Name: A Laser rápida Sondagem Método facilita a determinação não invasiva e sem contato das propriedades térmicas da folha (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-01-07T17:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Aprenda a determinar propriedades térmicas de folhas sem contato usando sondagem a laser infravermelho próximo. Este método rápido e não destrutivo permite monitorar saúde vegetal em plantas como Nicotiana tabacum.

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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.

1. cultivo de plantas e Preparação de Amostras <ol><li> Lavar cada bloco de lã mineral com 2/1 L de água desionizada e, subsequentemente, com 1 L de 0,1% [m / v] solução de fertilizante. Coloque uma tabaco (Nicotiana tabacum ou N. benthamiana) semente em cada bloco e suavemente nivelado com 0,25 L de solução de fertilizante sem lavar a descendência. </li><li> Cultivar as plantas para 7 semanas em uma estufa ou phytotron com 70% de umidade relativa, um fotoperíodo de 16 h (180 mol s - 1 m - 2; λ = 400-700 nm) e uma / temperatura escuro 25/22 ° C luz regime. </li><li> Mover as plantas para o aparelho de medição. Se as plantas são imóveis, folhas individuais de colheita para a medição das propriedades térmicas. </li></ol> 2. Determinar Folha espessura e densidade <ol><li> Determinar a espessura da folha <ol><li> Prepara-se uma [m / v] solução de agarose a 2% em solução salina tamponada com fosfato (PBS) eautoclave ele. Deixar a solução arrefecer para 40 ° C e incorporar uma amostra de folhas colocado numa placa de Petri. Solidificar a agarose, colocando a placa de Petri num frigorífico a 4 ° C durante 30 min. </li><li> Cortar o bloco de agarose em fatias de 200 um utilizando um vibratome com um ângulo de corte de lâminas de barbear de 15 °. Utilize uma velocidade de corte de 1,0 mm s-1 e uma amplitude de 0,5 mm. </li><li> Mount cinco seções folha transversal sobre uma lâmina de vidro usando cianoacrilato como um fixador. Determinar a espessura da folha sob um microscópio com uma objectiva de 20 × e uma ocular com 10 x de ampliação, utilizando as ferramentas de medição incorporadas ao microscópio software de acordo com as instruções do fabricante. </li><li> Determinar a espessura da folha em áreas de amostra, sem veias. </li><li> Alternativamente, determinar a espessura da folha com um seletor de calibre em uma área livre de veia do limbo foliar. Verifique se o calibre de marcação é realizada perpendicular ao plano da lâmina foliar. CAUTION: cianoacrilato é um irritante da pele e também pode colar dedos juntos se não for tratada com cuidado. </li></ol></li><li> Determinar a densidade de folhas <ol><li> Determinar a massa em vazio (m 0) de um picnómetro, em seguida, preenchê-lo com água e determinar a massa novamente (m 1). Seque o picnómetro completamente, coloque uma folha dentro e determinar a massa (m 2) mais uma vez. Com a folha de dentro, com cuidado preencher o picnómetro com água e determinar a massa (m 3). </li><li> Calcular a densidade foliar (Ps) usando a Equação 1. Equação 1: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq1.jpg"></li></ol></li></ol> 3. Determinar a emissão espectral e Reflexão das folhas <ol><li> Coloque uma folha na câmara de amostra de um espectrofotômetro UV / VIS, fixando-o entre as braçadeiras de retenção de amostra. Para as medições de transmissão, colocar a folha em frente da Det ector. Para medições de reflexão colocar a folha na parte de trás da câmara de detecção. </li><li> Inicie o software de controle de espectrofotômetro. Seleccionar um espectro de 900 nm a 1600 nm. Iniciar uma nova digitalização e gravar os valores para a transmissão (μ T) e reflexão (μ R) exibido pelo / software UV VIS, com base na curva espectral. </li><li> Executar todas as medidas com pelo menos três repetições biológicas. Aumentar o número de réplicas biológicas para cinco ou mais, se uma amostra heterogénea qualidade pode ser esperada, isto é, a variação na morfologia da superfície da folha e espessura. </li><li> Calcule a potência de transmissão (P T) e reflexão (P R), multiplicando os valores de R u medida μ T ou pela Laser laser de potência P medido de acordo com as equações 2 e 3. Equação 2:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg "/&gt; Equação 3: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq3.jpg"> NOTA: A transmissão pode também ser determinada com um sensor de fotodiodo durante a medição (ver 6.3). </li></ol> 4. Configure o aparelho de medição <ol><li> Montar uma única barra de NIR-diodo laser acoplada a fibra (comprimento de onda = 1,550 nm) para um cone de diâmetro de 25,4 mm sobre um suporte de aço inoxidável. Ligue um controlador para ajustar a potência de saída (P Laser) do laser NIR para 4-6 W. </li><li> Colocar uma lente bi-convexa com uma distância focal de 25,4 mm na extremidade do cone para ajustar a largura do feixe de 13 mm. </li><li> Coloque um sensor de potência fotodíodo 354 mm abaixo da parte inferior da lente. Em seguida, atenuam o fotodiodo por colocação de um filtro de densidade neutra