Um método foi desenvolvido para determinar a capacidade térmica específica e a condutividade térmica do tecido foliar por sondagem a laser infravermelho próximo não invasiva e sem contato, que requer menos de 1 min por amostra.
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Artigo de método
Um método foi desenvolvido para determinar a capacidade térmica específica e a condutividade térmica do tecido foliar por sondagem a laser infravermelho próximo não invasiva e sem contato, que requer menos de 1 min por amostra.
As plantas podem produzir substâncias valiosas tais como metabolitos secundários e proteínas recombinantes. A purificação deste último a partir da biomassa da planta pode ser racionalizada por tratamento térmico (branqueamento). Um aparelho de branqueamento pode ser concebido de forma mais precisa se as propriedades térmicas das folhas são conhecidos em detalhe, isto é, a capacidade de calor específico e condutividade térmica. A medição destas propriedades é demorado e trabalhoso, e geralmente requer métodos invasivos que em contacto com a amostra directamente. Isto pode reduzir o rendimento do produto e podem ser incompatíveis com as exigências de contenção, por exemplo, no contexto de boas práticas de fabrico. Para resolver estas questões, um método não-invasivo, sem contato foi desenvolvido que determina a capacidade de calor específico e condutividade térmica de uma folha da planta intacta em cerca de um minuto. O método envolve a aplicação de um curto impulso de laser de comprimento e intensidade definida a uma pequena área doamostra de folha, fazendo com que um aumento de temperatura que é medido usando um sensor de infravermelho próximo. O aumento da temperatura é combinada com as propriedades conhecidas da folha (espessura e densidade) para determinar a capacidade de calor específico. A condutibilidade térmica é então calculada com base no perfil da queda de temperatura subsequente, tomando radiação térmica e a transferência de calor por convecção em conta. Os cálculos associados e aspectos críticos da manipulação da amostra são discutidos.
O processamento em larga escala de materiais biológicos, muitas vezes requer passos de tratamento térmico, tais como a pasteurização. O equipamento de tais processos pode ser concebido de forma mais precisa se as propriedades térmicas dos materiais biológicos estão bem caracterizadas, incluindo a capacidade de calor específico (c p, s) e da condutibilidade térmica (λ). Estes parâmetros podem ser determinados facilmente para líquidos, suspensões e homogeneizados por calorimetria 1. No entanto, medição tais parâmetros em amostras sólidas pode ser trabalhoso, e muitas vezes requer o contato direto com a amostra ou até mesmo sua destruição 2. Por exemplo, as técnicas fototérmicos requerem contato direto entre a amostra eo detector 3. Tais limitações são aceitáveis durante o processamento de alimentos, mas são incompatíveis com os processos altamente regulados, tais como a produção de proteínas biofarmacêuticas em plantas no contexto das boas práticas de fabricação 4. Eun tal contexto, repetido (por exemplo, semanalmente) monitoramento das propriedades térmicas podem ser necessárias durante um período de crescimento de sete semanas para as plantas individuais como uma ferramenta de controle de qualidade. Se uma tal monitorização exigiria e consumir uma folha para cada medição, não haveria esquerda para a processar, no momento da colheita da biomassa.
Além disso, utilizando apenas partes de folha em vez iria causar ferimentos para a planta e aumentar o risco de necrose ou infecção patogénica, novamente diminuindo o rendimento do processo. O risco de infecção patogénica pode também aumentar se com um método de contacto directo com a amostra seria usado, induzir o risco de que um lote inteiro de plantas podem ser infectados através de contacto com um sensor de dispositivo contaminado. Aspectos semelhantes têm que ser consideradas para o monitoramento da planta salienta como a seca, por exemplo, em um contexto ecofisiológico. Por exemplo, a perda de água é frequentemente acompanhada por uma alteração na biomassa fresca, o que requer uma Tre invasivaatment das plantas sob investigação 5, por exemplo, dissecando uma folha. Em vez disso, a determinação da capacidade de calor específico, que depende do teor de água de uma amostra, de um modo não-invasivo, como descrito aqui, pode ser utilizada como um parâmetro alternativo para o estado de hidratação das plantas. Em ambos os casos (produção farmacêutica e ecofisiologia), tensões artificiais induzidas por técnicas de medição destrutivas ou invasivos seria prejudicial uma vez que pode distorcer os dados experimentais. Métodos de flash Portanto, relatados anteriormente 6 ou a colocação de amostras entre as placas de prata 7 são inadequados para tais processos e experiências porque quer requerem contato direto com a amostra ou são destrutivos. Os parâmetros c p, s e λ deve ser determinada, a fim de projetar os equipamentos de processo para um passo de branqueamento que podem simplificar a purificação do produto e, assim, reduzir os custos de fabricação 8-10. ambos cp, s e λ agora pode ser rapidamente determinada por infravermelho próximo não destrutivo (NIR) de laser sem contacto de sondagem de um modo consistente e reprodutível 11 e este novo método irá ser explicado em detalhe a seguir. Os resultados obtidos com este método foram usadas com sucesso para simular a transferência de calor em folhas de tabaco 12, permitindo que o design do equipamento de processamento apropriado e a selecção dos parâmetros correspondentes, tais como a temperatura de branqueamento.
O método é fácil de configurar (Figura 1) e tem duas fases, medição e análise, cada um dos quais compreende duas etapas principais. Na fase de medição, uma amostra de folhas é em primeiro lugar aquecida localmente por um impulso laser curto e a temperatura máxima da amostra é registado. O perfil de temperatura da amostra é então registada para a duração de 50 s. Na fase de análise, as propriedades da folha, como a densidade (facilmente e com precisão determinada pelo measurem picnométricoENT) são combinados com a temperatura máxima da amostra para calcular c p, s. No segundo passo, o perfil de temperatura da folha é usada como entrada para uma equação do balanço de energia, tendo condução, convecção e radiação em consideração, para calcular λ.
As instruções detalhadas passo-a-passo são fornecidos na secção de protocolo, a expansão do conteúdo do vídeo de acompanhamento. medições típicas são mostrados na seção de resultados. Finalmente, os benefícios e as limitações do método são destacadas na seção de discussão, juntamente com potenciais melhorias e outras aplicações.

