Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Bir Rapid Lazer Yöntemi Yaprak Termal Özelliklerinin non-invazif ve İletişim serbest Tayini kolaylaştırır Probing

6.6K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/54835

⸱

7 Ocak 2017

 ,  , 
1Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., 2Institute for Molecular Biotechnology, RWTH Aachen University, 3Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.

Bu makalede

Özet

Yaprak dokusunun özgül ısı kapasitesini ve termal iletkenliğini, numune başına 1 dakikadan daha az süre gerektiren, non-invaziv, temassız yakın kızılötesi lazer sondalama ile belirlemek için bir yöntem geliştirilmiştir.

Özet

Bitkiler gibi sekonder metabolitler ve rekombinant proteinler gibi değerli maddeler üretebilir. Bitki biyokütleden ikinci arıtma ısıl işlem (beyazlaşma) tarafından modernize edilebilir. Yaprakları termal özellikleri detaylı örneğin, özgül ısı kapasitesi ve ısı iletkenlik bilinen durumunda bir beyazlatma cihazı daha kesin tasarlanabilir. Bu özelliklerin ölçümü, zaman alıcı ve emek yoğundur ve genellikle doğrudan numune ile temas yöntemlere gerek duyar. Bu ürün verimini azaltabilir ve iyi imalat uygulamaları çerçevesinde, örneğin çevreleme gereksinimleri ile uyumsuz olabilir. Bu sorunları gidermek için, bir non-invaziv, temassız yöntem yaklaşık bir dakika içinde özgül ısı kapasitesi ve sağlam bir bitki yaprağının ısı iletkenliği belirler geliştirildi. yöntem, küçük bir alanda tanımlanmış uzunluğu ve bir yoğunluk kısa lazer palsının uygulanmasını içeriryakın kızılötesi sensör kullanılarak ölçüldüğü bir sıcaklık artışına neden yaprak örneği. Sıcaklık artışı, belirli bir ısı kapasitesini belirlemek için, bilinen yaprak özellikleri (kalınlık ve yoğunluğu) ile birleştirilir. ısıl iletkenlik sonra termal radyasyon ve dikkate konvektif ısı transferini alarak, daha sonraki sıcaklık düşüş profiline göre hesaplanır. ilişkili hesaplamalar ve numune işleme kritik yönleri tartışılmıştır.

Giriş

Biyolojik materyalin büyük ölçekli işlemler genellikle pastörizasyon gibi ısı işlemi adımları gerektirir. Biyolojik materyalin termal özellikleri, iyi karakterize edilmiştir bu tür işlemler için donatım özgül ısı kapasitesi (CP, s) ve ısı iletkenliği (λ) de dahil olmak üzere, daha kesin olarak tasarlanabilir. Bu parametreler kalorimetrisi 1 ile sıvılar, süspansiyonlar ve homojenatlar kolayca belirlenebilir. Bununla birlikte, katı numunelerde ölçüm gibi parametreler emek yoğun olabilir ve genellikle numune ya da imha 2 ile doğrudan temas gerektirir. Örneğin, fototermal teknikleri Numune ve dedektör 3 arasında doğrudan teması gerektirmektedir. Bu tür sınırlamalar gıda işlenmesi sırasında kabul edilebilir, ancak bu tür iyi imalat uygulamaları 4 bağlamında bitkilerde biyofarmasötik proteinlerin üretimi gibi son derece ile düzenlenen süreçler ile uyumlu değildir. benn böyle bir bağlam, termal özelliklerinin tekrarlanan (örneğin, haftalık) izleme kalite kontrol aracı olarak bireysel bitkiler için yedi haftalık büyüme döneminde gerekli olabilir. Böyle bir izleme gerektirir ve her ölçüm için bir yaprak tüketmek istiyorsanız, hasat zamanında işlemek için sol hiçbir biyokütle olmazdı.