com uma densidade óptica de 1,0 e uma camada de cerâmica de 22 mm acima do sensor. </li><li> Ligue o sensor de potência fotodiodo para um osciloscópio usando um cabo coaxial. </li><li> Conectaruma estrutura 10 × 10 cm, que tem uma área de exposição de 6 × 6 centímetros da amostra com o andaime da configuração de medição a uma altura de 308 mm abaixo da lente (Figura 1). Fixar a posição da folha no espaço por montá-lo no quadro cm 10 × 10. </li><li> Ligue um detector NIR a um computador pessoal usando um cabo Universal Serial Bus (USB) e instalar o software de interface para o detector. </li><li> Colocar o detector a um ângulo de 45 ° em relação ao feixe de laser de 135 mm acima da camada de cerâmica. Alinhar a área de medição do detector para o ponto de laser na amostra através da variação da posição do sensor de ângulo e até se observar o sinal de temperatura máxima. </li><li> Usar o software interface de controlo do laser para ajustar a potência de laser de saída para 5 W e a duração do impulso de laser de 0,5 s. Selecione o comando "Controle de corrente" na janela de opções de controle abaixo da representação gráfica da potência do laser e ajustar a potência do laser, digitando "5" para o &amp; #34; Potência [W] ". Campo Ajuste a duração do pulso de laser, digitando" 0,5 "para o" Time "campo [s]. </li><li> Para determinar a potência do laser absoluta para cada conjunto de experiências, substituir o sensor de potência fotodíodo com um sensor poder absorvente de superfície térmico no final de cada conjunto de experiências e medir a potência de saída do laser para 20 s na ausência de amostra. </li></ol> 5. Prepare as amostras de folhas <ol><li> Use folhas intactas e sem danos para as medições. </li><li> Se relevante para a investigação, imitar tipos de dano folha típicos pela perfuração da folha com um bisturi, esfregando a folha entre luvas de látex, expondo a folha a uma chama ou um feixe de laser para 2-3 s, ou usar outras técnicas para simular outra tipos de danos. </li><li> Cuidadosamente mas rapidamente montar a amostra de folhas entre as braçadeiras de retenção de amostra. </li></ol> 6. Tome as medições de temperatura <ol><li> Evitar o contacto directo entre a folha e a cerâmicaatenuador colocado acima do sensor fotodiodo para evitar a transferência de calor artificial que interfere com o cálculo do c p, s e λ (ver secção 9). </li><li> Usar o software de medição de temperatura para recolher o perfil de temperatura da amostra de folhas para um total de 60 s através do detector NIR. Em primeiro lugar, gravar a linha de base de temperatura durante 10 s, em seguida, ativar o laser durante 0,5 s e continuar a coleta de dados para 49,5 s. <ol><li> Iniciar uma medição, clicando em "Medição" e depois "nova medição". Depois clique na seta verde acima da representação gráfica do perfil térmico. Salve o perfil de temperatura, clicando no ícone "Save" (um disco estilizado) acima a representação gráfica do perfil. </li></ol></li><li> Confirmam a potência do laser transmitidas por meio do sensor de potência fotodíodo através do cálculo da diferença de sinal para as medições com e sem uma amostra de folha usando um osciloscópio ligadopara o sensor poder fotodíodo através de um cabo coaxial (Figura 2). <ol><li> Determinar a altura dos dois flancos (F 1, F 2 e S, S) no perfil de tensão adquirida com o osciloscópio. </li><li> Repita a medição sem uma amostra da folha como uma referência (f 1,0 e f 2,0). Calcular transmissão μ T como a relação destas medições de acordo com a Equação 4 (ver também a Figura 2). Equação 4: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq4.jpg"></li></ol></li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig2.jpg"> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 7. Calcule a capacidade de calor específica da amostra Folha <ol><li> Calcula-se a diferença de temperatura máxima AT [K] durante o impulso de laser subtraindo a temperatura ambiente T 0 [K] a partir do máximo da temperatura da folha de ma t X [K] (equação 5). Equação 5: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq5.jpg"></li><li> Calcula-se a energia absorvida por uma folha (E S [j]) com base na potência do laser e o laser duração do impulso eficaz (Equação 6), em que P R [W] é a potência e de laser reflectido P T [W] é o laser transmitida poder. Equação 6: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq6.jpg"></li><li> Calcula-se a massa da área foliar aquecida (m S [kg]) utilizando a Equação 7, em que d S [M] é a espessura da folha de acordo com 2.1), R Laser [M] é o raio do ponto de laser, V S [ m 3] é o volume da folha aquecida, e ρ S [kg m-3] é a densidade da folha de acordo com 2.2). Equação 7: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq7.jpg"></li><li> Calcular C P, S [J K -1 kg -1] de acordo com a equação 8 dividindo a energia absorvida E S pelo produto da área aquecida da folha de massa m S e máxima diferença de temperatura AT. Equação 8: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq8.jpg"></li></ol> 8. Preparar os dados de temperatura perfil para ThermCálculos al