DE102011118619A1 - Apparatus and method for detecting growth processes and simultaneous measurement of chemical-physical parameters - Google Patents

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Kerstin A. Nagel
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Prof. Dr. Achim Walter
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemisch und/oder physikalischer Parameter, umfassend folgende Komponenten: a) Beleuchtungseinheit, b) optische Erfassungseinheit, c) mindestens einen Wachstumscontainer, mit Wachstumsmedium, d) mindestens eine transparente, planare Optode, e) Steuerungseinheit, f) elektronische Datenerfassungs- und Auswerteeinheit Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemisch und/oder physikalischer Parameter, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Erfassung der Wachstumsprozesse mittels bildgebender Methoden. b) Erfassung der chemisch und/oder physikalischen Parameter durch Verwendung einer planaren, transparenten Optode, wobei die Daten aus a) und b) simultan und parallel zueinander gewonnen werden.The invention relates to a device for non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters, comprising the following components: a) illumination unit, b) optical detection unit, c) at least one growth container, with growth medium, d) at least one transparent, planar optode, e) control unit, f) electronic data acquisition and evaluation unit The invention further relates to a method for non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters, comprising the following method steps: a) detection of the growth processes by means of imaging methods. b) detection of the chemical and / or physical parameters by using a planar, transparent optode, wherein the data from a) and b) are obtained simultaneously and in parallel with each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung von chemisch-physikalischen Parametern.The invention relates to an apparatus and a method for detecting growth processes and simultaneous measurement of chemical-physical parameters.

Stand der Technik:State of the art:

Technisch existiert eine Vielzahl verschiedener Methoden dynamische Wachstumsprozesse zu verfolgen und zu quantifizieren, wobei hierbei grundlegend zwischen invasiven und nicht-invasiven Methoden unterschieden werden kann. Ganz allgemein gilt, dass nicht-invasive Untersuchungen den Vorteil besitzen, dass Wachstumsprozesse (beispielsweise von Pflanzen) an denselben Messobjekten kontinuierlich im Zeitverlauf durchgeführt werden können und daher in vielen Fällen zu bevorzugen sind.Technically, a variety of different methods to track and quantify dynamic growth processes, where it can be fundamentally differentiated between invasive and non-invasive methods. Generally speaking, non-invasive studies have the advantage that growth processes (for example of plants) on the same measurement objects can be carried out continuously over time and are therefore to be preferred in many cases.

Invasive WachstumsmessungenInvasive growth measurements

Ein Beispiel invasiver Wachstumsmessungen an Wurzeln stellt die Verwendung der Software „WinRHIZO” (Regent Instruments, Inc.) dar. Hierbei werden üblicherweise ausgewaschene Wurzeln untersucht, die nach dem invasiven Prozess des Grabens oder Probennahme mit Hilfe eines Probenzylinders, welcher in den Boden getrieben wird, schwimmend in einem transparenten Kunststoffcontainer gescannt werden. Die gewonnenen photographischen Aufnahmen können dann mit Hilfe der Software bildgebend ausgewertet werden, wobei Parameter der Wurzelmorphologie, wie Wurzellänge, Wurzeldurchmesser und weiteres mehr vermessen werden kann (morphometrische Auswertung). Es ist durchaus auch möglich, morphometrische Daten mittels der Software „WinRHIZO” nicht-invasiv zu erheben, indem photographische Aufnahmen, beispielweise gewonnen aus Rhizotronexperimenten ohne den Umweg des Scannens ausgewaschener Wurzeln, zu vermessen. Weitere konventionelle invasive Wachstumsmessungen von Wurzelparametern bestehen unter anderem im Wiegen der Frisch- und Trockenmasse. Sind die Wurzeln einmal ausgegraben, gehen viele Parameter der Wurzelarchitektur unwiederbringlich verloren. Dazu gehören beispielsweise Parameter wie die exakte Wurzellängendichte, die Gesamtbreite des Wurzelsystems, Verzweigungswinkel u. a.An example of invasive growth measurements on roots is the use of the software "WinRHIZO" (Regent Instruments, Inc.). This typically examines washed-out roots after the invasive process of digging or sampling with the aid of a sample cylinder driven into the ground to be scanned floating in a transparent plastic container. The obtained photographic recordings can then be evaluated by imaging using the software, whereby parameters of the root morphology, such as root length, root diameter and more can be measured (morphometric evaluation). It is also quite possible to non-invasively record morphometric data using the "WinRHIZO" software by measuring photographic images obtained, for example, from rhizotronic experiments without the detour of scanning out washed-out roots. Other conventional invasive growth measurements of root parameters include weighing fresh and dry matter. Once the roots have been dug up, many parameters of the root architecture are irretrievably lost. These include, for example, parameters such as the exact root length density, the total width of the root system, branch angle u. a.

Zudem ist es nicht möglich weitere Messungen am selben Versuchsobjekt durchzuführen. Dies kann nur über Vergleichspopulationen geschehen, wodurch sich die Anzahl der anzuziehenden Pflanzen im Vergleich zu nicht-invasiven Messungen deutlich erhöht. Um beispielsweise Nährstoffgehalte, oder Gehalte anderer Analyte wie Kohlenhydrate, Proteine, Hormone etc. quantifizieren zu können, ist eine invasive Beprobung jedoch kaum zu umgehen und liefert in jedem Fall die genausten Ergebnisse. Ganz analog werden invasive Methoden zur Bestimmung des Wachstums oberirdischer Pflanzenorgane vielfältig in der Literatur beschrieben. Darunter fällt beispielsweise das Wiegen von abgeschnittenen Blättern oder das Scannen/Abfotographieren derselben unter Einbeziehung morphometrischer, bildanalytischer Verfahren.In addition, it is not possible to carry out further measurements on the same test object. This can only be done via comparison populations, which significantly increases the number of plants to be grown compared to non-invasive measurements. However, in order to be able to quantify nutrient contents or levels of other analytes such as carbohydrates, proteins, hormones, etc., invasive sampling can hardly be circumvented and in any case provides the most accurate results. Analogously, invasive methods for determining the growth of aboveground plant organs are variously described in the literature. This includes, for example, weighing cut leaves or scanning / photographing them using morphometric image analysis techniques.

In den letzten Jahren wurden viele bildgebende und bildanalytische Verfahren entwickelt, um das Abschneiden der zu untersuchenden Pflanzenorgane wie beispielsweise von Blättern zu vermeiden. Vielfach kann daher heute auf invasive Messungen verzichtet werden.In recent years, many imaging and image analysis methods have been developed to avoid cutting off the plant organs to be examined, such as leaves. In many cases, therefore, can be dispensed with invasive measurements today.

Nicht-invasive WachstumsmessungenNon-invasive growth measurements

Im Rahmen pflanzenphysiologischer Untersuchungen stellen Messungen mit Hilfe von Linealen und Schieblehren die aller einfachste aber dennoch praktische, da z. B. transportable, nicht-invasive Messmethode dar. Derartige klassische Messmethoden werden beispielsweise seit geraumer Zeit für das kontinuierliche Erfassen von Wachstumsprozessen in Blättern ( Avery 1933 ) und Wurzeln benutzt ( Erickson und Sax, 1956 ). Vielfach werden Sie daher noch heute für wissenschaftliche Arbeiten verwendet ( Walter 1997 ). Der größte Nachteil derartiger Erfassungen von Wachstumsprozessen stellt jedoch die Tatsache dar, dass sich diese nur in geringer zeitlicher und räumlicher Auflösung durchführen lassen und zudem mit einem hohen manuellen Aufwand verbunden sind. Sollen Wachstumsprozesse in hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden, so stehen hierfür verschiedene alternative Methoden zur Verfügung.In the context of plant physiological examinations, measurements with the help of rulers and calipers are the simplest, yet practical ones. B. transportable, non-invasive measurement method. Such classical measurement methods, for example, for some time for the continuous detection of growth processes in leaves ( Avery 1933 ) and roots ( Erickson and Sax, 1956 ). In many cases, therefore, they are still used today for scientific work ( Walter 1997 ). However, the biggest disadvantage of detecting such growth processes is the fact that they can be carried out only in a small temporal and spatial resolution and are also associated with a high manual effort. If growth processes are to be recorded in high temporal resolution, various alternative methods are available for this purpose.

Verschiedene Formen und Varianten von Auxanometer oder Resistance-Transducer werden beispielsweise seit Jahrzehnten eingesetzt, um das Wachstum von oberirdischen Sprossen oder Blättern unter verschiedenen Umweltbedingungen zu erfassen. Die räumliche Auflösung ist dabei jedoch ebenfalls begrenzt und beschränkt sich auf die einfache Erfassung des Längenwachstums. Im Rahmen pflanzenphysiologischer Untersuchungen dikotylen Blattwachstums (Blattwachstum zweikeimblättriger Pflanzen) haben diese Untersuchungsmethoden darüber hinaus den Nachteil, dass nicht zwischen Längenwachstum der Petiole und Blattscheide (oder gar einzelnen Segmenten der Blattscheide) unterschieden werden kann. Im Rahmen von Untersuchungen des Wurzelwachstums können Transducer und Auxanometer technisch bedingt gar nicht eingesetzt werden. Grundsätzliche Anwendungen in Hydroponik- oder Aeroponik-Kulturen erscheinen hier kaum sinnvoll.For example, various forms and variants of auxanometers or resistance transducers have been used for decades to detect the growth of aerial shoots or leaves under various environmental conditions. However, the spatial resolution is also limited and limited to the simple detection of the longitudinal growth. In the context of plant physiological studies of dicotyledonous leaf growth (leaf growth of dicotyledonous plants), these investigation methods have the additional disadvantage that there is no difference between the lengthening of the petiole and the petiole Leaf sheath (or even individual segments of the leaf sheath) can be distinguished. As part of root growth studies, transducers and auxanometers can not be used for technical reasons. Basic applications in hydroponics or aeroponics cultures seem to make little sense here.

Auf Grund der Beschränkungen dieser beiden Messarten bei Wachstumsmessungen wurden in den letzten Jahren zunehmend Methoden entwickelt, Wachstum nicht-invasiv mit Hilfe bildgebender Methoden zu erfassen. Im Rahmen pflanzenphysiologischer Untersuchungen wurden hierbei verschiedene bildanalytische Ansätze verfolgt und genutzt, abhängig davon, welche Pflanzenorgane untersucht werden sollten, bzw. welche räumliche und zeitliche Auflösung durch die Messdaten bereitzustellen sind. Grundsätzlich gilt, dass Wurzelwachstum und Sprosswachstum derselben Pflanze in Abhängigkeit zu einander nur bedingt untersucht werden können. Dies gilt insbesondere für Wachstumsanalysen, welche das Wachstum in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erfassen sollen. Hier liegt eine der gegenwärtigen Limitierungen des aktuellen Stands der Technik, welcher sich beispielsweise durch simultane, automatisierte Erfassungen von Wurzel-, Spross- und/oder Blattwachstum mit hochauflösenden Methoden lösen lassen.Due to the limitations of these two types of measurements in growth measurements, methods have been increasingly developed in recent years to detect growth non-invasively using imaging methods. As part of plant physiological investigations, various image-analytical approaches were pursued and used, depending on which plant organs were to be investigated, or which spatial and temporal resolution should be provided by the measurement data. Basically, root growth and shoot growth of the same plant depending on each other can only be studied to a limited extent. This applies in particular to growth analyzes which are intended to capture growth in high spatial and temporal resolution. This is one of the current limitations of the current state of the art, which can be solved for example by simultaneous, automated detection of root, shoot and / or leaf growth with high-resolution methods.

Weitergehend beinhalten bislang alle Untersuchungen des Wachstums den Nachteil, dass eine Simultanerfassung von Umwelteinflüssen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung typischerweise nicht möglich ist. Dieser Nachteil betrifft hierbei insbesondere die simultane Erfassung chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften der Rhizosphäre bei Messungen des Wurzelwachstums in hoher räumlicher Auflösung.Furthermore, all investigations of growth involve the disadvantage that a simultaneous detection of environmental influences in high spatial and temporal resolution is typically not possible. This disadvantage relates in particular to the simultaneous detection of chemical and / or physical properties of the rhizosphere in measurements of root growth in high spatial resolution.

Nachteile des Stands der Technik:Disadvantages of the prior art:

Der bisherige Stand der Technik ermöglichte es nicht, Veränderungen der chemisch-physikalischen Eigenschaften des Wachstumsmediums und die Dynamik von Wachstumsparametern in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung simultan zu erfassen. Um das Wechselspiel zwischen Wachstum und Wachstumsmedium zu untersuchen, mussten diese Informationen bislang in separaten Messungen und in der Regel invasiv erfasst werden und konnten daher nicht am selben Objekt parallel und kontinuierlich durchgeführt werden.The prior art has not made it possible to simultaneously detect changes in the chemical-physical properties of the growth medium and the dynamics of growth parameters in high spatial and temporal resolution. In order to investigate the interplay between growth and growth medium, this information had to be recorded in separate measurements and usually invasive and therefore could not be performed on the same object in parallel and continuously.

Nach dem bisherigen Stand der Technik ist es lediglich möglich quantitative Messungen von chemisch-physikalischen Größen einer Wachstumsumwelt von Lebewesen durchzuführen, indem miniaturisierte Messsonden wie Mikroelektroden, oder optische Messsysteme (Optoden). Verwendung finden, welche eine Simultanerfassung von Umwelteinflüssen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung typischerweise bisher nicht zuließen ( Strömberg 2008 ; Pijnenborg et al. 1990 ; Blossfeld & Gansert 2007 ). Mit Indikatoren für pH-Veränderungen wie z. B. Bromkresolpurpur, die bereits in Agarsystemen zur Untersuchung von Rhizosphären-Effekten eingesetzt wurden, sind quantitative pH-Messungen nicht für alle Wachstumsmedien und nur für begrenzte Bereiche der pH-Skala möglich. Eine quantitative Messung kann lediglich im Umschlagsbereich des Indikators erfolgen ( Jaillard et al. 1996 ; Marschner et al. 1986 ). Außerhalb des Umschlagbereiches kann nur eine qualitative Messung erfolgen. ( Marschner 1986 ). Weitere Indikatoren zur Detektion von beispielsweise Änderungen des Redoxpotentials sind bekannt, z. B. Methylenblau. Mikroelektroden zur spezifischen Messung der Konzentration von Ammonium, pH, Calcium, Chlorid, Natrium, Sauerstoff, Kohlendioxid u. v. m. sind bekannt (Microelectrodes Inc.). Bei der Verwendung von Mikroelektroden wird die Konzentration des Messparameters bedingt durch das Messprinzip verändert bzw. verbraucht, was insbesondere bei Messungen über einen längeren Zeitraum zu Problemen führen kann, insbesondere, wenn wechselseitige Interaktionen Gegenstand der Untersuchung sind. Die räumliche Auflösung wird unter Verwendung von Mikroelektroden durch deren Geometrie beschränkt. Die Abmessungen der Mikroelektroden begrenzen die zu erzielende räumliche Auflösung, die Reaktionszeit die erzielbare zeitliche Auflösung. Soll eine flächige Messung in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erfolgen, müssen mehrere Mikroelektroden eingesetzt werden, was mit vergleichsweise hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden ist. Sollen simultan mehrere chemisch-physikalische Größen kontinuierlich gemessen werden, geht dies ebenfalls zu Lasten der räumlichen Auflösung.According to the prior art, it is only possible to perform quantitative measurements of chemical-physical parameters of a growth environment of living things by miniaturized probes such as microelectrodes, or optical measuring systems (optodes). Find use, which typically did not allow a simultaneous detection of environmental influences in high spatial and temporal resolution ( Strömberg 2008 ; Pijnenborg et al. 1990 ; Blossfeld & Gansert 2007 ). With indicators of pH changes such. B. Bromocresol purple, which have already been used in agar systems for the study of rhizosphere effects, quantitative pH measurements are not possible for all growth media and only for limited areas of the pH scale. A quantitative measurement can only take place within the turnover range of the indicator ( Jaillard et al. 1996 ; Marschner et al. 1986 ). Outside the cargo handling area, only a qualitative measurement can be made. ( Marschner 1986 ). Other indicators for detecting, for example, changes in the redox potential are known, for. B. methylene blue. Microelectrodes for the specific measurement of the concentration of ammonium, pH, calcium, chloride, sodium, oxygen, carbon dioxide and more are known (Microelectrodes Inc.). When using microelectrodes, the concentration of the measurement parameter is changed or consumed as a result of the measuring principle, which can lead to problems, in particular in the case of measurements over a longer period of time, in particular if reciprocal interactions are the subject of the investigation. The spatial resolution is limited by using microelectrodes by their geometry. The dimensions of the microelectrodes limit the spatial resolution to be achieved, the reaction time the achievable temporal resolution. If a flat measurement in high spatial and temporal resolution, several microelectrodes must be used, which is associated with relatively high cost and high costs. If simultaneously several chemical-physical parameters are to be measured continuously, this is also at the expense of the spatial resolution.

Zur optischen Messung verschiedener chemischer und physikalischer Eigenschaften in den Fachgebieten der Medizin, Biotechnologie und der Biologie, hier insbesondere der Rhizosphärenanalytik, gilt die Verwendung von planaren Optoden (im Folgenden auch Optoden genannt) derzeit als Stand der Technik. Optoden sind beispielsweise zur spezifischen Messung der Konzentration von Ammonium, Sauerstoff, Kohlendioxid, pH und verschiedenen Ionen sowie organischen Verbindungen bekannt.For the optical measurement of various chemical and physical properties in the fields of medicine, biotechnology and biology, in particular the rhizosphere analysis, the use of planar optodes (hereinafter also referred to as optodes) is currently considered as state of the art. Optodes are known, for example, for the specific measurement of the concentration of ammonium, oxygen, carbon dioxide, pH and various ions and organic compounds.

Die Messung basiert dabei auf der Verwendung von spezifischen, auf den zu messenden Parametern abgestimmten Fluoreszenzfarbstoffen, die kurzfristig mit Licht einer oder mehrerer spezieller Wellenlängen angeregt werden. Der Farbstoff fluoresziert dabei in Abhängigkeit der Quantität des zu messenden Parameters und Intensität des anregenden Lichts für wenige Millisekunden, bzw. Nanosekunden. Von der Fluoreszenz abzugrenzen ist die Phosphoreszenz, bei der die Lichtemission wesentlich länger andauert, u. U. bis zu mehreren Stunden. Beide Begriffe (Fluoreszenz und Phosphoreszenz) sind dem allgemeinen Begriff der Lumineszenz unterzuordnen. in der Regel wird der Farbstoff in oder auf einer Polymermatrix fixiert und in, bzw. auf das zu untersuchende Wachstumsmedium ein-, bzw. aufgebracht. Die optische Messung erfolgt mittels eines geeigneten optischen Aufbaus (z. B. CCD-Kamera) außerhalb des Wachstumsmediums. Durch diese Entkopplung von Sensor (z. B. der Optode) und Detektor (z. B. der CCD-Chip) ist eine nicht-invasive Erfassung des zu analysierenden Parameters möglich. Eine weitere Möglichkeit der optischen Erfassung der Fluoreszenz stellt die Anwendung eines schrittmotorgebundenen Systems dar ( Blossfeld & Gansert 2007 , Blossfeld et al. 2010 ). Hierbei handelt es sich um ein kameraunabhängiges System, bei dem sowohl das Anregungslicht, als auch die Fluoreszenz über eine Glasfaser von der Lichtquelle zum Sensor, bzw. vom Sensor zum Detektor geleitet wird. Die Glasfaser wird dabei in einem definiertem Raster von außen über den Sensor gefahren.The measurement is based on the use of specific, on the measured parameters tuned fluorescent dyes that are excited in the short term with light of one or more specific wavelengths. The dye fluoresces depending on the quantity of the parameter to be measured and intensity of the exciting light for a few milliseconds, or nanoseconds. To be distinguished from the fluorescence is the phosphorescence, in which the light emission lasts much longer, u. U. up to several hours. Both terms (fluorescence and phosphorescence) are subordinated to the general concept of luminescence. As a rule, the dye is fixed in or on a polymer matrix and applied in or onto the growth medium to be examined. The optical measurement takes place by means of a suitable optical structure (eg CCD camera) outside the growth medium. By decoupling the sensor (eg the optode) and the detector (eg the CCD chip) a non-invasive detection of the parameter to be analyzed is possible. Another possibility of optical detection of the fluorescence is the application of a stepper motor-bound system ( Blossfeld & Gansert 2007 . Blossfeld et al. 2010 ). This is a camera-independent system in which both the excitation light and the fluorescence are conducted via a glass fiber from the light source to the sensor or from the sensor to the detector. The glass fiber is driven in a defined grid from the outside over the sensor.

