ES2344549T3 - Dispositivo de medicion de las caracteristicas de absorcion de luz de una muestra de tejido biologico. - Google Patents

Dispositivo de medicion de las caracteristicas de absorcion de luz de una muestra de tejido biologico. Download PDF

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ES2344549T3 ES02800150T ES02800150T ES2344549T3 ES 2344549 T3 ES2344549 T3 ES 2344549T3 ES 02800150 T ES02800150 T ES 02800150T ES 02800150 T ES02800150 T ES 02800150T ES 2344549 T3 ES2344549 T3 ES 2344549T3
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Abstract

Dispositivo de medición de las características de absorción luminosa de una muestra de tejido biológico, que consta de: - unos medios (7; 307) de iluminación de la muestra (1), adaptados para emitir alternativamente al menos una primera y una segunda radiaciones luminosas hacia la muestra, siendo dichas radiaciones respectivamente de una primera y de una segunda longitud de onda diferentes la una de la otra; - unos medios (9) de recepción y de análisis de la radiación luminosa de salida procedente de la muestra (1), constando dichos medios de recepción y de análisis (9) de medios convertidores (23) de dicha radiación de salida en señal de control (S0); - unos medios de control y mando (31; 331) que reciben de entrada la señal de control (S0) y emiten de salida al menos la primera (S1) y la segunda (S2) señales de mando de los medios de iluminación (7; 307), que corresponden respectivamente a la primera y segunda radiaciones, y al menos una señal de medición (Sm); y - unos medios de cálculo (33) de las características de absorción de la muestra (1), adaptados para recibir de entrada dicha señal de medición (Sm) y calcular dichas características en función de dicha señal de medición (Sm), caracterizado, porque dichos medios de control y mando (31; 331) están adaptados para que la intensidad luminosa (IUV, IR) de cada una de las radiaciones varíe de forma periódica, con el mismo periodo, en desfase una con respecto a la otra, y para regular al menos una de las señales de mando (S1, S2) en función de la señal de control (S0), de modo que, en un intervalo de tiempo de integración (Ti) de al menos un periodo (Tp) de variación de dichas radiaciones, la amplitud de dicha señal de control (S0), tomada en las fases de emisión de una de las radiaciones, sea igual a la amplitud de la señal de control (So), tomada en las fases de emisión de la otra radiación, y porque la señal de medición (Sm) representa al menos una de dichas señales de mando (S1, S2) en el intervalo de tiempo de integración (Ti).

Description

Dispositivo de medición de las características de absorción de luz de una muestra de tejido biológico.
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La invención se refiere a un dispositivo de medición de las características de absorción de luz de una muestra de tejido biológico.
En particular, la invención está destinada a analizar el contenido de hojas de vegetales, es decir la concentración de ciertos compuestos químicos.
Durante su ciclo de vida las plantas deben adaptarse a unas variaciones, a veces importantes de sus condiciones ambientales, como por ejemplo la luz o la disponibilidad de agua y de recursos minerales. Estas adaptaciones, a menudo van acompañadas de variaciones en el contenido de determinados metabolitos de las hojas, en particular los del metabolismo llamado secundario, tal como los polifenoles. Esta clase de metabolitos designan los compuestos que tienen al menos una función fenol o que derivan directamente de compuestos fenólicos, por esterificación, por ejemplo. Otra denominación habitual, que se empleará en lo sucesivo para estos compuestos y los de las familias vecinas, es la denominación "fenilpropanoides", por su origen biosintético.
Se ha establecido que los fenilpropanoides varían de una especie a otra, que se acumulan principalmente en las vacuolas de las células epidérmicas y que pueden presentar variaciones importantes de concentración en función de las condiciones ambientales.
Por ejemplo, M.M. Cadwell y col., han demostrado en un artículo titulado "Internai filters: prospects for UV-acclimation in higher plants" (Physiol Plant. (1983) 58, pág. 445-450) que los fenilpropanoides se acumulan después de la exposición a la luz, probablemente con el fin de proteger a las hojas de la radiación ultravioleta.
Otra razón igualmente enunciada para las variaciones del contenido de fenilpropanoides de las hojas, implica el ajuste de las rutas metabólicas en función de las proporciones relativas de recursos disponibles de carbono y de nitrógeno. Cuando el nitrógeno es abundante en relación con la cantidad de carbono fijada, la planta invierte en la producción de biomasa consumidora de nitrógeno y favorece su crecimiento. Esto da como resultado una tasa baja de fenilpropanoides. Cuando el nitrógeno se enrarece con respecto al carbono, entonces la producción fotosintética se vuelve hacia la síntesis de compuestos pobres en nitrógeno que son los fenilpropanoides. A este respecto se puede consultar en la revista Oikos (1983, vol. 40, pág. 357-368), el artículo de J.P. Bryant y col. "Carbon/nutrient balance of boreal plants in relation to vertebrate herbivory"; en la revista "Journal of Chemical Ecology" (1989, vol. 15, pág. 1117-1131), el artículo de P. Price y col. "Carbon-nutrient balance hypothesis in within-species phytochemical variation of Salix lasiolepis"; en la revista "Quart. Rev. Biol." (1992, vol. 67, pág. 283-335), el artículo de D.A. Herms y W.J. Mattson "The dilemma of plants: To grow or to defend".
Se han mostrado otras funciones de los fenilpropanoides, como la selección de la nutrición por los herbívoros o la protección contra los agentes patógenos (Plant Cell, 1995, vol. 7, pág. 1085-1097, R.A. Dixon y N.L. Paiva, Stress-induced phenylpropanoid metabolism).
