एक रैपिड लेजर जांच विधि पत्ता तापीय गुणों की गैर-आक्रामक और संपर्क मुक्त निर्धारण की सुविधा

Biochemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Biochemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Buyel, J. F., Gruchow, H. M., Wehner, M. A Rapid Laser Probing Method Facilitates the Non-invasive and Contact-free Determination of Leaf Thermal Properties. J. Vis. Exp. (119), e54835, doi:10.3791/54835 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

पौधों जैसे माध्यमिक चयापचयों और पुनः संयोजक प्रोटीन के रूप में मूल्यवान पदार्थों का उत्पादन कर सकते हैं। बायोमास संयंत्र से बाद की शुद्धि गर्मी उपचार (blanching) द्वारा सुव्यवस्थित किया जा सकता है। एक blanching तंत्र ज्यादा ठीक है, तो पत्तियों की तापीय गुणों विस्तार, यानी, विशिष्ट गर्मी क्षमता और थर्मल चालकता में जाना जाता है बनाया जा सकता है। इन संपत्तियों की माप समय लगता है और श्रम गहन है, और आमतौर पर आक्रामक तरीके है कि नमूना सीधे संपर्क की आवश्यकता है। इस उत्पाद को उपज कम कर सकते हैं और रोकथाम आवश्यकताओं, जैसे के साथ असंगत हो सकता है अच्छा विनिर्माण अभ्यास के संदर्भ में। इन मुद्दों का समाधान करने के लिए, एक गैर इनवेसिव, संपर्क-मुक्त विधि विकसित किया गया था कि एक मिनट के बारे में विशिष्ट उष्मा और एक अक्षुण्ण संयंत्र पत्ती की तापीय चालकता निर्धारित करता है। विधि के एक छोटे से क्षेत्र को परिभाषित लंबाई और तीव्रता की एक छोटी लेजर पल्स के आवेदन शामिलपत्ती नमूना, एक तापमान में वृद्धि है कि एक निकट अवरक्त सेंसर का उपयोग करके मापा जाता है के कारण। तापमान में वृद्धि ज्ञात पत्ती गुण (मोटाई और घनत्व) के साथ संयुक्त है विशिष्ट गर्मी क्षमता का निर्धारण करने के लिए। थर्मल चालकता फिर बाद तापमान में गिरावट की प्रोफाइल के आधार पर गणना की है, थर्मल विकिरण और खाते में संवहनी गर्मी हस्तांतरण ले रही है। जुड़े गणना और नमूना हैंडलिंग के महत्वपूर्ण पहलुओं पर विचार-विमर्श कर रहे हैं।

Introduction

जैविक सामग्री का बड़े पैमाने पर प्रसंस्करण अक्सर ऐसे pasteurization के रूप में गर्मी उपचार चरणों की आवश्यकता है। ऐसी प्रक्रियाओं के लिए उपकरणों की विशिष्ट उष्मा (ग पी, एस) और थर्मल चालकता (λ) सहित, अगर जैविक सामग्री की तापीय गुणों में अच्छी तरह से विशेषता है और अधिक ठीक बनाया जा सकता है। इन मानकों उष्मामिति 1 से तरल पदार्थ, निलंबन और homogenates के लिए आसानी से निर्धारित किया जा सकता है। हालांकि, ठोस नमूनों में इस तरह के मापदंडों को मापने के श्रम गहन हो सकता है, और अक्सर नमूना या यहां तक कि अपने विनाश 2 के साथ सीधे संपर्क की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, photothermal तकनीक का नमूना और डिटेक्टर 3 के बीच सीधे संपर्क की आवश्यकता होती है। ऐसी सीमाओं खाद्य प्रसंस्करण के दौरान स्वीकार्य हैं, लेकिन इस तरह अच्छा विनिर्माण अभ्यास 4 के संदर्भ में पौधों में बायोफर्मासिटिकल प्रोटीन के उत्पादन के रूप में उच्च विनियमित प्रक्रियाओं के साथ असंगत हैं। मैंn इस तरह के एक संदर्भ, दोहराया (जैसे, साप्ताहिक) थर्मल संपत्तियों की निगरानी के लिए एक गुणवत्ता नियंत्रण उपकरण के रूप में अलग-अलग पौधों के लिए एक सात सप्ताह के विकास की अवधि के दौरान की आवश्यकता हो सकती है। अगर इस तरह के एक निगरानी की आवश्यकता होती है और प्रत्येक माप के लिए एक पत्ती की खपत होती है, वहाँ कोई बायोमास फसल के समय पर कार्रवाई करने के लिए छोड़ दिया होगा।

इसके अतिरिक्त, बजाय केवल पत्ती भागों का उपयोग संयंत्र के लिए लोग घायल हो गए कारण और नेक्रोसिस या रोगज़नक़ संक्रमण का खतरा बढ़ जाता है, फिर से प्रक्रिया उपज कम हो जाएगा। रोगज़नक़ संक्रमण की संभावना को भी खतरा है कि पौधों की एक पूरी बैच एक दूषित सेंसर डिवाइस के साथ संपर्क के माध्यम से संक्रमित हो सकता है उत्प्रेरण अगर नमूना करने के लिए सीधे संपर्क के साथ एक विधि का इस्तेमाल किया जाएगा वृद्धि हो सकती है। इसी तरह के पहलुओं संयंत्र की निगरानी के लिए सूखा, जैसे की तरह जोर दिया है, एक ecophysiological संदर्भ में विचार किया जाना है। उदाहरण के लिए, पानी की कमी अक्सर ताजा बायोमास में एक परिवर्तन है, जो एक आक्रामक Tre की आवश्यकता द्वारा नजर रखी हैजांच 5, जैसे तहत पौधों, एक पत्ता विदारक की atment। इसके बजाय, विशिष्ट गर्मी क्षमता है, जो एक गैर-आक्रामक तरीके से एक नमूना के पानी की सामग्री पर निर्भर करता है, के रूप में यहाँ का वर्णन का निर्धारण करने, पौधों की हाइड्रेशन की स्थिति के लिए एक सरोगेट पैरामीटर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। दोनों स्थितियों (दवा उत्पादन और ecophysiology) में, विनाशकारी या आक्रामक माप तकनीक से प्रेरित कृत्रिम तनावों के रूप में वे प्रयोगात्मक डेटा विकृत कर सकते हैं हानिकारक होगा। इसलिए, पहले से सूचना दी फ्लैश तरीकों 6 या चांदी प्लेटों के बीच 7 नमूनों की नियुक्ति को ऐसी प्रक्रियाओं और प्रयोगों के लिए अनुपयुक्त है क्योंकि वे या तो नमूना करने के लिए सीधे संपर्क की आवश्यकता होती है या विनाशकारी हो रहे हैं। मापदंडों के सी पी, एस और λ के क्रम में एक कदम है कि blanching उत्पाद शुद्धि को आसान बनाने और इस प्रकार विनिर्माण लागत 8-10 कम कर सकते हैं के लिए प्रक्रिया उपकरण डिजाइन करने के लिए निर्धारित किया जाना चाहिए। दोनों सीपी, एस और λ अब तेजी से संपर्क मुक्त गैर विनाशकारी निकट अवरक्त (NIR) लेजर एक सुसंगत और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य तरीके से 11 में जांच कर रही द्वारा निर्धारित किया जा सकता है और इस नई विधि के नीचे विस्तार से समझाया जाएगा। इस विधि के साथ प्राप्त परिणामों को सफलतापूर्वक गर्मी हस्तांतरण अनुकरण करने के लिए इस्तेमाल किया गया तंबाकू के पत्तों 12 में, उचित प्रसंस्करण के उपकरण के डिजाइन और इस तरह blanching तापमान के रूप में इसी मापदंडों के चयन की अनुमति।