Bislang haben sich zwei Fluoreszenzmessmethoden etabliert:

  • 1. Fluoreszenzlebenszeitmessung eines Farbstoffes (z. B. Holst et al. 1998 ) Bei dieser Methode wird der Fluoreszenzfarbstoff mit Licht einer spezifischen Anregungswellenlänge angeregt und nach Erlöschen der Anregung, die Abklingzeit der Fluoreszenz gemessen (Fluoreszenzlebenszeit), welche abhängig von der Analytkonzentration ist. Einige Fluoreszenzfarbstoffe besitzen jedoch eine extrem kurze Fluoreszenzlebenszeit (wenige Nanosekunden), sodass es erforderlich sein kann, neben dem analytsensitiven Fluoreszenzfarbstoff einen analytsensitiven Referenzfarbstoff in die Optoden zu integrieren ( Schröder 2006 ). Da dieser Referenzfarbstoff unabhängig von der Analytkonzentration im Millisekundenbereich fluoresziert und ebenfalls von der verwendeten Anregungswellenlänge angeregt wird, überlagern sich die beiden Fluoreszenzsignale (dual lifetime referencing). Dieses Mischsignal ist damit ebenfalls abhängig von der Analytkonzentration und erlaubt so die Fluoreszenzlebenszeitmessung von Fluoreszenzfarbstoffen mit kurzlebiger Fluoreszenzlebenszeit.
  • 2. Ratiometrische Fluoreszenzmessung eines Farbstoffes (z. B. Hakonen et al. 2010 ). Bei dieser Methode wird im lokalen Maximum des Emissionsspektrums gemessen und Verhältnisse der Fluoreszenzintensität des Fluoreszenzfarbstoffes berechnet. Dabei können ggf. unterschiedliche Anregungswellenlängen und ggf. variierende Emissionswellenlängen verwendet werden, welche spezifisch von der jeweiligen Analytkonzentration abhängig sind. In der konkreten Ausführung gibt es beispielsweise mehrere Varianten ( Schröder 2006 ):
Verwendung von zwei Anregungswellenlängen und einer Emissionswellenlänge = (Dual Excitation/single Emission).
Verwendung von zwei Anregungswellenlängen und zwei Emissionswellenlängen = (Dual Excitation/dual Emission).
Verwendung von einer Anregungswellenlänge und zwei Emissionswellenlängen = (Single Excitation/DualEmission).So far, two fluorescence measurement methods have been established:
  • 1. Fluorescence lifetime measurement of a dye (eg. Holst et al. 1998 In this method, the fluorescent dye is excited with light of a specific excitation wavelength and, after extinction of the excitation, the decay time of the fluorescence is measured (fluorescence lifetime), which is dependent on the analyte concentration. However, some fluorescent dyes have an extremely short fluorescence lifetime (a few nanoseconds), so that it may be necessary to integrate an analyte-sensitive reference dye into the optodes in addition to the analyte-sensitive fluorescent dye ( Schröder 2006 ). Since this reference dye fluoresces independently of the analyte concentration in the millisecond range and is also excited by the excitation wavelength used, the two fluorescence signals (dual lifetime referencing) overlap. This mixed signal is thus also dependent on the analyte concentration and thus allows the fluorescence lifetime measurement of fluorescent dyes with short-lived fluorescence lifetime.
  • 2. Ratiometric fluorescence measurement of a dye (eg. Hakonen et al. 2010 ). In this method, the local maximum of the emission spectrum is measured and ratios of the fluorescence intensity of the fluorescent dye are calculated. Different excitation wavelengths and, if appropriate, varying emission wavelengths may be used, which are specifically dependent on the respective analyte concentration. In the concrete execution there are for example several variants ( Schröder 2006 ):
Use of two excitation wavelengths and one emission wavelength = (dual excitation / single emission).
Use of two excitation wavelengths and two emission wavelengths = (dual excitation / dual emission).
Use of one excitation wavelength and two emission wavelengths = (single excitation / dual emission).

Bei beiden Messmethoden (Fluoreszenzlebenszeitmessung, ratiometrische Fluoreszenzmessung) ist es möglich, mittels eines geeigneten optischen Aufbaus (in der Regel eine CCD-Kamera) eine räumliche quantitative Erfassung (Kartografie) des zu messenden Parameters zu realisieren. Eine dreidimensionale, semiquantitative Erfassung wird beispielsweise in der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie verwendet. Eine Erfassung in zeitlich hoher Auflösung ist prinzipiell ebenfalls möglich, hängt im Einzelfall jedoch vom zu untersuchenden Messobjekt ab. Hierbei ist insbesondere der Einfluss des verwendeten Lichts auf das Messobjekt zu berücksichtigen. Die gebräuchlichsten gemessenen Rhizosphärenparameter sind beispielsweise Sauerstoff-, bzw. Kohlendioxidkonzentration ([O2], [CO2]) und pH-Wert (pH), jedoch sind auch Fluoreszenzfarbstoffe für die Messung der Konzentration einer Vielzahl anderer Parameter verfügbar (z. B. Metallionen, Ammonium-Stickstoff). Tabelle 1: Beispiele von Fluoreszenzfarbstoffen und den entsprechend möglichen Parametern, die analysiert werden können Parameter/Analyt Farbstoff Fluoreszenzmessung Referenzen pH HPTS Ratiometrisch Hakonen & Hulth 2008 Hulth et al. 2002 DHFAE Dual lifetime referencing Stahl et al. 2006 Schröder 2006 O2 Ruthenium(II)diimin Complex Lebenszeit Glud et al. 1998 Holst et al. 1998 Holst & Grunwald 2001 Schröder 2006 PtOEP Lebenszeit Oguri et al. 2006 Pt-PFP Lebenszeit Precht et al. 2004 CO2 HPTS + TOA+ Ratiometrisch Zhu et al. 2006 Dual lifetime referencing Schröder 2006 DHFAE: 2',7'-dihexyl-5(6)-Noctadecyl-carboxamidofluorescein ethyl ester und das phosphoreszente ruthenium(II)-Tris-4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin eingebettet in Nanopartikel, als inerter Referenzstandard pH sensitiver Fluoreszenzfarbstoff für den pH Bereich 7.3–9.3 HPTS: 8-Hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonische Säure als Trinatrium salz pH sensitiver Fluoreszenzfarbstoff für den pH Bereich 5.5–8.6 ( Zhu et al. 2005 ) bzw. CO2 sensitiver Fluoreszenzfarbstoff 0–20% PtOEP: Platin(II) 2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23H-porphyrin pH sensitiver Fluoreszenzfarbstoff Pt-PFP: Platin(II)mesotetra(pentafluorophenyl)porphyrin O2 sensitiver Fluoreszenzfarbstoff für den Bereich 0% → 21% O2 Ruthenium(II)diimin Komplex: Ruthenium(II)-tris-4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin, mit trimethylsilylpropanesulfonat als Gegenion O2 sensitiver Fluoreszenzfarbstoff für den Bereich 0% → 21% O2 TOA+: Tetraoctylammonium Kation Verbessert die Sensitivität von HPTS gegenüber CO2 With both measuring methods (fluorescence lifetime measurement, ratiometric fluorescence measurement), it is possible to realize a spatial quantitative recording (cartography) of the parameter to be measured by means of a suitable optical structure (usually a CCD camera). A three-dimensional semiquantitative detection is used, for example, in confocal fluorescence microscopy. Detection in high temporal resolution is also possible in principle, but in individual cases depends on the test object to be examined. In this case, the influence of the light used on the measurement object is to be considered in particular. The most commonly measured rhizosphere parameters are, for example, oxygen or carbon dioxide concentration ([O 2 ], [CO 2 ]) and pH (pH), but fluorescent dyes are also available for measuring the concentration of a large number of other parameters (eg. Metal ions, ammonium nitrogen). Table 1: Examples of fluorescent dyes and the corresponding possible parameters that can be analyzed Parameter / analyte dye fluorescence measurement references pH HPTS ratiometric Hakonen & Hulth 2008 Hulth et al. 2002 DHFAE Dual lifetime referencing Stahl et al. 2006 Schröder 2006 O 2 Ruthenium (II) diimine complex lifetime Glud et al. 1998 Holst et al. 1998 Holst & Grunwald 2001 Schröder 2006 PtOEP lifetime Oguri et al. 2006 Pt PFP lifetime Precht et al. 2004 CO 2 HPTS + TOA + ratiometric Zhu et al. 2006 Dual lifetime referencing Schröder 2006 DHFAE: 2 ', 7'-dihexyl-5 (6) -Noctadecyl-carboxamidofluorescein ethyl ester and the phosphorescent ruthenium (II) tris-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline embedded in nanoparticles, as an inert reference standard pH-sensitive fluorescent dye for the pH range 7.3-9.3 HPTS: 8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid as trisodium salt pH-sensitive fluorescent dye for the pH range 5.5-8.6 ( Zhu et al. 2005 ) or CO 2 sensitive fluorescent dye 0-20% PtOEP: Platinum (II) 2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H, 23H-porphyrin pH-sensitive fluorescent dye Pt PFP: Platinum (II) mesotetra (pentafluorophenyl) porphyrin O 2 sensitive fluorescent dye for the range 0% → 21% O 2 Ruthenium (II) diimine complex: Ruthenium (II) tris-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, with trimethylsilylpropanesulfonate as counterion O 2 sensitive fluorescent dye for the area 0% → 21% O 2 TOA + : Tetraoctylammonium cation Improves the sensitivity of HPTS to CO 2

Die räumliche Auflösung ist in der Regel von der Pixelauflösung der verwendeten Kamera und dem Kameraabstand abhängig (z. B. Gesamtfläche 101 cm2 bei einer Pixelgröße von 277 μm×277 μm, Hakonen et al. 2010 ). Im Falle des schrittmotorgebundenen Systems ist die räumliche Auflösung abhängig von der Schrittweite der Motoren und dem Durchmesser des Lichtkegels (z. B. Gesamtfläche 80 cm2 bei einer Schrittweite von 1.5 bis 3.0 mm je Schritt, Blossfeld & Gansert 2007 ).The spatial resolution is usually dependent on the pixel resolution of the camera used and the camera distance (eg total area 101 cm 2 with a pixel size of 277 μm × 277 μm, Hakonen et al. 2010 ). In the case of the stepping motor-bound system, the spatial resolution is dependent on the step size of the motors and the diameter of the light cone (eg total area 80 cm 2 at a step size of 1.5 to 3.0 mm per step, Blossfeld & Gansert 2007 ).

Die zeitliche Auflösung zwischen zwei Bildaufnahmen liegt bei der Verwendung von kameragestützten Systemen im Sekundenbereich, bzw. Millisekundenbereich und ist von den Kameraeigenschaften, sowie der angegliederten Datenverarbeitungsroutine abhängig (z. B. Ringpuffer, Echtzeitverarbeitung, etc.). Langzeitmessungen von mehreren Tagen bis Wochen sind dabei möglich, benötigen jedoch ggf. einen großen Datenspeicher von mehreren MB bis GB mit ausreichend schnellen Zugriffszeiten, Datentransferraten und Zwischenspeichern ( Hakonen et al. 2010 ). Bei der Verwendung von schrittmotorgebundenen Systemen liegt die zeitliche Auflösung zwischen den Einzelschritten im Sekundenbereich (2–3 Sekunden), die zeitliche Auflösung zwischen zwei vollständigen Rasterzyklen ist dabei abhängig von der Schrittzahl und liegt in der Regel im Minutenbereich ( Blossfeld & Gansert 2007 ). Langzeitmessungen von mehreren Tagen bis Wochen sind dabei ebenfalls möglich und benötigen einen vergleichsweise kleinen Datenspeicher von wenigen MB.The temporal resolution between two images is based on the use of camera-based systems in the seconds range, or millisecond range and depends on the camera properties, as well as the affiliated data processing routine (eg ring buffer, real-time processing, etc.). Long-term measurements of several days to weeks are possible, but may require a large data memory of several MB to GB with sufficiently fast access times, data transfer rates and caching ( Hakonen et al. 2010 ). When using stepper-motor-bound systems, the temporal resolution between the individual steps is in the range of seconds (2-3 seconds), the time resolution between two complete raster cycles is dependent on the number of steps and is usually in the minutes range ( Blossfeld & Gansert 2007 ). Long-term measurements of several days to weeks are also possible and require a comparatively small data memory of a few MB.

Bisher sind semitransparente Optoden bekannt, die z. B. bei der Untersuchung von Boden das Vorhandensein von Tiergängen (z. B. Wurmgängen) visuell (durch die Optode hindurch) erkennen lassen ( Holst und Grundwald 2001 , Frederiksen & Glud 2006 ). Bei der Anwendung von Optoden im Rahmen von z. B. Boden oder Pflanzenwurzeluntersuchungen können diese durch eine transparente Glasscheibe von außen optisch ausgelesen werden. Eine Öffnung des Systems ist somit für die Messung nicht notwendig, und die genannten Veränderungen des Systems, z. B. hinsichtlich einer Störung des Gas- oder Feuchtehaushalts, werden ausgeschlossen.So far semitransparent optodes are known, z. For example, in the study of soil, the presence of animal veins (eg worms) visually (through the optode) can be detected ( Holst and Grundwald 2001 . Frederiksen & Glud 2006 ). When using optodes in the context of z. B. soil or plant root examinations they can be optically read through a transparent glass pane from the outside. An opening of the system is therefore not necessary for the measurement, and the mentioned changes of the system, z. B. with regard to a disturbance of the gas or moisture balance are excluded.

Wie zuvor beschrieben ist die Verwendung von Optoden zur allgemeinen Erfassung von chemisch-physikalischen Parametern, wie beispielsweise dem pH-Wert oder der Bestimmung von Salzkonzentrationen bekannt.As described above, the use of optodes for the general detection of chemical-physical parameters, such as the pH or the determination of salt concentrations is known.

Eine Messung von chemisch-physikalischen Parametern simultan zur bildgebenden Erfassung von Wachstumsprozessen in hoher räumlicher bzw. zeitlicher Auflösung unter Verwendung von Optoden ist bisher nicht möglich. Bildgebende Verfahren wie DISP root, GROWMAP und GROWSCREEN root ( Walter et al 2009 , Nagel et al 2009 ) sind mit der Messung via Optoden aus verschiedenen Gründen bislang nicht kompatibel. Die bisher bekannten Optoden weisen in ihren physikalischen Eigenschaften nicht die benötigten optischen Charakteristiken auf, welche für eine solche Erfassung notwendig sind. Essentiell ist hierbei zunächst, dass planare Optoden eine geeignete Transmissivität, und ein möglichst hohes, nicht durch (kohärente und inkohärente) Streuungseffekte beeinträchtigtes Auflösungsvermögen besitzen müssen. Das zu untersuchende Wachstumsobjekt muss für bildgebende Wachstumsanalysen möglichst klar, kontrastreich und scharf durch eine Optode hindurch kontinuierlich erkennbar sein. Aus diesem Grund sind nicht alle beschriebenen oder im Handel erhältlichen Optoden für die automatisierte simultane Erfassung von Wachstumsparametern und chemisch-physikalischen Parametern des Wachstumsmediums geeignet. Die Mehrzahl der erhältlichen Optoden besitzt den Nachteil, dass diese fast vollständig opak, d. h. undurchsichtig sind. Die derzeit in der Literatur ( US 2006/0105174 A1 ) als transparent beschriebenen Optoden sind für die gleichzeitige kontinuierliche Simultanerfassung von Wachstumsprozessen und chemisch-physikalischen Parametern nicht für diesen Einsatzzweck getestet worden. Im Rahmen von Wachstumsmessungen an Pflanzenorganen in einem Wachstumsmedium ist es beispielsweise essentiell, diese im Tagesverlauf zu beobachten, wenn die Erfassung in einer zeitlich hohen Auflösung erfolgen soll. Dies verlangt insbesondere einen Versuchsaufbau, bei dem das Licht so gewählt und appliziert wird, dass die Pflanze selbst möglichst wenig beeinträchtigt wird. Auf Wurzeloberflächen treffendes Licht kann von den Wurzeln wahrgenommen werden und das Wachstum der Wurzeln beeinflussen. Gemeinsamer Nachteil der unterschiedlichen Fluoreszenzmessmethoden ist, dass der ermittelte Parameter nur indirekte Rückschlüsse auf das Vorhandensein, bzw. die Aktivität der Pflanzenwurzeln erlaubt (z. B. Wachstumsprozesse).A measurement of chemical-physical parameters simultaneously with the imaging acquisition of growth processes in high spatial or temporal resolution using optodes is not yet possible. Imaging techniques such as DISP root, GROWMAP and GROWSCREEN root ( Walter et al 2009 . Nagel et al 2009 ) are so far not compatible with the measurement via optodes for various reasons. The hitherto known optodes have in their physical properties not the required optical characteristics, which are necessary for such a detection. The essential point here is that planar optodes must have suitable transmissivity and the highest possible resolution that is not impaired by (coherent and incoherent) scattering effects. The growth object to be examined must be continuously identifiable for imaging growth analyzes as clearly as possible, rich in contrast and sharp through an optode. For this reason, not all described or commercially available optodes are suitable for the automated simultaneous detection of growth parameters and chemical-physical parameters of the growth medium. The majority of available optodes have the disadvantage that they are almost completely opaque, ie opaque. Currently in the literature ( US 2006/0105174 A1 ) as optically transparent described optodes have not been tested for the simultaneous continuous simultaneous detection of growth processes and chemical-physical parameters for this purpose. In the context of growth measurements on plant organs in a growth medium, for example, it is essential to observe them during the course of the day if the detection is to take place at a high temporal resolution. This requires in particular a test setup in which the light is chosen and applied so that the plant itself is affected as little as possible. Light incident on root surfaces can be perceived by the roots and affect the growth of the roots. A common disadvantage of the different fluorescence measurement methods is that the parameter determined allows only indirect conclusions about the presence or the activity of the plant roots (eg growth processes).

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, mit der/dem es möglich ist, die nicht-invasive Erfassung und Analyse von Wachstumsprozessen, insbesondere biotischen und abiotischen Wachstumsprozessen, bei zeitgleicher, simultaner Erfassung chemischer und/oder physikalischer Parameter in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide an apparatus and a method with which it is possible to non-invasive detection and analysis of growth processes, in particular biotic and abiotic growth processes, with simultaneous, simultaneous detection of chemical and / or physical Allow parameters in high spatial and temporal resolution.

Unter der Bezeichnung „abiotische Wachstumsprozesse” sind beispielsweise physikalische Wachstumsprozesse, wie das Wachstum bodenphysikalischer Parameter, z. B. Bodenrisse oder Bodenporen, und deren Interaktion mit den anderen genannten Parametern Gegenstand des Interesses und mit dieser Apparatur und Verfahrensmethode analysierbar. Unter „biotischen Wachstumsprozessen”, auch als Differenzierungs- und Entwicklungsprozesse bezeichnet, sind im Sinne dieser Erfindung auch diejenigen Prozesse zu verstehen, die bei Kulturen/Gewebekulturen von tierischen, pflanzlichen oder pilzlichen Organismen/Zellen oder Populationen von Mikroorganismen stattfinden. Abiotische/biootische Wachstumsprozesse können gemeinsam in einer Untersuchung oder getrennt in verschiedenen Untersuchungen erfasst und analysiert werden. Weitergehend sind jedoch auch Einsatzzwecke bei der Untersuchung anderer biotischer/abiotischer Wachstumsprozesse möglich. Beispielsweise erlaubt die Erfindung unter anderem auch die Beobachtung des Wachstums und der Entwicklung von Pilzhyphen oder Lebewesen der marinen bzw. terrestrischen Bodenfauna im Allgemeinen bei simultaner Erfassung der chemisch-physikalischen Eigenschaften und Veränderung des umgebenden Mediums in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Im Folgenden werden unter der Bezeichnung „Wachstumsprozesse” sowohl biotische als auch abiotische Wachstumsprozesse verstanden. Eine nicht-invasive bildgebende Erfassung von Wachstumsparametern wie z. B. die Erfassung von biotischen Differenzierungs-, Entwicklungs- und Wachstumsprozessen von Organismen, Organen, Geweben oder Zellen, welche im Rahmen dieser Erfindung von besonderem Interesse sind, umfassen beispielsweise die räumliche und zeitliche Auflösung des Wachstums. Unter der Bezeichnung „räumliche und zeitliche Auflösung des Wachstums” sind beispielsweise Tropismen, Wachstumsgeschwindigkeiten, relative Wachstumsgeschwindigkeiten, räumliche Verteilung von Wachstumsgeschwindigkeiten und die zeitliche Dynamik der Veränderung von Wachstumsgeschwindigkeiten pflanzlicher Wurzeln und Rhizome, sowie deren dynamische Veränderung der Wurzelarchitektur zu verstehen. Aufgabe der Erfindung ist es dabei, diese Wachstumsparameter bildgebend mit Hilfe eines bildgebenden Verfahrens innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer optischen Erfassungseinheit/einem Kamerasystem automatisiert zu erfassen und mit bildanalytischen Verfahren zu analysieren. Unter der Bezeichnung „Erfassen” ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung, das Sammeln und Auswerten der Daten zu verstehen, die mit der optischen Erfassungseinheit/dem Kamerasystem ermittelt/bereitgestellt wurden. Diese Daten können mittels spezieller nach dem Stand der Technik bekannter Auswertprogramme, dazu verwendet werden, das Wachstumsverhalten in Abhängigkeit der chemikalisch-physikalischen Parameter auszuwerten und Aussagen über die Abhängigkeit des Wachstums von beispielsweise pH-Wert, Ammoniumkonzentration und Lichtintensität treffen zu können.By the term "abiotic growth processes" are, for example, physical growth processes, such as the growth of soil physical parameters, eg. As soil cracks or soil pores, and their interaction with the other mentioned parameters of interest and with this apparatus and method method analyzable. In the context of this invention, "biotic growth processes", also referred to as differentiation and development processes, also include those processes which take place in cultures / tissue cultures of animal, plant or fungal organisms / cells or populations of microorganisms. Abiotic / biootic growth processes can be detected and analyzed together in one study or separately in different studies. However, further applications are possible in the study of other biotic / abiotic growth processes. For example, the invention also allows, among other things, observation of the growth and development of fungal hyphae or living organisms of the marine or terrestrial soil fauna, generally with simultaneous detection of the physicochemical properties and alteration of the surrounding medium in high spatial and temporal resolution. In the following, the term "growth processes" is understood to mean both biotic and abiotic growth processes. Non-invasive imaging of growth parameters such. As the detection of biotic differentiation, development and growth processes of organisms, organs, tissues or cells, which are of particular interest in the context of this invention include, for example, the spatial and temporal resolution of growth. The term "spatial and temporal resolution of growth" includes, for example, tropisms, growth rates, relative growth rates, spatial distribution of growth rates and the temporal dynamics of changes in growth rates of plant roots and rhizomes, as well as their dynamic alteration of the root architecture. The object of the invention is to image these growth parameters with the help of a to automatically detect imaging method within the device according to the invention with an optical detection unit / camera system and to analyze it with image-analytical methods. For the purposes of the present invention, the term "detection" is understood to mean the collection and evaluation of the data which has been determined / provided by the optical detection unit / camera system. These data can be used by means of special evaluation programs known from the prior art to evaluate the growth behavior as a function of the physicochemical parameters and to be able to make statements about the dependence of the growth of, for example, pH, ammonium concentration and light intensity.