Por lo tanto, el seguimiento in situ del contenido de fenilpropanoides de las hojas o de la epidermis de las hojas aportaría unas informaciones susceptibles de ser usadas en diferentes campos de aplicación. En ecofisiología, permitiría seguir los efectos del aumento de las radiaciones UV debido al agujero de ozono y los del aumento del contenido de CO_{2} atmosférico seguido del uso de los hidrocarburos fósiles, y estudiar las interacciones entre plantas y herbívoros. En biología vegetal, permitiría una evaluación de la productividad del metabolismo secundario y un seguimiento del desarrollo vegetal. En silvicultura, se dispondría de una herramienta de descripción de la estructura vegetal, que podría cuantificar el reparto de luz en el seno de la cubierta, o también calcular el reparto de los recursos nutritivos. Finalmente, en agricultura, se dispondría de una herramienta de diagnóstico rápido, no invasivo para el control de los aportes nutritivos o del ataque de agentes patógenos.
Un procedimiento conocido de análisis del contenido de fenilpropanoides consiste en extraer primero de todo sus pigmentos foliares por trituración e inmersión en un disolvente, tal como por ejemplo metanol. Después, se determina el contenido de fenilpropanoides del extracto por medición de la transmitancia en el ultravioleta donde los fenilpropanoides tienen una o varias bandas de absorción. (A este respecto, véase "Analysis of Phenolic Plant Metabolites. Methods in Ecology" de P.G. Waterman y S. Mole, eds. J.H. Lawton et G.E. Likens, 1994, Oxford: Blackwell Scientific Publications. 238). Pero este último procedimiento es destructivo y no puede aplicarse sobre el terreno debido al equipo de laboratorio que requiere. Una medición in situ por absorción ultravioleta tampoco es aplicable debido a la fuerte absorción de los pigmentos fotosintéticos (clorofila a y b) que interfiere con la absorción debida a los fenilpropanoides que se quieren medir.
Para poder usarse sobre el terreno, en el marco de sus diferentes aplicaciones, la medición del contenido de fenilpropanoides debe ser rápida, sencilla y debe poder efectuarse in situ de manera no destructiva con el fin de permitir un seguimiento regular.
Además, un procedimiento de evaluación in situ ventajoso consiste en determinar la transmitancia de la epidermis de las hojas, a partir de mediciones de la fluorescencia roja procedente de la clorofila excitada por una radiación ultravioleta de análisis por un lado, y excitada por una radiación visible de referencia por otra parte.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Así pues, a la longitud de onda de análisis \lambda1, la fluorescencia medida F1 vale:
F1 = k1 T1 I1
donde T1 es la transmitancia de la epidermis a la longitud de onda \lambda1, I1 la intensidad de la radiación de medición de incidencia a la misma longitud de onda, y k1 un factor de proporcionalidad.
\vskip1.000000\baselineskip
A la longitud de onda de referencia \lambda0, la fluorescencia medida F0 se determina por una ecuación análoga:
F0 = k0 T0 I0
en la que T0 es la transmitancia de la epidermis a la longitud de onda \lambda0, I0 la intensidad de la radiación de medición de incidencia a la misma longitud de onda, y k0 un factor de proporcionalidad.
\vskip1.000000\baselineskip
La absorbancia A debida a los fenilpropanoides presentes en la epidermis se define por la relación:
(1)A = -Log[T1/T0] = -Log[F1/F0 \ x \ (I0 \ k0)/(I1 \ k1)]
y si I1, k1 y k0 se mantienen constantes de una medición a otra:
A = -Log[F1/F0] + C,
donde C es una constante.
\vskip1.000000\baselineskip
Como la absorbancia y el contenido de fenilpropanoides varían de manera paralela, se puede, por lo tanto, calcular el contenido de fenilpropanoides a partir de las mediciones de F1 y F0, y de un calibrado que determina el valor de la constante.
Ahora bien, C en realidad depende no solamente del instrumento de medición, sino también de las variaciones del rendimiento de la fluorescencia de la clorofila que pueden intervenir entre la medición a la longitud de onda de análisis \lambda1 y la medición a la longitud de onda de referencia \lambda0.
La patente DE 3518527 A1 describe un fluorómetro de pulsos adecuado para detectar las variaciones rápidas del rendimiento de la fluorescencia de la clorofila después de una irradiación de luz.
Efectivamente, en la fotosíntesis y en ecofisiología vegetal es sabido que el rendimiento cuántico de la fluorescencia de la clorofila es muy variable, y que depende en parte de la intensidad luminosa recibida anteriormente, por intermedio de mecanismos de "atenuación" fotoquímicos y no fotoquímicos.
En consecuencia, la medición de referencia a la longitud de onda \lambda0 es delicada de llevar a cabo, puesto que hay que asegurarse que el rendimiento cuántico de fluorescencia de la clorofila no ha variado, o ha variado en un factor conocido, entre el momento de la medición a la longitud de onda de análisis y el momento de la medición a la longitud de onda de referencia.
Una manera de hacerlo ha sido descrita por W. Bilger y col., en el artículo titulado "Measurement of leaf epidermal transmittance of UV radiation by chlorophyll fluorescence" aparecido en "Physiologia Plantarum" (Vol 101, pág. 754-763, 1997). Los autores utilizan un fluorómetro denominado "Xe-PAM" comercializado por la sociedad Walz (Effeltrich, Alemania). Para obtener un estado estable del rendimiento de fluorescencia de la clorofila, realizan la medición en hojas adaptadas a la oscuridad y reducen la intensidad de los haces de luz de análisis y de referencia. Sin embargo, resulta un tiempo de medición extremadamente largo (para asegurarse de una buena relación señal/ruido) que se reparte en 30 min de adaptación a la oscuridad y 2 min de medición propiamente dicha. Por lo tanto, dicho dispositivo no está adaptado para ser usado sobre el terreno.
Por lo tanto, la invención se dirige más precisamente a un dispositivo de medición de las características de la absorción de luz de una muestra de tejido biológico según la reivindicación 1.
Uno de los objetivos principales de la invención es proporcionar un dispositivo que sea ligero, portátil, fácilmente utilizable sobre el terreno, y que permita realizar rápidamente con una gran precisión, un gran número de toma de muestras para mediciones de rutina, de modo que permita en especial, en una primera aplicación particularmente interesante, evaluar in vivo el contenido en la epidermis de las hojas de compuestos de la familia de los fenoles o de los fenilpropanoides.
