Ferty 2 Mega</td><td>Kammlott</td><td>5.220072</td><td>Nawóz</td></tr><tr><td>Uchwyt na włókna</td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Uchwyt na włókna</td></tr><tr><td>Forma -86 &#176; C Zamrażarka ULT</td><td>ThermoFisher</td><td>88400</td><td>Zamrażarka</td></tr><tr><td></td><td>Szklarnia n.a.n.a.Do</td><td></td> <td>uprawy roślin</td></tr><tr><td>Grodan Rockwool Cubes 10 x 10 cm</td><td>Grodan</td><td>102446</td><td>Rockwool block</td></tr><tr><td>Detektor podczerwieni Optris CT</td><td>Optris</td><td>OPTCTLT15</td><td>Detektor podczerwieni</td></tr> Oprogramowanie detektora <tr><td>podczerwieni Compact Connect</td><td>Optris</td><td>n.a.Oprogramowanie</td> <td>sterujące do detektora podczerwieni</td></tr><tr><td>Lambda 1050 Spektrofotometr UV/Vis</td><td>PerkinElmer</td><td>L1050</td><td>Spektrofotometr UV/VIS</td></tr><tr><td>Laser 400 &mu; m, 1,550&nbsp; nm Chłodzony kondukcyjnie moduł sprzężony z pojedynczym prętem</td><td>światłowodowym DILAS</td><td>M1F-SS2.1</td><td>Osłona</td></tr><tr><td>lasera Sterownik</td> laserowy <td>Amtron</td><td>LM200</td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Sterownik laserowy</td> <td>Amtron</td><td>CS 408</td></tr><tr><td>Osram zimny biały 36 W</td><td>Osram</td><td>4930440</td><td>Źródło światła</td></tr><tr><td>Czujnik fotodiody&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>PDA20H-EC</td><td>Czujnik mocy do pomiarów transmisyjnych</td></tr><tr><td>Waga precyzyjna Ohaus Analytical Plus</td><td>Ohaus</td><td>80251552</td><td>Waga precyzyjna</td></tr><tr><td>Ramka na próbki</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.d.Mocowanie</td> <td>próbki liścia</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Pyro Control</td><td>Amtron</td><td>n.a.Laser</td> Power <td>Control</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Uchwyt ze stali nierdzewnej</td><td>gdzie indziej niesklasyfikowany</td><td></td><td>Uchwyt do zestawu pomiarowego</td></tr><tr><td>Płytki teflonowe 2 cm</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Tłumienie</td> <td>teflonu</td></tr><tr><td>Termiczny absorber powierzchniowy Czujnik mocy</td><td>Thorlabs</td><td>S314C</td><td>Czujnik do pomiarów mocy lasera</td></tr><tr><td>Vibratome</td><td>Leica</td><td>1491200S001</td><td>Vibratome</td></tr><tr><td>Zoc/Pro 6.51&nbsp;</td><td>Innowacyjne oprogramowanie EmTec</td><td>n.a.Oprogramowanie</td> <td>do sterowania laserem&nbsp;</td></tr></tbody></table>

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

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

Rośliny mogą wytwarzać cenne substancje, takie jak metabolity wtórne i białka rekombinowane. Oczyszczanie tych ostatnich z biomasy roślinnej można usprawnić poprzez obróbkę cieplną (blanszowanie). Aparat do blanszowania można zaprojektować bardziej precyzyjnie, jeśli szczegółowo znane są właściwości termiczne liści, tj. właściwa pojemność cieplna i przewodność cieplna. Pomiar tych właściwości jest czasochłonny i pracochłonny i zwykle wymaga metod inwazyjnych, które kontaktują się bezpośrednio z próbką. Może to zmniejszyć wydajność produktu i może być niezgodne z wymogami dotyczącymi hermetyzacji, np. w kontekście dobrej praktyki wytwarzania. Aby rozwiązać te problemy, opracowano nieinwazyjną, bezkontaktową metodę, która określa właściwą pojemność cieplną i przewodność cieplną nienaruszonego liścia rośliny w ciągu około jednej minuty. Metoda polega na zastosowaniu krótkiego impulsu laserowego o określonej długości i intensywności na niewielki obszar próbki liścia, powodując wzrost temperatury, który jest mierzony za pomocą czujnika bliskiej podczerwieni. Wzrost temperatury jest łączony ze znanymi właściwościami liści (grubość i gęstość) w celu określenia właściwej pojemności cieplnej. Przewodność cieplna jest następnie obliczana na podstawie profilu późniejszego spadku temperatury, z uwzględnieniem promieniowania cieplnego i konwekcyjnej wymiany ciepła. Omówiono związane z tym obliczenia i krytyczne aspekty postępowania z próbkami.

Pomiar właściwości liści
Za pomocą powyższej metody mikroskopowej określono grubość liścia wynoszącą 0,22–0,29 × 10−3 m zarówno dla N. tabacum (0,25±0,04 × 10−3 m, n=33), jak i dla N. benthamiana (0,26±0,02 × 10−3 m, n=24), co mieści się w zakresie 0,20–0,33 × 10−3 m wcześniej opisanym dla liści różnych gatu...

Metoda została opracowana w celu określenia właściwej pojemności cieplnej i przewodności cieplnej tkanki liścia za pomocą nieinwazyjnego, bezdotykowego sondowania laserowego w bliskiej podczerwieni, które wymaga mniej niż 1 minuty na próbkę.