Die Erfindung ermöglicht sowohl eine Erfassung und Analyse der biotischen/abiotischen Wachstumsprozesse, als auch mit Hilfe der planaren, transparenten Optoden eine Analyse und Erfassung von fluoreszenz-spektrometrisch detektierbaren, sich dynamisch verändernden chemisch-physikalischen Parametern und Prozessen innerhalb des Wachstums-Mediums bzw. -Substrats, sowie deren Interaktion mit den erfassten Wachstumsprozessen, die in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bildgebend simultan erfasst und bildanalytisch ausgewertet werden können.The invention enables detection and analysis of the biotic / abiotic growth processes as well as analysis and detection of fluorescence-spectrometrically detectable, dynamically changing physicochemical parameters and processes within the growth medium or, with the aid of the planar, transparent optodes. Substrate, as well as their interaction with the recorded growth processes, which can be captured simultaneously in high temporal and spatial resolution and analyzed by image analysis.

Die kontinuierliche Simultanerfassung von Wachstumsprozessen und chemisch-physikalischen Umweltparametern erfolgt erfindungsgemäß automatisiert und nicht invasiv, wobei sowohl eine qualitative, als auch eine quantitative Auswertung von Wachstumsprozessen und chemisch-physikalischen Parametern bzw. ihrer dynamischen Veränderung im Zeitverlauf möglich ist. Bei der Automatisierung in Hinsicht auf die Erfassung von Wachstumsparametern und chemisch-/physikalischen Parametern ist hierbei sowohl eine mechano-automatisierte Positionierung des Kamerasystems vor dem Untersuchungsobjekt, als auch vice versa eine mechanisch-automatisierte Positionierung des Untersuchungsobjekts vor der Kamera möglich. Um eine hohe zeitliche Auflösung bei der Messung biotischer oder abiotischer Objekte zu erreichen, sollte die Erhebung der gemessenen Parameter in hinreichend kurzen Zeitabständen erfolgen, so dass die betreffende Wachstumsdynamik, d. h. die Veränderung im Laufe der Zeit, z. B. Wachstumsraten, dergestalt erfasst und beschrieben werden können, so dass eine kausalanalytische Interpretation ermöglicht wird.The continuous simultaneous detection of growth processes and chemical-physical environmental parameters according to the invention is automated and non-invasive, with both a qualitative, as well as a quantitative evaluation of growth processes and chemical-physical parameters or their dynamic change over time is possible. In the automation with regard to the detection of growth parameters and chemical / physical parameters in this case both a mechano-automated positioning of the camera system in front of the examination subject, and vice versa a mechanically-automated positioning of the examination subject in front of the camera possible. In order to achieve a high temporal resolution in the measurement of biotic or abiotic objects, the collection of the measured parameters should take place in sufficiently short time intervals, so that the growth dynamics in question, ie. H. the change over time, z. As growth rates, can be recorded and described so that a causal analytical interpretation is made possible.

Eine hohe zeitliche Auflösung bei der Messung chemisch-physikalischer Größen wird dadurch erreicht, dass eine Erhebung der gemessenen Parameter in hinreichend kurzen Zeitabständen erfolgt, so dass die betreffende Veränderung der Parameter, z. B. Konzentrationen eines Analyten im Laufe der Zeit in einen kausalanalytischen Zusammenhang mit der Messung der biotischen oder abiotischen Wachstumsprozesse gebracht werden kann. Handelt es sich beim Gegenstand der Untersuchung beispielsweise um eine Rhizosphäre, so sollte die zeitliche Auflösung zur Messung chemisch-physikalischer Größen normalerweise 1 Bild/Stunde (1 Image/h) betragen, da sich chemische Prozesse in der Rhizosphäre auch im Tagesverlauf ändern können. ( Blossfeld et al. (2007) )A high temporal resolution in the measurement of chemical-physical quantities is achieved in that an elevation of the measured parameters takes place in sufficiently short time intervals, so that the relevant change in the parameters, eg. B. concentrations of an analyte over time in a causal analytical relationship with the measurement of biotic or abiotic growth processes can be brought. For example, if the subject of the study is a rhizosphere, the time resolution for measuring chemical-physical quantities should normally be 1 image / hour (1 image / h), as chemical processes in the rhizosphere may also change during the day. ( Blossfeld et al. (2007) )

Um eine hohe räumliche Auflösung bei der Messung biotischer oder abiotischer Objekte” zu erreichen, sollte eine Erhebung der gemessenen Parameter in hinreichend hoher räumlicher Auflösung erfolgen, welche im Sinne der Erfindung vornehmlich zweidimensional ist, aber unter bestimmten Umständen auch dreidimensional zu verstehen sein kann, so dass spezielle morphologische Parameter wie z. B. Wurzellängen und Wurzeldurchmesser exakt vermessen werden können. Je nach verwendeter Methode muss die maximale Auflösung die Erkennung der zu vermessenden Strukturen ermöglichen. Bei der Verwendung der DISP-Methode beispielweise, bei der räumliche Verteilungen der relativen Wachstumsraten innerhalb von wachsenden Wurzelspitzen im Zeitverlauf gemessen werden, sollte eine Auflösung von ca. 125 px (Pixeln)/mm erzielt werden. Bei Aufnahmen von in Boden wachsenden Wurzeln in Rhizotronsystemen ist normalerweise eine Auflösung von ca. 5–10 px/mm ausreichend.” Für eine hohe räumliche Auflösung bei der Messung chemisch-physikalischer Größen sollte die Erhebung der gemessenen Parameter in hinreichend hoher räumlicher Auflösung erfolgen, welche im Sinne der Erfindung vornehmlich zweidimensional ist, aber unter bestimmten Umständen auch dreidimensional zu verstehen sein kann, so dass die betreffende Veränderung der Parameter, z. B. Konzentrationen eines Analyten im Laufe der Zeit in einen kausalanalytischen Zusammenhang mit der Messung der biotischen oder abiotischen Wachstumsprozesse gebracht werden kann. Je nach verwendeter Methode muss die maximale Auflösung die Erkennung der zu vermessenden Strukturen ermöglichen. Handelt es sich beim Gegenstand der Untersuchung beispielsweise um eine Rhizosphäre, so sollte die räumliche Auflösung zur Messung chemisch-physikalischer Größen normalerweise mindestens 1 px (Pixel)/mm betragen.In order to achieve a high spatial resolution in the measurement of biotic or abiotic objects, a survey of the measured parameters should be carried out in sufficiently high spatial resolution, which in the sense of the invention is primarily two-dimensional, but under certain circumstances can also be understood three-dimensionally that special morphological parameters such. B. root lengths and root diameter can be measured accurately. Depending on the method used, the maximum resolution must enable the recognition of the structures to be measured. For example, when using the DISP method, which measures spatial distributions of relative growth rates within growing root tips over time, a resolution of approximately 125 px (pixels) / mm should be achieved. When recording roots growing in soil in rhizotron systems, a resolution of about 5-10 px / mm is usually sufficient. "For a high spatial resolution in the measurement of chemical-physical quantities, the measurement of the measured parameters should be carried out in sufficiently high spatial resolution, which in the context of the invention is primarily two-dimensional, but under certain circumstances may also be understood in three dimensions, so that the relevant change in the parameters, for. B. concentrations of an analyte over time in a causal analytical relationship with the measurement of biotic or abiotic growth processes can be brought. Depending on the method used, the maximum resolution must enable the recognition of the structures to be measured. For example, if the subject of the study is a rhizosphere, the spatial resolution for measuring chemical-physical quantities should normally be at least 1 px (pixels) / mm.

Es kann zu jedem Messzeitpunkt eine zweidimensionale Karte beispielsweise der Konzentration des chemischen Analyten oder des physikalischen Parameters (z. B. Temperatur) erstellt/ermittelt werden. Die Reaktion der Fluorophore auf der Fläche der Optode wird je nach Konzentration des Analyten unterschiedlich stark sein. Dadurch ist eine Kartierung der jeweiligen Parameter möglich.It is possible to create / determine a two-dimensional map of, for example, the concentration of the chemical analyte or the physical parameter (eg temperature) at each measurement time. The reaction of the fluorophores on the surface of the optode will vary depending on the concentration of the analyte. This allows mapping of the respective parameters.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit deren Hilfe Messungen von a) optisch detektierbaren Wachstumsprozessen und b) fluoreszenz-spektrometrisch detektierbaren, sich dynamisch verändernden chemisch-physikalischen Parametern und Prozessen innerhalb eines Wachstums-Mediums bzw. -Substrats, sowie deren Interaktion mit den erfassten Wachstumsprozessen, in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bildgebend, simultan erfasst und bildanalytisch ausgewertet werden können. Es ist weiterhin auch möglich, parallel oder alternativ chemisch-physikalische Parameter außerhalb des Wachstumsmediums/Substrats zu bestimmen, wie beispielsweise eine Gasanalyse des Sprosses in einem gasdicht abgeschlossenen Raum neben der Analyse der Wachstumsprozesse der Wurzeln und der chemisch-physikalischen Parameter im Wachstumsmedium. The invention relates to a device and a method, with the aid of which measurements of a) optically detectable growth processes and b) fluorescence-spectrometrically detectable, dynamically changing chemical-physical parameters and processes within a growth medium or substrate, as well as their interaction with The recorded growth processes, in high temporal and spatial resolution imaging, can be simultaneously recorded and analyzed by image analysis. It is also possible to determine, in parallel or alternatively, chemical-physical parameters outside the growth medium / substrate, such as, for example, a gas analysis of the shoot in a gas-tight space in addition to the analysis of the growth processes of the roots and the chemical-physical parameters in the growth medium.

Simultane bildgebende Erfassung von Wachstumsprozessen und chemisch-physikalischen ParameterSimultaneous imaging of growth processes and chemical-physical parameters

Zur optischen Messung und Erfassung verschiedener chemischer und physikalischer Eigenschaften des Wachstumsmediums können Optoden eingesetzt werden. Die Messung mit Optoden basiert dabei beispielsweise auf der Verwendung von spezifischen, auf den zu messenden Parameter abgestimmten Fluoreszenzfarbstoffen (Fluorophore), die kurzfristig mit Licht einer oder mehrerer spezieller Wellenlängen angeregt werden. Der Farbstoff fluoresziert dabei in Abhängigkeit der Quantität des zu messenden Parameters. In der Regel wird der Farbstoff in oder auf einer Polymermatrix, z. B. Polymerfolie fixiert und in/auf das zu untersuchende Medium ein/aufgebracht bzw. steht mit dem zu untersuchenden Objekt oder Medium in chemisch und/oder physikalischem Kontakt. Die optische Messung erfolgt mittels eines geeigneten optischen Aufbaus (z. B. CCD-Kamera) außerhalb des zu untersuchenden Mediums.For optical measurement and detection of various chemical and physical properties of the growth medium optodes can be used. For example, the measurement with optodes is based on the use of specific fluorescent dyes (fluorophores) which are tuned to the parameters to be measured and which are excited in the short term by light of one or more specific wavelengths. The dye fluoresces depending on the quantity of the parameter to be measured. In general, the dye is in or on a polymer matrix, for. B. polymer film fixed and / in / on the medium to be examined / is in contact with the object or medium to be examined in chemical and / or physical contact. The optical measurement takes place by means of a suitable optical structure (eg CCD camera) outside the medium to be examined.

Die im Rahmen dieser Erfindung simultan detektierbaren und koregistrierbaren chemisch-physikalischen Parameter können dabei unterschiedlicher Natur sein. Gemessen werden können beispielsweise Temperatur, pH-Werte, spezifische Stoffkonzentrationen (beispielsweise von Ammoniumionen, Sauerstoff, CO2). Weitere Parameter und ihr jeweiliger Einfluss auf bestimmbare Wachstumsparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt. Grundsätzlich ist die Auswahl der zu beobachtenden Parameter sehr vielseitig, da prinzipiell eine Vielzahl von Fluorophoren und beschichteten Optoden genutzt werden können, bzw. beschrieben sind. Auch die gleichzeitige Messung verschiedener dieser Parameter ist möglich.The simultaneously detectable and coregistratable within this invention chemical-physical parameters may be different nature. For example, temperature, pH values, specific substance concentrations (for example of ammonium ions, oxygen, CO 2 ) can be measured. Further parameters and their respective influence on determinable growth parameters are listed in Table 2. Basically, the selection of the parameters to be observed is very versatile, since in principle a large number of fluorophores and coated optodes can be used or described. It is also possible to measure several of these parameters simultaneously.

In Tabelle 2 sind beispielhaft verschiedene mögliche Parameter ausgewählt, wobei das vorgestellte System simultane Messungen der dynamischen Veränderung von Parametern aus beiden Spalten im Zeitverlauf ermöglicht. Die in Tabelle 2 aufgeführten Parameter sind nicht einschränkend zu sehen, sondern stellen nur eine mögliche Auswahl von Parametern dar. Es können daher auch andere Parameter durch den Einsatz von Optoden bestimmt werden. Durch Anpassung des Aufbaus ist es dabei auch möglich, mehrere Parameter aus einer oder beiden Spalte zu detektieren.In Table 2, various possible parameters are selected by way of example, the presented system allowing simultaneous measurements of the dynamic change of parameters from both columns over time. The parameters listed in Table 2 are not restrictive, but represent only one possible choice of parameters. Therefore, other parameters can also be determined by the use of optodes. By adapting the structure, it is also possible to detect several parameters from one or both columns.

Durch konventionelle Anpassungen (z. B. Linsenwechsel, Arbeitsabstand etc.), bzw. Änderung des zeitlichen Intervalls zwischen den Einzelaufnahmen des optischen Aufbaus kann das System hierbei flexibel in seiner räumlichen und zeitlichen „Vergrößerung” bzw. Auflösung an die jeweiligen Anforderungen des Versuchsaufbaus angepasst werden. So lassen sich beispielsweise sowohl das Wachstum der Wurzelspitze einer Pflanze, als auch Veränderungen des gesamten Wurzelsystems im Zeitverlauf charakterisieren.By conventional adjustments (eg lens change, working distance, etc.), or change in the time interval between the individual images of the optical structure, the system can be flexibly adapted in its spatial and temporal "magnification" or resolution to the respective requirements of the experimental setup become. Thus, for example, both the growth of the root tip of a plant, as well as changes in the entire root system over time can be characterized.

Zudem kann der Aufbau innerhalb einer automatisierten Anlage genutzt werden. Diese Flexibilität ermöglicht beispielsweise ein Screening von Pflanzen im Hochdurchsatz mit einer hohen Zahl von Replikaten, die gleichzeitig untersucht werden können. Tabelle 2: Beispiele von chemisch-physikalischen Parametern und Wachstumsparametern, die (unabhängig voneinander) im Rahmen dieser Erfindung gemessen werden können.

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In addition, the structure can be used within an automated system. For example, this flexibility allows high throughput screening of plants with a high number of replicates that can be studied simultaneously. Table 2: Examples of chemical-physical parameters and growth parameters that can be measured (independently of each other) in the context of this invention.
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Darüber hinaus ist der Einsatz der Erfindung mit einer Vielzahl von Wachstumsmedien bzw. Substraten möglich. Unter Wachstumsmedien ist hierbei ganz allgemein der Raum zu verstehen, welcher das zu beobachtende Untersuchungsobjekt wie beispielsweise einen Organismus/ein Lebewesen bzw. das Organ umgibt, und der dessen Wachstum zulässt und somit die Lebensumwelt darstellt. Das Wachstumsmedium kann bei der verwendeten Verfahrensmethode vielfältiger Natur sein, wobei es sich sowohl um ein natürliches Substrat (beispielsweise Boden, Erde, Sand) als auch um „halb”-synthetische Substrate (beispielsweise Agar, Hydrokulturen, Luftkulturen) handeln kann. Auch der Einsatz von anderen Wachstumsmedien, wie beispielsweise vollsynthetischen, quellfähigen Substitutionsmedien ist möglich. Bei der Betrachtung pflanzlicher Wurzelsysteme wird das Wachstumsmedium beispielsweise als die Rhizosphäre bezeichnet Die Rizosphäre kann definiert werden, als das Bodenvolumen welches lebende Pflanzenwurzeln umgibt und welches durch die Wurzelaktivität beeinflusst wird. Hinsinger et. al. (2005) New Phythologist, 168: 293–303 . Unter der Bezeichnung Organismus/Lebewesen kann es sich beispielsweise um ein pflanzliches Wurzelsystem handeln, welches zusammen mit dem dieses umgebenden Wachstumsmedium bildgebend aufgenommen wird. Unter der Bezeichnung Organismus können allgemein pflanzliche, tierische Organismen oder auch Bakterien, Pilze verstanden werden.In addition, the use of the invention with a variety of growth media or substrates is possible. In this case, growth media is to be understood in general as meaning the space which surrounds the object to be observed, such as, for example, an organism / a living being or the organism, and which permits its growth and thus represents the living environment. The growth medium may be of a variety of nature in the method of the method used, which may be both a natural substrate (e.g., soil, soil, sand) and "semi" synthetic substrates (eg, agar, hydroponics, air cultures). The use of other growth media, such as fully synthetic, swellable substitution media is possible. For example, when looking at plant root systems, the growth medium is referred to as the rhizosphere. The rizosphere can be defined as the soil volume surrounding living plant roots, which is affected by root activity. Hinsinger et. al. (2005) New Phytologist, 168: 293-303 , The term organism / living being may, for example, be a plant root system, which is imaged together with the surrounding growth medium. The term organism may generally be understood as meaning plant or animal organisms or else bacteria, fungi.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein System, welches eine oder mehrere Kameras, eine optische Konfiguration, eine Lichtquelle zur Ausleuchtung des Untersuchungsobjekts, z. B. der Rhizosphäre, eine spezielle planare und dergestalt hinreichend transparente Optode, so dass Wachstumsmessungen gewährleistet sind, (wobei die Optode mindestens ein immobilisiertes Fluorophor besitzt) sowie eine digitale Computereinheit (bzw. ein Embedded Computer System) nutzt. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es möglich, nicht-invasiv und nicht-destruktiv fotografische Aufnahmen bzw. Zeitrafferaufnahmen eines wachsenden Organismus, Organs oder Gewebes anzufertigen.The device according to the invention comprises a system which has one or more cameras, an optical configuration, a light source for illuminating the examination subject, e.g. As the rhizosphere, a special planar and thus sufficiently transparent optode, so that growth measurements are ensured (the optode has at least one immobilized fluorophore) and a digital computer unit (or an embedded computer system) uses. With the aid of this arrangement, it is possible to take non-invasive and non-destructive photographic recordings or time-lapse recordings of a growing organism, organ or tissue.

Damit die Anfertigung fotografischer Aufnahmen möglich ist, befinden sich das biologische Objekt und das Wachstumsmedium innerhalb eines transparenten Wachstumscontainers, der zumindest teilweise transparent ist. Basierend auf den erstellten Bildern und Bildserien ist es möglich, das Wachstum und spezielle Eigenschaften des Wachstums (z. B. Wurzelsystemarchitektur) aufzunehmen und zu analysieren. Gleichzeitig erlaubt eine zweite Gruppe von erstellten Bildern und Bildserien die Simultanerfassung einer oder mehrerer chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften innerhalb des Wachstumsmediums, wobei die Aufnahmen aller Parameter in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erfolgen kann. For the production of photographic images is possible, the biological object and the growth medium are within a transparent growth container, which is at least partially transparent. Based on the created images and image series, it is possible to record and analyze the growth and specific properties of the growth (eg root system architecture). At the same time, a second group of created images and image series allows the simultaneous detection of one or more chemical and / or physical properties within the growth medium, wherein the recordings of all parameters can be made in high temporal and spatial resolution.

Die erfindungsgemäß eingesetzte planare, transparente Optode besitzt im Vergleich zu bekannten, im Handel erhältlichen planaren Optoden vorteilhafte optische Eigenschaften. Durch die erfindungsgemäße planare, transparente Optode ist erstmalig ein gleichzeitiges Hindurchschauen und Hindurchfotografieren durch eine Optode möglich.The planar, transparent optode used according to the invention has advantageous optical properties in comparison to known, commercially available planar optodes. The planar, transparent optode according to the invention makes it possible for the first time to simultaneously look through and photograph through an optode.