Otro objetivo importante de la invención es realizar un dispositivo de diseño sencillo, de coste bajo, de uso fácil.
Por lo tanto, se puede usar la fluorescencia de una muestra como valor representativo de sus características de absorción de la luz, incluso si la muestra, como es el caso de una muestra biológica fluorescente que contiene, por ejemplo, clorofila, presenta una fluorescencia variable. El bucle de regulación permite franquear la medición de estas variaciones.
En las reivindicaciones dependientes se presentan otras características del dispositivo de acuerdo con la invención, tomadas de forma aislada o siguiendo todas las combinaciones técnicamente posibles.
La invención se refiere también a un procedimiento de medición de las características de absorción de luz de una muestra de tejido biológico según la reivindicación 25.
En las reivindicaciones dependientes se presentan características opcionales del procedimiento de acuerdo con la invención.
Como se ha mencionado anteriormente, un uso del dispositivo o el procedimiento antes descrito, consiste en medir las características de absorción de luz de una hoja de vegetal, en particular para realizar la medición de la concentración de compuestos de la familia de fenoles o de fenilpropanoides de una epidermis de hoja.
Dicho uso puede permitir de forma ventajosa, calcular las necesidades nutricionales, en particular de nitrógeno, de un cultivo.
Naturalmente, el dispositivo y el procedimiento se aplican a mediciones de concentración de otros compuestos químicos. Para ello, es suficiente adaptar la longitud de onda de análisis, es decir la longitud de onda de los rayos de luz emitidos por los medios de iluminación, a los compuestos que se van a medir.
Otros usos del dispositivo o el procedimiento descritos previamente, consisten en medir las características de absorción de luz de un tejido animal o humano que contenga derivados de la hemoglobina, o también en realizar un diagnóstico médico o veterinario.
Ahora se van a describir unos modos particulares de realización de la invención, dados a título de ejemplos no limitativos, en referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
la fig. 1 representa el espectro de absorción de los pigmentos fotosintéticos in vivo y el espectro de fluorescencia de la clorofila en función de la longitud de onda (dada en nanómetros) de la radiación incidente;
la fig. 2 representa el espectro de absorción de un fenilpropanoide particular, el kampferol, en función de la longitud de onda (dada en nanómetros) de la radiación incidente;
la fig. 3 es un esquema sinóptico del conjunto del dispositivo de medición de acuerdo con la invención, en el cual se dispone una muestra para analizar constituida por una hoja de vegetal;
la fig. 4 es un esquema sinóptico del dispositivo de mando y control de la figura 3;
las fig. 5A, 5B, 5C, 5D representan la evolución con el tiempo, en un intervalo de medición, de las intensidades luminosas respectivamente del rayo ultravioleta de análisis, del rayo rojo de referencia, de la radiación de fluorescencia detectada de salida de la muestra, y de la amplitud de la señal de mando de la segunda fuente luminosa;
la fig. 6 ilustra un primer modo particular de puesta en práctica del dispositivo de la figura 1;
la fig. 7 ilustra un segundo modo particular de puesta en práctica del dispositivo de la figura 1; y
la fig. 8 representa una variante de acuerdo con la invención, del dispositivo representado en la figura 1.
En la descripción que sigue, se ilustrarán los modos particulares de realización de la invención adaptados en particular a la medición de la concentración de fenilpropanoide de una epidermis de hoja.
Previamente a la descripción detallada de un dispositivo de acuerdo con la invención, es útil mencionar las propiedades ópticas por una parte de los pigmentos fotosintéticos in vivo (figura 1) y por otra parte, de un fenilpropanoide particular, el kampferol, elegido a título de ejemplo (figura 2).
El espectro de absorción de los pigmentos fotosintéticos in vivo, muestra un primer máximo de absorción cercano a 430 nanómetros, y un segundo máximo de absorción en la banda de la luz roja, cercano a 670 nanómetros.
El espectro de fluorescencia de la clorofila in vivo (representado en línea de puntos) muestra dos máximos muy cercanos a aproximadamente 685 nanómetros y aproximadamente 735 nanómetros.
En la figura 2, se ha representado el espectro de absorción del kamperol, que muestra un máximo de absorción principal a aproximadamente 370 nanómetros y una absorbancia prácticamente nula para longitudes de onda superiores a 420 nanómetros.
En el marco del uso de la invención para medir la concentración de kampferol en la epidermis de una hoja de vegetal, los pigmentos fotosintéticos contenidos en la hoja son utilizados como sensor que emite, por intermedio de la clorofila, una radiación de fluorescencia en el rojo en respuesta a una señal de excitación, constituida por una radiación ultravioleta parcialmente absorbida por el compuesto que se va a dosificar contenido en la epidermis. Se ve que una señal de referencia en la banda del rojo visible no es absorbida por el fenilpropanoide, de modo que la absorción de esta radiación se debe solamente a los pigmentos fotosintéticos.
En la figura 3 se ha representado el esquema de un dispositivo de acuerdo con la invención y una muestra de tejido biológico, en la cual hay que evaluar la concentración en un compuesto químico absorbedor.
La muestra 1 en este ejemplo particular, es una hoja de vegetal que comprende, dispuestos en capas superpuestas, una primera capa de epidermis 3, una capa central de tejido que contiene la clorofila 4 y una segunda capa de epidermis 5.
El dispositivo consta esencialmente de medios de iluminación 7 de la muestra 1 y de medios de recepción y análisis 9 de la radiación luminosa de salida procedente de la muestra 1. Los medios de iluminación 7 y los medios de recepción y análisis 9 en este particular modo de realización, están representados de un lado y otro de la muestra 1, siendo la radiación luminosa de salida una radiación transmitida por la muestra 1.