Condutividade <ol><li> Use o comando "Export" do software de controle de sensor NIR para exportar os dados brutos de tempo e temperatura como um arquivo * .dat e abra o arquivo em um processador de planilha. </li><li> Aplicar 1: 100 de redução de dados, por exemplo, usando um "IF (MOD (valor; 100) = 0;" x "," 0 ")" de comando, o que resulta numa densidade de dados de um ponto de dados por 0,1 s. </li><li> Calcula-se a média de temperatura de linha de base T B [° C] para cada perfil de temperatura ao longo dos primeiros 10 s de uma medição, durante o qual o laser ainda estava fora. Em seguida, calcular a diferença entre a temperatura ambiente real T 0 [° C] B e T. </li><li> Use essa diferença para normalizar individualmente cada perfil, deslocando-a para T 0 (y-normalização), por exemplo, se T B - T 0 = 2,0 K, em seguida, subtrair 2,0 K de cada valor de temperatura na temperatura proFile (Figura 3A). </li><li> Normalizar o tempo de coordenadas de cada perfil de temperatura (X-a normalização), excluindo todos os pontos de dados antes que a temperatura máxima de amostra (T max) e atribuir novos valores de tempo a partir de T = 0 para t max (Figura 3B). </li><li> Tela de cada perfil para mudanças bruscas de temperatura, ou seja, diferenças de temperatura que são mais de três vezes o nível de ruído da linha de base, que é tipicamente 3 × 0,31 K ≈ 1,0 K. Remover estas regiões a partir do conjunto de dados, porque eles correspondem a medição artefatos (Figura 3C ). </li><li> Montar uma função de decaimento exponencial (Equação 9) para os dados utilizando um processador de folha de cálculo, onde T T [K] é a temperatura da amostra de folha equipada no tempo t [s], t 0 é a temperatura ambiente, A [K] é a amplitude e t 1 [s] a constante de decaimento (Figura3D). Equação 9: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq9.jpg"></li><li> Utilizar a função equipado para calcular a queda de temperatura na amostra de folha 0-80 s depois do pulso de laser. </li><li> Transformar os dados de temperatura medidos em [° C] para a escala de [K], através da adição de um valor de 273,15 para cada ponto de dados de temperatura (Figura 3E). </li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig3.jpg"> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 9. O cálculo da condutividade térmica da amostra de folhas <ol><li> Calcule o differe temperaturaNCE entre a amostra de folhas e o meio ambiente para cada 0,1-s intervalo de acordo com a Equação 10, em que AT X [K] é a diferença de temperatura, T T [° C] é a temperatura da amostra de folha equipada e T 0 [° C] a temperatura ambiente (Figura 3E). Equação 10: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq10.jpg"></li><li> Assume-se que a diminuição da temperatura é devida ao efeito combinado de transferência de calor por convecção, radiação térmica e condução térmica. Usa o balanço de energia correspondente (Equação 11), como base para o cálculo de λ, onde AE Temp [j] é a diferença na energia térmica da amostra em dois pontos de tempo consecutivos, AE Rad [j] é a diferença de energia devido a radiação térmica, AE conv [J] é a diferença de energia devido à transferência de calor por convecção, e Δ; E cond [J] é a diferença de energia devido à condução térmica. Equação 11: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq11.jpg"></li><li> Substituir os termos gerais no balanço energético com as propriedades físicas reais produzindo Equação 12, onde AT t [K] é a diferença entre a temperatura da amostra de folha equipada, ε a emissividade sem unidade, σ [kg s -3 K -4] a Stefan -Boltzmann constante, um rad [m2] da área de radiação térmica, h [J s -1 m -2 K -1] o coeficiente de transferência de calor por convecção, um conv [m2] da área de transferência de calor por convecção, uma cond [m 2] da área de condução térmica e l [m] o comprimento característico. Equação 12: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq12.jpg"></li><li> Calcule o charal comprimento cteristic com base na correlação: l = V / A. </li><li> Utilizar a amostra aquecida de volume V S e a área da secção transversal da amostra para calcular uma folha [m 2]. A área da folha em corte transversal corresponde a um cond acordo com a Equação 13, em que A cond é a área onde ocorre a condução, laser r é o raio do ponto de laser e s d é a espessura da folha. Equação 13: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq13.jpg"></li><li> Calcular um rad e um conv de acordo com a Equação 14, em que um laser, é a área do ponto laser. Equação 14: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq14.jpg"></li><li> Equações substitutos 9, 12 e 13 na Equação 11 e resolver o último para λ, produzindo Equação 15 onde t Laser é tele pulso de laser duração [s]. Equação 15: <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/54835/54835eq15.jpg"></li><li> Assumir um valor de 0,94 para calcular λ ε e para cada intervalo de tempo de 0,1 s-ao longo dos primeiros 20 s de o perfil de temperatura. Calcular a média dos valores para 200 λ obtido desta maneira e calcular o desvio padrão (Figura 3F - H). </li></ol>

