已开发出一种通过非侵入性、无接触的近红外激光探测来测定叶片组织比热容和热导率的方法，每份样品检测耗时不足1分钟。
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摘要
摘要
植物能够产生多种有价值的物质，例如次生代谢产物和重组蛋白。通过热处理（焯烫）可简化从植物生物量中纯化重组蛋白的过程。若能详细了解叶片的热学特性，则可更精确地设计焯烫装置。 即比热容和热导率。这些特性的测量耗时且劳动强度大，通常需要直接接触样品的侵入式方法，这可能会降低产品得率，并可能与密闭性要求不相容。 例如， 在良好生产规范背景下，为解决上述问题，开发了一种非侵入性、无接触的方法，可在约一分钟内测定完整植物叶片的比热容和热导率。该方法通过对叶片样品的微小区域施加一段特定时长和强度的短脉冲激光，引发温度升高，并利用近红外传感器测量该温度变化。将测得的温升数据与已知的叶片特性（厚度和密度）相结合，以确定其比热容。随后，通过分析温度下降过程的曲线特征，并考虑热辐射和对流换热的影响，计算得出热导率。文中还讨论了相关计算方法及样品处理中的关键注意事项。
引言
生物材料的大规模处理通常需要热处理步骤，例如巴氏灭菌。如果能够充分表征生物材料的热学性质，包括比热容（cp,s）和热导率（λ）。这些参数可通过量热法对液体、悬浮液和匀浆液进行简便测定。 1然而，对固体样品中的这些参数进行测量可能非常耗时，且通常需要与样品直接接触，甚至可能破坏样品 2例如，光热技术需要样品与探测器之间直接接触 3此类限制在食品加工过程中可以接受，但在严格监管的工艺中则不适用，例如在药品生产质量管理规范（GMP）背景下利用植物生产生物制药蛋白的过程。 4. 在这种情况下，重复的（例如， 在为期七周的植株生长周期中，作为质量控制手段，可能需要每周监测一次热学特性。若每次测量均需采集并消耗一片叶片，则在收获时将无剩余生物量可供后续处理。
此外，仅使用叶片部分会造成植物损伤，增加坏死或病原体感染的风险，从而再次降低生产效率。如果采用与样品直接接触的检测方法，病原体感染的可能性也可能上升，导致整批植物因接触受污染的传感器设备而被感染。在监测干旱等植物胁迫时，同样需要考虑类似因素。 例如在生态生理学背景下，例如，水分流失通常通过鲜重的变化来监测，这需要对受试植物进行侵入性处理。 5, 例如， 解剖叶片。相反，以非侵入方式测定依赖于样品含水量的比热容，如本....
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方案
1. 植物培养与样品制备
- 用 1-2 L 去离子水冲洗每个岩棉块，随后用 1 L 0.1% [m/v] 肥料溶液冲洗。在每个岩棉块中放入一粒烟草种子（Nicotiana tabacum 或 N. benthamiana），并轻轻加入 0.25 L 肥料溶液冲洗，注意不要将种子冲走。
- 在温室或植物生长室中培养植株 7 周，相对湿度保持在 70%，光周期为 16 小时（光照强度 180 µmol s−1 m−2；波长 λ = 400-700 nm），昼夜温度设置为 25/22 °C。
- 将植株转移至测量装置。若植株无法移动，可采集单片叶片用于热学性质的测定。
2. 测定叶片厚度和密度
- 测定叶片厚度
- 在磷酸盐缓冲液（PBS）中配制2% [m/v]的琼脂糖溶液，并进行高压灭菌。将溶液冷却至40 °C，将叶片样品置于培养皿中并包埋于琼脂糖中。将培养皿放入4 °C冰箱中30分钟，使琼脂糖凝固。
- 使用振动切片机将琼脂糖块切成200-µm厚的切片，刀片切割角度为15°。切割速度设为1.0 mm s-1，振幅设为0.5 mm。
- 使用氰基丙烯酸酯作为固定剂，将五个叶片横切面切片固定在载玻....
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结果
叶片性状的测量
采用上述显微方法测得，N. tabacum（0.25±0.04 × 10−3 m，n=33）和 N. benthamiana（0.26±0.02 × 10−3 m，n=24）的叶片厚度均为 0.22–0.29 × 10−3 m，该数值处于先前报道的多种植物叶片厚度范围（0.20–0.33 × 10−3 m）之内3。使用千分表测量所得叶片厚度约为 0.28 × 10−3 m（n=10），该结果在显微测量结果的一个标准偏差范围内。因此，在常规应用中，千分表测量法可能优于显微方法，因其操作更为简便，且所得 cp,s
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讨论
上述无接触、非破坏性测量方法可用于同时且可重复地测定cp,s和ʎ。其中，ʎ的计算尤其依赖多个对误差敏感的参数。然而，这些误差的影响均为线性或亚比例性，且所有参数的变异系数均低于10%。尽管该方法因此可被视为具有较强鲁棒性，但仍可进行一些技术改进以进一步减少残余误差来源。
将样品安装到装置中在技术上具有挑战性，因为测量时需要尽可能平坦的叶片表面，而样品本身具有自然的波浪状表面。通过设计一种专用的样品台，并将其几何形状精确调整至与叶片样品匹配，可克服这一问题。 例如，叶片厚度和宽度，并将样品以理想的方向夹紧。这种方法可提高测量的可重复性，但会牺牲测量的非接触特性，因为需要样品与 holder 之间牢固接触，才能将叶片表面拉平。因此，使用此类 holder 的优势将取决于具体测量情境。 即， 测量的精确性或非接触特性何者更为重要。相比之下，对于本身表面平坦的叶片，此类考虑可能完全无需进行。 例如， 水稻及相关物种
在测量过程中，应尽量减少样.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢 Thomas Rademacher 博士和 Ibrahim Al Amedi 为本研究提供了种植的植物。我们感谢 Richard M. Twyman 博士在修改手稿过程中提供的帮助。本工作部分由欧洲研究理事会高级资助项目“Future-Pharma”（项目编号 269110）、弗劳恩霍夫未来基金会（Fraunhofer Zukunftsstiftung）以及弗劳恩霍夫协会内部项目资助（资助编号 Attract 125-600164）提供资金支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1" 管 | Thorlabs | SM1L10E | 光纤固定器用管 |
| 琼脂糖 | Sigma Aldrich | A0701 | 琼脂糖 |
| 双凸透镜 f=25.4 | Thorlabs | LB1761 | 透镜 |
| 数字手持式光学 功率和能量计主机 | Thorlabs | PM100D | 热表面吸收传感器主机 |
| 数字荧光示波器 | Tektronix | DPO7104 | 示波器 |
| DMR 光学显微镜 | Leica | n.a. | 光学显微镜 |
| Falcon 50 mL 圆锥形离心管 | Fisher Scientific | 14-432-2 | 比重瓶 |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | 肥料 |
| 光纤固定器 | Thorlabs | 光纤固定器 | |
| Forma -86 °C 超低温冰箱 | ThermoFisher | 88400 | 冰箱 |
| 温室 | n.a. | n.a. | 用于植物培养 |
| Grodan 岩棉块 10 x 10 cm | Grodan | 102446 | 岩棉块 |
| 红外探测器 Optris CT | Optris | OPTCTLT15 | 红外探测器 |
| 红外探测器软件 Compact Connect | Optris | n.a. | 红外探测器控制软件 |
| Lambda 1050 紫外/可见分光光度计 | PerkinElmer | L1050 | 紫外/可见分光光度计 |
| 激光器 400 μm, 1,550 nm 传导冷却单条光纤耦合模块 | DILAS | M1F-SS2.1 | 激光器 |
| 激光器防护罩 | Amtron | LM200 | 激光器防护罩 |
| 激光驱动器 | Amtron | CS 408 | 激光驱动器 |
| Osram 冷白光 36 W | Osram | 4930440 | 光源 |
| 光电二极管传感器 | Thorlabs | PDA20H-EC | 透射测量用功率传感器 |
| Ohaus Analytical Plus 精密天平 | Ohaus | 80251552 | 精密天平 |
| 样品架 | Fraunhofer ILT | n.a. | 叶片样品固定装置 |
| Pyro Control 软件 | Amtron | n.a. | 激光功率控制软件 |
| 不锈钢支架 | n.a. | n.a. | 测量装置用支架 |
| 聚四氟乙烯板 2 cm | Fraunhofer ILT | n.a. | 聚四氟乙烯衰减器 |
| 热表面吸收式功率传感器 | Thorlabs | S314C | 激光功率测量传感器 |
| 振动切片机 | Leica | 1491200S001 | 振动切片机 |
| Zoc/Pro 6.51 | EmTec Innovative Software | n.a. | 激光控制软件 |
参考文献
- Wilhelm, E. Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , Royal Society of Chemistry. 516(2010).
- Costa, J. M., Grant, O. M., Chaves, M. M. Thermography to explore plant-environment interactions. J. Exp. Bot. 64, 3937-3949 (2013).
- Jayalakshmy, M. S., Philip, J.
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重印与许可