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

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

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.

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

Research

JoVE Journal

Biochemistry

Biochemia

Opisujemy stosunkowo szybką (30 min) i realistyczną metodę jednoczesnego pomiaru przewodności hydraulicznej liścia (Kleaf) oraz przewodności szparkowej (gs) dla transpirujących liści odciętych. Metodę tę można zmodyfikować w celu pomiaru odpowiedzi Kleaf oraz gs na światło i odwodnienie.

Pomiar przewodności hydraulicznej liści oraz przewodności szparkowej i ich odpowiedzi na natężenie promieniowania oraz odwodnienie z wykorzystaniem metody strumienia ewaporacyjnego (EFM)

Tworzenie kompleksów białkowych in vivo można wizualizować za pomocą dwucząsteczkowej komplementacji fluorescencji. Partnerzy interakcji są łączeni z komplementarnymi częściami znaczników fluorescencyjnych i przejściowo ulegają ekspresji w liściach tytoniu, co skutkuje odtworzonym sygnałem fluorescencyjnym po bliskim zbliżeniu dwóch białek.

Interakcje białko-białko uwidocznione przez dwucząsteczkową komplementację fluorescencyjną w protoplastach i liściach tytoniu

Tenadrifluoroacetonian europu (EuTFC) ma linię luminescencji optycznej o długości fali 612 nm, której skuteczność aktywacji znacznie spada wraz z temperaturą. Jeśli próbka pokryta cienką warstwą tego materiału zostanie zmikroobrazowana, intensywność odpowiedzi luminescencyjnej 612 nm może zostać przekształcona w bezpośrednią mapę temperatury powierzchni próbki.

Mikroobrazowanie termiczne o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem powłok luminescencyjnych z chelatem europu

Oryginalna eksperymentalna konfiguracja do ogrzewania komórek w naczyniu hodowlanym za pomocą promieniowania laserowego o ciągłej fali 1,94 μm jest tutaj wprowadzona. Za pomocą tej metody można badać reakcje biologiczne komórek nabłonka barwnikowego siatkówki (RPE) po różnych ekspozycjach termicznych.

Laser tulowy o fali ciągłej do ogrzewania hodowanych komórek w celu zbadania komórkowych efektów termicznych

Ta metoda ma na celu zlokalizowanie pionowych defektów podpowierzchniowych. W tym przypadku łączymy laser z przestrzennym modulatorem światła i uruchamiamy jego wejście wideo, aby deterministycznie podgrzać powierzchnię próbki za pomocą dwóch modulowanych linii antyfazowych, uzyskując jednocześnie obrazy termiczne o wysokiej rozdzielczości. Pozycja defektu jest uzyskiwana z oceny minimów zakłóceń fal termicznych.

Lokalizacja defektów podpowierzchniowych poprzez ogrzewanie strukturalne za pomocą laserowej termografii fototermicznej

Spektrometria mas w sprayu z liści to technika bezpośredniej analizy chemicznej, która minimalizuje przygotowanie próbki i eliminuje chromatografię, pozwalając na szybkie wykrywanie małych cząsteczek z tkanek roślinnych.

Spektrometria mas oprysków liściowych: technika szybkiej jonizacji otoczenia do bezpośredniej oceny metabolitów z tkanek roślinnych

Dokładne oszacowanie wskaźnika powierzchni liści (LAI) jest kluczowe dla wielu modeli przepływów materiałów i energii w ekosystemach roślinnych oraz między ekosystemem a atmosferyczną warstwą graniczną. W związku z tym w przedstawionym protokole znalazły się trzy metody (pułapki na śmieci, technika igłowa i PCA) wykonywania precyzyjnych pomiarów LAI.

Szacowanie wskaźnika powierzchni liści przy użyciu trzech różnych metod w drzewostanach czystych liściastych

Strumienie węgla w kriosferze są jeszcze prawie nie oszacowane, ale są kluczowe dla zmian klimatycznych. Prezentujemy nowatorskie prototypowe urządzenie, które rejestruje potencjał fototroficzny w środowiskach nadraglacyjnych w oparciu o technologię emisji fluorescencji indukowanej laserem (L.I.F.E.), oferując dane o wysokiej rozdzielczości spektralnej i przestrzennej w warunkach in situ.

Emisja fluorescencji indukowanej laserem (L.I.F.E.) jako nowatorskie nieinwazyjne narzędzie do pomiarów in situ biomarkerów w siedliskach kriosfery

Szybkie i precyzyjne szacowanie wskaźnika powierzchni liści (LAI) w ekosystemach lądowych jest kluczowe dla szerokiego zakresu badań ekologicznych i kalibracji produktów teledetekcyjnych. Przedstawiono protokół wykorzystania nowego urządzenia optycznego LP 110 do wykonywania naziemnych pomiarów LAI in situ.

Pomiar terenowy efektywnego wskaźnika powierzchni liści za pomocą urządzenia optycznego w koronie roślinności

W tym artykule przedstawiono technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) do lokalnej niedestrukcyjnej charakterystyki termicznej i obrazowania.

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

Poznaj nieinwazyjną metodę sondowania laserowego do określania właściwości termicznych liści. Technika ta umożliwia szybką, bezdotykową ocenę zdrowia roślin w rolnictwie precyzyjnym.

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

Przeglądaj więcej filmów