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<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>

Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.

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...

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. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/54835/54835fig1.jpg"> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54835/54835fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

<table><tbody><tr><td>Tubo de 1"</td><td>Thorlabs</td><td>SM1L10E</td><td>Tubo para suporte de fibra</td></tr><tr><td>Agarose</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A0701</td><td></td></tr><tr><td>Lente Bi-Convexa Agarose f=25.4</td><td>Thorlabs</td><td>LB1761</td><td>Lense</td></tr><tr><td>Digital Handheld Optical&nbsp; Console de Medidor de Energia e Energia</td><td>Thorlabs</td><td>PM100D</td><td>Console para sensor de absorção de superfície térmica</td></tr><tr><td>Osciloscópio Digital de Fósforo&nbsp;</td><td></td> Microscópio de luz <td>Tektronix</td> DPO7104 <td>Osciloscópio</td></tr><tr><td>DMR</td><td>Leica</td><td>n.a.Microscópio</td> <td>de luz</td></tr><tr><td>Falcon 50 mL Tubos de centrífuga cônicos</td><td>Fisher Scientific</td><td>14-432-2</td><td>Pycnômetro</td></tr><tr><td>Ferty 2 Mega</td><td>Kammlott</td><td>5.220072</td><td>Suporte de fibra de fertilizante</td></tr><tr><td></td><td>Thorlabs</td><td></td><td>Suporte de fibra</td></tr><tr><td>Forma -86 &#176; C ULT freezer</td><td>ThermoFisher</td><td>88400</td><td>Freezer</td></tr><tr><td>Greenhouse</td><td>n.a.n.a.Para</td><td></td> <td>cultivo de plantas</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>Detector infravermelho Optris CT</td><td>Optris</td><td>OPTCTLT15</td><td>Detector infravermelho</td></tr><tr><td>Software detector infravermelho Compact Connect</td><td>Optris</td><td>n.a.Software</td> <td>de controle para detector infravermelho</td></tr><tr><td>Espectrofotômetro UV/VIS Lambda 1050</td><td>PerkinElmer</td><td>L1050</td><td>Espectrofotômetro UV/VIS</td></tr><tr><td>Laser 400 &mu; m, 1.550&nbsp; Módulo de Acoplamento de Fibra de Barra Única Refrigerado por Condução nm</td><td>DILAS</td><td>M1F-SS2.1</td><td></td></tr><tr><td>Capa de Laser</td> Capa de <td>Laser</td><td>Amtron</td><td>LM200</td></tr><tr><td>Driver de Laser&nbsp;</td><td>Driver de Laser</td> <td>Amtron</td><td>CS 408</td></tr><tr><td>Osram branco frio 36 W</td><td>Osram</td><td>4930440</td><td>Fonte de luz</td></tr><tr><td>Sensor de fotodiodo&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>PDA20H-EC</td><td>Sensor de potência para medições de transmissão</td></tr><tr><td>Peso de precisão Ohaus Analytical Plus</td><td>Ohaus</td><td>80251552</td><td>Peso de precisão</td></tr><tr><td>Quadro de amostra</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Fixação</td> <td>da amostra de folha</td></tr><tr><td>Software Pyro Control</td><td>Amtron</td><td>n.a.Software</td> <td>de controle de potência a laser</td></tr><tr><td>Suporte de aço inoxidável</td><td>n.a.n.a</td><td>.</td><td>Suporte para configuração de medição</td></tr><tr><td>Placas de Teflon 2 cm</td><td>Fraunhofer ILT</td><td>n.a.Atenuação</td> de <td>Teflon</td></tr><tr><td>Absorvedor térmico de superfície Sensor de potência</td><td>Thorlabs</td><td>S314C</td><td>Sensor para medições de potência do laser</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>Software Inovador EmTec</td><td>n.a.Software</td> <td>de Controle a Laser&nbsp;</td></tr></tbody></table>