Figura 1: Os aparelhos utilizados para determinar as propriedades térmicas da folha. Uma. Fotografia do aparelho de medição utilizadas para determinar a capacidade de calor específico e condutividade térmica do leAves. Os dispositivos periféricos (computadores, osciloscópio) não são mostrados. B. Representação esquemática do aparelho de medição. O laser e os equipamentos conectados são destacadas em vermelho, o detector NIR para medição de temperatura é mostrado em roxo, a amostra da folha é verde e o sensor de potência fotodiodo é azul. C. Desenho dos elementos da configuração de medição, com o mesmo código de cores como em B. A barra indica o tamanho de 0,1 m. D. Screenshot ilustrando os elementos típicos do software de controle de laser. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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1. cultivo de plantas e Preparação de Amostras
2. Determinar Folha espessura e densidade

3. Determinar a emissão espectral e Reflexão das folhas

4. Configure o aparelho de medição
5. Prepare as amostras de folhas
6. Tome as medições de temperatura


Figura 2: Medição de transmissão da folha usando um sensor de potência fotodiodo. Uma. perfil de tensão típica de uma experiência de referência sem uma amostra de folhas visualizada usando um osciloscópio. B. perfil de tensãocom uma amostra de folha montada no aparelho. Em ambos os casos, a potência do laser transmitida é proporcional a cada um dos dois flancos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
7. Calcule a capacidade de calor específica da amostra Folha




8. Preparar os dados de temperatura perfil para ThermCálculos al Condutividade


Figura 3: esquema de processamento de dados para o cálculo de λ. Uma. Após a redução de dados, os perfis de temperatura são normalizados para a temperatura ambiente. B. Em seguida, todos os pontos de dados antes que a máxima temperatura da amostra (Tmax) são removidos. C. artefatos de medição (mostrado no "inconsistente" conjunto de dados) são identificados com base na temperatura desloca maior do thvezes ree o ruído da linha de base e removidos do conjunto de dados antes do ajuste para uma função exponencial. D. A escala de temperatura Celsius é convertido em escala Kelvin. E. Para cada intervalo de tempo, λ é calculado com base no perfil de temperatura. F. Uma janela de 20 s é definido em que uma mudança de temperatura relevante pode ser observada. G. Com base na janela de tempo selecionado, a média eo desvio padrão são calculados para λ. H. Os resultados representativos para duas amostras de folhas de N. tabacum diferentes. flechas e as linhas de laranja indicam o efeito do passo de processamento correspondente dos dados apresentados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
9. O cálculo da condutividade térmica da amostra de folhas