विधि स्थापित करने के लिए आसान है (चित्रा 1) और दो चरणों, माप और विश्लेषण, जिनमें से प्रत्येक के दो प्रमुख कदम शामिल है। माप चरण में एक पत्ता नमूना पहले स्थानीय स्तर पर एक लघु लेजर पल्स से गर्म है और अधिकतम नमूना तापमान दर्ज की गई है। नमूने के तापमान प्रोफाइल फिर 50 एस की अवधि के लिए दर्ज की गई है। विश्लेषण चरण में, इस तरह के घनत्व के रूप में पत्ती गुण (आसानी से और सही pycnometric measurem द्वारा निर्धारितईएनटी), सी पी गणना करने के लिए अधिकतम नमूना तापमान के साथ संयुक्त कर रहे हैं। दूसरे चरण में, पत्ती तापमान प्रोफाइल, एक ऊर्जा संतुलन समीकरण के लिए इनपुट के रूप में प्रयोग किया जाता है खाते में चालन, संवहन और विकिरण ले रही है, λ गणना करने के लिए।

विस्तृत कदम दर कदम निर्देश प्रोटोकॉल खंड में प्रदान की जाती हैं, साथ वीडियो की सामग्री पर विस्तार। विशिष्ट माप तो परिणाम अनुभाग में दिखाए जाते हैं। अंत में, लाभ और विधि की सीमाओं संभावित सुधार और आगे अनुप्रयोगों के साथ चर्चा खंड में डाला जाता है।

आकृति 1
चित्रा 1: पत्ती थर्मल गुण निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया उपकरण। एक। माप उपकरण की तस्वीर विशिष्ट उष्मा और le की तापीय चालकता का निर्धारण कियाएविस। परिधीय उपकरणों (कंप्यूटर, आस्टसीलस्कप) नहीं दिखाए जाते हैं। बी। माप उपकरण की योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। लेजर और जुड़े उपकरणों लाल रंग में डाला जाता है, तापमान माप के लिए NIR डिटेक्टर बैंगनी रंग में दिखाया गया है, पत्ती नमूना हरे रंग की है और photodiode बिजली सेंसर नीला है। सी। बी के रूप में एक ही रंग कोड के साथ माप सेटअप के तत्वों की ड्राइंग आकार बार 0.1 मीटर इंगित करता है। डी। स्क्रीनशॉट लेजर नियंत्रण सॉफ्टवेयर की खासियत तत्वों को दर्शाता हुआ। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. पौधों की खेती और नमूना तैयार

  1. विआयनीकृत पानी की 1-2 एल और बाद में 0.1% की 1 एल के साथ [एम / वी] उर्वरक समाधान के साथ प्रत्येक खनिज ऊन ब्लॉक फ्लश। एक तंबाकू (निकोटियाना Tabacum या एन benthamiana) प्रत्येक ब्लॉक में बीज और धीरे बीज दूर धोने के बिना उर्वरक समाधान के 0.25 एल के साथ फ्लश रखें।
  2. एक ग्रीनहाउस या 70% सापेक्ष आर्द्रता के साथ phytotron में 7 सप्ताह के लिए पौधों की खेती, एक 16-एच फोटो पीरियड (180 μmol एस - 1 एम - 2; λ = 400-700 एनएम) और एक 25/22 डिग्री सेल्सियस प्रकाश / अंधेरे तापमान शासन।
  3. माप उपकरण के लिए पौधों को ले जाएँ। पौधों थर्मल संपत्तियों की माप के लिए स्थिर, फसल एकल पत्तियों कर रहे हैं।

2. पत्ता मोटाई और घनत्व निर्धारण

  1. पत्ती मोटाई निर्धारित
    1. फॉस्फेट बफर खारा में एक 2% [एम / वी] agarose समाधान तैयार (पीबीएस) औरयह आटोक्लेव। समाधान 40 डिग्री सेल्सियस के लिए शांत हो जाओ और एक पत्ता नमूना एक पेट्री डिश में रखा एम्बेड करते हैं। 30 मिनट के लिए 4 डिग्री सेल्सियस पर एक फ्रिज में पेट्री डिश रखकर agarose जमना।
    2. 15 डिग्री के एक रेजर ब्लेड काटने कोण के साथ एक vibratome का उपयोग 200 माइक्रोन स्लाइस में agarose ब्लॉक कट। 1.0 मिमी की एक काटने वेग -1 और 0.5 मिमी आयाम का प्रयोग करें।
    3. माउंट एक लगानेवाला के रूप में cyanoacrylate का उपयोग कर एक गिलास स्लाइड पर पांच आड़ा पत्ती वर्गों। एक 20 × उद्देश्य के साथ एक खुर्दबीन और 10 × बढ़ाई साथ एक ऐपिस के तहत पत्ती मोटाई निर्धारित है, माप उपकरण निर्माता के निर्देशों के अनुसार माइक्रोस्कोप सॉफ्टवेयर में निर्मित उपयोग कर।
    4. नसों के बिना नमूना क्षेत्रों में पत्ता मोटाई निर्धारित करते हैं।
    5. वैकल्पिक रूप से, पत्ती की एक नस-मुक्त क्षेत्र में एक डायल गेज के साथ पत्ता मोटाई का निर्धारण। सुनिश्चित करें कि डायल गेज पत्ती के विमान को सीधा आयोजित किया जाता है सुनिश्चित करें।
      CAUTION: Cyanocrylate एक अड़चन है और अगर ध्यान से संभाला नहीं भी एक साथ उंगलियों गोंद सकता है।
  2. पत्ती घनत्व का निर्धारण करते हैं
    1. एक सूखी pycnometer के खाली द्रव्यमान (एम 0) का निर्धारण करते हैं, तो पानी के साथ भरें और बड़े पैमाने पर फिर से निर्धारित (एम 1)। Pycnometer पूरी तरह से सूखे, अंदर एक पत्ता डाल दिया है और द्रव्यमान (एम 2) एक बार फिर निर्धारण करते हैं। पत्ती के अंदर के साथ, ध्यान से पानी के साथ pycnometer को भरने और द्रव्यमान (एम 3) का निर्धारण।
    2. पत्ती घनत्व (पी एस) 1 समीकरण का उपयोग कर की गणना।
      1 समीकरण: समीकरण