Ayrıca, bitki yaralama sebep ve tekrar işlem verimi azalan, nekroz ya da patojen enfeksiyon riskini artıracak yerine tek yaprak parçalarını kullanarak. örnek doğrudan temas için bir yöntem kullanılacak olması halinde, patojen enfeksiyonu olasılığı da bitkilerin bütün parti kirlenmiş bir sensör cihazı ile temas yoluyla enfekte olabilir riskini uyarılması, artabilir. Benzer yönleri bitkinin izlenmesi bir ecophysiological bağlamda, örneğin kuraklık gibi vurgular için dikkate alınmalıdır. Örneğin su kaybı sıklıkla invazif tre gerektiren yeni biyokütle bir değişimi ile izlenirBir yaprak diseksiyon gibi soruşturma 5, altında bitkilerin, ait kısmi. Bunun yerine, tarif edildiği üzere non-invazif şekilde, bir numunenin su içeriğine bağlıdır özgül ısı kapasitesi, belirleyici, bitki hidrasyon durumu için bir vekil bir parametre olarak kullanılabilir. Onlar deneysel verileri bozabilir olarak iki senaryo (ilaç üretim ve ekofizyoloji) ise, yıkıcı veya invaziv ölçüm teknikleri ile oluşturulan yapay stresler zararlı olacaktır. Bunlar ya örnek doğrudan temas gerektiren veya tahrip edici nedenle, daha önce rapor flaş yöntemleri 6 ya da gümüş plakalar 7 arasında örneklerin yerleştirilmesi bu işlemler ve deneyler için uygun değildir. Parametreler c p, s ve λ üretim maliyetlerini 8-10 azaltmak ve böylece ürün arınma basitleştirmek ve bir beyazlaşma adım için proses ekipmanları tasarlamak amacıyla tespit edilmelidir. Her iki CıP, S ve λ hemen hızlı bir şekilde tutarlı ve tekrarlanabilir bir şekilde 11 tarama temassız tahribatsız yakın kızıl ötesi (NIR) lazer ile tespit edilebilir ve bu yeni yöntem, aşağıda daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır. Tütün uygun işlem ekipman tasarımı ve haşlama sıcaklığı gibi parametrelerin uygun seçimi izin 12 bırakır, bu yöntem ile elde edilen sonuçlar başarılı ısı transferini simüle etmek için kullanıldı.

Yöntem (Şekil 1) kurmak kolaydır ve iki büyük adımlardan oluşur, her biri iki faz, ölçüm ve analiz sahiptir. Ölçüm aşamasında, yaprak numunesi önce yerel kısa lazer darbesi tarafından ısıtılır ve maksimum numune sıcaklık kaydedilir. Numunenin sıcaklığı profili daha sonra 50 sn'lik bir süre için kaydedilmektedir. Analiz aşamasında, yoğunluk gibi yaprak özellikleri (kolayca ve doğru Piknometrik measurem tarafından belirlenirENT), S CP hesaplamak için maksimum örnekleme sıcaklığı ile birleştirilir. İkinci aşamada, yaprak sıcaklık profili l hesaplamak için, dikkate iletim, konveksiyon ve radyasyon alarak, bir enerji dengesi denklemi için girdi olarak kullanılır.

Detaylı adım adım talimatlar beraberindeki video içeriğine genişleyen, protokol bölümünde verilmiştir. Tipik ölçümler daha sonra sonuçlar bölümünde gösterilmiştir. Son olarak, yöntemin yararları ve sınırlılıkları potansiyel iyileştirmeler ve ileri uygulamaları ile birlikte tartışma bölümünde vurgulanır.

figure-introduction-1
Şekil 1: yaprak termal özelliklerini belirlemek için kullanılan aparat. Bir. Ölçüm cihazının Fotoğraf özgül ısı kapasitesi ve le ısı iletkenliğini belirlemek için kullanılıraves. çevresel cihazlar (bilgisayarlar, osiloskop) gösterilmemiştir. B. Ölçüm cihazının şematik temsili. Lazer ve bağlı ekipmanları kırmızı vurgulanır, sıcaklık ölçümü için NUR dedektör mor gösterilir, yaprak örneği yeşil ve fotodiyot güç sensörü mavidir. Cı. B. aynı renk kodu ile ölçüm kurulum elemanlarının çizimi boyutu çubuğu 0.1 m gösterir. D. Ekran, lazer kontrol yazılımı tipik öğeleri gösteren. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Bitki Yetiştirme ve Numune Hazırlama

  1. 1-2 L deiyonize su ve daha sonra,% 0.1 ile 1 L [m / h] gübre çözeltisi her maden yünü blok yıkayın. Bir tütün (Nicotiana tabacum veya N. benthamiana) her blokta tohum ve tohum yıkayarak olmadan gübre çözeltisi 0.25 L nazikçe yıkayın yerleştirin.
  2. % 70 nispi neme sahip bir sera veya fitotranda 7 hafta boyunca bitkiler yetiştirmek, 16 saatlik ışık periyodu (180 umol S - 1 M - 2, 400-700 nm λ =) ve 25/22 ° C açık / koyu sıcaklığı rejim.
  3. Ölçüm cihazının bitkiler hareket ettirin. bitkiler, termal özelliklerinin ölçümü için hareketsiz, hasat tek yaprakları ise.