a laser rápida sondagem método facilita a determinação não invasiva e sem contato das propriedades térmicas da folha

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

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.

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...

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.

A Laser rápida Sondagem Método facilita a determinação não invasiva e sem contato das propriedades térmicas da folha

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

O objetivo geral deste procedimento é determinar as propriedades térmicas das folhas de maneira livre de contato. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da agricultura molecular sobre o controle em processo do crescimento e da saúde das plantas. As principais vantagens dessa técnica são que ela é sem contato, rápida e não danifica a amostra.As implicações dessa técnica se estendem à inspeção automatizada de plantações com um detector móvel para definir alimentação e nutrição planta por planta. Para iniciar o cultivo da planta, lave os blocos de lã mineral com um a dois litros de água deionizada cada e, em seguida, lave cada bloco com um litro de uma solução de fertilizante a 0,1%. Coloque uma semente de tabaco em cada bloco e lave com 250 mililitros de solução fertilizante, garantindo que a semente não seja lavada.Cultive as plantas por sete semanas em uma estufa ou fitotron. Depois que as plantas crescerem, colha folhas únicas intactas e não danificadas para caracterização da planta ou use plantas intactas. Para iniciar a determinação da espessura da folha, prepare em autoclave 50 mililitros de uma solução de agarose a 2% em massa por volume e solução salina tamponada com fosfato.Deixe a solução esfriar a 40 graus Celsius e, em seguida, adicione a solução a uma placa de Petri contendo uma única amostra de folha. Resfrie a amostra a quatro graus Celsius por 30 minutos para solidificar a agarose e incorporar a folha. Em seguida, use um vibratomo para cortar o bloco de agarose em fatias de 200 micrômetros.Montar cinco secções transversais das folhas numa lâmina de vidro com cianoacrilato. Use um microscópio ou relógio comparador para determinar a espessura das áreas livres de veias da amostra de folha. Use outra amostra de folha única na água para determinar a densidade da folha com um picnômetro.Em seguida, prenda outra folha única na frente do detector em uma câmara de amostra de espectrofotômetro UV. No software do espectrofotômetro, selecione um espectro de 900 a 1.600 nanômetros. Execute a varredura e registre o valor de transmissão com base na curva espectral.Em seguida, prenda a folha atrás do detector e repita a varredura. Determine o valor de reflexão a partir da curva espectral. Obtenha medições de transmissão e reflexão de pelo menos três amostras de folhas.Para começar, monte um laser de diodo de infravermelho próximo de barra única acoplado a fibra de 1.550 nanômetros no cone. Em seguida, prenda uma lente biconvexa com uma distância focal de 25,4 milímetros na extremidade do cone. Prenda um cone de 25.4 milímetros de diâmetro com um suporte de aço inoxidável a um suporte de laboratório.Coloque um filtro de densidade neutra com densidade óptica de 1,0 em uma placa de cerâmica de 22 milímetros de espessura acima do censor para atenuar o feixe de laser. Monte um sensor de potência de fotodiodo 354 milímetros abaixo da parte inferior da lente. Conecte o sensor de potência do fotodiodo a um osciloscópio.Afixe uma moldura de 10 centímetros por 10 centímetros com uma área de exposição de amostra de seis centímetros por seis centímetros 308 milímetros abaixo da lente. Monte o detector 135 milímetros acima do atenuador de cerâmica. Conecte um detector de infravermelho próximo a um computador e prepare o software.Coloque uma placa absorvedora na folha e ligue o laser. Ajuste o ângulo do detector para 45 graus em relação ao feixe de laser. Continue ajustando o ângulo e a altura