3. स्पेक्ट्रल ट्रांसमिशन और पत्तियों का प्रतिबिंब का निर्धारण करते हैं

  1. नमूना पकड़े अकड़न के बीच यह तय करके एक यूवी / विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का नमूना कक्ष में एक पत्ता रखें। ट्रांसमिशन माप के लिए, Det के सामने पत्ती जगह Ector। प्रतिबिंब के लिए माप का पता लगाने के चैम्बर के पीछे में पत्ती जगह है।
  2. स्पेक्ट्रोफोटोमीटर नियंत्रण सॉफ्टवेयर लॉन्च। 1600 एनएम के लिए 900 एनएम से एक स्पेक्ट्रम का चयन करें। एक नया स्कैन शुरू और मूल्यों के प्रसारण के लिए टी) और प्रतिबिंब आर) यूवी / विज़ स्पेक्ट्रोफोटोमीटर सॉफ्टवेयर के द्वारा प्रदर्शित, वर्णक्रमीय वक्र के आधार पर रिकॉर्ड है।
  3. कम से कम तीन जैविक प्रतिकृति के साथ सभी मापन प्रदर्शन। पांच या उससे अधिक है, तो एक विषम नमूना गुणवत्ता उम्मीद की जा सकती है, यानी करने के लिए जैविक प्रतिकृति की संख्या में वृद्धि, पत्ती की सतह आकृति विज्ञान और मोटाई में भिन्नता।
  4. समीकरण 2 और 3 के अनुसार मापा लेजर शक्ति पी लेजर द्वारा मापा μ टी या μ आर मूल्यों गुणा करके संचरण (पी टी) और प्रतिबिंब (पी आर) के लिए बिजली की गणना।
    2 समीकरण:ftp_upload / 54835 / 54835eq2.jpg "/>
    3 समीकरण: समीकरण
    ध्यान दें: प्रसारण भी माप के दौरान एक photodiode सेंसर (6.3 देखें) के साथ निर्धारित किया जा सकता है।

4. मापन उपकरण सेट अप

  1. एक स्टेनलेस स्टील धारक पर एक 25.4 मिमी व्यास शंकु में एक फाइबर मिलकर एकल बार NIR डायोड लेजर (तरंग दैर्ध्य = 1550 एनएम) माउंट। 4-6 डब्ल्यू करने के लिए NIR लेजर की उत्पादन शक्ति (पी लेजर) स्थापित करने के लिए एक नियंत्रक कनेक्ट
  2. शंकु के अंत में 25.4 मिमी की फोकल लंबाई के साथ एक द्वि-उत्तल लेंस की जगह 13 मिमी करने के लिए बीम चौड़ाई समायोजित करने के लिए।
  3. एक photodiode बिजली सेंसर की जगह लेंस के तल के नीचे 354 मिमी। तो फिर सेंसर के ऊपर एक 22 मिमी चीनी मिट्टी की परत 1.0 की एक ऑप्टिकल घनत्व और के साथ एक तटस्थ घनत्व फिल्टर रखकर photodiode attenuate।
  4. एक आस्टसीलस्कप एक समाक्षीय केबल का उपयोग करने के लिए photodiode बिजली सेंसर कनेक्ट करें।
  5. जुडियेएक 10 × 10 सेमी फ्रेम जो लेंस के नीचे 308 मिमी (चित्रा 1) की ऊंचाई पर माप की स्थापना के पाड़ के साथ एक 6 × 6 सेमी नमूना जोखिम क्षेत्र है। 10 × 10 सेमी फ्रेम में यह बढ़ते द्वारा अंतरिक्ष में पत्ता स्थिति को ठीक करें।
  6. एक यूनिवर्सल सीरियल बस (USB) केबल का उपयोग कर एक पर्सनल कंप्यूटर के लिए एक NIR डिटेक्टर कनेक्ट और डिटेक्टर के लिए इंटरफ़ेस सॉफ्टवेयर स्थापित करें।
  7. चीनी मिट्टी की परत के ऊपर 135 मिमी लेजर बीम के लिए एक 45 डिग्री के कोण पर डिटेक्टर रखें। सेंसर की स्थिति और कोण बदलती तक अधिकतम तापमान संकेत मनाया जाता है द्वारा नमूना पर लेजर हाजिर करने के लिए डिटेक्टर की माप क्षेत्र संरेखित करें।
  8. 5 डब्ल्यू करने के लिए उत्पादन लेजर शक्ति और 0.5 एस के लिए लेजर पल्स की अवधि को समायोजित करने के लिए लेजर नियंत्रण इंटरफ़ेस सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें। लेजर शक्ति की चित्रमय प्रतिनिधित्व नीचे नियंत्रण विकल्प विंडो में "वर्तमान नियंत्रण" कमांड का चयन करें और में & # टाइप "5" से लेजर शक्ति को समायोजित34; पावर [डब्ल्यू] 0.5 टाइम [एस] "मैदान" में ""। क्षेत्र टाइप करके लेजर पल्स अवधि को समायोजित "।
  9. प्रयोगों के प्रत्येक सेट के लिए पूर्ण लेजर शक्ति निर्धारित करने के लिए, प्रयोगों के प्रत्येक सेट के अंत में एक थर्मल सतह अवशोषक बिजली सेंसर के साथ photodiode बिजली सेंसर की जगह है और एक नमूना बिना 20 S के लिए लेजर बिजली उत्पादन को मापने।

5. पत्ता नमूने तैयार

  1. मापन के लिए बरकरार है और undamaged के पत्तों का प्रयोग करें।
  2. जांच के लिए प्रासंगिक हैं, तो एक छुरी के साथ पत्ती भेदी, लेटेक्स दस्ताने के बीच पत्ता मलाई, एक खुला लौ या 2-3 एस के लिए एक लेजर बीम, करने के लिए पत्ती को प्रकाश में लाने या अन्य तकनीकों का उपयोग अन्य अनुकरण करने से विशिष्ट प्रकार पत्ती नुकसान की नकल क्षति के प्रकार।
  3. ध्यान लेकिन जल्दी नमूना पकड़े अकड़न के बीच पत्ता नमूना माउंट।

6. तापमान नाप लो

  1. पत्ती और चीनी मिट्टी के बीच सीधे संपर्क से बचेंकृत्रिम गर्मी हस्तांतरण है कि सी पी, एस और λ की गणना के साथ हस्तक्षेप को रोकने के लिए photodiode सेंसर ऊपर रखा attenuator (धारा 9 देखें)।
  2. NIR डिटेक्टर के माध्यम से 60 एस की कुल के लिए पत्ती के नमूने के तापमान प्रोफाइल इकट्ठा करने के लिए तापमान माप सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें। सबसे पहले, 10 एस के लिए तापमान आधारभूत रिकॉर्ड तो 0.5 एस के लिए लेजर को सक्रिय करने और 49.5 एस के लिए डेटा संग्रह जारी है।
    1. "मापन" और फिर "नई माप" पर क्लिक करके एक माप की शुरुआत करें। बाद में थर्मल प्रोफ़ाइल की चित्रमय प्रतिनिधित्व हरी ऊपर तीर क्लिक करें। प्रोफ़ाइल के चित्रमय प्रतिनिधित्व के ऊपर "सहेजें" आइकन पर क्लिक करके तापमान प्रोफ़ाइल (एक शैली डिस्क) को बचाओ।
  3. साथ जुड़ा हुआ है और एक आस्टसीलस्कप का उपयोग कर एक पत्ता नमूना बिना माप के लिए संकेत में अंतर की गणना के द्वारा photodiode बिजली सेंसर का उपयोग कर प्रेषित लेजर बिजली की पुष्टिएक समाक्षीय केबल के माध्यम से photodiode बिजली सेंसर करने के लिए (चित्रा 2)।
    1. दो किनारों की ऊंचाई निर्धारित (एफ 1, एस 2 और एफ, एस) वोल्टेज प्रोफ़ाइल आस्टसीलस्कप के साथ प्राप्त कर लिया है।
    2. एक संदर्भ के रूप में एक पत्ता नमूना बिना माप दोहराएँ (च 1,0 और 2,0)। 4 समीकरण (यह भी देखें चित्र 2) के अनुसार इन मापों के अनुपात के रूप में संचरण μ टी की गणना।
      4 समीकरण: समीकरण