2. Yaprak Kalınlığı ve Yoğunluk belirleme

  1. yaprak kalınlığını belirlemek
    1. fosfat tamponlu tuzlu su içinde% 2 [m / hacim] agaroz çözeltisi hazırlayın (PBS)Bunu otoklav. Çözelti -40 ° C'ye soğutulmuş ve bir Petri tabağına yerleştirilir yaprak örneği gömmek olsun. 30 dakika süre ile 4 ° C'de bir buzdolabı içinde Petri kabı yerleştirerek agaroz katılaşmaya.
    2. 15 ° traş bıçağı kesme açısına sahip bir vibratome kullanarak 200 mikron dilimler halinde agaroz blok kesin. 1,0 mm s kesme hızı 1 ve 0,5 mm arasında bir genliğe kullanın.
    3. Dağı sabitleştirici olarak siyanoakrilat kullanarak bir bardak slayt beş çapraz yaprak bölümleri. üreticinin talimatlarına göre mikroskop yazılımı yerleşik ölçüm aletleri kullanılarak, bir 20 × objektif ile mikroskop ve 10 × büyütme ile mercek altında yaprak kalınlığı belirleyin.
    4. damarlar olmadan örnek alanlarda yaprak kalınlığı belirleyin.
    5. Alternatif olarak, yaprak bıçak bir damar içermeyen alanda bir çevirmeli ölçer ile yaprak kalınlığını belirler. Çevirmeli gösterge yaprak bıçak düzlemine dik tutulur emin olun.
      CAUTION: japon yapıştırıcısı bir cilt tahriş edici ve dikkatle ele değilse de birbirine değdirerek tutkal olabilir.
  2. yaprak yoğunluğu belirleme
    1. Kuru Piknometre boş KÜTLE (m 0) belirlemek, daha sonra su ile doldurun ve tekrar (m 1) Kütle belirler. Tamamen pisnometre kurutun içinde bir yaprak yerleştirin ve kitle (m 2) bir kez daha belirlemek. Iç yaprağı ile dikkatlice suyla pisnometre doldurmak ve kitle (m 3) belirler.
    2. Denklem 1 kullanılarak yaprak yoğunluğu (Ps) hesaplayın.
      Denklem 1: figure-protocol-1

3. Yaprakların spektral İletim ve Yansıma belirleme

  1. Numune tutma kelepçeleri arasında sabitlemek bir UV / VIS spektrofotometre numune odasında bir yaprak yerleştirin. iletim ölçümleri için, det önünde yaprak yerleştirin ector. yansıması için ölçümler algılama odasının arka yaprağı koyun.
  2. spektrofotometre kontrol yazılımı başlatın. 1600 nm 900 nm bir spektrum seçin. Yeni bir tarama başlatın ve spektral eğri dayalı değerleri iletimi için (μ T) ve UV / VIS spektrofotometre yazılım tarafından görüntülenen yansıma (μ R), kaydedin.
  3. En az üç biyolojik çoğaltır tüm ölçümler yapmak. Yani beş veya heterojen bir örnek kalite beklenebilir eğer daha fazla, biyolojik çoğaltır sayısını artırın, yaprak yüzey morfolojisi ve kalınlığı değişimi.
  4. Denklem 2 ve 3'e göre ölçülen lazer gücü P Lazer ile ölçülen μ T veya μ R değerleri çarpılarak iletim (P T) ve yansıma (P R) için gücünü hesaplamak.
    Denklem 2:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg "/>
    Denklem 3: figure-protocol-2
    NOT: şanzıman da ölçüm sırasında bir fotodiyot sensörü (6.3'e bakınız) ile tespit edilebilir.