Los medios de iluminación 7 constan de una primera fuente luminosa 11 y una segunda fuente luminosa 12, constituidas por ejemplo, por diodos electroluminiscentes, emitiendo la primera fuente 11 en un intervalo de longitud de onda correspondiente a la banda ultravioleta, preferiblemente en el intervalo de 300-390 nm, más preferiblemente a 370 nm, mientras que la segunda fuente luminosa 12 emite en un intervalo de longitud de onda correspondiente a la banda de la luz roja, de preferencia aproximadamente 670 nm. Cada una de las fuentes 11, 12 está alimentada eléctricamente por una alimentación eléctrica respectiva 15, 16, y es dirigida hacia la ubicación de la muestra 1.
Un primer filtro óptico 19 se ha interpuesto entre las fuentes luminosas 11, 12, y la ubicación de la muestra 1, de modo que las radiaciones luminosas procedentes de las fuentes 11, 12, presentan un espectro de longitud de onda concentrado en las cercanías de la longitud de onda principal, es decir 370 nm y 670 nm respectivamente. Naturalmente, el filtrado de la primera radiación luminosa emitida por la primera fuente 11 por una parte y de la segunda radiación luminosa emitida por la segunda fuente 12 por otra parte, se puede realizar mediante dos filtros distintos que funciona cada uno para una longitud de onda dada.
Los medios de recepción y de análisis 9 constan de un segundo filtro óptico 21 y de medios convertidores 23, estando el segundo filtro óptico 21 interpuesto entre la ubicación de la muestra 1 y los medios convertidores 23. Por lo tanto, los medios convertidores 23 reciben la radiación luminosa transmitida por la muestra 1 y filtrada por el segundo filtro óptico 21 para eliminar las radiaciones parásitas, en particular las radiaciones procedentes de la primera y segunda fuentes 11, 12. Gracias a esta disposición, sólo llegan a los medios convertidores 23 la radiación de fluores-
cencia.
Los medios convertidores 23 están esencialmente constituidos por un fotodetector 25 que convierte la señal óptica procedente del filtro 21 en señal eléctrica, y de un preamplificador 27 de la señal eléctrica procedente de dicho fotodetector 25.
La señal eléctrica procedente de los medios convertidores 23 y correspondiente a la radiación detectada de salida de la muestra 1, se llamará en lo sucesivo "señal de control" S_{0}. Los medios de recepción y de análisis 9 constan por otra parte de medios electrónicos de control y de mando 31 conectados a los medios convertidores 23 de forma que reciben la señal de control S_{0}.
La primera alimentación eléctrica 15 está dirigida por una señal de mando S_{1} procedente de un dispositivo regulador 32, de modo que la intensidad suministrada por la alimentación 15 es constante a un nivel opcionalmente regulable. Por lo tanto, la intensidad luminosa suministrada por una primera fuente 11 depende de la señal de mando S_{1}, en el caso de que sea constante.
El dispositivo regulador 32 puede estar provisto opcionalmente de un mando manual de regulación de la amplitud.
Los medios de control y de mando 31 están conectados de salida a la alimentación eléctrica 16 de modo que emiten hacia ésta una señal de mando respectiva S_{2}. Por lo tanto, la intensidad luminosa suministrada por la segunda fuente luminosa 12 depende de la señal de mando S_{2} suministrada a la alimentación eléctrica 16 por los medios de control y mando 31.
Los medios de control y mando 31 por otra parte suministran una señal de medición S_{m} a un ordenador 33 adaptado para calcular las características de absorción de la muestra 1 analizada, en función de la señal de medición S_{m}.
El ordenador 33 está conectado preferentemente a un periférico 35, tal como una pantalla de visualización y/o un dispositivo de almacenamiento de datos.
Los medios de control y mando 31 constan de medios de sincronización 41 y de un dispositivo de mando y control 43 que posee dos entradas, una de las cuales está conectada a los medios convertidores 23 de modo que recibe la señal de control S_{0}, y la otra está conectada a los medios de sincronización 41 de modo que recibe la señal de sincronización S_{s} procedente de los medios de sincronización 41. El dispositivo de mando y control 43 posee además una salida conectada al ordenador 33, de modo que la señal de mando S_{c} producida por el dispositivo de mando y control 43 es transmitida al ordenador 33.
Los medios de sincronización 41 están también conectados a entradas respectivas de la primera 15 y de la segunda 16 alimentaciones eléctricas, para transmitirles la señal de sincronización S_{s}.
En el ejemplo representado, la señal de medición S_{m} está constituida por la señal de mando S_{c} la cual también es transmitida a una segunda entrada de la segunda alimentación eléctrica 16.
La primera alimentación eléctrica 15 es, por ejemplo, una alimentación en pulsos que funciona con una base de tiempo definida por la señal de sincronización, por ejemplo, una señal pulsada de frecuencia del orden de 1 kHz o superior a este valor. La primera señal de mando S_{1} que ordena el funcionamiento de la alimentación en pulsos 15 se define entonces como la señal de sincronización S_{s}, suministrando el suministro en pulsos 15 a la primera fuente luminosa 11 una señal en franjas (figura 5A) de amplitud constante, de modo que la intensidad de la radiación UV emitida en respuesta por la primera fuente 11 tiene una intensidad variable entre 0 y un valor máximo fijo (o amplitud fija) siguiendo un perfil en franjas.
El funcionamiento del segundo suministro eléctrico 16 se basa en el funcionamiento del suministro en pulsos 15 con la misma base de tiempo definida por la señal de sincronización S_{s}, de modo que la intensidad luminosa del rayo emitido por la segunda fuente luminosa 12 es variable siguiendo un perfil de franjas (figura 5B) del mismo periodo T_{p}, entre 0 y un valor máximo de cresta modulada por la señal de mando S_{2}. En el ejemplo representado, la segunda señal de mando S_{2} está constituida por la señal de mando S_{c} procedente del dispositivo de mando y control 43.
Se define así un bucle de regulación que actúa en retroacción sobre el mando de la segunda alimentación eléctrica 16, en función de la señal de control S_{o} que corresponde a la intensidad luminosa de la radiación transmitida por la muestra 1.
Con referencia a la figura 4, ahora se va a describir con más detalle el dispositivo de mando y control 43 representado en la figura 3.