चित्र 2
चित्रा 2: माप एक photodiode बिजली सेंसर का उपयोग पत्ती संचरण। एक। एक पत्ता नमूना बिना एक संदर्भ प्रयोग के लिए विशिष्ट वोल्टेज प्रोफ़ाइल एक आस्टसीलस्कप का उपयोग कल्पना। बी। वोल्टेज प्रोफ़ाइलएक पत्ता नमूना तंत्र में मुहिम शुरू की है। दोनों ही मामलों में प्रेषित लेजर शक्ति दो किनारों से प्रत्येक के लिए आनुपातिक है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

7. पत्ता नमूना के विशिष्ट गर्मी क्षमता की गणना

  1. से अधिकतम तापमान पत्ती टी एमए एक्स [कश्मीर] (5 समीकरण) कमरे के तापमान टी 0 [कश्मीर] को घटाकर अधिकतम तापमान अंतर ΔT [कश्मीर] लेजर पल्स दौरान गणना।
    5 समीकरण: समीकरण
  2. ऊर्जा एक पत्ता द्वारा अवशोषित (ई एस [जम्मू]) प्रभावी लेजर शक्ति और लेजर पल्स अवधि (समीकरण 6), जहां पी आर [डब्ल्यू] परिलक्षित लेजर शक्ति और है के आधार पर गणना पी टी [डब्ल्यू] प्रेषित लेजर है शक्ति।
    equation 6: समीकरण
  3. गर्म पत्ती क्षेत्र के द्रव्यमान (एम एस [किलो]) का उपयोग समीकरण 7, जहां डी एस [एम] 2.1) के अनुसार पत्ती मोटाई की गणना, आर लेजर [एम] लेजर स्थान की त्रिज्या, वी एस [है एम 3] गर्म पत्ती मात्रा है, और ρ एस [एम -3 किलो] पत्ती घनत्व 2.2 के अनुसार) है।
    समीकरण 7: समीकरण
  4. सी पी की गणना, एस [जम्मू कश्मीर किलो -1 -1] गर्म पत्ती क्षेत्र में बड़े पैमाने पर एम एस और अधिकतम तापमान में अंतर ΔT के उत्पाद द्वारा अवशोषित ऊर्जा एस को विभाजित करके समीकरण 8 के अनुसार।
    समीकरण 8: समीकरण

8. थेर्म के लिए तापमान प्रोफ़ाइल डेटा तैयारअल चालकता गणना

  1. एक स्प्रेडशीट प्रोसेसर में फाइल एक * .dat फ़ाइल के रूप में समय और तापमान कच्चे डेटा निर्यात और खोलने के लिए NIR सेंसर नियंत्रण सॉफ्टवेयर का "निर्यात" कमांड का प्रयोग करें।
  2. लागू करें 1: 100 डेटा कमी, जैसे, एक का उपयोग कर "अगर (एमओडी (मूल्य; 100) = 0;" एक्स "," 0 ")" कमांड, प्रति 0.1 रों एक डेटा बिंदु के एक डेटा घनत्व में जिसके परिणामस्वरूप।
  3. पर एक माप, जिसके दौरान लेजर अभी भी बंद था की प्रारंभिक 10 S औसत तापमान आधारभूत टी प्रत्येक तापमान प्रोफ़ाइल के लिए [डिग्री सेल्सियस] बी की गणना। फिर, टी बी और वास्तविक परिवेश के तापमान टी 0 [डिग्री सेल्सियस] के बीच अंतर की गणना।
  4. व्यक्तिगत रूप से टी 0 (y-सामान्यीकरण), उदाहरण के लिए, की दिशा में यह स्थानांतरण यदि टी बी से प्रत्येक प्रोफ़ाइल को सामान्य करने के लिए इस अंतर का प्रयोग करें - टी 0 = 2.0 कश्मीर, तब 2.0 कश्मीर प्रत्येक तापमान मूल्य से तापमान में जनसंपर्क घटानाofile (चित्रा 3 ए)।
  5. मानक के अनुसार समय प्रत्येक तापमान प्रोफ़ाइल (एक्स-सामान्यीकरण) का समन्वय (टी अधिकतम) अधिकतम तापमान नमूना पहले हर डेटा बिंदु को हटाने के द्वारा और टी = 0 टी अधिकतम (चित्रा 3 बी) के लिए के साथ शुरू नए समय मान असाइन।
  6. स्क्रीन अचानक तापमान परिवर्तन, यानी, तापमान मतभेद है कि अधिक से अधिक तीन बार आधारभूत शोर स्तर है, जो आम तौर पर 3 × 0.31 कश्मीर चित्रा -3 सी है ≈ 1.0 लालकृष्ण डेटा सेट से इन क्षेत्रों हटाये क्योंकि वे कलाकृतियों माप के अनुरूप (हैं के लिए प्रत्येक प्रोफ़ाइल )।
  7. एक स्प्रेडशीट प्रोसेसर, जहां टी टी [कश्मीर] समय टी [एस] पर लगे पत्ती नमूना तापमान का उपयोग कर डेटा के लिए एक घातीय क्षय समारोह (समीकरण 9) फिट, टी 0 परिवेश के तापमान, [कश्मीर] आयाम जाता है और टी 1 [एस] क्षय लगातार (चित्रा3 डी)।
    समीकरण 9: समीकरण
  8. लेजर पल्स के बाद 0-80 s से पत्ता नमूने में तापमान गिरावट की गणना करने के लिए फिट समारोह का प्रयोग करें।
  9. प्रत्येक तापमान डेटा बिंदु (चित्रा 3E) को 273.15 के एक मूल्य जोड़कर [कश्मीर] पैमाने पर करने के तापमान डेटा [C °] में मापा रूपांतरण।

चित्र तीन
चित्रा 3: λ की गणना के लिए डाटा प्रोसेसिंग योजना। एक। डेटा कमी के बाद, तापमान प्रोफाइल परिवेश के तापमान को सामान्यीकृत कर रहे हैं। बी। इसके बाद, अधिकतम तापमान नमूना (टी अधिकतम) से पहले सभी डेटा बिंदुओं को हटा रहे हैं। सी। मापन कलाकृतियों ( "असंगत" डेटा सेट में दिखाया गया है) के तापमान के आधार पर पहचाने जाते हैं वीं की तुलना में बड़ा बदलावREE बार आधारभूत शोर और फिटिंग के लिए पूर्व डाटासेट एक घातीय समारोह से हटा दिया। डी। सेल्सियस तापमान पैमाने केल्विन पैमाने में बदल जाती है। प्रत्येक समय अंतराल के लिए ई, λ तापमान प्रोफाइल के आधार पर गणना की है। एफ। 20 की एक खिड़की परिभाषित किया गया है, जिसमें एक प्रासंगिक तापमान परिवर्तन देखा जा सकता है। जी। चयनित समय खिड़की के आधार पर, औसत और मानक विचलन λ के लिए गणना कर रहे हैं। एच। दो अलग अलग एन Tabacum पत्ती के नमूने के लिए प्रतिनिधि परिणाम है। ऑरेंज तीर और लाइनों प्रस्तुत आंकड़ों पर इसी प्रसंस्करण कदम के प्रभाव का संकेत मिलता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