4. Ölçüm Aparatı kurma

  1. Bir paslanmaz çelik tutucu bir 25.4 mm çaplı konisine fiber bağlanmış tek çubuğu NIR diyot lazer (dalga boyu = 1.550 nm) monte edin. 4-6 W'a NIR lazerin çıkış gücü (P Lazer) ayarlamak için bir denetleyici bağlayın
  2. 13 mm ışın genişliğini ayarlamak için koni sonunda 25.4 mm odak uzunluğuna sahip bir iki dışbükey lens yerleştirin.
  3. Bir fotodiyot güç sensörü lensin altına altına 354 mm yerleştirin. Daha sonra 1.0 bir optik yoğunluğa ve sensör üzerinde bir 22 mm seramik tabakası ile nötr yoğunluklu bir filtre yerleştirilerek fotodiyot hafifletir.
  4. koaksiyel kablo kullanarak bir osiloskop fotodiyot güç sensörünü bağlayın.
  5. bağlamakobjektif altında 308 mm (Şekil 1) bir yükseklikte ölçüm kurulum iskelesi ile 6 × 6 cm numune poz alanına sahip bir 10 × 10 cm kare. 10 × 10 cm çerçeve içine monte edilerek uzayda yaprak konumunu düzeltmek.
  6. Bir evrensel seri veri yolu (USB) kablosu kullanarak bir kişisel bilgisayara bir NIR dedektör bağlayın ve dedektör için arayüz yazılımı yükleyin.
  7. 135 mm seramik katman üzerinde lazer ışınına 45 ° açıyla dedektör yerleştirin. Maksimum sıcaklık sinyali görülmektedir kadar sensör konumunu ve açısını değiştirerek örnek üzerinde lazer nokta dedektör ölçüm alanını aynı hizaya getirin.
  8. 5 W çıkış lazer gücü ve 0,5 saniye lazer darbesinin süresini ayarlamak için lazer kontrol arayüzü yazılımı kullanın. lazer gücünün grafiksel gösterimi aşağıda kontrol seçenekleri penceresinde "Akım kontrolü" komutunu seçin ve & # içine "5" yazarak lazer gücünü ayarlamak34; Güç [W] Zaman [s] "alanına" içine "0.5". Alan yazarak lazer darbe süresi ayarlayın ".
  9. Deneylerin her set için mutlak lazer gücünü belirlemek için, deneyler her set sonunda termal yüzey emici güç sensörü ile fotodiyot güç sensörünü değiştirin ve bir örnek olmadan 20 saniye lazer çıkış gücü ölçer.

5. Yaprak Örnekleri hazırlayın

  1. ölçümler için sağlam ve hasarsız yaprakları kullanın.
  2. soruşturma hakkında ise, açık alev veya 2-3 saniye süreyle lazer ışını, için yaprak açığa veya diğer taklit etmek diğer teknikleri kullanmak, lateks eldiven arasındaki yaprak ovuşturarak, bir neşter ile yaprak delerek tipik yaprak hasar türlerini taklit hasar türleri.
  3. Dikkatli ama hızlı bir şekilde örnek tutma kelepçeleri arasında yaprak örneği monte edin.

Sıcaklık Ölçümleri alın 6.

  1. yaprak ve seramik arasındaki doğrudan temastan kaçınınfotodiyot sensörü üzerine yerleştirilen zayıflatıcı c p, s ve l hesaplanması müdahale yapay ısı transferini engellemek için (bölüm 9).
  2. NIR detektörü ile 60 saniye arasında, toplam yaprak örneğinin sıcaklık profilini toplamak için sıcaklık ölçme yazılımı kullanarak. Birincisi, 10 sn için sıcaklık taban çizgisini kaydetmek sonra 0.5 saniye boyunca lazer etkinleştirmek ve 49.5 saniye için veri toplama devam ediyor.
    1. "Ölçüm" ve ardından "Yeni Ölçümü" tıklayarak bir ölçüm başlayın. Daha sonra termal profilin grafiksel gösterimi üstündeki yeşil oku tıklatın. profilin grafiksel gösterimi yukarıdaki "Kaydet" ikonuna tıklayarak sıcaklık profilini (stilize bir disk) kaydedin.
  3. ve bağlı bir osiloskop kullanarak bir yaprak numunesi olmadan ölçümler için sinyal farkını hesaplayarak fotodiyot güç sensörü kullanılarak iletilen lazer gücünü onaylamakBir koaksiyel kablo ile fotodiyot güç sensörü (Şekil 2).
    1. Iki kanat yüksekliğini belirlemek (1 f, S ve f 2, S) osiloskop ile elde edilen gerilim profilinde.
    2. (1,0 ve f 2,0 f) referans olarak yaprak numunesi olmadan ölçümü tekrarlayın. Denklem 4 (ayrıca Şekil 2 bakınız) göre bu ölçümlerin oranı olarak iletimini μ T hesaplayın.
      Denklem 4: figure-protocol-3