Este dispositivo 43 recibe de entrada la señal de control S_{0}, y consta, directamente de entrada, de un filtro de paso alto 51 que permite eliminar las señales parásitas de frecuencias bajas y medias.
Consta además de un desmultiplicador 53 y un amplificador diferencial 55, estando dirigido el desmultiplicador 53 por la señal de sincronización S_{s} y constando, por ejemplo, de dos muestreadores-bloqueadores (o interruptores analógicos de memoria) 57, 58 que conectan la salida del filtro de paso alto 51 a la entrada inversora del amplificador diferencial 55 y a su entrada no inversora, respectivamente. Cada interruptor 57, 58 está provisto de un medio de memorización 60 en forma, por ejemplo, de un componente capacitivo conectado a una línea de referencia de potencial de 0 voltios. La señal de sincronización S_{s} manda alternativamente la apertura y cierre de los interruptores
57, 58.
El dispositivo de control y de mando 43 consta conectado a la salida del amplificador diferencial 55, de un circuito integrador 61 de estructura clásica, que es inútil detallar aquí, que produce una señal integrada en uno o varios periodos de la señal de sincronización. Esta señal constituye la señal de medición S_{m} y la señal de mando S_{c}.
El funcionamiento del dispositivo descrito previamente se comprenderá mejor con referencia a las figuras 5A, 5B, 5C y 5D.
Como se ilustra en las figuras 5A y 5B, las primera y segunda radiaciones luminosas son emitidas por los medios de iluminación 7 en desfase, más exactamente en oposición de fase. Eligiendo la señal de sincronización S_{s} a una frecuencia de 1 kHz, las señales luminosas son periódicas en bloques de periodo T_{p} igual a 1 ms, siendo la intensidad de cada radiación máxima en un semiperiodo y nula en el otro semiperiodo.
La amplitud de la intensidad luminosa de la radiación UV de análisis es, como ya se ha mencionado anteriormente, de amplitud constante, mientras que la amplitud de la intensidad luminosa de la radiación roja de referencia (de la segunda fuente luminosa) es de amplitud regulada.
Una fase de intensidad máxima de la radiación UV (o radiación de análisis) corresponde a una intensidad nula de la radiación roja (o radiación de referencia), y a la inversa.
\newpage
Se definen los siguientes intervalos de tiempo:
-
un intervalo de medición T_{m} en el que se efectúa la medición propiamente dicha, correspondiendo preferiblemente a un gran número de periodos T_{p}. La duración de la medición T_{m} se elige de modo que se tenga una buena reproducibilidad de la medición con ayuda de un promediado suficiente realizado por los medios de cálculo 33, que pueden ser analógicos o digitales. En el ejemplo considerado 600 ms;
-
un intervalo de integración T_{i} de al menos un periodo T_{p} preferiblemente de duración muy inferior al del intervalo de medición T_{m}. En el ejemplo considerado, T_{i} es de duración igual a 5 periodos T_{p} es decir 5 ms;
-
un intervalo de estabilización T_{s} que se explicará más adelante.
La regulación se realiza de modo que, en el intervalo de integración T_{i}, la intensidad de la radiación de fluorescencia I_{F} tomada, en el caso considerado, en las fases de emisión de la radiación UV, sea igual a la intensidad de la radiación de fluorescencia I_{F} tomada, en el caso considerado, en las fases de emisión de la radiación roja.
En la figura 5C, en la que se ha representado la evolución de la intensidad de fluorescencia I_{F} (o intensidad de la radiación de salida), se ve que después del intervalo de estabilización T_{S}, I_{F} varía de forma lenta y casi continua de modo que ya no presenta más variaciones rápidas debidas a la alternancia de las fuentes luminosas. Este es el resultado buscado por el bucle de regulación descrito a continuación.
Para ello, la señal de control S_{0}, de salida del filtro 51, es "desmultiplicada", es decir se descompone en una primera señal elemental S_{e1} dirigida a la entrada inversora del amplificador diferencial 55, y en una segunda señal elemental S_{e2} dirigida hacia la entrada no inversora del amplificador diferencial 55. En una fase de emisión de la primera radiación (radiación UV), es decir para I_{UV} máxima, el primer interruptor 57 está cerrado y el segundo interruptor 58 está abierto. A la inversa, en una fase de emisión de la segunda radiación (radiación roja), es decir para I_{R} máxima y I_{UV} nula, el segundo interruptor 58 está cerrado mientras que el primer interruptor 57 está abierto. Gracias a los medios de memorización 60, las señales elementales S_{e1}, S_{e2} en cada momento son representativas de la amplitud de intensidad de la respectiva radiación I_{UV}, I_{R} detectada en el semiperiodo correspondiente.
El circuito integrador 61 en el intervalo de tiempo de integración T_{i} integra una señal alternativa que representa, en sus fases positivas, la diferencia entre la intensidad de la radiación de referencia y la intensidad de la radiación de análisis durante el semiperiodo precedente, y en sus fases negativas, la diferencia entre la intensidad de la radiación de análisis y la intensidad de la radiación de referencia durante el semiperiodo precedente. La integración de la señal de salida del amplificador diferencial 55 proporciona una señal diferencial que representa la diferencia de las contribuciones de la radiación de análisis por una parte y de la radiación de referencia por otra parte, en la radiación de fluorescencia detectada.
La regulación se dirige a alcanzar y mantener un valor de intensidad de la radiación de referencia tal que este valor diferencial sea nulo de media en el intervalo de integración, a pesar de las posibles variaciones del rendimiento de fluorescencia inducidas por los medios de iluminación.
Partiendo de la ecuación dada en el preámbulo de esta solicitud, la expresión de la absorbancia de la muestra se convierte entonces en:
A = -Log[F1/F0 \ x \ (I0.k0)/(I1.k1)] = -Log[1 \ x \ (I0.k0)/(I1.k1)]
es decir, identificando I_{R} con I0: A = -Log(I_{R}) + K, donde K es una constante instrumental que no varía de una medición a otra.
