एक रैपिड लेजर जांच विधि पत्ता तापीय गुणों की गैर-आक्रामक और संपर्क मुक्त निर्धारण की सुविधा
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
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।
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।
Protocol
Representative Results
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 मापदंडो?…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