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Medição das propriedades da folha
Usando o método acima microscópica, uma espessura de folha 0,22-0,29 × 10-3 m foi determinada para ambos N. tabacum (0,25 ± 0,04 × 10-3 m, n = 33) e N. benthamiana (0,26 ± 0,02 x 10 - 3 m, n = 24), o que está bem dentro da 0,20-0,33 × 10 - intervalo de razões m 3 previamen...
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A, método de medição não destrutivo sem contacto descrito acima pode ser utilizado para determinar c p, s e ʎ de uma forma simultânea e reprodutível. O cálculo de ʎ em particular depende de vários parâmetros que são sensíveis a erros. No entanto, o impacto dos erros era linear ou sub-proporcional, e o coeficiente de variação para todos os parâmetros se verificou ser inferior a 10%. Embora o método pode, assim, ser considerada como robusta, algumas melhorias técnicas podem ser feitas para reduzir as r...
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Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.
Os autores agradecem ao Dr. Thomas Rademacher e Ibrahim Al Amedi por cultivarem as plantas utilizadas neste estudo. Gostaríamos de agradecer ao Dr. Richard M. Twyman por sua ajuda na edição do manuscrito. Este trabalho foi parcialmente financiado pela Bolsa Avançada do Conselho Europeu de Pesquisa "Future-Pharma", número de proposta 269110, pela Fraunhofer Zukunftsstiftung (Fundação do Futuro), pelos Programas Internos da Fraunhofer-Gesellschaft sob a Bolsa No. Atraia 125-600164.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Tubo de 1" | Thorlabs | SM1L10E | Tubo para suporte de fibra |
| Agarose | Sigma Aldrich | A0701 | |
| Lente Bi-Convexa Agarose f=25.4 | Thorlabs | LB1761 | Lense |
| Digital Handheld Optical Console de Medidor de Energia e Energia | Thorlabs | PM100D | Console para sensor de absorção de superfície térmica |
| Osciloscópio Digital de Fósforo | Tektronix | Osciloscópio | |
| DMR | Leica | n.a.Microscópio | de luz |
| Falcon 50 mL Tubos de centrífuga cônicos | Fisher Scientific | 14-432-2 | Pycnômetro |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | Suporte de fibra de fertilizante |
| Thorlabs | Suporte de fibra | ||
| Forma -86 ° C ULT freezer | ThermoFisher | 88400 | Freezer |
| Greenhouse | n.a.n.a.Para | cultivo de plantas | |
| Grodan Rockwool Cubes 10 x 10 cm | Grodan | 102446 | Rockwool block |
| Detector infravermelho Optris CT | Optris | OPTCTLT15 | Detector infravermelho |
| Software detector infravermelho Compact Connect | Optris | n.a.Software | de controle para detector infravermelho |
| Espectrofotômetro UV/VIS Lambda 1050 | PerkinElmer | L1050 | Espectrofotômetro UV/VIS |
| Laser 400 μ m, 1.550 Módulo de Acoplamento de Fibra de Barra Única Refrigerado por Condução nm | DILAS | M1F-SS2.1 | |
| Capa de Laser | Laser | Amtron | LM200 |
| Driver de Laser | Driver de Laser | Amtron | CS 408 |
| Osram branco frio 36 W | Osram | 4930440 | Fonte de luz |
| Sensor de fotodiodo | Thorlabs | PDA20H-EC | Sensor de potência para medições de transmissão |
| Peso de precisão Ohaus Analytical Plus | Ohaus | 80251552 | Peso de precisão |
| Quadro de amostra | Fraunhofer ILT | n.a.Fixação | da amostra de folha |
| Software Pyro Control | Amtron | n.a.Software | de controle de potência a laser |
| Suporte de aço inoxidável | n.a.n.a | . | Suporte para configuração de medição |
| Placas de Teflon 2 cm | Fraunhofer ILT | n.a.Atenuação | Teflon |
| Absorvedor térmico de superfície Sensor de potência | Thorlabs | S314C | Sensor para medições de potência do laser |
| Vibratome | Leica | 1491200S001 | Vibratome |
| Zoc/Pro 6.51 | Software Inovador EmTec | n.a.Software | de Controle a Laser |
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