La señal de medición S_{m} que aquí es igual a la señal de mando S_{c}, es entonces directamente significativa de la absorbancia de la muestra debido al fenilpropanoide presente en la epidermis.
Como se muestra en las figuras 5B y 5C, el dispositivo lleva la intensidad de la radiación I_{R} a un valor de amplitud de manera que la radiación de salida es de intensidad I_{F}, presentando una evolución lenta y continua, al final de un intervalo de tiempo T_{S} de estabilización del bucle de regulación. El bucle de regulación está diseñado para conseguir este equilibrio al final del intervalo de tiempo T_{S} relativamente corto, a saber, por ejemplo, una decena de periodos T_{P}.
A partir de este momento, la amplitud de intensidad I_{R} se mantiene sensiblemente constante, incluso en el caso de variación sensible de la intensidad de salida I_{F} inducida por los medios de iluminación, o por una modificación de las condiciones experimentales.
En la figura 5D, se ha ilustrado la evolución de la señal de mando S_{c} en función del tiempo, es decir la evolución de la señal de mando S_{2} de la alimentación 16 de la fuente roja 12.
La medición de las características de absorción se da, como se ha visto, por el valor de I_{R} tomado como media en este intervalo de medición, es decir por la amplitud (media) de la señal de mando S_{2} (o S_{C}).
Finalmente hay que precisar que la intensidad I_{UV} de la radiación UV preferiblemente es constante de una medición a la otra, por simplicidad del dispositivo, mientras que la intensidad I_{R} de la luz roja es constante en el intervalo de medición, pero variable de una medición a la otra.
Ni que decir tiene que se pueden obtener una regulación y un resultado análogos manteniendo constante no la radiación de análisis (UV), sino la radiación de referencia (roja).
En las figuras 6 y 7, se han representado dos modos particulares de puesta en práctica de la invención.
En la figura 6, el dispositivo se presenta bajo la forma de una pinza 100 que consta de dos ramas, 101, 102, articuladas a nivel de una articulación de pivote 103. La primera rama 101 está provista de medios de iluminación 7, mientras que la segunda rama 102 está provista de medios de recepción y de análisis 9. Cada una de las ramas 101, 102 está igualmente provista de una junta anular respectiva 105, 106, de material elástico opaco, dispuestas enfrentadas entre sí, de modo que cuando las ramas 101, 102 están en posición cerrada, se asegura una oscuridad suficiente en la región de la muestra 1 para evitar las perturbaciones debidas a la luz ambiente, y se evita cualquier contacto entre la muestra 1 y las partes duras del aparato que podrían dañarla.
Por lo tanto, dicho dispositivo está particularmente adaptado para realizar, con una gran rapidez, mediciones in vivo en muestras tales como hojas de vegetales.
Siguiendo un segundo modo particular de puesta en práctica de la invención representado en la figura 7, el dispositivo 200 puede constar de un haz de fibras ópticas 201. El haz de fibras ópticas 201 consta de tres haces secundarios 203, 204 y 205, de los cuales los dos primeros 203, 204, están conectados a los medios de iluminación 7, de forma individual a cada fuente luminosa, y el tercero está conectado a los medios de recepción y de análisis 9, en particular a un módulo 207 que consta del segundo filtro óptico 21 y los medios convertidores 23. El módulo 207 está conectado eléctricamente a un instrumento 209 que comprende los medios de control y de mando, el ordenador y el periférico.
Durante una medición, un extremo del haz 201 se lleva cerca de la muestra 1, transmitiendo el haz los rayos de luz procedentes de los medios de iluminación 7 hasta la muestra 1, y el rayo reflejado procedente de la muestra 1, en sentido inverso, hasta el módulo 207.
En la figura 8, se ha representado un dispositivo 300 que corresponde a un modo particular de realización de la invención, en la que las fuentes luminosas están en un número superior a dos, en este caso tres fuentes luminosas que emiten a longitudes de onda diferentes.
Por ejemplo, una de las fuentes luminosas emite en la banda del rojo, constituyendo la radiación procedente de esta fuente luminosa la radiación de referencia. Las otras dos fuentes luminosas pueden emitir en la banda de ultravioleta, a unas longitudes de onda diferentes, de modo que se permita la medición de la concentración de diferentes compuestos de la muestra 1, por ejemplo dos compuestos químicos diferentes de la familia de los fenilpropanoides, cuyos espectros de absorción presenten máximos a las longitudes de onda de las dos fuentes luminosas. Los medios de iluminación que comprenden estas tres fuentes luminosas se han representado en la figura con la referencia 307.
Los medios de recepción y de análisis 309 son similares a lo que se ha descrito anteriormente, pero se han simplificado sensiblemente para la claridad del esquema.
De la misma manera que en el modo de realización de la figura 3, los medios de recepción y de análisis 309 constan de medios convertidores 323, de medios de sincronización 341, conectados por una parte a medios de iluminación 307 y por otra parte a cada uno de los tres muestreadores-bloqueadores (o interruptores analógicos de memoria) 371, 372, 373. De modo análogo a lo que se ha descrito anteriormente, el primer interruptor 371 está conectado por una parte a la entrada inversora de un primer amplificador diferencial 381 y por otra parte a la entrada inversora de un segundo amplificador diferencial 382. Los otros dos interruptores 372, 373 están conectados cada uno a la entrada no inversora respectivamente del primer amplificador diferencial 381 y del segundo amplificador diferencial 382.
Las tres fuentes luminosas de los medios de iluminación 307 funcionan de forma alternativa en cada periodo de sincronización, es decir que una de las fuentes emite al valor máximo de intensidad luminosa en el tercio de un periodo, mientras que las dos otras fuentes no emiten, emitiendo cada fuente de forma periódica en el mismo periodo definido por los medios de sincronización 341. La amplitud de la intensidad de la radiación de una de las fuentes es constante del mismo modo que la amplitud de la radiación UV del primer modo de realización, mientras que la amplitud de la intensidad de la radiación de las otras dos fuentes está regulada por unos medios análogos a los del primer modo de realización.