Die erfindungsgemäße Optode ist somit transparent. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter „optischen Eigenschaften” die Parameter Auflösungsvermögen, Kontrast und Transmissivität verstanden. Durch die vorteilhaften optischen Eigenschaften, insbesondere die Transparenz, sind erstmalig auch gleichzeitige andere Messungen in Form einer Bildanalyse und Bildgebung möglich. Unter den vorteilhaften optischen Eigenschaften der Optode, die im Sinne der Erfindung gewünscht sind, und die bei Fotografie oder Schauen durch die Optode hindurch genutzt werden können, sind die folgenden Eigenschaften zu verstehen, die zusammen eine hohe Bildgüte und objekttreue Abbildung gewährleisten:

  • a) die erzielbare Transmissivität (also geringe Absorption von Licht verschiedener Wellenlängen),
  • b) der erzielbare Grauwert-Kontrast (fotometrischer Kontrast; Unterschiede hinsichtlich der Helligkeit zwischen hellen und dunklen Bereichen beim aufgenommenen Objekt bleiben bei hohem Erhalt des Grauwert-Kontrasts erhalten) und
  • c) das erzielbare Auflösungsvermögens (bei hohem Auflösungsvermögen geringe Verbreiterung der Punktantwort (in Pixel) in fotografischen Aufnahmen durch die Optode hindurch; Erhalt einer hohen Trennschärfe).
The optode according to the invention is thus transparent. In the context of the present invention, the term "optical properties" is understood to mean the parameters resolving power, contrast and transmissivity. Due to the advantageous optical properties, in particular the transparency, simultaneous other measurements in the form of image analysis and imaging are possible for the first time. Among the advantageous optical properties of the optode, which are desired in the context of the invention, and which can be used in photography or viewing through the optode, the following properties are to be understood, which together ensure a high image quality and object-faithful imaging:
  • a) the achievable transmissivity (ie low absorption of light of different wavelengths),
  • b) the achievable gray-scale contrast (photometric contrast, differences in the brightness between light and dark areas in the recorded object are retained when the gray-scale contrast is maintained high) and
  • c) the achievable resolving power (with high resolution, little broadening of the dot response (in pixels) in photographic recordings through the optode, obtaining a high selectivity).

Die vorteilhaften Eigenschaften der Optode sind insbesondere deshalb so bedeutsam, da erfindungsgemäß fotographische Aufnahmen von den zu untersuchenden Objekten bzw. Organismen durch die Optode hindurch gemacht werden sollen, und sich die Objekte hinter der planaren Optode befinden. Die genannten vorteilhaften optischen Eigenschaften bedeuten im Falle der hier eingesetzten Optode, dass nur minimale Veränderungen hinsichtlich der Abbildungsqualität bzw. der Bildgüte des durch die Optode hindurch fotografierten Objekts/Organismus verursacht werden. Die Veränderung ist so gering, dass Objekte/Organismen, die sich hinter der Optode befinden, durch die Optode hindurch objekttreu erkannt werden können, und bei Fotografie durch die Optode hindurch objekttreu und signifikant gleich zur Referenz wiedergegeben werden können.The advantageous properties of the optode are particularly important because, according to the invention, photographic images of the objects or organisms to be examined are to be made through the optode, and the objects are behind the planar optode. In the case of the optode used here, the aforementioned advantageous optical properties mean that only minimal changes are caused with regard to the imaging quality or the image quality of the object / organism photographed through the optode. The change is so small that objects / organisms located behind the optode can be recognized by the optode through object-true, and in photography through the optode through object-faithfully and significantly equal to the reference can be reproduced.

Die genannten vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäß eingesetzten planaren, transparenten Optode haben bestimmte Entsprechungen bezüglich der Bildqualität, die im Folgenden genannt werden:

  • a) Die gewünschte hohe Transmissivität der Optode wird durch eine geringe Absorption von Licht verschiedener Wellenlängen bedingt. Eine geringe Absorption bewirkt, dass eine nur geringe Abschwächung der Lichtintensität resultiert. Die Lichtintensität, die hier als zu messendes Signal von Bedeutung ist, ist diejenige, die von der Lichtquelle ausgesandt wird, beziehungsweise die vom abzubildenden Objekt reflektiert wird. Die Lichtintensität ist das Signal, das dann z. B. durch den Sensor einer digitalen Foto-Kamera gemessen, und bildanalytisch ausgewertet werden kann. Ritzhaupt-Kleissl (2007) schreibt „Für Anwendungen in mikrooptischen Bauteilen ist es essenziell, dass die zum Einsatz kommenden Kompositmaterialien eine hohe optische Transparenz besitzen, um eine möglichst verlustarme Lichtleitung und damit Signalübertragung zu ermöglichen.”
  • b) Der gewünschte hohe Grauwert-Kontrast wird durch eine geringe Lichtstreuung bewirkt. Streut die planare, transparente Optode das Licht wenig, bleibt ein hoher Grauwert-Kontrast erhalten. Bei hohem Kontrast besitzen helle und dunkle Bereiche in den fotografischen Aufnahmen nur wenig veränderte Grauwerte, wie sie erzielt würden, wenn sich kein Element im Strahlengang befindet, dass das Licht streut.
  • c) Die hohe Trennschärfe in der fotografischen Aufnahme bzw. das hohe Auflösungsvermögen in der fotografischen Aufnahme wird durch eine Punktantwort mit kleinem Durchmesser bewirkt. Die Punktantwort (Streuscheibchen, Greensche Funktion, Transmissionsfunktion) besagt, wie ein scharfer Lichtpunkt nach Durchgang durch das optische System, hier die Optode, aussieht. Ist der Lichtpunkt breit, wird das durch die Optode gesehene Bild unscharf. Die beobachtete Verbreiterung kann durch Lichtstreuung bewirkt werden.
The aforementioned advantageous properties of the planar, transparent optode used according to the invention have certain correspondences with regard to the image quality, which are mentioned below:
  • a) The desired high transmissivity of the optode is due to a low absorption of light of different wavelengths. Low absorption results in little attenuation of light intensity. The light intensity, which is important here as the signal to be measured, is that which is emitted by the light source, or which is reflected by the object to be imaged. The light intensity is the signal, which then z. B. measured by the sensor of a digital photo camera, and can be evaluated by image analysis. Ritz Haupt-Kleissl (2007) writes "For applications in micro-optical components, it is essential that the composite materials used have a high optical transparency, in order to enable low-loss light conduction and thus signal transmission."
  • b) The desired high gray value contrast is caused by a low light scattering. If the planar, transparent optode scatters the light a little, a high gray value contrast is maintained. At high contrast, light and dark areas in the photographic images have little changed gray levels, as would be achieved if there is no element in the beam path that scatters the light.
  • c) The high selectivity in the photographic image or the high resolution in the photographic image is caused by a small diameter point response. The point response (lintel, Green's function, transmission function) states how a sharp point of light looks after passing through the optical system, here the optode. If the light spot is wide, the image seen through the optode becomes blurred. The observed broadening can be caused by light scattering.

Grundsätzlich werden diese optischen Eigenschaften dann als vorteilhaft betrachtet, wenn durch ein Objekt hindurchgeschaut werden soll, wie z. B. bei Sichtscheiben (Fensterglasscheiben). Die Absorption muss in diesem Fall möglichst gering, der Grauwert-Kontrast möglichst hoch, und das Auflösungsvermögen möglichst hoch sein.Basically, these optical properties are considered advantageous when looking through an object, such. B. at viewing windows (window glass panes). The absorption needs In this case as low as possible, the gray value contrast as high as possible, and the resolution should be as high as possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemischer und/oder physikalischer Parameter setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

  • a) Beleuchtungseinheit Diese kann mindestens eine Lichtquelle umfassen sowie eine Steuereinheit, die diese Lichtquelle ein und ausschaltet. Die Lichtquelle sollte Licht mit einem Wellenlängespektrum emittieren, welches sowohl für die eine Beleuchtung/Anregung der eingesetzten Optoden mit dem/den jeweiligen Fluorophor(en) geeignet ist als auch das Wellenlängenspektrum/die Wellenlängen emittieren, welche/s für die bildgebende, fotographische Messung der Wachstumsprozesse benötigt wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass eine Lichtquelle zur Beleuchtung/Anregung der Optode dient und eine weitere Lichtquelle zur Emission des Wellenlängenspektrums/der Wellenlänge dient, die für die Erfassung und Analyse der Wachstumsprozesse benötigt werden.
The device according to the invention for non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters consists of the following components:
  • a) Lighting unit This can include at least one light source and a control unit that turns this light source on and off. The light source should emit light having a wavelength spectrum suitable for both illuminating / exciting the optodes used with the particular fluorophore (s) and emitting the wavelength spectrum (s) for the imaging photographic measurement Growth processes is needed. However, it is also possible for one light source to illuminate / excite the optode and another light source to emit the wavelength spectrum / wavelength needed to detect and analyze the growth processes.

Die benötigten Wellenlängen sind hierbei jeweils in Abhängigkeit von dem auf der planaren Optode immobilisierten Fluorophor und dessen Anregungsmaxima auszuwählen. Im Falle von HPTS sind dies beispielsweise die Wellenlängen 405 und 450 nm. Für die Aufnahme von Bildern und Bildsequenzen zur Wachstumsanalyse wird ein dritter Wellenlängenbereich benötigt. Die Lichtquelle/n sollte/n daher Licht einer Wellenlänge im Bereich von beispielsweise 200 bis 2500 nm emittieren. Die Anzahl der benötigten Lichtquellen hängt von dem jeweiligen Wellenlängenspektrum ab, das die Lichtquelle emittieren kann und den jeweils benötigten Wellenlängen. Diese Wellenlängen sind von drei Faktoren abhängig zu wählen:

  • i. Vom Absorptionsspektrum der verwendeten hinreichend transparenten planaren Optode, (die die simultanen Wachstumsmessungen, z. B. mit der Software GROWSCREEN-Root und/oder der GROWMap-Root gewährleistet).
  • ii. Die gewählte Wellenlänge sollte sowohl das biologische Objekt, als auch das Wachstumsmedium wenig beeinflussen (→ Wurzeln zeigen beispielsweise keine Beeinflussung durch Beleuchtung im nahen Infrarot (NIR) und kurzwelligen Infrarotlicht (SWIR = short wavelength infrared) Spektrum.
  • iii. Die Wellenlänge darf nicht mit den Anregungs- und Emmisionsbereichen des jeweils verwendeten Flurophors überlappen.
The required wavelengths are to be selected in each case as a function of the fluorophore immobilized on the planar optode and its excitation maxima. In the case of HPTS, for example, these are the wavelengths 405 and 450 nm. For the acquisition of images and image sequences for growth analysis, a third wavelength range is needed. The light source (s) should therefore emit light of a wavelength in the range of, for example, 200 to 2500 nm. The number of light sources needed depends on the particular wavelength spectrum that the light source can emit and the wavelengths it needs. These wavelengths depend on three factors:
  • i. From the absorption spectrum of the sufficiently transparent planar optode used (which ensures the simultaneous growth measurements, eg with the software GROWSCREEN root and / or the GROWMap root).
  • ii. The chosen wavelength should have little effect on both the biological object and the growth medium (→ Roots, for example, show no influence from near-infrared (NIR) and short-wavelength infrared (SWIR) spectra.
  • iii. The wavelength must not overlap with the excitation and emission ranges of the flurophore used.

Eine mögliche Lichtquelle kann neben anderen Wellenlängen eine (monochromatische) Infrarotbeleuchtung sein, die im Wellenlängenbereich zwischen 700 nm und 2500 nm emittiert. Soweit eine herkömmliche CCD Kamera als optische Erfassungseinheit zum Einsatz kommt, ist der Wellenlängenbereich der Lichtquelle auf den Bereich bis etwa 1100 nm begrenzt, da die Sensoren der CCD Kameras dort ihre obere Wellenlängensensitivitätsgrenze erreichen. Die Lichtquelle kann vorzugsweise zusätzliche monochromatische Wellenlängen im Bereich des Anregungsmaximums bzw. der Anregungsmaxima des/der verwendeten immobilisierten Fluorophoren auf der Optode bereitstellen. Diesbezüglich kann die Wellenlänge des Anregungsmaximums in Abhängigkeit vom verwendeten Fluorophor variieren. Die Auswahl der gewünschten/erforderlichen Fluoreszenzmessung bestimmt darüber hinaus ebenfalls die Anzahl der monochromatischen Wellenlängen (z. B. Dual excitation – single emission, bzw. Dual lifetime referencing, siehe Absatz zur Ratiometrischen Fluoreszenzmessung) Im Falle von HPTS und dem Dual excitation – single emission Fluoreszenzmessverfahren betragen die erforderlichen Anregungswellenlängen beispielsweise 405 nm und 450 nm, wobei 405 nm der unprotonierten Form und 450 nm der protonierten Form von HPTS entspricht.One possible light source may be, among other wavelengths, a (monochromatic) infrared illumination which emits in the wavelength range between 700 nm and 2500 nm. As far as a conventional CCD camera is used as an optical detection unit, the wavelength range of the light source is limited to the range up to about 1100 nm, since the CCD camera sensors there reach their upper wavelength sensitivity limit. The light source may preferably provide additional monochromatic wavelengths in the region of the excitation maximum or of the excitation maxima of the immobilized fluorophore (s) used on the optode. In this regard, the wavelength of the excitation maximum may vary depending on the fluorophore used. In addition, the selection of the desired / required fluorescence measurement also determines the number of monochromatic wavelengths (eg dual excitation - single emission, or dual lifetime referencing, see paragraph on ratiometric fluorescence measurement) in the case of HPTS and the dual excitation - single emission Fluorescence measurement methods are the required excitation wavelengths, for example, 405 nm and 450 nm, with 405 nm corresponding to the unprotonated form and 450 nm to the protonated form of HPTS.

Als Lichtquelle ist beispielsweise eine Kaltlichtquelle geeignet. Weiterhin kann die Lichtquellen eine oder mehrere monochromatische LEDs oder ein LED Cluster sein bei denen die Emission der LEDs für Anregungen der einzelnen Anregungswellenlängen der Fluorophore ein nicht überlappendes Spektrum aufweisen. Die „Full Half Width” (Halbwertsbreite) der LEDs muss idealerweise also möglichst schmal gewählt werden. Die Lichtquelle kann weiterhin aus einer oder mehreren Schichten transparenter, selbstilluminierender monochromatischer OLEDs für jede der für die Fluorophore benötigten Wellenlängen bestehen. Die Emission der OLEDs für Anregungen der einzelnen Anregungswellenlängen der Fluorophore sollte ebenfalls ein nicht überlappendes Spektrum aufweisen. Die „Full Half Width” der OLEDs muss idealerweise also möglichst schmal gewählt werden. Vor der Lichtquelle kann ein Filterrad oder ein Filterwechsler angeordnet sein, der einen Wechsel zwischen mindestens zwei Filtern ermöglicht. Als Filter kann beispielsweise ein „Narrowband”-Filter mit einer geringen „small half width” von beispielsweise 15 nm für die Anregungswellenlänge, bzw. -wellenlängen, die aus der Auswahl der immobilisierten Fluorophoren und der jeweiligen Fluoreszenzmessmethode resultieren, eingesetzt werden. Für HPTS und das Dual-Excitation/Single-Emission-Verfahren ist beispielsweise der Einsatz von zwei Filtern im Bereich von 405 nm bzw. 450 nm erforderlich. In Abhängigkeit vom eingesetzten Fluorophor und dessen erforderlichen Anregungswellenlänge kann auch eine Infrarot-Durchlassfilter, der nur Infrarotes Licht oberhalb von 700 nm, aber kein Licht aus dem Bereich des sichtbaren und UV-Lichtbereichs, durchlässt, eingesetzt werden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Lichtquelle zusammen mit einem Diffusor zu versehen, mit dessen Hilfe eine homogene Beleuchtung erreicht wird.

  • b) Optische Erfassungseinheit bestehend aus beispielsweise mindestens einer analogen oder digitalen Kamera. Die optische Erfassungseinheit dient zum einen der Erfassung der Bilddaten/Bildsignale, die von dem zu untersuchenden Organismus/Wachstumssystems abgegeben werden und die zur Erfassung des Wachstumsprozesse benötigt werden und zum anderen der Erfassung des von den Fluorophoren emittierte Fluoreszenzlichts. Als Kamera kann beispielsweise ein CCD Kamera verwendet werden. Die Kamera kann mit einem Filter/Sperrfilter versehen sein, der nur den Durchtritt von Licht einer bestimmten Wellenlänge ermöglicht. Dies kann beispielsweise das Licht der Wellenlänge sein, das der Anregungswellenlänge des Fluorophors auf der Optode entspricht oder im Falle der Erfassung von Bilddaten des Wachstumsprozesses das Licht der Wellenlänge sein, welches für die Aufnahme und Analyse des Wachstums des zu untersuchenden Organismus erforderlich ist. Für die Erfassung von Wachstumsprozessen ist beispielsweise Licht im nahen Infrarotlichtspektrum geeignet. Der Filter kann vor der Linse der Kamera angeordnet sein. Er kann alternativ hinter der Linse angeordnet sein mit einer optionalen Tubusverlängerung vor dem Sensor der Kamera. Die optische Erfassungseinheit kann mindestens auch zwei Kameras aufweisen. Die erste Kamera dient dann der Detektion und Erfassung der chemisch-physikalischen Parameter (z. B. pH-Wert) in dem die Emission des Fluoreszenzlichts gemessen wird. Diese Kamera sollte einen „Narrow-Band-Filter” (engbandigen Filter) mit einer geringen „Full Half Width” (= Halbwertsbreite: Breite des insgesamt emittierten Wellenlängenspektrums bei halber Höhe des Emissionsmaximums) aufweisen. Die zweite Kamera wird dann für die Aufnahme der Wachstumsdaten verwendet. Für diese Anwendung kann beispielsweise ein Infrarot Passthrough Filter an der Kamera angeordnet sein, der nur Infrarotlicht durch den Filter passieren lässt. Es wird somit von dieser Kamera nur das infrarote Licht erfasst, dass zur Erfassung des Untersuchungsobjekts zur Beleuchtung desselben eingesetzt wurde.
  • c) Mindestens einen Wachstumscantainer, der mindestens teilweise eine transparente Wandfläche aufweist. Der Wachstumscontainer kann jedoch auch zwei oder mehr transparente Wandflächen aufweisen. Die transparente Wandfläche sollte so groß gewählt werden, dass die Optode mit Licht ausreichend angeregt und das Signal der Optode entsprechen ausgewertet werden kann und der Organismus der untersucht werden soll, ebenfalls ausreichend durch die optische Erfassungseinheit belichtet und die Bilddaten erfasst werden können. Die transparente Wandfläche sollte mindestens für Licht der Wellenlänge durchlässig sein, die von der Beleuchtungseinheit emittiert wird. Dies kann beispielsweise Licht im Infrarotlichtspektrum und sichtbaren Lichtspektrum sein. In einer vorteilhaften Ausführung des Wachstumscontainers ist die Wandfläche, die sich hinter der transparenten Wandfläche befindet, mit einem dunklen, nicht reflektierenden und stark absorbierenden Material abgedeckt. Dies kann beispielsweise schwarzer Samt oder ein ähnliches Material sein. Dieses Material dient zur Vermeidung von rückstreuendem Licht und anderen optischen Effekten. Der Wachstumscontainer sollte eine dreidimensionale Ausgestaltung aufweisen und kann beispielsweise die Form eines Würfels, Quaders oder eines Zylinders haben. Petrischalen sind ebenfalls als Wachstumscontainer geeignet. Der Wachstumscontainer ist mit Wachstumsmedium gefüllt. Unter Wachstumsmedium ist hierbei ganz allgemein der Raum zu verstehen, welcher den zu beobachtenden Organismus bzw. das Organ umgibt, dessen Wachstum zulässt und somit die Lebensumwelt darstellt. Das Wachstumsmedium kann vielfältiger Natur sein, wobei es sich sowohl um ein natürliches Substrat (beispielsweise Boden, Erde, Sand) als auch um „halb”-synthetische Substrate (beispielsweise Agar, Hydrokulturen, Luftkulturen) handeln kann. Auch der Einsatz von anderen Wachstumsmedien, wie beispielsweise vollsynthetischen, quellfähigen Substitutionsmedien ist möglich. Bei der Betrachtung pflanzlicher Wurzelsysteme wird das Wachstumsmedium typischerweise als die Rhizosphäre bezeichnet. Der Wachstumscontainer wird in diesem Fall dann als Rhizotron bezeichnet. Ist das Wachstumsmedium beispielsweise Agar so sollte dieses mit der entsprechend an den zu untersuchenden Organismus angepassten Nährlösung angereichert sein. Dazu kann beispielsweise eine Hoaglandlösung in verschiedenen Abwandlungen oder jede andere für Pflanzenanzuchten geeignete Nährlösung verwendet werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch mehrere Wachstumscontainer untersucht werden, die dann beispielsweise automatisiert jeweils ausgetauscht und gemessen werden können. So kann beispielsweise ein Petrischalenrad vermessen werden, bei dem die Petrischalen durch einen gesteuerten Motor jeweils immer ausgetauscht und in die erforderliche Richtung/Position für die Beleuchtungseinheit und optische Erfassungseinheit gebracht werden. (s. a. 1)
As a light source, for example, a cold light source is suitable. Furthermore, the light sources may be one or more monochromatic LEDs or an LED cluster in which the emission of the LEDs for excitations of the individual excitation wavelengths of the fluorophores have a non-overlapping spectrum. The "Full Half Width" of the LEDs must ideally be as narrow as possible. The light source may further consist of one or more layers of transparent self-illuminating monochromatic OLEDs for each of the wavelengths required for the fluorophores. The emission of the OLEDs for excitations of the individual excitation wavelengths of the fluorophores should also have a non-overlapping spectrum. The "Full Half Width" of the OLEDs must ideally be as narrow as possible. In front of the light source, a filter wheel or a filter changer can be arranged, which allows a change between at least two filters. As a filter, for example, a "narrow band" filter having a small "small half width" of, for example, 15 nm for the excitation wavelength or wavelengths resulting from the selection of the immobilized fluorophores and the respective fluorescence measurement method can be used. For HPTS and the dual excitation / single emission method, for example, the use of two filters in the range of 405 nm or 450 nm is required. Depending on the used Fluorophore and its required excitation wavelength can also be an infrared transmission filter, the only infrared light above 700 nm, but no light from the range of the visible and UV light range, passes. Furthermore, it may be advantageous to provide the light source together with a diffuser, with the help of a homogeneous illumination is achieved.
  • b) Optical detection unit consisting of, for example, at least one analog or digital camera. The optical detection unit serves, on the one hand, to acquire the image data / image signals which are emitted by the organism / growth system to be examined and which are required for detecting the growth process and, on the other hand, to detect the fluorescence light emitted by the fluorophores. As a camera, for example, a CCD camera can be used. The camera may be provided with a filter / notch filter which allows only the passage of light of a certain wavelength. This may, for example, be the light of the wavelength corresponding to the excitation wavelength of the fluorophore on the optode or, in the case of acquisition of image data of the growth process, the light of the wavelength required to acquire and analyze the growth of the organism to be examined. For the detection of growth processes, for example, light in the near infrared light spectrum is suitable. The filter can be arranged in front of the lens of the camera. It can alternatively be arranged behind the lens with an optional tube extension in front of the sensor of the camera. The optical detection unit can also have at least two cameras. The first camera then serves to detect and record the chemical-physical parameters (eg pH value) in which the emission of the fluorescence light is measured. This camera should have a "Narrow Band Filter" with a narrow "Full Half Width" (= half width: width of the total emitted wavelength spectrum at half the height of the emission maximum). The second camera is then used to capture the growth data. For this application, for example, an infrared pass-through filter can be arranged on the camera, which allows only infrared light to pass through the filter. It is thus detected by this camera, only the infrared light that was used to capture the object to be examined to illuminate the same.
  • c) At least one growth cantainer having at least partially a transparent wall surface. However, the growth container may also have two or more transparent wall surfaces. The transparent wall surface should be chosen so large that the optode sufficiently excited with light and the signal of the optode can be evaluated and the organism to be examined, also sufficiently exposed by the optical detection unit and the image data can be detected. The transparent wall surface should be transmissive at least to light of the wavelength emitted by the illumination unit. This can be, for example, light in the infrared light spectrum and visible light spectrum. In an advantageous embodiment of the growth container, the wall surface, which is located behind the transparent wall surface, covered with a dark, non-reflective and highly absorbent material. This can be, for example, black velvet or a similar material. This material is used to prevent backscattering light and other optical effects. The growth container should have a three-dimensional design and may for example have the shape of a cube, cuboid or a cylinder. Petri dishes are also suitable as growth containers. The growth container is filled with growth medium. The term "growth medium" is to be understood in general as the space surrounding the organism or organ to be observed, which allows its growth and thus represents the living environment. The growth medium may be of a variety of nature, which may be both a natural substrate (e.g., soil, soil, sand) and "semi" synthetic substrates (eg, agar, hydroponics, air cultures). The use of other growth media, such as fully synthetic, swellable substitution media is possible. When considering plant root systems, the growth medium is typically referred to as the rhizosphere. The growth container is then referred to as rhizotron in this case. If the growth medium is, for example, agar, this should be enriched with the appropriate nutrient solution adapted to the organism to be examined. For this purpose, for example, a Hoagland solution in various modifications or any other suitable for plant growing nutrient solution can be used. With the device according to the invention, it is also possible to examine a plurality of growth containers, which can then be exchanged and measured, for example automatically, in each case. Thus, for example, a Petri dish wheel can be measured, in which the Petri dishes are always replaced by a controlled motor and placed in the required direction / position for the lighting unit and optical detection unit. (Sat. 1 )