9. पत्ता नमूना की तापीय चालकता की गणना

  1. तापमान विभिन्न गणनापत्ती नमूना और समीकरण 10 है, जहां ΔT एक्स [कश्मीर] तापमान का अंतर है के अनुसार प्रत्येक 0.1-एस के अंतराल के लिए पर्यावरण के बीच nce, टी टी [डिग्री सेल्सियस] फिट पत्ती नमूना तापमान है और टी 0 [डिग्री सेल्सियस] परिवेश के तापमान (चित्रा 3E)।
    समीकरण 10: समीकरण
  2. मान लें कि तापमान में गिरावट संवहनी गर्मी हस्तांतरण, थर्मल विकिरण और थर्मल चालन के संयुक्त प्रभाव के कारण है। Λ की गणना, जहां ΔE अस्थायी [जम्मू] लगातार दो समय बिंदुओं पर नमूने के तापीय ऊर्जा में अंतर के लिए एक आधार के रूप में इसी ऊर्जा संतुलन (समीकरण 11) का प्रयोग करें, ΔE रेड [जम्मू] की वजह से ऊर्जा का अंतर है थर्मल विकिरण करने के लिए, ΔE कनव [जम्मू] संवहनी गर्मी हस्तांतरण के कारण ऊर्जा का अंतर है, और Δ; ई cond [जम्मू] थर्मल चालन के कारण ऊर्जा का अंतर है।
    समीकरण 11: समीकरण
  3. वास्तविक भौतिक गुणों समीकरण 12 है, जहां ΔT टी [कश्मीर] फिट पत्ती नमूना तापमान में अंतर है, unitless उत्सर्जन ε, σ [किलो एस -3 कश्मीर -4] स्टीफन उपज के साथ ऊर्जा संतुलन में सामान्य शब्दों स्थानापन्न -Boltzmann निरंतर, एक रेड [एम 2] थर्मल विकिरण के क्षेत्र, [जे एस -1 एम -2 कश्मीर -1] संवहनी गर्मी हस्तांतरण गुणांक, एक कनव [एम 2] संवहनी गर्मी हस्तांतरण के क्षेत्र, एक cond [एम 2] थर्मल चालन और एल [एम] विशेषता लंबाई के क्षेत्र।
    समीकरण 12:
    समीकरण
  4. chara की गणनाcteristic लंबाई एल संबंध पर आधारित: एल = वी / ए।
  5. गणना के लिए एक [एम 2] गर्म नमूना मात्रा वी एस और पत्ती नमूना के पार के अनुभागीय क्षेत्र का प्रयोग करें। पार के अनुभागीय पत्ती क्षेत्र समीकरण 13 है, जहां एक ऐसा क्षेत्र है जहां cond चालन होता है, आर लेजर लेजर स्थान की त्रिज्या है और डी एस पत्ता मोटाई है के अनुसार एक cond से मेल खाती है।
    समीकरण 13: समीकरण
  6. समीकरण 14 है, जहां एक लेजर लेजर स्थान का क्षेत्र है के अनुसार एक रेड और एक कनव की गणना।
    समीकरण 14: समीकरण
  7. स्थानापन्न समीकरण 9, 12 और 11 समीकरण में 13 और λ के लिए बाद, उपज समीकरण 15 जहां टी लेजर टी है हलवह लेजर पल्स अवधि [एस]।
    समीकरण 15:
    समीकरण
  8. Ε के लिए 0.94 के एक मूल्य मान लें और तापमान प्रोफ़ाइल के पहले 20 खत्म हो चुका प्रत्येक 0.1-एस के समय अंतराल के लिए λ की गणना। Λ इस तरह से प्राप्त करने के लिए 200 मूल्यों औसत और मानक विचलन (चित्रा 3F - एच) की गणना।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

पत्ता गुणों की माप

ऊपर सूक्ष्म विधि, 0.22-0.29 × 10 में से एक पत्ता मोटाई का उपयोग करना - और एन benthamiana (0.26 ± 0.02 × 10 - 3 मीटर दोनों एन Tabacum (3 एम, एन = 33 0.25 ± 0.04 × 10) के लिए निर्धारित किया गया था - 3 एम, एन = 24), 0.20-0.33 × 10 के भीतर अच्छी तरह से है जो - 3 मीटर रेंज पहले से विभिन्न प्रजातियों के पौधे की पत्तियों 3 के लिए सूचना दी। 3 मीटर (एन = 10), जो सूक्ष्म माप से परिणामों में से एक मानक विचलन के भीतर था - एक डायल गेज के साथ मोटाई का निर्धारण ~ 0.28 × 10 के मूल्यों झुकेंगे। इस प्रकार, डायल गेज माप दिनचर्या अनुप्रयोगों में मोटाई निर्धारण के लिए सूक्ष्म विधि से अधिक पसंद किया जा सकता है के रूप में इसे लागू करने के लिए आसान था औरसी पी, एस और ʎ के लिए परिणाम और अधिक श्रम गहन तकनीक से कम से कम 10% भटक। 3 (एन = 20) है, जो 631-918 किलो मीटर मैच - - 3 रेंज पहले से अन्य प्रजातियों 3 में पत्तियों के लिए सूचना एन Tabacum और एन benthamiana पत्तियों का घनत्व 750 ± 10 किलो मीटर था।

विशिष्ट उष्मा की गणना

तापमान निकोटियाना प्रजाति के लिए एकत्र प्रोफाइल अधिकतम तापमान (टी अधिकतम) जब तक लेजर पल्स के समय के साथ तेजी से वृद्धि से पता चला है कम से कम 1 के भीतर पहुँच गया था। पल्स बाद तापमान तेजी से कमी आई है जब तक यह परिवेश के तापमान (0 टी) (चित्रा 3 ए - ई) पर पहुंच गया। विशिष्ट उष्मा (ग पी, एस -1 -1 एन Tabacum के लिए और 2,252 ± 285 किलो जम्मू कश्मीर -1 -1 एन benthamiana के लिए 3661 के 8 उपज मूल्यों की गणना की गई। दो खेती सेटिंग्स और durations प्रत्येक के लिए इस्तेमाल किया गया प्रजातियों (खंड 1.2 देखें) लेकिन इस सी पी, एस (चित्रा 4) को प्रभावित नहीं किया। हालांकि, सी पी, एस एन मूल्यों Tabacum (चित्रा 4 ए) है, जो पानी की सामग्री [सीजी के लिए सहसंबद्ध के मामले में युवा (ऊपर) पत्तियों (आर 2 = 0.85) के लिए पुराने (नीचे) से रैखिक में कमी आई -1 बायोमास] कि फसल के समय में गीला बायोमास के अंतर और 60 डिग्री सेल्सियस 11 पर 72 घंटे ऊष्मायन के बाद बड़े पैमाने के रूप में निर्धारित किया गया था। पानी की सामग्री और विशिष्ट उष्मा के बीच इस संबंध में अन्य लेखकों के 13 से पिछले टिप्पणियों के साथ समझौते में किया गया था। एक विपरीत संबंध एन benthamia के लिए मनाया गयाएनए (2 आर = 0.79), जहां परिपक्वता के विभिन्न डिग्री की पत्तियों के विशिष्ट गर्मी क्षमताओं के बीच का अंतर (नीचे = वर्ष; शीर्ष = युवा) एन Tabacum के लिए 21% की तुलना में केवल 13% थे। यह अंतर तथ्य यह है कि एन benthamiana की पत्तियों में पानी की सामग्री पत्ती परिपक्वता 11 के विभिन्न डिग्री पर लगभग स्थिर है में उत्पन्न हो सकता है। एक संवेदनशीलता विश्लेषण से पता चला है कि सी पी में मतभेद, एस आनुपातिक माप मानकों में उतार-चढ़ाव के समीकरण 8. में थे के प्रभाव परिलक्षित होता है और प्रेषित लेजर शक्ति, उप-आनुपातिक था क्योंकि इन मानकों समीकरण 7 में व्यक्तिगत कारकों तदनुसार नहीं थे, इन दो मापदंडों में त्रुटियों के प्रभाव लेजर शक्ति या परिवेश के तापमान में उतार-चढ़ाव की वजह से उन से छोटी थी। सामान्य तौर पर, माप क्योंकि सभी मापदंडों सी पी की गणना में शामिल मजबूत माना जाता था, एक गुणांक थाकम से कम 10% की भिन्नता (चित्रा 4C और डी)।