La contribución en la intensidad de la radiación de fluorescencia detectada, debida a cada radiación cuya intensidad es de amplitud variable, se compara con la contribución de la radiación de amplitud constante. Esta diferencia se realiza mediante los amplificadores diferenciales 381, 382, y se integra en varios periodos de señal de sincronización, de modo que se establezcan las señales de referencia en amplitud para las dos fuentes de alimentación variable. El dispositivo que realiza la integración de las señales diferenciales y que elabora las señales de referencia transmitidas a las fuentes luminosas, así como las señales de medición S_{m1}, S_{m2} transmitidas al ordenador, se designa en este esquema por la referencia 390. La constitución de este dispositivo 390 no se describirá con más detalle, puesto que es suficiente la analogía con el funcionamiento del primer modo de realización representado en la figura 3, para comprender el funcionamiento. En este modo de realización, hay dos señales de medición S_{m1}, S_{m2}, que corresponden respectivamente a la absorbancia a cada una de las dos longitudes de onda consideradas.
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Documentos indicados en la descripción
En la lista de documentos indicados por el solicitante se ha recogido exclusivamente para información del lector, y no es parte constituyente del documento de patente europeo. Ha sido recopilada con el mayor cuidado; sin embargo, la EPA no asume ninguna responsabilidad por posibles errores u omisiones.
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Documentos de patente indicados en la descripción
\bullet DE 3518527 A1 [0017]
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Literatura no citada en la descripción de la patente
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Claims (31)

1. Dispositivo de medición de las características de absorción luminosa de una muestra de tejido biológico, que consta de:
-
unos medios (7; 307) de iluminación de la muestra (1), adaptados para emitir alternativamente al menos una primera y una segunda radiaciones luminosas hacia la muestra, siendo dichas radiaciones respectivamente de una primera y de una segunda longitud de onda diferentes la una de la otra;
-
unos medios (9) de recepción y de análisis de la radiación luminosa de salida procedente de la muestra (1), constando dichos medios de recepción y de análisis (9) de medios convertidores (23) de dicha radiación de salida en señal de control (S_{0});
-
unos medios de control y mando (31; 331) que reciben de entrada la señal de control (S_{0}) y emiten de salida al menos la primera (S_{1}) y la segunda (S_{2}) señales de mando de los medios de iluminación (7; 307), que corresponden respectivamente a la primera y segunda radiaciones, y al menos una señal de medición (S_{m}); y
-
unos medios de cálculo (33) de las características de absorción de la muestra (1), adaptados para recibir de entrada dicha señal de medición (S_{m}) y calcular dichas características en función de dicha señal de medición (S_{m}),
caracterizado, porque dichos medios de control y mando (31; 331) están adaptados para que la intensidad luminosa (I_{UV},_{ }I_{R}) de cada una de las radiaciones varíe de forma periódica, con el mismo periodo, en desfase una con respecto a la otra, y para regular al menos una de las señales de mando (S_{1}, S_{2}) en función de la señal de control (S_{0}), de modo que, en un intervalo de tiempo de integración (T_{i}) de al menos un periodo (T_{p}) de variación de dichas radiaciones, la amplitud de dicha señal de control (S_{0}), tomada en las fases de emisión de una de las radiaciones, sea igual a la amplitud de la señal de control (S_{o}), tomada en las fases de emisión de la otra radiación,
y porque la señal de medición (S_{m}) representa al menos una de dichas señales de mando (S_{1}, S_{2}) en el intervalo de tiempo de integración (T_{i}).
2. Dispositivo de medición según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de control y mando están adaptados para suministrar una primera señal de mando (S_{1}), de manera que la amplitud de la intensidad luminosa (I_{UV}) de la primera radiación sea constante, mientras que la amplitud de la segunda señal (S_{2}) está regulada por dichos medios de control y mando (31).
3. Dispositivo de medición según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha señal de medición (S_{m}) está constituida por dicha segunda señal (S_{2}) en el intervalo de tiempo de integración (T_{i}).
4. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios de iluminación constan de la primera (11) y la segunda (12) fuentes luminosas adaptadas para emitir respectivamente la primera y la segunda radiaciones, alimentadas eléctricamente por la primera (15) y la segunda (16) alimentación eléctrics respectivas, estando dirigidas dichas alimentaciones (15, 16) respectivamente por la primera y la segunda señales de mando.
5. Dispositivo de medición según la reivindicación 4, caracterizado porque una al menos de las fuentes luminosas (11, 12) es un diodo electroluminiscente.
6. Dispositivo de medición según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque la primera fuente luminosa (11) emite la primera radiación en un intervalo de longitud de onda correspondiente a la banda ultravioleta, en particular de 300 a 390 nm, en particular aproximadamente 370 nm.
7. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque la segunda fuente luminosa (12) emite la segunda radiación en un intervalo de longitud de onda correspondiente a la banda de la luz roja, en particular 670 nm.
8. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque los medios de iluminación (7; 307) constan de al menos un filtro óptico (19) adaptado para filtrar las radiaciones de las fuentes luminosas (11, 12) emitidas hacia la muestra (1).
9. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los medios de control y de mando (31; 331) constan de medios de sincronización (41) conectados a los medios de iluminación (7), que emiten al menos una señal periódica de sincronización (S_{S}) hacia dichos medios de iluminación (7), de modo que la intensidad luminosa (I_{UV}, I_{R}) de cada una de las radiaciones varía de manera periódica, en desfase la una con respecto a la otra.
10. Dispositivo de medición según la reivindicación 9, caracterizado porque los medios de sincronización (41) están adaptados para hacer variar la intensidad luminosa (I_{UV}, I_{R}) de la primera y segunda radiaciones con una frecuencia superior a un valor mínimo sustancialmente igual a 1 kHz.
11. Dispositivo de medición según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque los medios de control y mando (31; 331) constan de un dispositivo de mando y control (43) conectado a los medios de sincronización (41) de tal modo que reciben la señal de sincronización (S_{S}), y reciben de entrada la señal de control (S_{0}).