figure-protocol-4
Şekil 2: fotodiyot güç sensörü kullanılarak yaprak iletim ölçülmesi. Bir. Bir yaprak numunesi olmadan bir referans deney için tipik gerilim profili bir osiloskop kullanılarak görüntülendi. B. gerilim profilicihaz içine monte yaprak numunesi ile. Her iki durumda da, iletilen lazer gücü iki kanat her orantılıdır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

7. Yaprak Numune Özgül Isı Kapasitesi hesaplayın

  1. Maksimum yaprak sıcaklığı T ma x [K] (Denklem 5) dan oda sıcaklığı T 0 [K] çıkarılarak lazer darbesi sırasında maksimum sıcaklık farkını DT [K] hesaplayın.
    Denklem 5: figure-protocol-5
  2. P T [W] iletilen lazer P R [W] yansıyan lazer gücü ve efektif lazer gücü ve lazer darbe süresi (Denklem 6) dayalı bir yaprak tarafından emilen enerji (E S [J]) hesaplayın güç.
    equation 6: figure-protocol-6
  3. D S [m]) 2.1 göre yaprak kalınlığı ısıtılan yaprak alanının kitle (m S [kg]) kullanılarak Denklem 7, hesaplamak, r Lazer [m] lazer nokta yarıçapı, V S [olduğunu m 3] ısıtılmış yaprak hacmi ve ρ S [m -3 kg] yaprak yoğunluğu) 2.2 göre olduğunu.
    Denklem 7: figure-protocol-7
  4. CP hesaplayın kullanıcının [J kg-1 K -1] ısıtılmış yaprak alanı Kitle m S ve maksimum sıcaklık farkı ürünü tarafından emilen enerji E S bölerek Denklem 8'e göre yöntem.
    Denklem 8: figure-protocol-8

8. Therm için Sıcaklık Profili Verileri hazırlayınal İletkenlik Hesaplamalar

  1. Bir tablo işlemci dosyayı bir * .dat dosyası olarak zaman ve sıcaklık ham veri ihracat ve açmak için NIR sensörü kontrol yazılımı "İhracat" komutunu kullanın.
  2. 1 uygula: Bir kullanarak, örneğin 100 veri azaltma, "IF (MOD (değer; 100) = 0;" x ";" 0 ")" komutu, 0,1 saniye başına bir veri noktası veri yoğunluğu elde edilir.
  3. Lazer hala kapalı olduğu sırasında ölçüm, ilk 10 saniye boyunca her sıcaklık profili için [° C] ortalama bazal sıcaklık T B hesaplayın. Sonra, T B ve gerçek ortam sıcaklığı T 0 [° C] arasındaki farkı hesaplar.
  4. Bireysel T 0 (örn y-normalleştirme), doğru kayması T B ise her profil normalleştirmek için bu farkı kullanın - T 0 = 2.0 K, daha sonra pr sıcaklık her sıcaklık değerinden 2.0 K çıkarmaOFile (Şekil 3A).
  5. Maksimum örnekleme sıcaklığı önce (T max) her veri noktası silerek zaman, her sıcaklık profili (x-normalleştirme) koordinatı normalleştirmek ve T max (Şekil 3B) için t = 0 ile başlayan yeni zaman değerlerini atayın.
  6. Ekran ani sıcaklık vardiya, üç katından fazla onlar eserler ölçümden karşılık çünkü ≈ 1,0 K. (veri kümesinden bu bölgeleri Kaldır genellikle Şekil 3C 3 × 0.31 K bazal gürültü seviyesi vardır, yani sıcaklık farkları için her profil ).
  7. T t [K] t [s] olarak monte yaprak numune sıcaklığı olan bir tablo işlemci kullanarak verilere üstel bozunma fonksiyonu (Denklem 9) Fit, T 0 ortam sıcaklığı, A [K] genlik olduğunu ve t 1 [s] bozunma sabiti (Şekil3D).
    Denklem 9: figure-protocol-9
  8. Lazer darbesinin ardından 0-80 s yaprak numunesi sıcaklık düşüşü hesaplamak için takılan işlevini kullanın.
  9. Her sıcaklık veri noktasına (Şekil 3E) için 273,15 değerini ekleyerek [K] ölçeğine [° C] ölçülen sıcaklık verileri dönüştürmek.

