En Rapid Laser Sondering Metode Forenkler Non-invasiv og berøringsfri Fastsettelse av Leaf termiske egenskaper
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
Planter kan produsere verdifulle stoffer som for eksempel sekundære metabolitter og rekombinante proteiner. Rensingen av den sistnevnte fra plantebiomasse kan være strømlinjeformet ved varmebehandling (blanche). En blanche apparat kan konstrueres mer presist om de termiske egenskapene til bladene er kjent i detalj, dvs. den spesifikke varmekapasitet og varmeledningsevne. Målingen av disse egenskapene er tidkrevende og arbeidskrevende, og krever vanligvis invasive fremgangsmåter som kommer i kontakt prøven direkte. Dette kan redusere produktutbytte og kan være uforenlig med oppdemning krav, for eksempel, i sammenheng med god framstillingspraksis. For å løse disse problemene, ble en ikke-invasiv, berøringsfri metode utviklet som bestemmer den spesifikke varmekapasitet og varmeledningsevne av en intakt plante blad i omtrent ett minutt. Fremgangsmåten innebærer anvendelse av en kort laserpuls av definert lengde og intensitet til et lite område avblad prøven, noe som forårsaket en temperaturøkning som er målt ved hjelp av en nær infrarød sensor. Temperaturøkningen er kombinert med kjente blad egenskaper (tykkelse og densitet) for å bestemme den spesifikke varmekapasitet. Den termiske ledningsevnen blir deretter beregnet på grunnlag av profilen til den påfølgende temperaturnedgang, tar varmestråling og konvektiv varmeoverføring i betraktning. De tilknyttede beregninger og kritiske aspekter ved prøvehåndtering blir diskutert.
Introduction
Den store behandling av biologisk materiale krever ofte varmebehandlingstrinn som pasteurisering. Utstyr for slike prosesser kan utformes mer presist om de termiske egenskaper hos det biologiske materialet er godt karakterisert, inkludert den spesifikke varmekapasitet (c p, s) og varmeledningsevne (λ). Disse parametrene kan bestemmes lett for væsker, suspensjoner og homogenater av kalorimetri 1. Imidlertid kan måle slike parametre i faste prøver være arbeidskrevende, og krever ofte direkte kontakt med prøven eller til og med ødeleggelse sin 2. For eksempel, fototermiske teknikker krever direkte kontakt mellom prøven og detektoren 3. Slike begrensninger er akseptabelt under prosessering av mat, men er uforenlig med strengt regulerte prosesser som for eksempel produksjon av biofarmasøytiske proteiner i planter i sammenheng med god framstillingspraksis fire. Jegn slik sammenheng kan gjentas (f.eks ukentlig) overvåking av termiske egenskaper være nødvendig i løpet av en syv-ukers vekstperioden for enkeltplanter som et kvalitetskontrollverktøy. Hvis en slik overvåking ville kreve og forbruke et blad for hver måling, ville det ikke være noen biomasse til venstre for å behandle ved tidspunktet for høsting.
I tillegg, ved bruk av bare bladdeler i stedet ville føre til såret til anlegget og øker risikoen for nekrose eller patogen infeksjon, igjen minsker prosessutbyttet. Sannsynligheten for patogen infeksjon kan også øke dersom en metode med direkte kontakt med prøven ville bli brukt, indusering av risikoen for at en hel sats av planter kan være infisert gjennom kontakt med en forurenset sensoranordning. Lignende aspekter må vurderes for overvåking av anlegget streker som tørke, for eksempel i en økofysiologiske sammenheng. For eksempel er vanntapet ofte overvåkes av en endring i fersk biomasse, noe som krever en invasiv treling av plantene under etterforskning 5, f.eks, dissekere et blad. I stedet bestemmelse av spesifikk varmekapasitet, som er avhengig av vanninnholdet i en prøve, i en ikke-invasiv måte som beskrives her, kan benyttes som en surrogatparameter for hydratisering status av planter. I begge scenarier (farmasøytisk produksjon og økofysiologi), ville kunstige påkjenninger forårsaket av destruktive eller invasive måleteknikker være skadelig som de kan forvrenge eksperimentelle data. Derfor tidligere rapportert flash metoder 6 eller plassering av prøvene mellom sølv plater 7 er uegnet for slike prosesser og eksperimenter fordi de enten krever direkte kontakt med prøven eller er ødeleggende. Parametrene c p, s og λ må bestemmes for å utforme prosessutstyret for en forvelling skritt som kan forenkle produkt rensing og dermed redusere produksjonskostnadene 8-10. både cp, s og λ kan nå raskt bestemmes ved kontakt-fri ikke-destruktiv nær infrarød (NIR) laser sentret på en konsekvent og reproduserbar måte 11 og denne nye fremgangsmåten vil bli forklart i detalj nedenfor. Resultatene oppnådd med denne fremgangsmåte resultater ble med hell anvendt for å simulere varmeoverføring i tobakksblader 12, slik at utformingen av passende prosessutstyr og valg av tilsvarende parametre som blancheringstemperaturen.
Fremgangsmåten er enkel å sette opp (figur 1) og har to faser, måling og analyse, som hver omfatter to hovedtrinn. I målefasen blir et blad prøven først oppvarmes lokalt ved en kort laserpuls og den maksimale prøvetemperaturen blir registrert. Temperaturprofilen i prøven blir så registrert i en varighet på 50 sek. I analysefasen, blad egenskaper såsom tetthet (lett og nøyaktig bestemmes ved måling uten pycnometricent) kombineres med den maksimale prøvetemperaturen beregne c p, s. I det andre trinnet blir bladet temperaturprofilen brukes som inngang for en energibalanse ligning, idet det ledning, konveksjon og stråling i betraktning, for å beregne λ.
Detaljerte trinn-for-trinn-instruksjoner gis i protokollen delen, utvide på innholdet i den medfølgende videoen. Typiske målinger blir deretter vist i resultatdelen. Endelig er de fordeler og begrensninger ved metoden fremhevet i diskusjonen delen sammen med potensielle forbedringer og ytterligere anvendelser.
Figur 1: Apparat benyttet for å bestemme blad termiske egenskaper. A. Fotografi av måleapparatet brukes til å bestemme den spesifikke varmekapasitet og varmeledningsevne på leaves. De eksterne enheter (datamaskiner, oscilloskop) er ikke vist. B. Skjematisk fremstilling av måleanordningen. Laseren og tilkoblede utstyret er uthevet i rødt, er NIR detektor for temperaturmåling vist i lilla, er bladet prøve grønn og fotodioden Kraftsensoren er blå. C. Tegning av elementene i måleoppsettet med samme fargekode som i B. Størrelsen linjen viser 0,1 m. D. Skjermdump som viser de typiske elementer av den laser kontrollprogramvare. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kontakten-fri, ikke-destruktiv målemetode som er beskrevet ovenfor kan anvendes for å bestemme c p, s og ʎ i en simultan og reproduserbar måte. Beregningen av ʎ særlig avhenger av flere parametre som er følsomme for feil. Ikke desto mindre, virkningen av disse feilene var enten lineær eller under proporsjonal, og variasjonskoeffisienten for alle parametre ble funnet å være mindre enn 10%. Selv om fremgangsmåten kan således betraktes som robust, kan noen tekniske forbedringer gjøres for ?…
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).