do detector até que a leitura da temperatura máxima seja observada.No software de controle do laser, selecione o controle de potência. Defina a potência do laser de saída para cinco watts e a duração do pulso para 0.5 segundos. Para iniciar as medições, traga uma planta inteira para o aparelho de medição ou colha folhas inteiras e não danificadas.Monte imediatamente a amostra de folha na moldura, tomando cuidado para não danificar a folha. Não permita que a folha entre em contato com o atenuador de cerâmica. No software de infravermelho próximo, inicie uma nova medição de 60 segundos.Registre o perfil de temperatura da linha de base por 10 segundos antes de ativar um único pulso de laser de 0.5 segundo. Continue gravando dados pelos 49,5 segundos restantes. Quando a medição estiver concluída, clique no botão de parada acima do perfil térmico e salve o perfil.Exporte os dados brutos de tempo e temperatura como um arquivo dot dat para análise posterior. Em seguida, no software do osciloscópio, determine as alturas dos flancos no perfil de tensão, que foram coletadas automaticamente durante o pulso do laser. Repita a medição do perfil de temperatura com um único pulso de laser de 0,5 segundo para cada amostra.Em seguida, repita a medição do sinal do laser sem uma amostra de folha como referência. Determine as alturas dos flancos a partir deste perfil de tensão e calcule os valores de transmissão para cada amostra. Use um software de planilha para calcular e representar graficamente a capacidade térmica específica e a condutividade térmica das amostras.Amostras de folhas únicas das espécies vegetais Nicotiana tabacum, conhecida como tabaco, e Nicotiana benthamiana foram analisadas com este método. Ambas as espécies mostraram um rápido aumento da temperatura máxima em menos de um segundo em resposta ao pulso de laser, seguido por uma diminuição exponencial da temperatura ambiente. Os valores de capacidade térmica específica e condutividade térmica foram calculados para ambas as espécies a partir de folhas coletadas na parte inferior, média e superior da planta.Um aumento na condutividade térmica para as folhas mais acima da planta foi observado para ambas as espécies, no entanto, Nicotiana tabacum apresentou uma tendência inversa na capacidade térmica específica. Não foi observada correlação entre a duração do cultivo e a condutividade térmica em Nicotiana tabacum. Além disso, nenhuma correlação entre as condições de cultivo e as propriedades térmicas foi observada em Nicotiana benthamiana.O efeito de variáveis individuais na capacidade térmica específica e na condutividade térmica foi examinado. A condutividade térmica de Nicotiana benthamiana foi altamente sensível à temperatura ambiente. A capacidade térmica específica não foi significativamente sensível a nenhum dos parâmetros envolvidos em seu cálculo.Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em poucos minutos por amostra, se for executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de montar corretamente a folha com a precisão fornecida para garantir medições de alta qualidade e resultados reprodutíveis. Após este procedimento, outros métodos, como medições de fluorescência, podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como a expressão de proteínas recombinantes.Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da biotecnologia vegetal explorarem o crescimento de plantas em espécies de Nicotiana. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como determinar a capacidade térmica específica e a condutividade térmica das folhas de maneira não destrutiva e sem contato. Não se esqueça de que trabalhar com lasers pode ser perigoso para os olhos e precauções como usar os óculos de segurança apropriados devem sempre ser tomadas durante a execução deste procedimento.

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Research

JoVE Journal

Biochemistry

Bioquímica

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