figure-protocol-10
Şekil 3: l hesaplanması için veri işleme şeması. Bir. veri azaltma sonra sıcaklık profilleri çevre sıcaklığına normalleştirilir. B. Sonraki, maksimum örnekleme sıcaklık (T max) önce tüm veri noktaları kaldırılır. Cı. Ölçüm eserler ( "tutarsız" veri setinde gösterilir) sıcaklığına göre belirlenirler inci daha büyük vardiyaree kez taban gürültü ve üstel fonksiyonu montajdan önce veri kümesi kaldırıldı. D. Santigrat sıcaklık ölçeği Kelvin ölçeği dönüştürülür. Her bir zaman aralığı için, E., λ sıcaklık profiline göre hesaplanır. F. 20 s bir pencere, bir uygun sıcaklık değişimi gözlenebildiği tanımlanmıştır. G. Seçilen zaman penceresi dayanarak, ortalama ve standart sapma l için hesaplanır. H. İki farklı N. tabacum yaprak numuneleri için Örnek sonuçlanır. Turuncu oklar ve çizgiler sunulan verilere karşılık gelen işlem adımında etkisini göstermektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Yaprak Numunenin Termal İletkenlik 9. hesaplanması

  1. Sıcaklık differe hesaplayınYaprak numune ve DT x [K] sıcaklık farkı olan, Denklem 10, uygun olarak, her 0.1-s aralığında ortam arasında nce, t t [° C] donatılmış yaprak örneği sıcaklığı ve T, 0 [C] ortam sıcaklığı (Şekil 3E).
    Denklem 10: figure-protocol-11
  2. sıcaklık düşüşü konvektif ısı transferi, ısı radyasyonu ve ısı iletimi kombine etkisine bağlı olduğu varsayılmaktadır. AE Sıcaklık [J], iki ardışık zaman noktalarında numunenin termal enerji farkıdır N- hesaplanması için bir temel olarak karşılık gelen enerji dengesi (Denklem 11) kullanarak, AE rad [J] nedeniyle enerji farkı termal radyasyona, AE dönüşüm [J] nedeniyle konvektif ısı transferi enerji farkı ve Δ; E koşul [J] nedeniyle termal iletim enerji farkıdır.
    Denklem 11: figure-protocol-12
  3. DT t [K] monte yaprak örneği sıcaklık farkı Denklem 12, unitless ışıma ε, σ [kg s -3 K -4] Stefan verimli gerçek fiziksel özelliklere sahip enerji dengesinde genel terimleri yerine -Boltzmann sabiti, A rad [m 2] termal radyasyon alanı, h [J s -1 m -2 K -1] konvektif ısı transfer katsayısı, A dönüşüm [m 2] konvektif ısı transferi alanı, bir koşul [m 2] termal iletim ve l [m] karakteristik uzunluk alanı.
    Denklem 12:
    figure-protocol-13
  4. chara hesaplayınkorelasyon dayalı cteristic uzunluğu l: l = V / A.
  5. Bir [m2] hesaplamak için ısıtıldı örnek hacmi V S ve yaprak örneğinin enine kesit alanına kullanın. Kesit yaprak alanı bir koşul iletim R Lazer nokta yarıçapı d yaprağı kalınlığı oluşur alan denklem 13, uygun bir koşul karşılık gelir.
    Denklem 13: figure-protocol-14
  6. Lazer lazer noktası alanıdır Denklem 14, uygun bir rad ve A dönüşümler hesaplayın.
    Denklem 14: figure-protocol-15
  7. Yedek denklemler 9, 12 ve Denklem 11 içine 13 ve t Lazer t Denklem 15 verimli l için ikincisi, çözümlemekO lazer darbe süresi [s].
    Denklem 15:
    figure-protocol-16
  8. Ε için 0.94 değerini varsayalım ve sıcaklık profilinin ilk 20 saniye boyunca her 0.1-s zaman aralığı için l hesaplayın. Bu şekilde elde edilen l 200 değerlerin ortalamasını ve standart sapma (Şekil 3F - H) hesaplayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Yaprak Özelliklerinin Ölçülmesi