चित्रा 4
चित्रा 4: विशिष्ट उष्मा और तापीय चालकता मूल्यों एन Tabacum और एन benthamiana के लिए चुना गया। एक। विशिष्ट उष्मा और एन Tabacum की तापीय चालकता संयंत्र पर पत्ती स्थिति के अनुसार पत्तियों (नीचे = पुराने पत्ते, मध्य = परिपक्व पत्तियां, शीर्ष = युवा पत्तियों)। सितारे और त्रिकोण पौधों कि क्रमश: 49 और 56 दिन पुराने थे, संकेत मिलता है। बी। विशिष्ट उष्मा और एन benthamiana की तापीय चालकता संयंत्र पर पत्ती स्थिति के अनुसार छोड़ देता है। सितारे और त्रिकोण पौधों है कि एक phytotron या ग्रीन हाउस, क्रमशः में खेती की जाती थी संकेत मिलता है। सी। इनपुट पैरामीटर में बदलाव के लिए विशिष्ट उष्मा मूल्यों की संवेदनशीलता। triangles (लाल, ऊपर की ओर) एक 10% वृद्धि से उत्पन्न विशिष्ट उष्मा मूल्यों या एकल मॉडल मापदंडों में कमी (नीला, नीचे) दिखा। डी। इनपुट मापदंडों में परिवर्तन करने के लिए थर्मल चालकता मूल्यों की संवेदनशीलता। त्रिकोण जूता तापीय चालकता एक मॉडल मापदंडों में (लाल, ऊपर की ओर) एक 10% वृद्धि से उत्पन्न मूल्यों या कमी (नीला, नीचे) निशान। ए और बी में त्रुटि सलाखों, मानक विचलन (n≥3) से संकेत मिलता है, जबकि सी और डी में वे 10% भिन्नता संवेदनशीलता विश्लेषण के दौरान प्राप्त मूल्यों की पूरी रेंज का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

थर्मल चालकता की गणना

थर्मल चालकता (ʎ) घातीय से तापमान प्रोफाइल से गणना की गईफिटिंग (चित्रा 3) प्रवाहकीय और संवहनी गर्मी हस्तांतरण के साथ ही थर्मल विकिरण के लिए समीकरणों के साथ संयुक्त। 1 एस - - 1 कश्मीर - समीकरण 15 0.49 ± 0.13 जम्मू मीटर की औसत मूल्यों झुकेंगे 1 (एन = 19) एन Tabacum के लिए और 0.41 ± 0.20 जे एम - 1 एस - 1 कश्मीर - 1 (एन = 25) एन के लिए benthamiana। ʎ और संयंत्र उम्र या खेती की स्थापना के बीच कोई संबंध है, वहाँ था, हालांकि पत्ती उम्र और ʎ के बीच एक संबंध एन benthamiana (चित्रा 4 बी) के लिए मनाया गया, अन्य पौधों की प्रजातियों 14 में पहले से सूचित उम्र पर निर्भर मतभेदों के साथ सहमति बनी है। जैसा कि ऊपर चर्चा की, पानी की सामग्री इस अंतर के रूप में यह एन benthamiana के लिए परिपक्वता बदलती के पत्ते भर में समरूप होना पाया गया था के लिए एक अप्रत्याशित कारण था। इसके बजाय, हम यह है कि एल में परिवर्तन अटकलेंEAF ऊतक, जैसे, कोशिका दीवार संरचना, पत्तियों की गर्मी हस्तांतरण गुण फेरबदल और इस तरह ʎ के मूल्य को प्रभावित करने से इस अवलोकन के लिए जिम्मेदार थे। ʎ के निर्धारण के परिवेश के तापमान में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील था। एक संवेदनशीलता विश्लेषण से पता चला है कि ± 2.3 कश्मीर के उतार चढ़ाव 64-125% से ʎ के मूल्य में बदल दिया। समीकरण 15 के अनुसार, परिवेश के तापमान थर्मल विकिरण पर चार की शक्ति से एक प्रभाव है और इस प्रकार सीधे ʎ के मूल्य को प्रभावित करता है।

मापन उपकरण का मूल्यांकन

यह 3 घंटे के भीतर माप विधानसभा स्थापित करने के लिए संभव था। एक बार यह पूरा हो गया था, इस प्रणाली की शुरुआत के समय माप श्रृंखला के अनुसार लगभग 15 मिनट था। एकल माप, कम से कम 3 मिनट लिया नमूना तैयार करने और पूरे माप चक्र भी शामिल है। लेजर समय जोखिम के विश्लेषण से पता चला है कि एक0.5 एस के ताप समय 19.9 ± 4.3 डिग्री सेल्सियस के तापमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप (एन = 55) उच्च ΔT के बीच सबसे अच्छा समझौता (लंबी लेजर दालों के द्वारा प्राप्त) एक अच्छा संकेत करने वाली शोर अनुपात (SNR) और के लिए आवश्यक था कम ΔT (लघु लेजर दालों के द्वारा प्राप्त) ऊतकों को नुकसान से बचने के लिए जरूरी है। पल्स 0.5 एस की तुलना में अब durations के नमूने से बड़े पैमाने पर की हानि हुई है, शायद, नमूना तापमान 70 डिग्री सेल्सियस से ऊपर पहुंच गया के रूप में पत्ता ऊतक के लिए पानी और / या क्षति के वाष्पीकरण को दर्शाती है, जबकि केवल 42.9 ± 4.2 डिग्री सेल्सियस (n = 55) 0.5 लेजर दालों के लिए मनाया गया। कम से कम 0.5 एस, के ± 0.31 कश्मीर तापमान शोर (मानक विचलन, एन = 25) की अवधि के लिए ΔT की अधिक से अधिक 5% के लिए जिम्मेदार है और इस तरह ΔT का एक महत्वपूर्ण हिस्सा था। इसके विपरीत, 0.5 एस शोर पर संकेत के 2.5% के लिए ही जिम्मेदार है और इस तरह तुच्छ के रूप में माना जाता था। इसके अतिरिक्त, नमूने 45 डिग्री अधिक ~ से सी, जो करने के लिए गर्मी नहीं थाएक तापमान है कि तंबाकू के पौधों को भी उप-रेखा निवास स्थान के लिए प्राकृतिक रेखा में से अवगत कराया जा सकता है और जो केवल टुंड्रा निवास 15 में पाया पौधों की प्रजातियों के लिए हानिकारक है। लेजर की शक्ति घनत्व, 170 किलोवाट मीटर -2 था जबकि प्राकृतिक सौर विकिरण 1.0-1.4 मीटर किलोवाट -2 16,17 की रेंज में आम तौर पर है। हालांकि, नाड़ी की बहुत ही कम समय के कारण, इस उच्च ऊर्जा खुराक शायद पत्ता ऊतक के रूप में एक हाल ही में प्रकाशित सूक्ष्म विश्लेषण 11 ने संकेत नुकसान नहीं था। तापमान ʎ गणना करने के लिए इस्तेमाल किया डेटा क्योंकि केवल इस अवधि के दौरान लेजर पल्स के बाद प्रारंभिक 20 एस के लिए प्रतिबंधित किया गया नमूना के तापमान संकेत के कम से कम 5% के लिए शोर (± 0.31 कश्मीर) खाते में किया था और इस तरह तुच्छ के रूप में माना जाता था। जब 20 S समय सीमा के पार से तापमान डेटा का उपयोग किया गया, मूल्यों ʎ के लिए गणना की गिरावट आई है (चित्रा 3F)। एक संभावित व्याख्या यह था कि मान्यताओं के कुछʎ की गणना ΔT की कम मूल्यों के लिए आवेदन नहीं किया था के लिए बनाया है। विशेष रूप से, अवधि समीकरण 15 में थर्मल विकिरण का वर्णन के रूप में यह आगे के तापमान की शक्ति से प्रभावित है प्रभावित किया गया है हो सकता है। इसके अलावा, नमूना लेजर के संपर्क में स्थान के आसपास के क्षेत्र की पत्ती थोड़ा ऊपर से गर्म हो सकता है और इस तरह आदर्श गर्मी सिंक मॉडल को कम करने में प्रभावी ΔT एक्स और अंततः गणना ʎ में ग्रहण किया गया है नहीं हो सकता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