Die Beleuchtungseinheit kann in einer vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung direkt planar auf der Frontseite des transparenten Wachstumscontainers aufgebracht sein. Die Beleuchtungseinheit kann hierbei sowohl kameraseitig als auch auf der entgegengesetzten Seite angebracht werden. Die Beleuchtungseinheit ist bei dieser Ausgestaltung derart zu positionieren, dass die transparente Seite des Containers so homogen wie möglich ausgeleuchtet wird. Bei der Positionierung ist darauf zu achten, dass Totalreflektionen und andere Lichteffekte möglichst vermieden werden. Dies kann beispielsweise durch eine Anordnung der Beleuchtungseinheit in einem Winkel von unter 90° (Winkel zwischen Kamera und Strahlengang der Beleuchtungseinheit, wobei entweder die Kamera oder die Beleuchtungseinheit orthogonal auf die Fläche des transparenten Wachstumscontainers sowie die Fläche der transparenten Optode ausgerichtet ist) erfolgen. Beispielhaft kann die Lichtquelle in einem 30° Gradwinkel angebracht werden. Abweichende Winkel in einem Bereich von 0 bis 90° Grad sind bei der Messung bei Bedarf aber ebenfalls möglich. Der Wachstumscontainer kann ebenfalls in einem Winkel von unter 90° horizontal geneigt zur Beleuchtungseinheit und zur optischen Erfassungseinheit angeordnet sein, so dass zum einen Totalreflektionen vermieden werden und zum anderen das Wachstum in Richtung der Optode erfolgt, so dass die transparente planare Optode mit dem Wachstumsmedium kontaktieren kann.

  • d) eine planare, transparente Optode Eine im Rahmen der Erfindung geeignete planare, transparente Optode zur Messung der chemisch und/oder physikalischen Parameter, beispielsweise des pH-Wertes, die sich, wenn sie mit einem Film flüssigen Wassers benetzt ist, durch eine Transparenz auszeichnet, die beispielsweise alle in Walter et al. (2009) genannten Verfahren zur Messung von Wachstumsprozessen von Wurzeln ermöglicht (wie z. B. DISP und GROWSCREEN root), und den Fluoreszenzfarbstoff immobilisiert, kann kann wie folgt hergestellt werden: Eine Celluloseacetat-Folie (z. B. von Clarifoil®) wird mit einem Ethylcellulose-Polymer beschichtet, in welches der Fluoreszenzfarbstoff HPTS (8-Hydroxy-1,3,6-Trisulfonsäure) immobilisiert wird.
In an advantageous embodiment of the device, the illumination unit can be applied directly planar on the front side of the transparent growth container. The lighting unit can be mounted both on the camera side and on the opposite side. The lighting unit is to be positioned in this embodiment such that the transparent side of the container is illuminated as homogeneously as possible. When positioning it is important to avoid total reflections and other lighting effects as possible. This can be done, for example, by arranging the illumination unit at an angle of less than 90 ° (angle between camera and beam path of the illumination unit, either the camera or the illumination unit being oriented orthogonally to the surface of the transparent growth container and the surface of the transparent optode). By way of example, the light source can be mounted at a 30 ° angle. Deviating angles in a range of 0 to 90 ° degrees are also possible when measuring if required. The growth container can also be arranged at an angle of less than 90 ° horizontally inclined to the illumination unit and the optical detection unit, so that on the one hand, total reflections are avoided and on the other hand, the growth in the direction of the optode takes place, so that the transparent planar optode contact the growth medium can.
  • d) a planar, transparent optode A planar, transparent optode suitable for the purposes of the invention for measuring the chemical and / or physical parameters, for example the pH, which, when wetted with a film of liquid water, is characterized by transparency for example, all in Walter et al. (2009) procedure referred to measure growth processes of roots allows (. such as DISP and GROWSCREEN root), and immobilizes the fluorescent dye, can be prepared as follows: A cellulose acetate film (. eg Clarifoil ®) is reacted with an ethyl cellulose Polymer in which the fluorescent dye HPTS (8-hydroxy-1,3,6-trisulfonic acid) is immobilized.

Zur Herstellung der Lösung, mit welcher die Folie beschichtet wird, müssen zunächst zwei Lösungen bereitgestellt werden. Hier als Lösung 1 und Lösung 2 bezeichnet, welche danach gemischt werden. Die resultierende Lösung, welche hier als Lösung 3 bezeichnet wird, kann z. B. per Tauchbeschichtungsverfahren auf die Trägerfolie aufgebracht werden.To prepare the solution with which the film is coated, two solutions must first be provided. Herein referred to as solution 1 and solution 2, which are then mixed. The resulting solution, which is referred to here as solution 3, z. B. be applied by dip coating method on the carrier film.

Die Reagenzien zur Herstellung der Lösung 1 können sein:

  • a.) Tetraoctylammoniumhydroxid-Lösung (TOA+; 10%ige Lösung in Methanol) wird gemischt mit
  • b.) Ethanol (99.5%-ige Lösung), wobei die Tetraoctylammoniumhydroxid-Lösung an der entstandenen Gesamtlösung aus a) und b) einen Volumenanteil von 20% und die Ethanol-Lösung b) einen Volumentanteil von 80% an der Gesamtlösung aus a) und b) hat.
The reagents for preparing the solution 1 may be:
  • a.) Tetraoctylammonium hydroxide solution (TOA +, 10% solution in methanol) is mixed with
  • b.) ethanol (99.5% solution), wherein the tetraoctylammonium hydroxide solution in the resulting total solution of a) and b) has a volume fraction of 20% and the ethanol solution b) a volume fraction of 80% of the total solution of a) and b) has.

In diese Gesamtlösung aus a) und b) wird der Fluorophor, z. B. HPTS (8-Hydroxy-1,3,6-Trisulfonsäure) gegeben und gelöst, wobei der Fluorophor dann einen Anteil von 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent an der Gesamtlösung aus a) und b) hat.In this overall solution of a) and b) is the fluorophore, z. B. HPTS (8-hydroxy-1,3,6-trisulfonic acid) is added and dissolved, the fluorophore then has a proportion of 0.1 to 0.5 weight percent of the total solution of a) and b).

Die Reagenzien zur Herstellung der Lösung 2 können sein:

  • d) Ethanol (99.5%-ig) wird gemischt mit
  • e) Toluol (99.5%ig) zu einer Gesamtlösung aus d) und e) wobei Ethanol an der Gesamtlösung einen Volumenanteil von 40% und Toluol an der Gesamtlösung einen Volumenanteil von 60% hat.
The reagents for preparing the solution 2 may be:
  • d) ethanol (99.5%) is mixed with
  • e) toluene (99.5% pure) to a total solution of d) and e) wherein ethanol in the total solution has a volume fraction of 40% and toluene in the total solution has a volume fraction of 60%.

In diese Gesamtlösung aus d) und e) wird Ethyl-Zellulose (Ethoxyl Gehalt 48%) gegeben und gelöst, wobei der Anteil von Ethyl-Zellulose dann einen Anteil von 0,59 Gewichtsprozent an der Gesamtlösung von d) und e) hat.Ethyl cellulose (ethoxyl content 48%) is added to and dissolved in this total solution from d) and e), the proportion of ethyl cellulose then being 0.59% by weight of the total solution of d) and e).

Zur Herstellung der Lösung 3 werden die Lösungen 1 und 2 im Verhältnis 1 zu 2,125 gemischt. Nach dem Tauchbeschichtungsverfahren (Dip-Coating) wird die Optode getrocknet, in Milli-Q-Wasser gespült und kann getrocknet aufbewahrt werden.To prepare solution 3, solutions 1 and 2 are mixed in a ratio of 1 to 2.125. After the dip-coating process, the optode is dried, rinsed in Milli-Q water and can be kept dried.

Für das Tauchbeschichtungsverfahren können alle nach dem Stand der Technik bekannten Bedingungen gewählt werden. Als besonders geeignet hat sich ein 1- bis 3-faches ca. 10-sekündiges Eintauchen des Trägermaterials in die fluoreszenzfarbstoffhaltige Lösung erwiesen, wobei nachfolgend das Trägermaterial mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 cm/Sekunde aus der Lösung herausgezogen wurde. Als Fluorophore und Polymere sind grundsätzlich auch alle nach dem Stand der Technik bekannten Verbindungen geeignet, die in den jeweils bekannten Lösungsmitteln gelöst werden können.For the dip coating method, all conditions known in the art may be selected. It has proven to be particularly suitable to immerse the carrier material into the solution containing fluorescent dye 1 to 3 times for about 10 seconds, with the carrier material subsequently being withdrawn from the solution at a rate of about 1 cm / second. As fluorophores and polymers, in principle, all known from the prior art compounds are suitable, which can be dissolved in the respective known solvents.

Die verwendeten Optoden sollen im Sinne der Erfindung über den sichtbaren Bereich des Spektrums sowie über den Nahinfraroten Bereich des Spektrums 1.) eine maximale Transmissivität, 2.) ein maximales Auflösungsvermögen sowie 3.) einen maximalen Grauwert-Kontrast besitzen, um die Messung von Wachstumsparametern (vgl. Walter et al., 2009 ) möglichst nicht zu beeinträchtigen.For the purposes of the invention, the optodes used are intended to cover the visible region of the spectrum as well as the near-infrared region of the spectrum 1) a maximum transmissivity, 2) a maximum Resolution) and 3.) have a maximum gray-scale contrast to the measurement of growth parameters (see. Walter et al., 2009 ) not to be affected.

Je nachdem ob mehrere Fluorophore und/oder Ionophor-Schichten (ionenselektive Schichten, um gezielt nur einen Analyten an den Fluorophor gelangen zu lassen) in die Optode eingebracht werden ist ggf. sogar eine gleichzeitige Messung mehrerer chemischer Analyte und/oder physikalischer Parameter möglich.Depending on whether several fluorophores and / or ionophore layers (ion-selective layers, in order to selectively allow only one analyte to reach the fluorophore) are introduced into the optode, a simultaneous measurement of a plurality of chemical analytes and / or physical parameters may even be possible.

Weitere Vorteile der Optode sind

  • a) die gleichzeitige hohe Abriebfestigkeit der Polymerschicht, die auf den Träger aufgebracht ist und den Fluorophor enthält (Polymerschicht kann unter fließendes Wasser gehalten werden, ohne sich abzulösen),
  • b) die starke Immobilisierung des Fluorophors (beispielweise HPTS diffundiert nicht aus der Polymerschicht), sowie
  • c) die hohe Sensitivität ( Zhu et al. 2005 ) der Optode.
Other advantages of the optode are
  • a) the simultaneous high abrasion resistance of the polymer layer, which is applied to the carrier and contains the fluorophore (polymer layer can be kept under running water without dissolving),
  • b) the strong immobilization of the fluorophore (for example, HPTS does not diffuse from the polymer layer), as well as
  • c) the high sensitivity ( Zhu et al. 2005 ) of the optode.

Zhu et al. (2005) schreiben, dass HPTS als einer der besten Indikatoren zur fluoreszenzspktrometrischen pH-Messung gilt, da HPTS eine exzellente Fotostabilität, eine hohe Fluoreszenzquantenausbeute, und weitere vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Immobilisierung des Fluorophors HPTS festzustellen. HPTS ist im Vergleich zu anderen Fluorophoren besonders gut erforscht ( Zhu et al. 2005 ), stabil gegenüber fotolytischem Abbau des Moleküls durch Lichteinstrahlung ( Zhu et al. 2005 ). In vielen Fällen können beispielsweise auch Ionophore in oder auf die Optode ein- oder aufgebracht werden. Die Optode ist so angeordnet, dass die Seite, die mit dem Fluorophor beschichtet ist, mit dem Wachstumsmedium kontaktiert. Es beispielsweise auch möglich, dass zwei bis mehrere Optoden innerhalb des Wachstumscontainers gleichzeitig eingesetzt werden, mit denen dann beispielsweise die Parameter pH-Wert, Ammoniumkonzentration oder andere Salzkonzentrationen erfasst werden können.

  • e) Ein Steuerungseinheit. Dies kann zur Steuerung der Vorrichtungskomponenten wie beispielsweise der Beleuchtungseinheit und der optischen Erfassungseinheit eingesetzt werden.
  • f) Eine elektronische Datenerfassungs- und Auswerteeinheit (oder Embedded Computer). Hier können die ermittelten Daten/Bilddaten gespeichert und mittels spezieller Auswerteverfahren und Auswerteprogramme ausgewertet werden.
Zhu et al. (2005) write that HPTS is considered to be one of the best indicators of fluorescence spectrometric pH measurement because HPTS has excellent photostability, high fluorescence quantum yield, and other advantageous properties. These properties are particularly noticeable in immobilization of the fluorophore HPTS. HPTS is particularly well-researched compared to other fluorophores ( Zhu et al. 2005 ), stable to photolytic degradation of the molecule by light irradiation ( Zhu et al. 2005 ). In many cases, for example, ionophores can also be incorporated or applied in or on the optode. The optode is arranged so that the side coated with the fluorophore contacts the growth medium. For example, it is also possible for two or more optodes to be used simultaneously within the growth container with which, for example, the parameters pH value, ammonium concentration or other salt concentrations can then be recorded.
  • e) A control unit. This can be used to control the device components such as the illumination unit and the optical detection unit.
  • f) An electronic data acquisition and evaluation unit (or embedded computer). Here, the determined data / image data can be stored and evaluated by means of special evaluation methods and evaluation programs.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung

  • g) als elektronische Datenerfassungs-/Auswerteeinheit einen Computer mit einem mathematischen Auswerteprogramm, wie beispielsweise MATLAB, The MathWORKS Inc. auf.
  • h) Eine Dunkelbox zur Abschirmung des zu untersuchenden Organismus/Wachstumscontainers vor störenden Außenlichteinflüssen und/oder insbesondere zur Abschirmung der optischen Erfassungseinheit, wie z. B der Kamera, der Optik, des Wachstumscontainers, der Beleuchtungseinheit wie z. B. der Lichtquelle, der Optoden und Filter vor Außeneinflüssen (wie beispielsweise externes Licht, Temperaturschwankungen). Eine optionale Zugangsklappe kann dabei optionale Wartungsarbeiten erleichtern.
In an advantageous embodiment, the device
  • g) as an electronic data acquisition / evaluation unit a computer with a mathematical evaluation program, such as MATLAB, The MathWorks Inc. on.
  • h) A dark box for shielding the organism / growth container to be examined against interfering external light influences and / or in particular for shielding the optical detection unit, such as, for example, B of the camera, the optics, the growth container, the lighting unit such. As the light source, the optics and filter from external influences (such as external light, temperature fluctuations). An optional access door can facilitate optional maintenance.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemischer und/oder physikalischer Parameter, umfassend folgende Verfahrensschritte:

  • a) Erfassung der Wachstumsprozesse mittels bildgebender Methoden.
  • b) Erfassung der chemisch und/oder physikalischen Parameter durch Verwendung einer planaren, transparenten Optode, wobei die Daten aus a) und b) simultan und parallel zueinander gewonnen werden.
The invention further relates to a method for non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters, comprising the following method steps:
  • a) Recording the growth processes by means of imaging methods.
  • b) detection of the chemical and / or physical parameters by using a planar, transparent optode, wherein the data from a) and b) are obtained simultaneously and in parallel with each other.

Eine vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch

  • a) Einbringen eines Wachstumsmediums in einen Wachstumscontainer.
  • b) Einbringen einer transparenten, planaren Optode in den Wachstumscontainer, so dass die Seite der Optode, die mit dem Fluorophor beschichtet ist, mit dem Wachstumsmedium kontaktiert.
  • c) Einbringen des Untersuchungsobjekts in das Wachstumsmedium des Wachstumscontainers und Kultivieren unter Kulturbedingungen.
  • d) Belichten des Wachstumscontainers durch eine Beleuchtungseinheit mit Licht einer Wellenlänge, das im Anregungswellenlängenbereich des jeweiligen Fluorophors der Optode liegt.
  • e) Belichten des Untersuchungsobjekts im Wachstumscontainer:
  • f) Aufnahme von Bilddaten aus e) und des emittierten Fluoreszenzlichts aus d) mit einer optischen Erfassungseinheit:
  • g) Auswerten der Daten aus f).
An advantageous embodiment of the method is characterized by
  • a) introducing a growth medium into a growth container.
  • b) introducing a transparent, planar optode into the growth container such that the side of the optode coated with the fluorophore contacts the growth medium.
  • c) introducing the examination object into the growth medium of the growth container and culturing under culture conditions.
  • d) exposing the growth container by an illumination unit with light of a wavelength which lies in the excitation wavelength range of the respective fluorophore of the optode.
  • e) Exposing the examination object in the growth container:
  • f) taking image data from e) and the emitted fluorescent light from d) with an optical detection unit:
  • g) Evaluation of the data from f).