Yukarıdaki mikroskobik yöntem, 0,22-0,29 × 10 bir yaprak kalınlığı kullanarak - ve N. benthamiana (0.26 ± 0.02 × 10 - 3 m, hem N. tabacum (3 m, n = 33 0.25 ± 0.04 × 10) için tespit edilmiştir - Daha önce çeşitli bitki türlerinin 3 yaprakları için rapor 3 m aralığında - 0,20-...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Yukarıda açıklanan temas gerektirmeyen, yıkıcı olmayan, ölçüm yöntemi bir eş zamanlı ve tekrarlanabilir bir şekilde Cı P, S ve ʎ belirlemek için kullanılabilir. Özellikle ʎ hesaplanması hatalarına hassas olan çeşitli parametrelere bağlıdır. Bununla birlikte, bu hataların etkisi doğrusal ya da alt orantılıdır ve tüm parametreler için varyasyon katsayısı için, 10% 'den daha az olduğu tespit edilmiştir oldu. Dolayısıyla bu yöntem, sağlam olarak kabul edilebilir olsa da, bazı teknik iyileştirmeler ha...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Yazarlar, bu çalışmada kullanılan bitkileri yetiştirdikleri için Dr. Thomas Rademacher ve Ibrahim Al Amedi'ye minnettardır. Makalenin düzenlenmesindeki yardımları için Dr. Richard M. Twyman'a teşekkür ederiz. Bu çalışma kısmen Avrupa Araştırma Konseyi İleri Hibe "Future-Pharma", 269110 teklif numarası, Fraunhofer Zukunftsstiftung (Gelecek Vakfı), Fraunhofer-Gesellschaft İç Programları tarafından Hibe No'lu olarak finanse edilmiştir. 125-600164 çekin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1" tüpThorlabsSM1L10EFiber tutucu için tüp
AgaroseSigma AldrichA0701Agarose
Bi-Dışbükey lens f=25.4ThorlabsLB1761Lens
Dijital El Optik  Güç ve Enerji Ölçer KonsoluThorlabsPM100DTermal yüzey emici sensör için
Konsol Dijital Fosfor Osiloskopu TektronixDPO7104Osiloskop
DMR ışık mikroskobuLeican.a.Lightmikroskobu
Falcon 50 mL Konik Santrifüj TüpleriFisher Scientific14-432-2Piknometre
Ferty 2 MegaKammlott5.220072Gübre
Elyaf tutucuThorlabsElyaf tutucu
Forma -86 & # 176; C ULT dondurucuThermoFisher88400Dondurucu
Serayetiştiriciliği için
Grodan Taşyünü Küpleri 10 x 10 cmGrodan102446Taşyünü blok
Kızılötesi Dedektör Optris CTOptris OPTCTLT15Kızılötesi dedektör
Kızılötesi dedektör Yazılımı Kompakt ConnectOptrisn.a.Controlyazılımı kızılötesi dedektör için
Lambda 1050 UV/Vis spektrofotometresiPerkinElmerL1050UV/VIS Spektrofotometresi
Lazer 400 μ m, 1.550  nm İletim Soğutmalı Tek Bar Fiber Bağlantılı ModülDILASM1F-SS2.1Lazer
Lazer kapakAmtronLM200Lazer Kapak
Lazer Sürücüsü AmtronCS 408Lazer Sürücü
Osram soğuk beyaz 36 WOsram4930440Işık kaynağı
Fotodiyot sensörü ThorlabsPDA20H-ECŞanzıman ölçümleri için güç sensörü
Hassas ağırlık Ohaus Analytical PlusOhaus80251552Hassas ağırlık
Numune çerçevesiFraunhofer ILTn.a.Yapraknumunesinin sabitlenmesi
Yazılım Pyro ControlAmtronn.a.LazerGüç Kontrol Yazılımı
Paslanmaz çelik tutucun.a.n.a.Ölçüm kurulumu için tutucu
Teflon plakalar 2 cmFraunhofer ILTn.a.Teflonzayıflama
Termal yüzey emici Güç sensörüThorlabsS314CLazer güç ölçümleri için sensör
VibratomLeica1491200S001Vibratom
Zoc/Pro 6.51 EmTec Yenilikçi Yazılımn.a.LazerKontrol Yazılımı 
n.a.n.a.Bitki