संपर्क मुक्त, गैर विनाशकारी माप ऊपर वर्णित विधि सी पी, एस और ʎ निर्धारित करने के लिए एक साथ और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य तरीके से इस्तेमाल किया जा सकता है। विशेष रूप से ʎ की गणना के कई मापदंडों है कि त्रुटियों के प्रति संवेदनशील हैं पर निर्भर करता है। फिर भी, इन त्रुटियों के प्रभाव या तो रेखीय या उप-आनुपातिक है, और सभी मापदंडों के लिए विभिन्नता का गुणांक 10% से कम होना पाया गया था। हालांकि विधि इस प्रकार मजबूत के रूप में माना जा सकता है, कुछ तकनीकी सुधार त्रुटि के शेष स्रोतों को कम करने के लिए किया जा सकता है।

विधानसभा में नमूना बढ़ते तकनीकी रूप से चुनौतीपूर्ण था क्योंकि एक फ्लैट पत्ती की सतह माप के लिए बेहतर है, लेकिन नमूना स्वाभाविक रूप से एक लहरदार सतह है। यह समस्या geometries ठीक पत्ती नमूना, जैसे, पत्ती मोटाई और चौड़ाई को समायोजित के साथ एक समर्पित नमूना धारक डिजाइनिंग, पसंद करते हैं नमूना clamping के द्वारा दूर किया जा सकतासक्षम उन्मुखीकरण। यह दृष्टिकोण माप अधिक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य बनाना होगा, लेकिन माप का संपर्क मुक्त प्रकृति समझौता होगा क्योंकि नमूना और धारक के बीच कंपनी से संपर्क पत्ती की सतह सपाट खींचने के लिए आवश्यक होगा। धारक के इस तरह के प्रयोग के लाभ इसलिए माप, यानी के संदर्भ पर निर्भर करेगा, चाहे माप की सटीक या संपर्क मुक्त प्रकृति के सबसे महत्वपूर्ण है। इसके विपरीत, इस तरह के विचार एक स्वाभाविक सपाट सतह, जैसे, चावल और संबंधित प्रजातियों के साथ पत्तियों के लिए सब पर आवश्यक नहीं हो सकता।

संवहनी गर्मी नमूने के वातावरण में हवा आंदोलन के कारण हस्तांतरण माप के दौरान कम से कम रखा जाना चाहिए, क्योंकि यह दृढ़ता से दोनों सी पी, एस की गणना को प्रभावित करता है और 18 ʎ। इसलिए इस तरह के उपकरण के साथ कंप्यूटर के रूप में एयर कंडीशनिंग प्रणाली, radiators या अन्य उपकरण, द्वारा उत्पन्न हवा धाराओं से दूर स्थित होना चाहिएअभिन्न प्रशंसकों ठंडा। यह भी महत्वपूर्ण है क्योंकि पत्ते 19 कि पहले या वाष्पीकरण के कारण माप के दौरान हो सकता है, जो हवा आंदोलनों 20 से बढ़ाया जा सकता है के सापेक्ष पानी की मात्रा में परिवर्तन, मॉडल के लिए जिम्मेदार नहीं थे। इस प्रकार, माप, विशेष रूप से असम्बद्ध के पत्तों के साथ, बाहर तेजी से प्रोटोकॉल खंड में वर्णित के रूप में डाटा अधिग्रहण के दौरान त्रुटियों से बचने के लिए किया जाना चाहिए। भविष्य में, माप पर वाष्पीकरण के प्रभाव को कम या बचा है, तो माप एक कार्यान्वित आर्द्रता नियंत्रण के साथ एक कम से कम आंशिक रूप से संलग्न माप कक्ष में आयोजित किया जाता है हो सकता है।

सी पी, एस और ʎ मूल्यों की सटीकता और अधिक ठीक इसी समीकरणों में इस्तेमाल किया मानकों को मापने के द्वारा बढ़ाया जा सकता है। सी पी के मामले में, इन मानकों को लेजर शक्ति, अधिकतम और परिवेश के तापमान और नमूना मात्रा, यानी, लास के उत्पाद हैंमौके क्षेत्र और मोटाई, और नमूना घनत्व (समीकरण 8) इंजी। बाद के दो पैरामीटर वास्तविक माप के साथ प्रयोगों में निर्धारित किया जाना चाहिए और अगर कई प्रतिनिधि जैविक प्रतिकृति परीक्षण कर रहे हैं उनकी विश्वसनीयता में सुधार किया जा सकता है। हालांकि, यहां तक कि जब एक साधारण डायल गेज माप का इस्तेमाल किया गया था, एक सूक्ष्म विश्लेषण की तुलना में पत्ता मोटाई में अंतर केवल 11% है, जो मूल्यों ही डिग्री सेल्सियस से पी, एस और ʎ के लिए गणना प्रभावित था। इसके विपरीत, तापमान और लेजर शक्ति माप के दौरान नजर रखी जा सकती है। सी पी की सटीकता, एस अगर इन ऑनलाइन डाटा लेजर शक्ति और परिवेश के तापमान के लिए तय मान के स्थान पर इस्तेमाल कर रहे हैं सुधार किया जा सकता है, और डेटा अच्छी तरह से calibrated सेंसर का उपयोग कर एकत्र कर रहे हैं। इन कारणों से भी ʎ करने के लिए लागू होते हैं, लेकिन परिवेश और नमूना तापमान सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर है क्योंकि दोनों चार की शक्ति द्वारा गणना मूल्य को प्रभावित कर रहे हैं।