12. Dispositivo de medición según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho dispositivo de mando y control consta de un filtro de paso alto (51) adaptado para filtrar la señal de control (S_{0}) de entrada.
13. Dispositivo de medición según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque dicho dispositivo de mando y control (43) consta de un dispositivo desmultiplicador (53) que recibe de entrada, por una parte una señal que representa la señal de control (S_{0}) y por otra parte la señal de sincronización (S_{S}), estando adaptado dicho dispositivo desmultiplicador para proporcionar de salida una primera señal elemental (S_{e1}) que representa el nivel de intensidad de la radiación de salida (I_{F}) durante una fase de emisión de la primera radiación, y una segunda señal elemental (S_{e2}) que representa el nivel de intensidad de la radiación de salida durante una fase de emisión de la segunda
radiación.
14. Dispositivo de medición según la reivindicación 13, caracterizado porque el dispositivo desmultiplicador (53) consta de al menos dos medios de interrupción (57, 58) dirigidos alternativamente para abrirse y cerrarse por la señal de sincronización (S_{S}) y un medio de memorización (60) asociado a cada uno de dichos medios de interrupción
(57, 58).
15. Dispositivo de medición según las reivindicaciones 12 y 13 consideradas en conjunto, caracterizado porque dicha señal que representa la señal de control (S_{0}) es la señal de control filtrada por dicho filtro de paso alto (51).
16. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el dispositivo de mando y control (43) consta de un amplificador diferencial (55) cuya entrada inversora recibe la primera señal elemental (S_{e1}) y la entrada no inversora recibe la segunda señal elemental (S_{e2}).
17. Dispositivo de medición según la reivindicación 16, caracterizado porque el dispositivo de mando y control (43) consta de un circuito integrador (61) alimentado de entrada por la señal de salida de dicho amplificador diferencial (55) y adaptado para emitir una señal integrada a lo largo de al menos un periodo de señal de sincronización
(S_{S}).
18. Dispositivo de medición según la reivindicación 17, caracterizado porque dicha señal integrada constituye la señal de medición (S_{m}).
19. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque los medios convertidores (23) constan de un fotodetector (25) que convierte una señal óptica en señal eléctrica, y un preamplificador (27) de la señal eléctrica procedente de dicho fotodetector (25).
20. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado porque los medios de recepción y análisis (9) constan de un filtro óptico (21) interpuesto entre la muestra (1) y los medios convertidores (23).
21. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque los medios de cálculo (33) está conectados de salida al menos a un periférico (35), en particular una pantalla de visualización y/o un dispositivo de almacenamiento de datos.
22. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21, caracterizado porque los medios de iluminación (307) están adaptados para emitir alternativamente tres radiaciones de longitudes de onda diferentes, estando los medios de control y de mando (331) adaptados para suministrar tres señales de mando (S_{1}, S_{2}, S_{3}) correspondientes, siendo una primera señal de mando (S_{1}) de manera que la amplitud de la intensidad luminosa de la primera radiación sea constante, mientras que las amplitudes de la segunda (S_{2}) y tercera (S_{3}) señales respectivas están reguladas por dichos medios de control y de mando (331).
23. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22, caracterizado porque presenta una estructura de pinza (100) que consta de dos ramas (101, 102), articuladas la una sobre la otra de modo que pueden encerrar una muestra, estando provista la primera rama (101) de medios de iluminación (7) y estando provista la segunda rama (102) de medios de recepción y de análisis (9).
24. Dispositivo de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22, caracterizado porque consta de un haz de fibras ópticas (201) por el que transitan la radiación procedente de los medios de iluminación (7) y la radiación procedente de la muestra (1), siendo esta última radiación una radiación reflejada.
\newpage
25. Procedimiento de medición de las características de absorción luminosa de una muestra de tejido biológico, en el que se realizan las siguientes operaciones:
-
se ilumina la muestra (1) alternativamente con la primera y la segunda radiaciones de longitudes de onda diferentes y de intensidades (I_{UV}, I_{R}) periódicas y del mismo periodo, mediante unos medios de iluminación (7; 307);
-
se detecta la radiación procedente de la muestra (1) y se analiza dicha radiación;
-
se dirigen dichos medios de iluminación (7; 307) en función de dicha radiación detectada;
caracterizado porque se lleva a cabo dicha orden del siguiente modo:
-
se regula la intensidad de la primera y segunda radiaciones (I_{UV}, I_{R}) de modo que en un intervalo de tiempo de integración (T_{i}) de al menos un periodo (T_{P}) de variación de dichas radiaciones, la intensidad (I_{F}) de la radiación de salida, tomada en las fases de emisión de una de la primera y segunda radiaciones, sea igual a la intensidad (I_{F}) de la radiación de salida, tomada en las fases de emisión de la otra de la primera y segunda radiaciones; y
-
se calculan las características de absorción de luz de la muestra en función de la intensidad de referencia de una (I_{R}) de dichas primera y segunda radiaciones, tomada en un intervalo de tiempo de medición (T_{m}).
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26. Procedimiento según la reivindicación 25, caracterizado porque se mantiene constante la amplitud de intensidad (I_{UV}) de una de dichas primera y segunda radiaciones, mientras que se regula la amplitud de intensidad (I_{R}) de la otra de dichas radiaciones.
27. Procedimiento según la reivindicación 25 ó 26, caracterizado porque se filtra la radiación procedente de la muestra (1) antes de analizarla.
28. Uso del dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 o procedimiento siguiendo una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, para medir las características de absorción de luz de una hoja de vegetal, en particular para realizar la medición de la concentración de compuestos de la familia de fenoles o de fenilpropanoides de una epidermis de hoja.
29. Uso del dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 o procedimiento siguiendo una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, para calcular las necesidades nutricionales, en particular de nitrógeno, de un cultivo.
30. Uso del dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 o procedimiento siguiendo una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, para medir las características de absorción de luz de un tejido animal o humano que contiene derivados de hemoglobina.
31. Uso del dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24 o procedimiento siguiendo una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, para realizar un diagnóstico médico o veterinario.
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