Die Erfindung bietet neuartige Lösungen und Anwendungen für mehrere wirtschaftliche und wissenschaftliche Zwecke. Dabei ist beispielsweise vor allem die Nutzpflanzenwissenschaft zu nennen, der die erfindungsgemäßen Verfahren und Methoden die Möglichkeit eröffnen, auf den Gebieten der Pflanzenzuchtwissenschaft sowie der Pflanzenschutzwissenschaft Screenings durchzuführen. Diese Screenings können beispielsweise der Untersuchung des Potentials verschiedenen Pflanzentypen (beispielsweise Sorten, Biotypen, Ökotypen, Mutanten, Arten, Transgenen, Hybriden u. a.) dienen, mit ihrer Umwelt im gewünschten Sinne auf chemisch-physikalische Weise zu interagieren. Anwendungen finden sich demnach in der kombinierten, simultanen Messung von chemisch-physikalischen Wechselwirkungen, welche von Lebewesen, Geweben oder Zellkolonien auf das Wachstumssubstrat oder Wachstumsmedium ausgehen, oder umgekehrt vom Wachstumssubstrat oder Wachstumsmedium auf Lebewesen, Geweben oder Zellkolonien ausgehen, sowie der räumlichen und zeitlichen Auswirkungen und Verteilungen von Schadstoffen, Xenobiotika, Nährstoffen oder anderen biologischen, chemischen und physikalischen Stimuli und gleichzeitiger bildgebender und bildanalytischer Erfassung von Wachstumsparametern, mit dem Ziel z. B. eines Sorten/Ökotypen-Screenings, Stoffwechsel-Monitorings, Toleranz- und/oder Resistenz-Screenings und/oder -Monitorings, in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Dabei kann eine Anwendung beispielsweise auch in der Untersuchung des Nährstoffaufnahmevermögens einer Pflanze bestehen, oder in der Untersuchung eines Herbizideffekts auf Stoffwechselprozesse der Rhizosphäre, oder Toleranzen von Pflanzen gegenüber Umweltgiften im Fokus stehen. Von besonderem Interesse sind in wirtschaftlicher Hinsicht unter letztgenannten Pflanzen insbesondere Nutzpflanzen sowie Ruderalpflanzen/Unkräuter zu verstehen. Ein weiteres beispielhaftes Anwendungsfeld besteht somit auch in den Umweltwissenschaften und der Umwelttoxikologie. Eine denkbare Anwendung könnte z. B. darin bestehen, den Einfluss von Umweltgiften (z. B. Schwermetalle) auf die Wechselwirkungen zwischen Wurzel und Boden in der Rhizosphäre aufzuzeigen und zu quantifizieren. Die Deposition und Konzentration von Schwermetallen in Ökosystemen nimmt gegenwärtig weltweit zu und stellt seit Jahren einen Schwerpunkt der umwelttoxikologischen Forschung dar. The invention offers novel solutions and applications for several economic and scientific purposes. Here, for example, especially the crop science should be mentioned, which open up the methods and methods of the invention, the possibility to perform screenings in the fields of plant science and crop science. These screenings may, for example, serve to study the potential of various plant types (for example, varieties, biotypes, ecotypes, mutants, species, transgenes, hybrids, etc.) to interact with their environment in the desired manner in a chemical-physical manner. Accordingly, applications are found in the combined, simultaneous measurement of chemical-chemical interactions that emanate from living organisms, tissues or cell colonies on the growth substrate or growth medium, or conversely from the growth substrate or growth medium on living beings, tissues or cell colonies, as well as the spatial and temporal effects and distributions of pollutants, xenobiotics, nutrients or other biological, chemical and physical stimuli, and at the same time imaging and image analysis of growth parameters, with the aim of: As a variety / ecotype screening, metabolic monitoring, tolerance and / or resistance screening and / or monitoring, in high spatial and temporal resolution. In this case, for example, an application in the study of the nutrient uptake capacity of a plant, or in the study of a herbicidal effect on metabolic processes of the rhizosphere, or tolerances of plants to environmental toxins in focus. From an economic point of view, the latter plants are of particular interest, in particular crops and ruderal plants / weeds. Another exemplary field of application thus also exists in environmental sciences and environmental toxicology. A conceivable application could z. This includes, for example, identifying and quantifying the influence of environmental toxins (eg heavy metals) on root-soil interactions in the rhizosphere. The deposition and concentration of heavy metals in ecosystems is currently increasing worldwide and has been a major focus of environmental toxicological research for years.

Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren näher erläutert.Furthermore, the invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments and the attached figures.

Es zeigen:Show it:

1: Schematische Gesamtübersicht der Vorrichtung: 1 : Schematic overview of the device:

2: Wachstumscontainer in Form einer Petrischale: 2 : Growth container in the form of a Petri dish:

3: Wachstumscontainer in Form eines Rhizotrons: 3 : Growth container in the form of a rhizotron:

4: Wachstumscontainer in Form einer Hydrokultur: 4 : Growth container in the form of a hydroponic culture:

5: Anordnung der Vorrichtung mit schematischer Darstellung des Verfahrensablaufs: 5 : Arrangement of the device with a schematic representation of the process sequence:

6: Relative Transmissivität (%) einer Optode nach Stand der Technik (a) im Vergleich zur Transmissivität der erfindungsgemäßen, transparenten, planaren Optode (b) für Licht im Wellenlängenbereich zwischen 180 bis 900 nm; Abszisse X: Wellenlänge (nm); Ordinate Y: relative Transmissivität (%). 6 Relative transmissivity (%) of a prior art optode (a) compared to the transmissivity of the inventive transparent, planar optode (b) for light in the wavelength range between 180 to 900 nm; Abscissa X: wavelength (nm); Ordinate Y: relative transmissivity (%).

7: Absorptionsspektren und beispielhaftes Emissionsspektrum (E) der transparenten, planaren Optode mit HPTS in Abhängigkeit verschiedener pH-Werte (pH 5,3; pH 9,7). 7 : Absorption spectra and exemplary emission spectrum (E) of the transparent, planar optode with HPTS as a function of different pH values (pH 5.3, pH 9.7).

Es zeigt 1 beispielhaft eine schematische Gesamtübersicht der Vorrichtung mit:

  • a: Wurzel eines Pflanzensprosses,
  • b: Wachstumscontainer (z. B. Rhizotron, Petrischale),
  • c: planare, transparente Optode.
  • d: Wachstumsmedium bzw. Substrat,
  • e: Dunkelkammer,
  • f: Lichtquelle, z. B. zur Anregung der Fluorophore,
  • g: optionaler Vergrößerungstubus,
  • h: Kameraobjektiv,
  • i: Kamera,
  • j: Steuerungseinheit,
  • k: Computer als elektronische Auswerteeinheit,
  • l: weitere Wachstumscontainer in automatisierter Anlage (z. B. Petrischalenrad)
  • m: weitere Lichtquelle zur Beleuchtung des zu untersuchenden Organismus (z. B. Nahinfrarot-LEDs zur Wurzelbeleuchtung.
  • n: Filter bzw. Filterrad,
  • o: Sproß der Pflanze,
  • p: Winkel der Lichtquellen/Beleuchtungseinheit, variabel einstellbar,
It shows 1 by way of example a schematic overview of the device with:
  • a: root of a shoot,
  • b: growth containers (eg rhizotron, petri dish),
  • c: planar, transparent optode.
  • d: growth medium or substrate,
  • e: darkroom,
  • f: light source, e.g. To excite the fluorophores,
  • g: optional magnification tube,
  • h: camera lens,
  • i: camera,
  • j: control unit,
  • k: computer as an electronic evaluation unit,
  • l: additional growth containers in an automated system (eg Petri dish wheel)
  • m: further light source for illuminating the organism to be examined (eg near-infrared LEDs for root illumination.
  • n: filter or filter wheel,
  • o: shoot of the plant,
  • p: angle of the light sources / illumination unit, variably adjustable,

Es zeigt 2 die Seitenansicht eines Querschnitts durch eine mögliche Ausgestaltung des Wachstumscontainers als Petrischalensystem mit

  • a: Agarosegel,
  • b: Spross der Pflanze,
  • c: Wurzel,
  • d: Petrischale aus transparentem Polystyrol,
  • e: Bohrung in Petrischale als Sprossdurchlass,
  • f: planare Optode.
It shows 2 the side view of a cross section through a possible embodiment of the growth container as a Petri dish system with
  • a: agarose gel,
  • b: shoot of the plant,
  • c: root,
  • d: petri dish made of transparent polystyrene,
  • e: drilling in petri dish as a shoot passage,
  • f: planar optode.

Es zeigt 3 die Seitenansicht eines Querschnitts durch eine mögliche Ausgestaltung des Wachstumscontainers als Rhizotronsystem mit

  • a: Boden/Substratoberfläche,
  • b: Spross der Pflanze,
  • c: Wurzel,
  • d: Rahmen des Rhizotrons,
  • e: Sichtscheibe des Rhizotrons,
  • f: planare Optode,
  • g: Verschraubung der Sichtscheibe mit dem Rahmen des Rhizotrons.
It shows 3 the side view of a cross section through a possible embodiment of the growth container as Rhizotronsystem with
  • a: soil / substrate surface,
  • b: shoot of the plant,
  • c: root,
  • d: frame of the rhizotron,
  • e: lens of the rhizotron,
  • f: planar optode,
  • g: screwing the lens to the frame of the rhizotron.

Es zeigt 4 die Seitenansicht eines Querschnitts durch eine mögliche Ausgestaltung des Wachstumscontainers als Hydrokultursystem mit

  • a: Nährlösungsoberfläche,
  • b: Spross der Pflanze,
  • c: Wurzel,
  • d: Rahmen des Containers (wasserdicht abgedichtet),
  • e: Sichtscheibe des Containers,
  • f: planare Optode,
  • g: Verschraubung der Sichtscheibe mit dem Rahmen des Containers,
  • h: Lufteinspeisung für Belüftung.
It shows 4 the side view of a cross section through a possible embodiment of the growth container as a hydroponic system with
  • a: nutrient solution surface,
  • b: shoot of the plant,
  • c: root,
  • d: frame of the container (waterproof sealed),
  • e: lens of the container,
  • f: planar optode,
  • g: screwing the lens to the frame of the container,
  • h: Air infeed for ventilation.

Es zeigt 5 schematisch die Verknüpfung der einzelnen Vorrichtungskomponenten, mit deren Hilfe sich Wachstumsprozesse und sich dynamisch verändernde chemisch-physikalische Eigenschaften des Wachstumsmediums simultan erfassen lassen. Dargestellt werden folgende Vorrichtungskomponenten:

  • 1. Steuerungseinheit, welche die abwechselnde Beleuchtung des Untersuchungsobjektes durch einzelne monochromatische Lichtquellen in Intervallen, sowie die Auslösung der Kamera steuert. Das Intervall zwischen den jeweiligen Einzelbildaufnahmen, bzw. einzelnen ausgelösten Lichtblitzen, wird durch eine vorhandene vordefinierte Konfigurationsdatei und durch das Laufzeitprogramm der Steuerungseinheit bestimmt.
  • 2. LED 2: Lichtquelle für die Aufnahme von Wachstumsprozessen (beispielsweise 880 oder 920 nm).
  • 3. LED 3: Lichtquelle, welche mit dem zweiten Absorptionsmaximum des Absorptionsspektrums des auf der Optode aufgetragenen Fluorophores korrespondiert. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine LED mit einem schmalbandigen Emissionsmaximum handeln. (Im Falle von HPTS ist dies beispielsweise die Wellenlänge 450 nm).
  • 4. LED 4: Lichtquelle, welche mit dem ersten Absorptionsmaximum des Absorptionsspektrums des auf der Optode aufgetragenen Fluorophores korrespondiert. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine LED mit einem schmalbandigen Emissionsmaximum (Narrowband) handeln. (Im Falle von HPTS ist dies beispielsweise die Wellenlänge 405 nm).
  • 5. Intensität der Lichtquelle LED 4: a. Status aktiviert und integrierte Intensität der Lichtquelle, welche mit dem ersten Anregungsmaximums des Absorptionsspektrums des auf der Optode aufgetragenen Fluorophors korrespondiert, über die Zeit der Auslösung der Lichtquelle LED 4. Die Steuerungseinheit aktiviert LED 4 als Voraussetzung für Aufnahmen entsprechend 18 (Emission bei Anregung im ersten Absorptionsmaximum des verwendeten Fluorophores). b. Status inaktiviert, c. Status inaktiviert.
  • 6. Transparente, planare Optode.
  • 7. Intensität der Lichtquelle LED 2 d. Status inaktiviert, e. Status inaktiviert, f. Status aktiviert und integrierte Intensität der Lichtquelle LED 2 über die Zeit der Auslösung der Lichtquelle LED 2. Die Steuerungseinheit aktiviert LED 2 als Voraussetzung für Aufnahmen entsprechend 25 (Wachstumsaufnahmen in einem Spektralbereich, welcher nicht durch die Emission des Fluorophores beeinträchtigt wird).
  • 8. Intensität der Lichtquelle LED 3 g. Status inaktiviert, h. Status aktiviert und integrierte Intensität der Lichtquelle LED 3, welche mit dem zweiten Anregungsmaximums des Absorptionsspektrums des auf der Optode aufgetragenen Fluorophors korrespondiert, über die Zeit der Auslösung der Lichtquelle LED 3. Die Steuerungseinheit aktiviert LED 3 als Voraussetzung für Aufnahmen entsprechend 22 (Emission bei Anregung im zweiten Absorptionsmaximum des verwendeten Fluorophores). i. Status inaktiviert.
  • 9. Auf die Optode treffendes monochromatisches Licht der Wellenlänge von LED 4, welche mit der Wellenlänge des ersten Absorptionsmaximums des Absorptionsspektrums des auf der Optode aufgetragenen Fluorophors korrespondiert.
  • 10. Auf die Optode treffendes monochromatisches Licht der Wellenlänge von LED 3, welche mit der Wellenlänge des zweiten Absorptionsmaximums des Absorptionsspektrums des auf der Optode aufgetragenen Fluorophors korrespondiert.
  • 11. Auf die Probe (durch die transparente Optode hindurch) treffendes Licht von LED 2.
  • 12. Kameraverschluss (Shutter).
  • 13. Sperrfilter j. engbandiger Sperrfilter, welcher lediglich das Licht einer Wellenlänge durchlässt, welches mit dem Emissionsmaximum des verwendeten und auf der Optode aufgetragenen Fluorophors korrespondiert (bei HPTS beispielsweise 515 nm, bei Anregung mit Licht einer Wellenlänge des ersten Absorptionsmaximums). k. Engbandiger Sperrfilter, welcher lediglich das Licht einer Wellenlänge durchlässt, welches mit dem Emissionsmaximum des verwendeten und auf der Optode aufgetragenen Fluorophors korrespondiert (bei HPTS beispielsweise 515 nm, bei Anregung mit Licht einer Wellenlänge des zweiten Absorptionsmaximums). l. Breitbandiger Sperrfilter (für Wachstumsmessungen) beispielweise im Bereich des infraroten Spektrums. Der gewählte Spektralbereich des Filters kann dabei beliebig breit gewählt werden, umfasst jedoch idealerweise einen Bereich, in welchem gewünschte Strukturdiskriminierungen optimal und ohne Beeinflussung der zu untersuchenden Strukturen (z. B. Wurzelwachstum) gewährleistet sind.
  • 14. Von der Optode/Probe emittiertes/reflektiertes Licht m. Emission nach Anregung im ersten Absorptionsmaximum des Fluorophores. n. Emission nach Anregung im zweiten Absorptionsmaximum des Fluorophores. o. Von der Probe reflextiertes Licht im Infrarotbereich.
  • 15. Schließen des Kameraverschlusses
  • 16. Bildaufnahme,
  • 17. Kamera.
  • 18. Photographische Aufnahme (Bild) der Emission des auf der Optode aufgetragenen Fluoreszenzfarbstoffes (2-D) bei Anregung entsprechend dem ersten Absorptionsmaximums des verwendeten Fluoreszenzfarbstoffes.
  • 19. Sequenzielle Nummer n der in 18. erstellten Aufnahme innerhalb einer als Datei erstellten Bildsequenz.
  • 20. Belichtungszeit der photographischen Aufnahme 18.
  • 21. Intervall zwischen den Aufnahmen 18. und 22. (die Länge des Intervalls wird durch die programmierte Steuerungseinheit bestimmt).
  • 22. Photographische Aufnahme (Bild) der Emission des auf der Optode aufgetragenen Fluoreszenzfarbstoffes (2-D) bei Anregung entsprechend dem zweiten Absorptionsmaximums des verwendeten Fluoreszenzfarbstoffes.
  • 23. Sequentielle Nummer n der in 22. erstellten Aufnahme innerhalb einer als Datei erstellten Bildsequenz.
  • 24. Belichtungszeit der photographischen Aufnahme 22.
  • 25. Photographische Aufnahme (Bild) für die Erfassung von Wachstumsprozessen.
  • 26. Sequenzielle Nummer n der in 25. erstellten Aufnahme innerhalb einer als Datei erstellten Bildsequenz.
  • 27. Belichtungszeit der photographischen Aufnahme 25.
  • 28. Intervall zwischen den Aufnahmen 25. und derjenigen Aufnahme, mit welcher der jeweilige Messaufnahmenzyklus entsprechend analog 18. wieder beginnt.
  • 29. Ausgabe eines sekundengenauen bzw. millisekundengenauen Zeitstempels für jedes Einzelbild n der in 18., 22. und 25. erstellten sequentiellen Aufnahmen innerhalb der entsprechend 30. erstellten Protokolldatei oder in Form von Metadaten innerhalb der erstellten Bilddateien.
  • 30. Protokolldatei oder Metadatei innerhalb der erstellten Bilddatei.
  • 31. Hochzahlen der Sequenznummer n mit n + 3 für die Gesamtanzahl der Zyklen entsprechend 18. bis 30.
  • 33. Multi-TIFF Datei zur Speicherung von: p. Bildaufnahme aus 25. q. Bildaufnahme aus 45.
  • 34. Intervall zwischen den Aufnahmen 22. und 25. (die Länge des Intervalls wird durch die programmierte Steuerungseinheit bestimmt).
  • 35. Ablage der Bilder aus 25. In der Multi-TIFF Datei 33p.
  • 36. Auswertung von 33p mit Hilfe der Bildauswertungssoftware 37.
  • 37. Bildauswertungssoftware (z. B. DISP).
  • 38. Entrauschen der Bildaufnahmen 18./22./25. durch 10-fache Wiederholung der jeweiligen Bildaufnahmen und anschließender Mittelung der Bildaufnahmen.
  • 39. Erzeugung eines Dunkelbildes, ohne Einschalten einer Beleuchtung
  • 40. Auswertung der Fluoreszenzbilder.
  • 41. Bildung eines ratiometrischen Bildes aus 18. Und 22.
  • 42. Verrechnung von 39. Und 41, zu Dunkelkorrektur.
  • 43. Dunkel korrigiertes ratiometrisches Bild.
  • 44. Pixel für Pixel Korrektur von 43.
  • 45. Fertiges ratiometrisches Bild.
It shows 5 schematically the linkage of the individual device components, with the help of which growth processes and dynamically changing chemical-physical properties of the growth medium can be detected simultaneously. The following device components are shown:
  • 1 , Control unit, which controls the alternating illumination of the examination subject by individual monochromatic light sources at intervals, as well as the triggering of the camera. The interval between the respective single image recordings, or individual triggered light flashes, is determined by an existing predefined configuration file and by the runtime program of the control unit.
  • 2 , LED 2: Light source for recording growth processes (for example 880 or 920 nm).
  • 3 , LED 3: light source which corresponds to the second absorption maximum of the absorption spectrum of the fluorophore deposited on the optode. The light source may be, for example, an LED with a narrowband emission maximum. (In the case of HPTS this is for example the wavelength 450 nm).
  • 4 , LED 4: light source which corresponds to the first absorption maximum of the absorption spectrum of the fluorophore applied on the optode. The light source may be, for example, an LED with a narrowband emission maximum (narrow band). (In the case of HPTS this is for example the wavelength 405 nm).
  • 5 , Intensity of light source LED 4: a. Status activated and integrated intensity of the light source, which corresponds to the first excitation maximum of the absorption spectrum of the applied on the opto-fluorophore, over the time of triggering the light source LED 4. The control unit activates LED 4 as a prerequisite for recordings accordingly 18 (Emission upon excitation in the first absorption maximum of the fluorophore used). b. Status disabled, c. Status disabled.
  • 6 , Transparent, planar optode.
  • 7 , Intensity of the light source LED 2 d. Status disabled, e. Status disabled, f. Status activated and integrated intensity of the light source LED 2 over the time of triggering the light source LED 2. The control unit activates LED 2 as a prerequisite for recordings accordingly 25 (Growth in a spectral region, which is not affected by the emission of the fluorophore).
  • 8th , Intensity of the light source LED 3 g. Status disabled, h. Status activated and integrated intensity of the light source LED 3, which corresponds to the second excitation maximum of the absorption spectrum of the applied on the opto-fluorophore, over the time of triggering the light source LED 3. The control unit activates LED 3 as a prerequisite for recordings accordingly 22 (Emission upon excitation in the second absorption maximum of the fluorophore used). i. Status disabled.
  • 9 , Monochromatic light of the wavelength of LED 4 which impinges on the optode, which corresponds to the wavelength of the first absorption maximum of the absorption spectrum of the fluorophore deposited on the optode.
  • 10 , On the optode meeting monochromatic light of the wavelength of LED 3, which corresponds to the wavelength of the second absorption maximum of the absorption spectrum of the applied on the opto fluorophore.
  • 11 , Light from LED 2 striking the sample (passing through the transparent optode).
  • 12 , Camera shutter.
  • 13 , Barrier filter j. narrow-band stop filter, which transmits only the light of a wavelength which corresponds to the emission maximum of the fluorophore used and applied on the optode (in HPTS for example 515 nm, when excited with light of a wavelength of the first absorption maximum). k. Narrow-band stop filter, which only transmits the light of a wavelength which corresponds to the emission maximum of the fluorophore used and applied on the optode (in HPTS for example 515 nm, when excited with light of a wavelength of the second absorption maximum). l. Broadband blocking filter (for growth measurements), for example in the infrared spectrum. The selected spectral range of the filter can be chosen as wide as desired, but ideally includes a range in which desired structure discriminations are ensured optimally and without influencing the structures to be examined (eg root growth).
  • 14 , Light emitted / reflected by the optode / sample m. Emission after excitation in the first absorption maximum of the fluorophore. n. emission after excitation in the second absorption maximum of the fluorophore. o. Reflected light from the sample in the infrared range.
  • 15 , Close the camera shutter
  • 16 , Image capture,
  • 17 , Camera.
  • 18 , Photograph (picture) of the emission of the fluorescent dye (2-D) applied to the optode upon excitation corresponding to the first absorption maximum of the fluorescent dye used.
  • 19 , Sequential number n of in 18 , created within a sequence of images created as a file.
  • 20 , Exposure time of the photograph 18 ,
  • 21 , Interval between shots 18 , and 22 , (the length of the interval is determined by the programmed control unit).
  • 22 , Photograph (picture) of the emission of the fluorescent dye (2-D) applied to the optode upon excitation corresponding to the second absorption maximum of the fluorescent dye used.
  • 23 , Sequential number n of in 22 , created within a sequence of images created as a file.
  • 24 , Exposure time of the photograph 22 ,
  • 25 , Photographic image (image) for the detection of growth processes.
  • 26 , Sequential number n of in 25 , created within a sequence of images created as a file.
  • 27 , Exposure time of the photograph 25 ,
  • 28 , Interval between shots 25 , and that recording, with which the respective Meßaufnahmenzyklus analog analog 18 , starts again.
  • 29 , Output of a time-accurate or millisecond time stamp for each frame n in 18 ., 22 , and 25 , created sequential shots within the corresponding 30 , created log file or in the form of metadata within the created image files.
  • 30 , Log file or metafile within the created image file.
  • 31 , Sequences of the sequence number n with n + 3 corresponding to the total number of cycles 18 , to 30 ,
  • 33 , Multi-TIFF file for storing: p. Image capture off 25 , q. Image capture off 45 ,
  • 34 , Interval between shots 22 , and 25 , (the length of the interval is determined by the programmed control unit).
  • 35 , Filing the pictures 25 , In the multi-TIFF file 33p ,
  • 36 , Evaluation of 33p with the help of the image analysis software 37 ,
  • 37 , Image evaluation software (eg DISP).
  • 38 , Noise from the image recordings 18 ./ 22 ./ 25 , by 10-fold repetition of the respective image recordings and subsequent averaging of the image recordings.
  • 39 , Generation of a dark image, without switching on a lighting
  • 40 , Evaluation of the fluorescence images.
  • 41 , Formation of a ratiometric image 18 , And 22 ,
  • 42 , Offsetting 39 , And 41 , to dark correction.
  • 43 , Dark corrected ratiometric image.
  • 44 , Pixel by pixel correction of 43 ,
  • 45 , Finished ratiometric image.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemisch und/oder physikalischer Parameter ist wie folgt zu beschreiben:
Eine Steuerungseinheit (1) steuert die Aktivitäten verschiedener Lichtquellen (2, 3, 4) und einer Optischen Erfassungseinheit/Kamera (12, 17). Die Lichtquellen LED 3, 4 dienen dabei zur Anregung einer planaren, transparenten Optode (6) und LED 2 dient zur Erfassung von Wachstumsprozessen. Beginnend mit 5a wird die LED 4 aktiviert, während LED 2 und 3 inaktiv bleiben (7d & 8g). Das monochromatische Licht aus LED 4 (Schritt 9) regt die planare Optode (6) an und das dadurch emittierte Fluoreszenzlicht der Optode (Schritt 14m) passiert einen engbandigen Sperrfilter (13j) und trifft auf die Optischen Erfassungseinheit/Kamera (12, 17). Während einer definierten Aufnahme-/Belichtungszeit (20) wird eine zwei dimensionale Aufnahme der Fluoreszenz entsprechend dem ersten Absorptionsmaximum des verwendeten Fluorophores erstellt (18). Zum Entrauschen (Schritt 38) werden insgesamt 10 solcher Aufnahmen nacheinander erstellt (Schritt 38) und anschließend nach gängigen Verfahren als gemitteltes Bild mit einer sequenziellen Nummer (19) versehen und ein Zeitstempel (29) für jedes Einzelbild wird in einer Protokolldatei (30) abgelegt.The inventive method for non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters is described as follows:
A control unit ( 1 ) controls the activities of different light sources ( 2 . 3 . 4 ) and an optical detection unit / camera ( 12 . 17 ). The light sources LED 3, 4 serve to excite a planar, transparent optode ( 6 ) and LED 2 is used to detect growth processes. Starting with 5a LED 4 is activated while LEDs 2 and 3 remain inactive ( 7d & 8g ). The monochromatic light from LED 4 (step 9 ) excites the planar optode ( 6 ) and the fluorescent light of the optode emitted thereby (step 14m ) passes a narrow-band notch filter ( 13j ) and hits the optical detection unit / camera ( 12 . 17 ). During a defined recording / exposure time ( 20 ), a two-dimensional fluorescence image corresponding to the first absorption maximum of the fluorophore used is prepared ( 18 ). To denoise (step 38 ), a total of 10 such shots are created one after the other (step 38 ) and then by conventional methods as averaged image with a sequential number ( 19 ) and a timestamp ( 29 ) for each frame is displayed in a log file ( 30 ) filed.

