Analisi di piante in-vivo sul campo

Le scienze agrarie richiedono dettagliate analisi di esemplari vegetali, costringendo al trasporto di campioni dal campo al laboratorio, con conseguente perdita di tempo e danneggiamento della pianta.
GHT Photonics, su richiesta dell’istituto di ingegeria agraria dell’Università di Milano, ha messo a punto un sistema spettrometrico portatile in grado di ottenere facilmente importanti dati da foglie e frutta direttamente sul campo, mediante analisi non distruttiva.


  1. Materiali e metodi

    • Spettrometro JAZ

    • Lo spettrometro portatile JAZ è lo strumento cardine per quest’applicazione. Si tratta di uno spettrometro compatto portatile ed utilizzabile sul campo, in quanto alimentato a batteria (durata circa 8 ore) e dotato di un’interfaccia utente che permette la visualizzazione dei dati e l’impostazione dei parametri di misura. JAZ offre inoltre un’importante caratteristica di modularità: è possibile infatti collegare allo stesso strumento (JAZ-stack) sia banchi ottici che sorgenti di illuminazione che misuratori di ossigeno o pH. JAZ è utilizzabile con diverse sonde di misura, che permettono alternativamente di fare, ad esempio, test di trasmittanza o riflettanza senza modificare lo strumento in sè. I dati registrati sono salvati in una scheda SD inclusa, in semplice formato testo.
      JAZ può coprire l’intero range spettrale compreso tra 200nm e 1100nm con risoluzione di circa 2nm. Sono disponibili anche versioni configurate ad hoc.
      Per questa particolare applicazione, è stato utilizzato uno spettrometro con banco ottico per VIS-NIR (350-1100nm) e risoluzione 1,5nm, una sorgente alogena come illuminante nello stesso intervallo ed un modulo per la misura dell’ossigeno.

    • Sonda di riflettanza

    • Una semplice sonda di riflettanza per prove a 90° o 45°, composta da un fascio di 7 fibre, di cui 6 dedicate all’illuminazione e collegate alla sorgente, una dedicata alla lettura della componente riflessa e collegata al banco ottico. Un portasonda permette di fermare la ferrula ad una distanza stabilita dal campione, schermare la luce ambientale e scegliere l’angolo di lettura.

    • Sonda SPECTROCLIP

    • Frutto di un progetto Ocean Optics specificatamente diretto all’analisi di foglie in-vivo, la sonda SPECTROCLIP permette di effettuare contemporaneamente misure di trasmittanza e riflettanza di una foglia, con alta ripetibilità e sensibilità. Si tratta in pratica di due sfere integratrici capaci di fissare tra di loro il campione (spessore massimo 5mm). SPECTROCLIP è venduto assieme ad un software, funzionante direttamente dalla scheda SD di JAZ, capace di guidare l’utente durante la fase di calibrazione dello strumento, registrare i dati ed effettuare operazioni sullo spettro, come l’estrapolazione del contenuto in clorofilla A e B della foglia campione.

    • Strumento per la misura dell’ossigeno NEOFOX

    • Il fluorimetro di fase NEOFOX è un misuratore ottico di ossigeno gassoso o sciolto in solidi o liquidi, nonché uno degli strumenti di maggior successo offerto dalla sezione sensors di Ocean Optics. Da poco ha trovato anche una realizzazione compatibile con JAZ, come modulo facilmente integrabile nella stessa struttura. Per questa applicazione, il modulo NEOFOX è stato specificato per leggere concentrazioni di ossigeno comprese tra lo 0% ed il 21%, in un intervallo di temperature tra 0°C e 30°C. Si è scelto di equipaggiare una sonda ad ago per la lettura dell’ossigeno disciolto all’interno della frutta, a varie profondità. Nonostante si tratti in pratica di una misura invasiva, questo strumento permette di effettuare le misure senza staccare il frutto dalla pianta madre.

  2. Realizzazione dell’esperimento

  3. Lo strumento spettrometrico portatile ha permesso di ottenere misure indicative dello stato di crescita e salute delle piante campione durante le fasi vegetativa e riproduttiva, fino alla caduta delle foglie. I dati ottenuti dallo studio delle proprietà di trasmissione e riflessione delle foglie, nonché dalla riflettività del frutto, hanno permesso di constatare quale fosse il concime che meglio promuovesse una crescita sana della pianta e attraverso quali dinamiche. Ad esempio, è stato possibile studiare l’evoluzione del contenuto di clorofilla A e B nonché di altri pigmenti come i carotenoidi, la ritenzione idrica e la presenza di segni di malattia senza cambiare le specifiche foglie del campione.
    Analogamente, uno studio della riflettività del frutto ha permesso di individuare con precisione le fasi di crescita e maturazione, correlandole con l’irradiamento solare, le precipitazioni e l’andamento della temperatura.
    In particolare le prove si sono divise in sessioni sul campo di qualche ora e, non essendo distruttive, si sono potute concentrare non solo sulle stesse piante ma anche sulle stesse singole parti. Gli spettri sono stati raccolti e memorizzati sulla scheda SD e seguentemente elaborati e confrontati in laboratorio con strumenti di calcolo più avanzati, come MATLAB.
    La piccola impronta e la semplicità d’utilzzo dello strumento hanno reso anche possibile la realizzazione di una simile campagna di misura in Cile, dove il sistema è stato trasportato per via aerea come semplice bagaglio.

  4. Conclusioni

  5. L’impiego concomitante di strumenti come lo spettrometro JAZ e le speciali sonde progettate ad hoc per l’analisi delle foglie rendono non solo più semplici alcuni procedimenti che altrimenti necessiterebbero di un laboratorio, ma anche possibili tipi di analisi prima irrealizzabili, come il campionamento reiterato in più giorni della stessa foglia.
    Questo setting sperimentale ha soddisfatto in toto le richieste del cliente e potrà anche in futuro essere utilizzato per scopi diversi da quelli originali, quali prove di trasmittanza di campioni liquidi o riflettanza di polveri, usando lo stesso spettrometro e modificandone soltanto il sistema di campionamento.

  6. Ulteriori applicazioni

  7. Applicazioni simili per lo spettrometro portatile JAZ sono:

    Il modulo per la misura ottica dell’ossigeno NEOFOX viene invece applicato ad esempio anche per

Se si desidera maggiori informazioni su questa e altre possibili applicazioni degli strumenti offerti da GHT Photonics, lo staff del settore analisi ottica sarà lieto di rispondere alle vostre richieste.

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