Kaynaklar

  1. Wilhelm, E. Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , Royal Society of Chemistry. 516(2010).
  2. Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. Thermography to explore plant-environment interactions. J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).
  3. Jayalakshmy, M. S., Philip, J. Thermophysical Properties of Plant Leaves and Their Influence on the Environment Temperature. International Journal of Thermophysics. 31, 2295-2304 (2010).
  4. Buyel, J. F. Process development strategies in plant molecular farming. Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).
  5. Schuster, A. C., et al. Effectiveness of cuticular transpiration barriers in a desert plant at controlling water loss at high temperatures. AoB PLANTS. 8, (2016).
  6. Parker, W. J., Jenkins, R. J., Abbott, G. L., Butler, C. P. Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity. J Appl Phys. 32, 1679-1684 (1961).
  7. Hays, R. L. The thermal conductivity of leaves. Planta. 125, 281-287 (1975).
  8. Menzel, S., et al. Optimized blanching reduces the host cell protein content and substantially enhances the recovery and stability of two plant derived malaria vaccine candidates. Front. Plant Sci. , (2015).
  9. Buyel, J. F., Hubbuch, J., Fischer, R. Blanching intact leaves or heat precipitation in an agitated vessel or heat exchanger removes host cell proteins from tobacco extracts. J. Vis. Exp. , Under review (2015).
  10. Beiss, V., et al. Heat-precipitation allows the efficient purification of a functional plant-derived malaria transmission-blocking vaccine candidate fusion protein. Biotechnol. Bioeng. 112, 1297-1305 (2015).
  11. Buyel, J. F., Gruchow, H. M., Tödter, N., Wehner, M. Determination of the thermal properties of leaves by non-invasive contact free laser probing. J. Biotechnol. 217, 100-108 (2016).
  12. Buyel, J. F. Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact. Biochem. Eng. J. , (2015).
  13. Hedlund, H., Johansson, P. Heat capacity of birch determined by calorimetry: implications for the state of water in plants. Thermochim Acta. 349, 79-88 (2000).
  14. Chandrakanthi, M., Mehrotra, A. K., Hettiaratchi, J. P. A. Thermal conductivity of leaf compost used in biofilters: An experimental and theoretical investigation. Environ. Pollut. 136, 167-174 (2005).
  15. Larcher, W. Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , Springer Science & Business Media. (2003).
  16. Cowen, R. A gamma-ray burst's enduring fireball. Science News. 152, 197(1997).
  17. Jones, H. G., et al. Thermal infrared imaging of crop canopies for the remote diagnosis and quantification of plant responses to water stress in the field. Funct. Plant Biol. 36, 978-989 (2009).
  18. Defraeye, T., Verboven, P., Ho, Q. T., Nicolai, B. Convective heat and mass exchange predictions at leaf surfaces: Applications, methods and perspectives. Comput. Electron. Agric. 96, 180-201 (2013).
  19. Arndt, S. K., Irawan, A., Sanders, G. J. Apoplastic water fraction and rehydration techniques introduce significant errors in measurements of relative water content and osmotic potential in plant leaves. Physiol. Plant. 155, 355-368 (2015).
  20. Jones, H. G., Schofield, P. Thermal and other remote sensing of plant stress. General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).
  21. Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. Radiation measurement for plant ecophysiology. J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).
  22. Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues. Fuel. 115, 644-651 (2014).
  23. Chaerle, L., et al. Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue. Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).
  24. Hackl, H., Baresel, J. P., Mistele, B., Hu, Y., Schmidhalter, U. A Comparison of Plant Temperatures as Measured by Thermal Imaging and Infrared Thermometry. J. Agron. Crop. Sci. , 415-429 (2012).
  25. Yuan, L., et al. Spectral analysis of winter wheat leaves for detection and differentiation of diseases and insects. Field Crops Res. 156, 199-207 (2014).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Temass z Y ntemzg l Is KapasitesiTermal letkenlikYak n K z l tesi Sens rYaprak Kal nl BelirlemeYaprak Yo unlu u l mT t n Bitkisi T rleriTahribats z Analiz
Bir Rapid Lazer Yöntemi Yaprak Termal Özelliklerinin non-invazif ve İletişim serbest Tayini kolaylaştırır Probing
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.