Nach einem durch die Steuerungseinheit bestimmten Intervall (21) wird die nachfolgende Fluoreszenzaufnahme entsprechend dem zweiten Absorptionsmaximum des verwendeten Fluorophores erstellt. Dazu wird die LED 3 aktiviert (8h), während LED 4 und 2 inaktiv bleiben (7e & 5b). Das monochromatische Licht aus LED 3 (10) regt die planare Optode (6) an und das dadurch emittierte Fluoreszenzlicht (Schritt 14n) passiert einen engbandigen Sperrfilter (13k) und trifft auf die Optischen Erfassungseinheit/Kamera (12, 17). Während einer definierten Aufnahme-Belichtungszeit (24) wird eine zweidimensionale Aufnahme der Fluoreszenz entsprechend dem zweiten Absorptionsmaximum des verwendeten Fluorophores erstellt (22). Zum Entrauschen (38) werden insgesamt 10 solcher Aufnahmen nacheinander erstellt (38) und anschließend nach gängigen Verfahren als gemitteltes Bild mit einer sequenziellen Nummer (23) versehen und ein Zeitstempel (29) für jedes Einzelbild wird in einer Protokolldatei (30) abgelegt.After an interval determined by the control unit ( 21 ), the subsequent fluorescence image is created according to the second absorption maximum of the fluorophore used. For this the LED 3 is activated ( 8h ) while LEDs 4 and 2 remain inactive ( 7e & 5b ). The monochromatic light from LED 3 ( 10 ) excites the planar optode ( 6 ) and the fluorescent light emitted thereby (step 14n ) passes a narrow-band notch filter ( 13k ) and hits the optical detection unit / camera ( 12 . 17 ). During a defined exposure time ( 24 ), a two-dimensional recording of the fluorescence corresponding to the second absorption maximum of the fluorophore used is prepared ( 22 ). To the noise ( 38 ), a total of 10 such recordings are created one after the other ( 38 ) and then by conventional methods as averaged image with a sequential number ( 23 ) and a timestamp ( 29 ) for each frame is displayed in a log file ( 30 ) filed.

Nach einem durch die Steuerungseinheit bestimmten Intervall (34) wird die nachfolgende Aufnahme der Wachstumsprozesse und Strukturen erstellt. Dazu wird die LED 2 aktiviert (7f), während LED 3 & 4 inaktiv bleiben (8i & 5c). Das monochromatische Licht aus LED 2 (Schritt 11) passiert die transparente planare Optode (6) und trifft auf die dahinter befindliche Probe. Das anschließend von der Probe reflektierte Licht (14o) passiert einen breitbandigen Sperrfilter (13l) und trifft auf die Optischen Erfassungseinheit/Kamera (12, 17). Während einer definierten Aufnahme-/Belichtungszeit (27) wird eine zwei dimensionale Aufnahme der Wachstumsprozesse und Strukturen erstellt (25). Zum Entrauschen (38) werden insgesamt 10 solcher Aufnahmen nacheinander erstellt (38) und anschließend nach gängigen Verfahren als gemitteltes Bild mit einer sequenziellen Nummer (26) versehen und ein Zeitstempel (29) für jedes Einzelbild wird in einer Protokolldatei (30) abgelegt.After an interval determined by the control unit ( 34 ), the subsequent recording of growth processes and structures is created. For this the LED 2 is activated ( 7f ) while LEDs 3 & 4 remain inactive ( 8i & 5c ). The monochromatic light from LED 2 (step 11 ) the transparent planar optode ( 6 ) and hits the sample behind it. The light subsequently reflected by the sample ( 14o ) passes a broadband blocking filter ( 13l ) and hits the optical detection unit / camera ( 12 . 17 ). During a defined recording / exposure time ( 27 ) creates a two-dimensional image of the growth processes and structures ( 25 ). To the noise ( 38 ), a total of 10 such recordings are created one after the other ( 38 ) and then by conventional methods as averaged image with a sequential number ( 26 ) and a timestamp ( 29 ) for each frame is displayed in a log file ( 30 ) filed.

Nach einem durch die Steuerungseinheit bestimmten Intervall (28) beginnt die nächste Messreihe, wobei die sequenzielle Nummer der folgenden Aufnahme entsprechend der Gesamtzahl der abgeschlossenen Zyklen hoch gezählt wird (31). Die erstellten Aufnahmen (18./22./25.) werden anschließend wie folgt weiterverarbeitet: Die Bildverarbeitung der Fluoreszenzaufnahmen (40) beginnt mit der Bildung eines ratiometrischen Bildes aus 18. und 22. (41). Dieses Bild wird dann mit einem Dunkelbild (39) verrechnet um das Schwarzrauschen herauszufiltern. Das so entstandene korrigierte Bild (43) wird anschließend einer Pixel-Für-Pixel Korrektur gemäß einschlägiger Literatur unterzogen (44). Das daraus entstandene vollständig korrigierte Bild (45) wird in einem sogenannten Multi-TIFF Format abgelegt (33q) und kann von dort beliebig ausgelesen und weiterverarbeitet werden. Die Wachstums- oder Strukturaufnahmen (25) werden direkt in einem sogenannten Multi-TIFF Format abgelegt (33p).After an interval determined by the control unit ( 28 ) begins the next series of measurements, the sequential number of the following recording corresponding to the total number of completed Cycles is counted up ( 31 ). The shots taken ( 18 ./ 22 ./ 25 .) are then further processed as follows: The image processing of the fluorescence images ( 40 ) begins with the formation of a ratiometric image 18 , and 22 , ( 41 ). This image is then displayed with a dark image ( 39 ) to filter out the black noise. The resulting corrected image ( 43 ) is then subjected to a pixel-by-pixel correction according to relevant literature ( 44 ). The resulting completely corrected image ( 45 ) is stored in a so-called multi-TIFF format ( 33q ) and can be read from there and further processed. The growth or structural images ( 25 ) are stored directly in a so-called multi-TIFF format ( 33p ).

Dieses Bild wird dann während der weiteren Bildanalyse (36) mit einschlägiger Software (37) weiterverarbeitet.This image is then used during the further image analysis ( 36 ) with relevant software ( 37 ) further processed.

Es zeigt 6 sowie einige exemplarische Messwerte in Tabelle 3 die relative Transmissivität in % einer Optode nach dem Stand der Technik (a) im Vergleich mit der neuen erfindungsgemäßen Optode (b) in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Eine höchstmögliche optimale Lichtdurchlässigkeit und damit Durchsichtigkeit im gesamten Spektrum wäre bei einer 100%-igen Transmission des Lichts (Transmissivität) bei allen Wellenlängen gegeben. Wie der Vergleich der Optoden zeigt, weist die erfindungsgemäße Optode ab einer Wellenlänge von ca. 280 nm eine Transmission von mehr als 90% auf, während die Optode des Stands der Technik bei 280 nm nur eine relative Transmission von ca. 14,66% aufweist bis maximal 62% bei 852 nm.It shows 6 and some exemplary measured values in Table 3, the relative transmissivity in% of a prior art optode (a) in comparison with the new inventive optode (b) as a function of the wavelength. A maximum possible light transmittance and thus transparency in the entire spectrum would be given at a 100% transmission of light (transmissivity) at all wavelengths. As the comparison of the optodes shows, the optode according to the invention has a transmission of more than 90% from a wavelength of about 280 nm, while the optode of the prior art at 280 nm only has a relative transmission of about 14.66% up to a maximum of 62% at 852 nm.

Es zeigt 7 relative Absorptionsspektren in % und beispielhaft ein relatives Emissionsspektrum in % der erfindungsgemäßen Optode, die den Fluorophor HPTS enthält, bei unterschiedlichen pH-Werten. Ordinate X: Wellenlänge (nm); Abszisse Y: Relative Absorption bzw. Emission in % bezogen auf die eingestrahlte Lichtmenge. Die Optode weist zwei Absorptionsmaxima im Bereich von 1.) 405 nm auf und ein zweites Absorptionsmaximum bei 450 nm. Weiterhin weist sie ein Emissionsmaximum bei 515 nm auf. Damit zeigt sich, dass die erfindungsgemäße Optode für ratiometrische Fluoreszenzmessungen, wie schon zuvor beschrieben, geeignet ist. Es können zwei Anregungswellenlängen von 405 nm und 450 nm verwendet werden und eine Emissionswellenlänge von 515 nm. Tabelle 3: Relative Transmissivität der erfindungsgemäßen Optode und einer Optode nach dem Stand der Technik bei unterschiedlichen Wellenlängen Wellenlänge (nm) Relative Transmissivität (%) Erfindungsgemäße Optode Relative Transmissivität (%) Optode nach Stand der Technik 280 90,13 14,66 286 91,23 30,95 343 93,81 45,75 481 96,19 54,21 696 98,92 58,42 725 99,09 59,03 852 99,91 61,94 900 99,97 59,33 Tabelle 4: Relativer Grauwert-Kontrast (Differenz der Grauwerte) in % in Bezug auf die Referenz (Ohne Optode) bei fotographischen schwarz-weiß Aufnahmen von Punkten des Schrifttyps Times New Roman mit einer Punktgröße 128 mit einer Belichtung mit Licht der Wellenlänge von 880 nm. Ohne Optode Neue Optode Optode nach Stand der Technik Relativer Grauwertkontrast (Mittelwert) 100% 94% 11% It shows 7 relative absorption spectra in% and, for example, a relative emission spectrum in% of the optode according to the invention, which contains the fluorophore HPTS, at different pH values. Ordinate X: wavelength (nm); Abscissa Y: Relative absorption or emission in% based on the amount of light irradiated. The optode has two absorption maxima in the range of 1.) 405 nm and a second absorption maximum at 450 nm. Furthermore, it has an emission maximum at 515 nm. This shows that the optode according to the invention is suitable for ratiometric fluorescence measurements, as already described above. Two excitation wavelengths of 405 nm and 450 nm can be used and an emission wavelength of 515 nm. Table 3: Relative transmissivity of the optode according to the invention and a prior art optode at different wavelengths Wavelength (nm) Relative transmissivity (%) Optode according to the invention Relative Transmissivity (%) Optode of the prior art 280 90.13 14.66 286 91.23 30,95 343 93.81 45.75 481 96.19 54.21 696 98.92 58.42 725 99.09 59.03 852 99.91 61.94 900 99.97 59.33 Table 4: Relative gray value contrast (% of gray values) in% relative to the reference (without optode) in black and white photographic photographs of Times New Roman point dots with a dot size of 128 exposed to 880 nm wavelength light , Without optode New optode Optode according to the prior art Relative gray value contrast (mean) 100% 94% 11%

Tabelle 4 zeigt den relativen Grauwert-Kontrast (Differenz der Grauwerte) in Bezug auf die Referenz (Ohne Optode) bei fotographischen schwarz-weiß Aufnahmen von Punkten des Schrifttyps Times New Roman mit einer Punktgröße 128. (Siehe auch Tabelle 8) mit einer Belichtung mit Licht der Wellenlänge von 880 nm. Messort je in der Mitte des ganz rechten schwarzen Punktes (Schriftgröße 128) in der jeweiligen fotografischen Aufnahme unter Verwendung eines engbandigen Filters, welcher ausschließlich Licht mit der Wellenlänge 880 nm transmittieren lässt. Ein kleiner Wert zeigt einen geringen Grauwert-Kontrast zwischen weißen und schwarzen Bereichen in der fotografischen Aufnahme. Erwünscht ist ein Wert möglichst nahe am Wert ohne Optode (100%). Die erfindungsgemäße Optode weist die gewünschte verbesserte Eigenschaft gegenüber der Optode des Stands der Technik deutlich auf. Tabelle 5: Relativer Grauwert-Kontrast (Differenz der Grauwerte) in % in Bezug auf die Referenz (Ohne Optode) bei fotographischen schwarz-weiß Aufnahmen von Punkten des Schrifttyps Times New Roman mit einer Punktgröße 128 mit Belichtung mit sichtbarem Licht Ohne Optode Neue Optode Optode nach Stand der Technik Relativer Grauwertkontrast (Mittelwert) 100% 76% 7% Table 4 shows the relative gray value contrast (gray value difference) with respect to the reference (without optode) in photographic black-and-white photographs of Times New Roman point dots with a dot size of 128 (See also Table 8) with one exposure Light of the wavelength of 880 nm. Location in the middle of the rightmost black dot (font size 128) in the respective photographic image using a narrow-band filter, which transmits only light with the wavelength 880 nm. A small value shows a small gray value contrast between white and black areas in the photograph. Desirable is a value as close as possible to the value without optode (100%). The optode according to the invention clearly has the desired improved property over the prior art optode. Table 5: Relative gray level contrast (% of gray values) in% relative to the reference (without optode) in black and white photographic photographs of Times New Roman point dots with a 128 spot size exposed to visible light Without optode New optode Optode according to the prior art Relative gray value contrast (mean) 100% 76% 7%

Es zeigt Tabelle 5 den Relativen Grauwert-Kontrast (Differenz der Grauwerte) in Bezug auf die Referenz (Ohne Optode) bei fotographischen schwarz-weiß Aufnahmen von Punkten des Schrifttyps Times New Roman mit einer Punktgröße 128. (Siehe auch Tabelle 8) mit Belichtung mit sichtbarem Licht. Messort: je in der Mitte des ganz rechten schwarzen Punktes (Schriftgröße 128) sowie im Punkt zwischen den beiden Punkten mit der Schriftgröße 128 und 64 in der jeweiligen fotografische Aufnahme ohne Verwendung eines Filters. Ein kleiner Wert zeigt einen geringen Grauwert-Kontrast zwischen weißen und schwarzen Bereichen in der fotografischen Aufnahme. Erwünscht ist ein Wert möglichst nahe am Wert ohne Optode (100%). Die erfindungsgemäße Optode weist die gewünschte verbesserte Eigenschaft gegenüber der Optode des Stands der Technik deutlich auf. Tabelle 6: Relativer Durchmesser in Prozent des ganz rechten Punktes in der fotografischen Aufnahme (Schriftgröße 128) bei einer Belichtung mit Licht der Wellenlänge 880 nm als Maß für das Auflösungsvermögen Ohne Optode Neue Optode Optode nach Stand der Technik Relativer Durchmesser (Mittelwert) 100% 101% 124% Table 5 shows the relative gray value contrast (gray value difference) with respect to the reference (without optode) in photographic black-and-white photographs of points of the Times New Roman type with a dot size of 128. (See also Table 8) with exposure to visible light. Place of measurement: in the middle of the rightmost black dot (font size 128) as well as in the dot between the two dots with the font size 128 and 64 in the respective photographic shot without the use of a filter. A small value shows a small gray value contrast between white and black areas in the photograph. Desirable is a value as close as possible to the value without optode (100%). The optode according to the invention clearly has the desired improved property over the prior art optode. Table 6: Relative diameter as a percentage of the rightmost point in the photographic image (font size 128) when exposed to light of wavelength 880 nm as a measure of the resolution Without optode New optode Optode according to the prior art Relative diameter (mean) 100% 101% 124%

Es zeigt Tabelle 6 den Relativen Durchmesser in Prozent des ganz rechten Punktes in der fotografischen Aufnahme (Schriftgröße 128) bei einer Belichtung mit Licht der Wellenlänge 880 nm als Maß für das Auflösungsvermögen. Ein Wert nahe an 100% zeigt eine geringe Unschärfe und damit hohe Trennschärfe an. Erwünscht ist ein Wert möglichst nahe am Wert ahne Optode. Die erfindungsgemäße Optode weist die gewünschte verbesserte Eigenschaft gegenüber der Optode des Stands der Technik deutlich auf. Tabelle 7: Relativer Durchmesser in Prozent des ganz rechten Punktes in der fotografischen Aufnahme (Schriftgröße 128) bei einer Belichtung mit sichtbarem Licht als Maß für das Auflösungsvermögen Ohne Optode Neue Optode Im Handel erhältliche Optode Relativer Durchmesser (Mittelwert) 100% 104% 127% Table 6 shows the relative diameter in percent of the rightmost point in the photographic image (font size 128) when exposed to light of wavelength 880 nm as a measure of the resolution. A value close to 100% indicates a little blurring and thus high selectivity. Desirable is a value as close as possible to the value without optode. The optode according to the invention clearly has the desired improved property over the prior art optode. Table 7: Relative diameter as a percentage of the rightmost point in the photographic image (font size 128) when exposed to visible light as a measure of resolving power Without optode New optode Commercially available optode Relative diameter (mean) 100% 104% 127%

Es zeigt Tabelle 7 den Relativen Durchmesser in Prozent des ganz rechten Punktes in der fotografischen Aufnahme (Schriftgröße 128) bei einer Belichtung mit sichtbarem Licht als Maß für das Auflösungsvermögen. Ein Wert nahe an 100% zeigt ein geringes Undeutlich werden und damit hohe Trennschärfe an. Erwünscht ist ein Wert möglichst nahe am Wert ohne Optode. Die erfindungsgemäße Optode weist die gewünschte verbesserte Eigenschaft gegenüber der Optode des Stands der Technik deutlich auf. (Normalisierte arithmetische Mittel der Pixel-Durchmesser, Messwiederholungen = 15, Versuchswiederholungen = 2).Table 7 shows the Relative Diameter as a percentage of the rightmost point in the photographic image (font size 128) when exposed to visible light as a measure of resolving power. A value close to 100% indicates a slight indistinctness and thus high selectivity. Desirable is a value as close as possible to the value without optode. The optode according to the invention clearly has the desired improved property over the prior art optode. (Normalized Arithmetic Mean of Pixel Diameter, Repeats = 15, Repeats = 2).

