En hurtig Laser Sondering Metode Letter ikke-invasive og Kontakt-fri Bestemmelse af Leaf Termiske egenskaber
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 producere værdifulde stoffer såsom sekundære metabolitter og rekombinante proteiner. Rensningen af sidstnævnte fra plantebiomasse kan strømlines ved varmebehandling (blanchering). En blanchering apparat kan udformes mere præcist, hvis termiske egenskaber bladene er kendt i detaljer, dvs. den specifikke varmekapacitet og varmeledningsevne. Målingen af disse egenskaber er tidskrævende og arbejdskrævende, og normalt kræver invasive metoder, der er i kontakt med prøven direkte. Dette kan reducere produktets udbytte og kan være uforenelig med indeslutningskrav, fx i forbindelse med god fremstillingspraksis. For at løse disse problemer blev en ikke-invasiv, kontakt-fri metode udviklet som bestemmer specifikke varmekapacitet og varmeledningsevne af et intakt plante blad i omkring et minut. Fremgangsmåden indebærer anvendelse af en kort laserimpuls med defineret længde og intensitet til et lille område afblad prøve, hvilket medfører en temperaturstigning, der er målt ved anvendelse af en nær infrarød sensor. Temperaturstigningen er kombineret med kendte leaf egenskaber (tykkelse og densitet) for at bestemme den specifikke varmekapacitet. Den termiske ledningsevne beregnes derefter på grundlag af profilen af den efterfølgende temperatur tilbagegang, idet varmestråling og konvektionsvarmeoverførsel i betragtning. De tilhørende beregninger og kritiske aspekter af prøvehåndtering diskuteres.
Introduction
Den omfattende behandling af biologisk materiale kræver ofte varme-behandling skridt såsom pasteurisering. Udstyret til sådanne processer kan udformes mere præcist, hvis de termiske egenskaber af de biologiske materialer er velkarakteriserede, herunder specifikke varmekapacitet (c p, s) og varmeledningsevne (λ). Disse parametre kan bestemmes nemt for væsker, suspensioner og homogenater ved kalorimetri 1. Måler sådanne parametre i faste prøver kan dog være arbejdskrævende, og kræver ofte direkte kontakt med prøven eller endda dens ødelæggelse 2. F.eks fototermisk teknikker kræver direkte kontakt mellem prøven og detektoren 3. Sådanne begrænsninger er acceptable under forarbejdning af fødevarer, men er uforenelige med stærkt regulerede processer såsom fremstilling af biofarmaceutiske proteiner i planter i forbindelse med god fremstillingspraksis 4. jegn sådan sammenhæng kan gentages (f.eks ugentligt) overvågning af termiske egenskaber kræves i løbet af en syv-ugers vækstperiode for individuelle planter som en kvalitetskontrol værktøj. Hvis en sådan overvågning vil kræve og forbruge et blad for hver måling, ville der ikke være nogen biomasse tilbage til at behandle på høsttidspunktet.
Derudover kun bruger bladdele stedet ville forårsage sårdannelse til planten eller øge risikoen for nekrose eller patogen infektion, igen aftagende processen udbytte. Sandsynligheden for patogen infektion kan også stige, hvis ville blive anvendt en fremgangsmåde med direkte kontakt til prøven, inducere risikoen for, at en hel batch af planter kan være inficeret ved kontakt med et forurenet følerindretning. Lignende aspekter bør overvejes til overvågning af anlægget understreger ligesom tørke, fx i en økofysiologiske sammenhæng. For eksempel er vandtabet ofte overvåges af en ændring i den friske biomasse, som kræver en invasiv threevådt, af planterne undersøgte 5, fx, dissekere et blad. I stedet bestemmelse af specifikke varmekapacitet, der afhænger af indholdet af en prøve vand, på en ikke-invasiv måde som beskrevet her, kan anvendes som et surrogat parameter for hydreringsstatus planter. I begge scenarier (farmaceutisk produktion og Økofysiologi), ville kunstige spændinger fremkaldt af ødelæggende eller invasive målemetoder være skadelige, da de kan fordreje de eksperimentelle data. Derfor tidligere rapporterede flash metoder 6 eller placeringen af prøver mellem sølv plader 7 er uegnede til sådanne processer og eksperimenter, fordi de enten kræver direkte kontakt til prøven eller er destruktiv. Parametrene c p, s og λ skal bestemmes for at designe procesudstyr til en blanchering skridt, der kan forenkle produkt rensning og dermed reducere produktionsomkostningerne 8-10. Både cp, s og λ kan nu hurtigt bestemmes ved kontakt-fri ikke-destruktiv nær infrarød (NIR) laser sondering på en konsekvent og reproducerbar måde 11 og denne nye fremgangsmåde vil blive forklaret detaljeret nedenfor. De med denne fremgangsmåde resultater blev med held anvendt til at simulere varmeoverførsel i tobaksblade 12, hvilket tillader udformning af passende udstyr og udvælgelse af tilsvarende parametre som blanchering temperatur.
Metoden er nem at sætte op (figur 1) og har to faser, måling og analyse, som hver omfatter to store skridt. Ved målingen fase, er et blad prøve først lokalt opvarmet af en kort laser puls og den maksimale temperatur prøven registreres. Temperaturprofilen af prøven registreres derefter i en varighed af 50 s. I analysefasen, blad egenskaber såsom densitet (let og præcist bestemt af pyknometriske measurement) kombineres med den maksimale prøvetemperatur at beregne cp, s. I det andet trin bladet temperaturprofil bruges som input til en energibalance ligning, idet ledning, konvektion og stråling i betragtning, at beregne λ.
Detaljerede trin-for-trin instruktioner findes i protokollen afsnittet, ekspanderende om indholdet af den medfølgende video. Typiske målinger er derefter vist i resultatafsnittet. Endelig er fordele og begrænsninger metoden fremhævet i afsnittet diskussion sammen med potentielle forbedringer og yderligere ansøgninger.
Figur 1: Apparat anvendt til at bestemme blad termiske egenskaber. A. Fotografi af måleapparatet anvendes til at bestemme den specifikke varmekapacitet og varmeledningsevne leaves. De perifere enheder (computere, oscilloskop) er ikke vist. B. Skematisk fremstilling af måleapparatet. Laseren og tilsluttet udstyr er fremhævet med rødt, er NIR detektor til temperaturmåling vist i lilla, bladet prøven er grønt, og fotodiode power-sensoren er blå. C. Tegning af elementerne i målingen setup med samme farvekode som i B. Størrelsen bjælke angiver 0,1 m. D. Skærmbillede illustrerer de typiske elementer i laser kontrol software. Klik her for at se en større version af dette tal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kontakten-fri, ikke-destruktiv målemetode beskrevet ovenfor, kan anvendes til at bestemme cp, s og ʎ i en samtidig og reproducerbar måde. Beregningen af ʎ navnlig afhænger af flere parametre, som er følsomme over for fejl. Ikke desto mindre er effekten af disse fejl var, enten lineær eller sub-proportionale, og variationskoefficienten for alle parametre fandtes at være mindre end 10%. Selvom fremgangsmåden således kan betragtes som robust, kan foretages visse tekniske forbedring…
Disclosures
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 |
References
- 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).