ʎ की वर्तमान गणना संवहनी गर्मी हस्तांतरण और थर्मल विकिरण के बारे में कई मान्यताओं पर आधारित था। उदाहरण के लिए, उत्सर्जन (ε) और संवहनी गर्मी हस्तांतरण गुणांक (ज) या नहीं मापा गया ऊपर प्रस्तुत विधि में स्पष्ट रूप से गणना की है, लेकिन पिछले प्रकाशनों 18,21 से प्राप्त किए गए। ʎ की सटीकता इसलिए वास्तविक माप की शर्तों के तहत इन दो मापदंडों का निर्धारण करने से सुधार किया जा सकता है। हालांकि, गणना के लिए साहित्य डेटा का उपयोग कर फिर भी निकोटियाना प्रजाति और उनके शरीर क्रिया विज्ञान, यानी, फूलों के पौधों 3 करने के लिए अपने फिलोजेनी के कारण ʎ मूल्यों है कि सीमा प्रयोगात्मक अन्य पौधों की प्रजातियों जिसके लिए इसी तरह की संपत्ति की उम्मीद की जा सकती है के लिए चुना गया भीतर थे झुकेंगे। Ε और के लिए मूल्यों ε के लिए पूरी रेंज पहले से पौधों में इन मूल्यों के लिए सूचना, जैसे, 0.93-0.98 भर में विविध थे यहां तक कि अगर 21, ʎ के अंतिम मूल्य पर उनके प्रभाव <थी 10% और इस तरह यहाँ मनाया प्राकृतिक विभिन्नता के भीतर।

ऊपर प्रस्तुत विधि न केवल बरकरार अहानिकर पत्तियों और अलग पत्तियों के तापीय गुणों का निर्धारण करने में सक्षम था, लेकिन यह भी सही ढंग से माप से पहले जानबूझकर शुरू की और अधिक गंभीर क्षति के विभिन्न प्रकार की पहचान की। इसलिए, पत्ती के नमूने के विभिन्न प्रकार आसानी से प्रतिष्ठित किया जा सकता दूर करने के लिए एक उपकरण उपलब्ध कराने, विश्लेषण करने से पहले, किसी भी गरीब के नमूने है कि कम गुणवत्ता वाले डेटा प्राप्त होगी। यह सुविधा जब जैविक सामग्री, जैसे की निगरानी, नमूने सी पी, एस के मामले में विनिर्देशों को पूरा करने में नाकाम रहने और ʎ आगे की प्रक्रिया से बाहर रखा जा सकता है गुणवत्ता नियंत्रण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इस तरह के आणविक खेती 4 के रूप में एक उच्च विनियमित प्रक्रियाओं के संदर्भ में एक परिसंपत्ति होगा।

इस नई विधि के फायदे में अन्य लोगों की तुलना मेंसाहित्य तेजी से नमूना हैंडलिंग, कम से कम तैयारी, संपर्क मुक्त और गैर विनाशकारी सी पी, एस और ʎ के एक साथ माप, और कई ऑप्टिकल प्रयोगशालाओं में पाया जा सकता है कि आम उपकरण का उपयोग शामिल है। इस विधि में इस तरह के अंतर स्कैनिंग calorimeters के रूप में विशिष्ट और महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है उन लोगों की तुलना में व्यापक आवेदन की सुविधा होगी। इसके अलावा, उष्मामिति नमूना 22 के साथ सीधे संपर्क की आवश्यकता है तो वहाँ नुकसान का खतरा है, और विधि आमतौर पर विशिष्ट गर्मी क्षमता 22 की माप के लिए सीमित है। इसके विपरीत, जबकि थर्मल इमेजिंग गल जाना या एक संपर्क मुक्त तरीके से 23 में पत्तियों या पूरे पौधों में शारीरिक परिवर्तन का पता लगा सकते हैं, यह भी जटिल छवि विश्लेषण और समर्पित विशेष उपकरणों 24 जो भविष्य में सस्ता और अधिक शक्तिशाली आईआर कैमरों से दूर किया जा सकता है की आवश्यकता है और परिधीय उपकरणों के साथ। वर्णक्रम विश्लेषण एक और संपर्क-FR हैपानी की मात्रा और क्लोरोफिल का स्तर 25 के विश्लेषण के लिए ईई विधि है, लेकिन यह अभी तक विशिष्ट उष्मा और / या तापीय चालकता निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल नहीं किया गया।

माप दृष्टिकोण के साथ साथ सूचना का संयंत्र कम निवेश लागत और कम माप समय के साथ छोड़ देता थर्मल गुण निर्धारित करने के लिए एक मजबूत विधि है। यह सफलतापूर्वक सी पी, एस और ʎ निर्धारित करने के लिए एन Tabacum और एन benthamiana, दो प्रजातियों कि आणविक खेती 4 के क्षेत्र में प्रासंगिक हैं में इस्तेमाल किया गया था। मूल्यों पत्ती तापमान प्रोफाइल के आधार पर दोनों मापदंडों के लिए गणना की पहले से अन्य पौधों की प्रजातियों 3 के लिए रिपोर्ट उन लोगों के साथ अच्छे समझौते में थे। विधि गैर विनाशकारी, संपर्क-मुक्त है, और जटिल नमूना तैयार करने की आवश्यकता नहीं है, तापीय गुणों के विश्लेषण के लिए सभी मौजूदा वैकल्पिक तरीकों से अधिक लाभ प्रदान करते हैं। सरल डिजाइन भी हाथ-हेल के विकास की सुविधा हो सकती हैडी उपकरणों लचीलापन बढ़ाने के लिए।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1" tube Thorlabs SM1L10E Tube for fiber holder
Agarose Sigma Aldrich A0701 Agarose
Bi-Convex lense f=25.4 Thorlabs LB1761 Lense
Digital Handheld Optical Power and Energy Meter Console Thorlabs PM100D Console for thermal surface absorber sensor
Digital Phosphor Oscilloscope  Tektronix DPO7104 Oscilloscope
DMR light microscope Leica n.a. Light microscope
Falcon 50 mL Conical Centrifuge Tubes Fisher Scientific 14-432-2 Pycnometer
Ferty 2 Mega Kammlott 5.220072 Fertilizer
Fiber holder Thorlabs Fiber holder
Forma -86 °C ULT freezer ThermoFisher 88400 Freezer
Greenhouse n.a. n.a. For plant cultivation
Grodan Rockwool Cubes 10 x 10 cm Grodan 102446 Rockwool block
Infrared Detector Optris CT Optris OPTCTLT15 Infrared detector
Infrared Detector Software Compact Connect Optris n.a. Control software for infrared detector
Lambda 1050 UV/Vis spectrophotometer PerkinElmer L1050 UV/VIS Spectrophotometer
Laser 400 μm, 1,550 nm Conduction Cooled Single Bar Fiber Coupled Module DILAS M1F-SS2.1 Laser
Laser cover Amtron LM200 Laser Cover
Laser Driver  Amtron CS 408 Laser Driver
Osram cool white 36 W Osram 4930440 Light source
Photodiode sensor  Thorlabs PDA20H-EC Power sensor for transmission measurements
Precision weight Ohaus Analytical Plus Ohaus 80251552 Precision weight
Sample frame Fraunhofer ILT n.a. Fixation of the leaf sample
Software Pyro Control Amtron n.a. Laser Power Control Software
Stainless-steel-holder n.a. n.a. Holder for measurement set-up
Teflon plates 2 cm Fraunhofer ILT n.a. Teflon attenuation
Thermal surface absorber Power sensor Thorlabs S314C Sensor for laser power measurements
Vibratome Leica 1491200S001 Vibratome
Zoc/Pro 6.51  EmTec Innovative Software n.a. Laser Control Software 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics