Een Rapid Laser Probing Methode faciliteert de niet-invasieve en Contacteer-vrij Bepaling van Leaf thermische eigenschappen
Summary
A method was developed to determine the specific heat capacity and thermal conductivity of leaf tissue by non-invasive, contact-free near infrared laser probing, which requires less than 1 min per sample.
Abstract
Planten kunnen waardevolle stoffen zoals secundaire metabolieten en recombinante eiwitten. De zuivering van deze uit plantaardige biomassa op elkaar afstemt door warmtebehandeling (blancheren). Een blancheren inrichting kan nader worden ontworpen als het thermische eigenschappen van de bladeren in detail, dat wil zeggen, de soortelijke warmte en thermische geleidbaarheid bekend. Het meten van deze eigenschappen is tijdrovend en arbeidsintensief, en meestal vereist invasieve methoden die rechtstreeks contact opnemen met het monster. Dit kan het product opbrengst te verminderen en kunnen onverenigbaar zijn met insluiting eisen zijn, bijvoorbeeld in het kader van de goede praktijken bij het vervaardigen. Om deze problemen aan te pakken, werd een niet-invasieve, contactloze methode ontwikkeld die de specifieke warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid van een plant blad intact in ongeveer één minuut bepaalt. De werkwijze omvat de toepassing van een korte laserpuls van gedefinieerde lengte en intensiteit tot een klein gebied van debladmonster, waardoor een temperatuurstijging die wordt gemeten met een nabij-infrarood sensor. De temperatuurstijging wordt gecombineerd met bekende eigenschappen blad (dikte en dichtheid) aan de specifieke warmtecapaciteit bepalen. De thermische geleidbaarheid wordt dan berekend op basis van het profiel van de daaropvolgende daling temperatuur, waarbij thermische straling en convectie warmteoverdracht rekening. De bijbehorende berekeningen en kritische aspecten van het monster handling worden besproken.
Introduction
De grootschalige verwerking van biologische materialen vereist vaak warmte-behandelingsstappen, zoals pasteurisatie. Apparatuur voor dergelijke processen kan nauwkeuriger worden ontworpen indien de thermische eigenschappen van het biologisch materiaal goed gekarakteriseerd, inclusief de specifieke warmtecapaciteit (c p, s) en warmtegeleidingsvermogen (λ). Deze parameters kunnen gemakkelijk worden bepaald voor vloeistoffen, suspensies en homogenaten door calorimetrie 1. Echter, het meten van deze parameters in vaste stoffen arbeidsintensief en vereist vaak direct contact met het monster of de vernietiging 2. Bijvoorbeeld, fotothermische technieken vereisen direct contact tussen het monster en de detector 3. Dergelijke beperkingen zijn tijdens de verwerking van levensmiddelen acceptabel, maar niet verenigbaar zijn met sterk gereguleerde processen zoals de productie van biofarmaceutische eiwitten in planten in het kader van de goede praktijken bij het vervaardigen 4. ikn dergelijke context herhaald (bijvoorbeeld wekelijks) bewaking thermische eigenschappen worden gedurende zeven weken groeiperiode individuele bedrijven als kwaliteitscontrole gereedschap nodig. Indien een dergelijke controle vergt en verbruiken blad voor elke meting, zou er geen biomassa links te verwerken bij de oogst.
Bovendien zou het gebruik alleen bladdelen plaats zou veroorzaken verwonding aan de plant en het risico van necrose of pathogeen infectie opnieuw verminderen het proces opbrengst. De kans pathogeen infectie kan ook toenemen indien een methode met rechtstreeks contact met het monster worden gebruikt, induceren het risico dat een gehele partij planten kunnen worden geïnfecteerd door contact met besmette sensorinrichting. Vergelijkbare aspecten moeten worden overwogen voor de bewaking van installaties benadrukt, zoals droogte, bijvoorbeeld in een ecofysiologische context. Zo wordt waterverlies vaak gevolgd door een verandering in de verse biomassa, die een invasieve tre vereistatment van de planten in het kader van het onderzoek 5, bijvoorbeeld, het ontleden van een blad. In plaats daarvan bepalen van de soortelijke warmte, die afhangt van het watergehalte van een monster op een niet-invasieve manier zoals hier beschreven, kan worden gebruikt als een surrogaat parameter voor vochtstatus planten. In beide scenario's (farmaceutische productie en ecofysiologie), zou kunstmatige spanningen veroorzaakt door destructieve of invasieve meettechnieken schadelijk zijn als ze de experimentele gegevens kunnen verstoren. Daarom eerder beschreven flitsmethoden 6 of het plaatsen van monsters tussen zilver platen 7 zijn geschikt voor dergelijke processen en experimenten omdat ze ofwel direct contact met het monster nodig hebben of destructief. De parameters c p, s en λ moeten worden bepaald om de procesapparatuur te ontwerpen voor een blancheerstap die productzuivering kan vereenvoudigen en dus vermindering productiekosten 8-10. beide cp, s en λ kunnen nu snel worden bepaald door contactvrije non-destructieve nabij infrarood (NIR) laser sonderen op consistente en reproduceerbare wijze 11 en deze nieuwe methode wordt hieronder in detail toegelicht. De met deze werkwijze verkregen resultaten werden met succes gebruikt voor warmteoverdracht simuleren tabaksbladeren 12, waardoor het ontwerp van geschikte apparatuur en de selectie van overeenkomstige parameters zoals de temperatuur blancheren.
De methode is eenvoudig op te zetten (figuur 1) en heeft twee fasen, meting en analyse, die elk twee belangrijke stappen. In de meting fase wordt een blad monster eerste lokaal verwarmd door een korte laserpuls en de maximale temperatuur van het monster wordt vastgelegd. Het temperatuurprofiel van het monster wordt vervolgens geregistreerd voor een periode van 50 s. In de analysefase, blad zoals densiteit (gemakkelijk en nauwkeurig bepaald pyknometrische measurement) worden met de maximale monstertemperatuur te cp berekenen, s. In de tweede stap wordt het blad temperatuurprofiel gebruikt als input voor een energiebalans vergelijking, waarbij geleiding, convectie en straling, houdt, λ berekenen.
Uitvoerige stap-voor-stap instructies vindt u in de sectie protocol, dieper ingaan op de inhoud van de bijbehorende video. Typische metingen worden vervolgens getoond in de sectie resultaten. Tenslotte, de voordelen en beperkingen van de werkwijze worden toegelicht in de bespreking doorsnede met potentiële verbeteringen en verdere toepassingen.
Figuur 1: apparatuur die wordt gebruikt om blad thermische eigenschappen te bepalen. A. Foto van de meetinrichting gebruikt om de specifieke warmtecapaciteit en warmtegeleidingsvermogen van le bepalenAves. Randapparatuur (computers, oscilloscoop) niet getoond. B. Schematische weergave van de meetinrichting. De laser en de aangesloten apparatuur zijn rood gemarkeerd, wordt de NIR detector voor temperatuurmeting getoond in paars, het blad monster is groen en de fotodiode stroom sensor is blauw. C. Tekening van de elementen van de meetopstelling met dezelfde kleurcode als in B. De maat balk geeft 0,1 m. D. Screenshot illustreert de typische elementen van de laser besturingssoftware. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De contactloze, niet-destructieve meetmethode beschreven kan worden bepaald c p, s en ʎ in een gelijktijdige en reproduceerbare wijze. De berekening van ʎ name hangt af van verschillende parameters die gevoelig zijn voor fouten. Toch is de invloed van deze fouten is lineair of sub-proportionele en de variatiecoëfficiënt voor alle parameters bleek minder dan 10% bedragen. Hoewel de werkwijze dus zo robuust kunnen worden beschouwd, kunnen sommige technische verbeteringen worden aangebracht in de re…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful to Dr. Thomas Rademacher and Ibrahim Al Amedi for cultivating the plants used in this study. We would like to thank Dr. Richard M. Twyman for his assistance with editing the manuscript. This work was in part funded by the European Research Council Advanced Grant “Future-Pharma”, proposal number 269110, the Fraunhofer Zukunftsstiftung (Future Foundation), the Fraunhofer-Gesellschaft Internal Programs under Grant No. Attract 125-600164.
Materials
| 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 50mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-2 | Pycnometer |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | Fertilizer |
| Fiber holder | Thorlabs | Fiber holder | |
| Forma -86C ULT freezer | ThermoFisher | 88400 | Freezer |
| Greenhouse | n.a. | n.a. | For plant cultivation |
| Grodan Rockwool Cubes 10x10cm | 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 400μm, 1550nm 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 2cm | 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 |
Riferimenti
- Wilhelm, E. . Heat Capacities: Liquids, Solutions and Vapours. , 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. Thermophysical Properties of Plant Leaves and Their Influence on the Environment Temperature. International Journal of Thermophysics. 31, 2295-2304 (2010).
- Buyel, J. F. Process development strategies in plant molecular farming. Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).
- 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).
- 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).
- Hays, R. L. The thermal conductivity of leaves. Planta. 125, 281-287 (1975).
- 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).
- 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. , (2015).
- 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).
- 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).
- Buyel, J. F. Numeric simulation can be used to predict heat transfer during the blanching of leaves and intact. Biochem. Eng. J. , (2015).
- 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).
- 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).
- Larcher, W. . Physiological Plant Ecology: Ecophysiology and Stress Physiology of Functional Groups. , (2003).
- Cowen, R. A gamma-ray burst’s enduring fireball. Science News. 152, 197 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jones, H. G., Schofield, P. Thermal and other remote sensing of plant stress. General and Applied Plant Physiology. 34, 19-32 (2008).
- Jones, H. G., Archer, N., Rotenberg, E., Casa, R. Radiation measurement for plant ecophysiology. J. Exp. Bot. 54, 879-889 (2003).
- Dupont, C., Chiriac, R., Gauthier, G., Toche, F. Heat capacity measurements of various biomass types and pyrolysis residues. Fuel. 115, 644-651 (2014).
- Chaerle, L., et al. Multi-sensor plant imaging: Towards the development of a stress-catalogue. Biotechnol. J. 4, 1152-1167 (2009).
- 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).
- 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).