1. Ausführungsbeispiel: 1st embodiment:

Kontinuierliche und simultane Erfassung des Wurzelwachstums sowie der Wurzelsystemarchitektur sowie der Wachstumsdynamik zum einen, und simultaner kontinuierlicher Erfassung des Rhizosphären-pH-Wertes von dikotylen Pflanzen, wie zum Beispiel Nicotiana tabacum oder Arabidopsis thaliana, die auf einem Agarosemedium als Kultursubstrat kultiviert werden, welches sich in Petrischalen als Kultivierungsgefäß befindet.Continuous and simultaneous detection of root growth and root system architecture as well as growth dynamics on the one hand, and simultaneous continuous detection of the rhizosphere pH of dicotyledonous plants, such as Nicotiana tabacum or Arabidopsis thaliana, cultivated on an agarose medium as a culture substrate found in Petri dishes is located as a culture vessel.

Die wie zuvor beschrieben hergestellten Optoden und in den folgenden Ausführungsbeispielen verwendeten Optode sind hinsichtlich ihrer Transparenz mit Sichtscheiben aus Glas oder Kunststoff vergleichbar, und ermöglicht eine Auswertung beispielsweise mit der Software GROWSCREEN-Root oder der Software GROW Map-Root ohne Einschränkungen.The optodes produced as described above and optodes used in the following embodiments are comparable in terms of transparency with lenses made of glass or plastic, and allows an evaluation example with the software GROWSCREEN root or the software GROW Map Root without restrictions.

Pflanzenanzucht:Plant propagation:

Sterilisation des Saatguts:Sterilization of the seed:

Pflanzensamen der zu untersuchenden Spezies werden innerhalb einer Sterilbank äußerlich sterilisiert, indem die Samen zunächst in 70%-igem Ethanol, in wässriger Lösung, für drei Minuten und danach in 0,5%-igem Natrium-Hypochlorit (inklusive einem Tropfen Tween auf 10 ml), in wässriger Lösung, für zehn Minuten inkubiert und danach gründlich mit autoklaviertem Wasser gespült werden.Plant seeds of the species to be tested are externally sterilized within a sterile bank by first placing the seeds in 70% ethanol, in aqueous solution, for three minutes and then in 0.5% sodium hypochlorite (including one drop of Tween to 10 ml ), in aqueous solution, for ten minutes and then rinsed thoroughly with autoclaved water.

Bereitung des Kulturmediums:Preparation of the culture medium:

In eine 33%-ige Hoaglandlösung werden 10 g Agarose pro L gegeben und das Gemisch anschließend autoklaviert, gut homogenisiert und bis zur Weiterverarbeitung verschlossen gelagert. Innerhalb einer Sterilbank wird das Medium in Petrischalen gegossen. Nach Aushärten der Agarose werden die Optoden auf das Agarosegel gelegt, so dass die mit dem Fluorophor beschichtete Seite möglichst ohne Lufteinschlüsse auf der Agarose aufliegt. Die Petrischalen werden mit Micropore-Band und Parafilm verschlossen.In a 33% Hoaglandlösung 10 g of agarose per L are added and the mixture then autoclaved, well homogenized and stored sealed until further processing. Within a sterile bench, the medium is poured into Petri dishes. After curing of the agarose, the optodes are placed on the agarose gel so that the side coated with the fluorophore rests on the agarose as far as possible without air inclusions. Petri dishes are sealed with micropore tape and parafilm.

Kultivierung der Pflanzen:Cultivation of the plants:

Die sterilisierten Samen werden innerhalb einer Sterilbank in Perforationen an der Schmalseite der Petrischale gesät und die Petrischale mit Parafilm verschlossen. Die Pflanzen werden bei geeigneten Klimabedingungen angezogen, wobei die Petrischalen mit der Seite, der die Optode aufliegt, um z. B. 45° nach innen gekippt wird (siehe 2).The sterilized seeds are sown within a sterile bench in perforations on the narrow side of the Petri dish and sealed the Petri dish with parafilm. The plants are grown in suitable climatic conditions, the Petri dishes with the side which rests the optode to z. B. 45 ° is tilted inwards (see 2 ).

Erfassung der zu messenden Parameter, Kameraeigenschaften, siehe 2. AusführungsbeispielDetection of the parameters to be measured, camera properties, see 2nd embodiment

2. Ausführungsbeispiel:2nd embodiment:

Kontinuierliche und simultane Erfassung des Wurzelwachstums sowie der Wurzelsystemarchitektur sowie der Wachstumsdynamik, und simultane kontinuierliche Erfassung des Rhizosphären-pH-Wertes von monokotylen oder dikotylen Pflanzen, wie zum Beispiel Nicotiana tabacum oder Arabidopsis thaliana, die auf Boden als Kultursubstrat kultiviert werden, welches sich in Rhizotronen als Kultivierungsgefäß mit mindestens einer transparenten Sichtscheibe befindet. Die in diesem Beispiel verwendete Optode ist hinsichtlich ihrer Transparenz mit Sichtscheiben aus Glas oder Kunststoff vergleichbar, und ermöglicht eine Auswertung beispielsweise mit der Software GROWSCREEN-Root oder der Software GROW Map-Root. Andere Auswerteverfahren sind jedoch ebenfalls möglich.Continuous and simultaneous detection of root and root system architecture and growth dynamics, and simultaneous continuous detection of the rhizosphere pH of monocotyledonous or dicotyledonous plants, such as Nicotiana tabacum or Arabidopsis thaliana, cultivated on soil as a culture substrate that resides in rhizotrons as a culture vessel with at least one transparent window. The optode used in this example is similar in terms of transparency with glass or plastic lenses, and allows an evaluation example using the software GROWSCREEN root or the software GROW Map Root. Other evaluation methods are also possible.

Pflanzenanzucht:Plant propagation:

Bereitung des Kultursubstrats:Preparation of the culture substrate:

Die Rhizotrone werden z. B. mit konventioneller Anzuchterde gefüllt. Danach wird die Sichtscheibe entfernt und von anhaftendem Boden gesäubert. Auf die im Rhizotron freigelegte Bodenfläche wird die planare Optode mit der Seite, die mit dem Fluorophor beschichtet ist, auf den Boden gelegt. Danach wird die Sichtscheibe auf die Optode gelegt und wieder befestigt. Alternativ kann die planare Optode auch an die entsprechende Stelle der Sichtscheibe mit beispielsweise Silikonfett angeheftet werden bevor der Boden in das Rhizotron eingefüllt wird. Somit würde es vermieden werden, dass beim Öffnen eines bereits gefüllten Rhizotrons die Bodenstruktur verändert wird. Die Rhizotrone werden in einem Winkel von z. B. 45° in Richtung der Sichtscheibe dauerhaft gelagert. Die Samen der zu untersuchenden Pflanzen werden in das Rhizotron gesät und bei geeigneten, artspezifischen Kultivierungsbedingungen kultiviert. (siehe 3).The rhizotrons are z. B. filled with conventional Anzuchterde. Then the lens is removed and cleaned from adhering soil. On the bottom surface exposed in the rhizotron, the planar optode is placed on the bottom with the side coated with the fluorophore. Thereafter, the lens is placed on the optode and fastened again. Alternatively, the planar optode can also be attached to the appropriate location of the lens with, for example, silicone grease before the soil is poured into the rhizotron. Thus it would be avoided that when opening an already filled Rhizotrons the soil structure is changed. The rhizotrons are at an angle of z. B. stored for 45 ° in the direction of the lens permanently. The seeds of the plants to be examined are sown in the rhizotron and cultivated under suitable, species-specific culturing conditions. (please refer 3 ).

Erfassung der zu messenden Parameter, KameraeigenschaftenAcquisition of the parameters to be measured, camera properties

Eine optischen Erfassungseinheit, beispielsweise eine CCD-Kamera oder ähnliches wird zur Sichtscheibe des Rhizotrons in einem definierten Abstand und Winkel arretiert, um reproduzierbare Aufnahmen zu erstellen. Die Beleuchtungseinheit, in der Regel monochromatische LEDs, werden analog zur optischen Erfassungseinheit ebenfalls arretiert. Beleuchtungs- und Erfassungseinheit werden über einen PC gesteuert ausgelöst, um in definierten Abständen Aufnahmen des Wurzelsystems und der Rhizosphären-pH-Dynamik zu erfassen. Die Erfassung des Wachstums des Wurzelsystems erfolgt beispielsweise mit Hilfe der Software ROOTFIND und basiert in der Regel auf Bildern der optischen Erfassungseinheit im bitmap Format. Eine vorgelagerte Konvertierung der Bilder in schwarz/weiß Format etc. ist dabei möglich, sofern die nachgelagerte Auswertungssoftware dies erfordert. Dabei werden z. B. die Länge und die Anzahl der sichtbaren Wurzeln automatisch erfasst und in gesonderten Datenfiles abgelegt. Die Kalibrierung der Aufnahmen erfolgt über den Abgleich der gezählten Wurzelpixel mit der Anzahl der Pixel von Objekten deren Länge und Dicke bekannt ist, und die ebenfalls im Bild erfasst sind (z. B. Kapillaren, etc.).An optical detection unit, such as a CCD camera or the like is locked to the viewing window of the rhizotron at a defined distance and angle to create reproducible recordings. The illumination unit, usually monochromatic LEDs, are also locked analogously to the optical detection unit. Illumination and detection units are controlled by a PC in order to record at defined intervals recordings of the root system and the rhizosphere pH dynamics. The detection of the growth of the root system, for example, using the software ROOTFIND and is usually based on images of the optical detection unit in bitmap format. An upstream conversion of the images in black / white format etc. is possible, if the downstream evaluation software requires it. This z. For example, the length and the number of visible roots are automatically recorded and stored in separate data files. The calibration of the images is done by comparing the counted root pixels with the number of pixels of objects whose length and thickness are known, and which are also captured in the image (eg capillaries, etc.).

Die Erfassung der Rhizospähren pH-Dynamik wird über den Abgleich der erzeugten Bilder (z. B. TIFF oder RAW Format) mit zuvor erstellten Kalibrationsdaten realisiert. Als konventionelle und kommerziell erhältliche Auswertungssoftware kann hier die „Image processing toolbox” von Matlab oder auch Photoshop dienen. Die Fehlerkorrektur der erzeugten Bilder kann beispielsweise analog zur Beschreibung von Strömberg & Hulth (2005) erfolgen: Hierbei werden zu Beginn der Aufnahmen ein oder mehrere Dunkelbilder erzeugt, um das „Schwarz-Rauschen” aus der späteren Bildantwort herauszurechnen. Dazu wird ein Bild erzeugt, bei dem die Objektivkappe auf dem verwendeten Objektiv verbleibt. Um das systematische Rauschen durch Mehrfachaufnahmen zu reduzieren, wird das Schwarzrauschen von den Bildern jeder Wellenlänge abgezogen.The recording of the rhizosphere pH dynamics is achieved by comparing the generated images (eg TIFF or RAW format) with previously created calibration data. Conventional and commercially available evaluation software can be the "Image processing toolbox" from Matlab or Photoshop. The error correction of the generated images, for example, analogous to the description of Strömberg & Hulth (2005) One or more dark images are created at the beginning of the recording in order to calculate the "black noise" from the later image response. For this purpose, an image is created in which the lens cap remains on the lens used. To reduce the systematic noise caused by multiple shots, the black noise is subtracted from the images of each wavelength.

Kalibrierung der OptodeCalibration of the optode

Entsprechend den Ausführungen von Hakonen & Hulth (2007) kann die pH-Optode z. B. wie folgt kalibriert werden (Abwandlungen hiervon sind ebenfalls möglich):
Das HPTS Fluoreszenz Ratio folgt einem sigmoiden Verlauf in Abhängigkeit des pH Wertes. Daher kann eine vier Parameter sigmoide logistische Funktion (Gleichung 1) verwendet werden. Um eine Drift über die Zeit (t) zu korrigieren, werden die Kalibrierdaten vor der Versuchsreihe (Cal1) mit denen nach der Versuchsreihe (Cal2) verknüpft. (Gleichung 1). RF1,F2(pH,t) = α1(t) + (α2(t) – α1(t))/(1 + 10exp(pH – α3(t))α4(t)) Gleichung 1 According to the remarks of Hakonen & Hulth (2007) can the pH optode z. B. calibrated as follows (modifications thereof are also possible):
The HPTS fluorescence ratio follows a sigmoidal course as a function of the pH. Therefore, a four parameter sigmoid logistic function (Equation 1) can be used. In order to correct a drift over time (t), the calibration data before the test series (Cal1) are linked to those after the test series (Cal2). (Equation 1). R F1, F2 (pH, t) = α1 (t) + (α2 (t) -α1 (t)) / (1 + 10exp (pH-α3 (t)) α4 (t)) Equation 1

Wobei jeder der vier zeitabhängigen Parameter gemäß Gleichung 2 variiert: αi(t) = αi,Cal1 + ((αi,Cal1 – αi,Cal2)/Δt(Cal1,Cal2))·t Gleichung 2 α1 und α2 beschreiben das asymptotische Minimum und Maximum der sigmoiden Funktion. α3 ist der apparente pKa4 von HPTS (d. h. der Wendepunkt der sigmoidalen Funktion), und α4 ist eine Konstante, die die Steigung der Funktion zwischen α1 und α2 beschreibt. Die ratiometrische pH Antwort (RF1,F2) des Sensors wird aus dem Verhältnis zwischen F1 und F2 gebildet (i. e., RF1,F2 = F1/F2). Hierzu werden z. B. „dual excitation” (ex) und „dual emission” (em) Eigenschaften von HPTS zunutze gemacht (z. B. F1, ex/em: 405/440 nm und F2, ex/em: 465/510 nm). Darüber hinaus kann die sogenannte „time correlated pixel-by pixel” (zeitbezogene Pixel-für-Pixel) Kalibrierung angewendet werden (ebenfalls beschrieben von Strömberg und Hulth 2005 ).Where each of the four time-dependent parameters varies according to Equation 2: αi (t) = αi, Cal1 + ((αi, Cal1-αi, Cal2) / Δt (Cal1, Cal2)) · t Equation 2 α1 and α2 describe the asymptotic minimum and maximum of the sigmoid function. α3 is the apparent pKa4 of HPTS (ie, the inflection point of the sigmoidal function), and α4 is a constant describing the slope of the function between α1 and α2. The ratiometric pH response (R F1, F2 ) of the sensor is calculated from the ratio between F1 and F2 (ie, R F1, F2 = F1 / F2). For this purpose, for. For example, "dual excitation" (ex) and "dual emission" (em) properties of HPTS are exploited (eg F1, ex / em: 405/440 nm and F2, ex / em: 465/510 nm). In addition, the so-called "time correlated pixel-by-pixel" calibration can be applied (also described by Strömberg and Hulth 2005 ).

Zur Kalibration werden mehrere Lösungen unterschiedlichen pH-Wertes (in der Regel vier) mit Hilfe von Mischungen aus zwei Phosphatpuffern von pH 6.00 und 8.50 hergestellt (Ionenstärke; ITot = 3.0 mM und [PO4 3–]Tot = 1.95 mM). Die zu kalibrierende Optode wird in ein Gefäß mit der jeweiligen Pufferlösung eingetaucht und die ratiometrische Antwort durch ein Sichtfenster oder durch das Glas des Becherglases, etc. mit der Erfassungseinheit erfasst. Das Ergebnis der Kalibrierung kann für jeden Pixel einzeln, oder aber als Summenantwort registriert und im späteren Verlauf weiter verarbeitet werden. Die Wurzelbilder und pH-Bilder, die während des Experimentes erzeugt werden, können dann mit geeigneten Bildbearbeitungsprogrammen (z. B. Corel Draw, Photoshop, ImageJ, etc.) überlagert werden und so Zusammenhänge zwischen pH-Wert und Wurzelarchitektur aufgeklärt werden.For calibration, several solutions of different pH (usually four) are prepared using mixtures of two phosphate buffers of pH 6.00 and 8.50 (ionic strength: ITot = 3.0 mM and [PO 4 3- ] Tot = 1.95 mM). The optode to be calibrated is immersed in a vessel containing the respective buffer solution and the ratiometric response is detected through a viewing window or through the glass of the beaker, etc. with the detection unit. The result of the calibration can be registered for each pixel individually or as a sum response and processed further later. The root images and pH images generated during the experiment can then be superimposed with suitable image processing programs (eg Corel Draw, Photoshop, ImageJ, etc.) to elucidate correlations between pH value and root architecture.

3. Ausführungsbeispiel: 3rd embodiment

Ermittlung der optischen Eigenschaften Transmissivität, Auflösungsvermögen (optische Trennschärfe) und Grauwert-Kontrast von zwei Optoden (zum Einen der erfindungsgemäßen transparenten Optode, im Vergleich mit einer handelsüblichen Optode), die quantifiziert und miteinander und mit einer Referenzmessung (ohne Optode) in relevanten Bereichen des Wellenlängenspektrums verglichen wurden.Determination of the optical properties Transmissivity, resolution (optical selectivity) and gray value contrast of two optodes (on the one hand the inventive transparent optode, compared with a commercial optode), the quantified and with each other and with a reference measurement (without optode) in relevant areas of Wavelength spectrum were compared.

Die Messprinzipien der hier erfolgten Quantifizierung der optischen Eigenschaften von Optoden bestehen

  • a) für die Quantifizierung der Transmissivität in der Messung der Absorption (Differenz aus einfallendem abzüglich ausfallendem Licht) und Berechnung der Transmissivität nach der Formel Transmissivität der Optode = Eingangsintensität des Lichts – Absorption des Lichts; und
  • b) für die Quantifizierung des Auflösungsvermögens, in der Messung des Durchmessers eines fotografierten Punktes, da eine diffuse (schlecht aufgelöste) fotografische Aufnahme zu größeren Durchmessern in den Aufnahmen führt; und
  • c) für die Quantifizierung des Grauwert-Kontrasts, im Vergleich von Grauwerten in schwarzen Bereichen des fotografierten Objektes (hier verwendeter Standard) mit weißen Bereichen des fotografierten Objekts (hier verwendeter Standard) durch Bildung der Differenz.
The measuring principles of the quantification of the optical properties of optodes made here exist
  • a) for the quantification of transmissivity in the measurement of the absorption (difference between incident minus minus light) and calculation of the transmissivity according to the formula Transmissivity of the optode = input intensity of the light - absorption of the light; and
  • b) for the quantification of the resolution, in the measurement of the diameter of a photographed point, since a diffuse (poorly resolved) photographic image leads to larger diameters in the images; and
  • c) for the quantification of gray level contrast, compared to gray levels in black areas of the photographed object (standard used herein) with white areas of the photographed object (standard used herein) by forming the difference.

Bei der Untersuchung der gemäß Unterpunkt b) Quantifizierung des Aulösungsvermögens, wurde analog zur Methode der Punktantwort (engl.: point spread function) gearbeitet. Burger und Burge (2008) schreiben „... diese Methode wird zur Messung des Verhaltens optischer Systeme (wie z. B. Linsen) genutzt, wobei eine Punktlichtquelle als Impuls dient, und die resultierende Verteilung der Lichtenergie Punktantwort genannt wird.” Die im Folgenden beschriebenen Versuche erfolgten in zwei Versuchswiederholungen an verschiedenen Optoden und mit je 15 Messwiederholungen an der jeweiligen Optode bzw. fotografischen Aufnahme.In the investigation of the sub-point b) quantification of the Aulösungsvermögens, was analogous to the method of the point response (English: point spread function) worked. Burgers and Burge (2008) "This method is used to measure the behavior of optical systems (such as lenses), where a point light source serves as an impulse, and the resulting distribution of the light energy is called a point response." The experiments described below were performed in two Repeat tests on different optodes and with 15 repetitions each at the respective optode or photograph.

Zur Erzielung eines geeigneten quantitativen Maßes für das Auflösungsvermögen sowie für den Grauwert-Kontrast wurden die Optoden in einen mit 20 ml deionisiertem Wasser (Milli-Q, Millipore Corporation) gefüllten Deckel einer Petrischale (120·120·17 mm, Greiner Petrischalen mit Nocken, quadratisch, Greiner Bio-One Artikel-Nr.: 688102) gelegt, und der Boden der Petrischale umgedreht so in den Deckel gelegt, so dass die Optoden planar fixiert waren. Der Deckel der Petrischale wurde danach auf einen Standard gestellt, welcher aus einem hochauflösenden Ausdruck auf Druckerpapier bestand, bei dem verschiedene Symbole (Punkte) der Schriftart „Times New Roman” der Software Microsoft Word in den Schriftgrößen 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 und 128 gedruckt waren. Derselbe Aufbau wurde auch für den Fall verwendet, in dem keine Optode in der Petrischale lag. Dieser Fall diente als Referenz. Die Optoden wurden durch das Wasser sowie die den Boden der Petrischale hindurch mit einer CMOS-Kamera (Flea BW by Point Grey Research Inc., Vancouver, Canada) in Graustufen fotografiert. Die verwendeten Einstellungen für die fotografischen Aufnahmen erfolgten analog zu üblichen Aufnahmen unter Verwendung der Methode DISP oder GROWSCREEN root. Die Aufnahmen bei 880 nm erfolgten ohne elektronische Signalverstärkung, einer Blende (engl. Shutter current) von 500 (von möglichen 0 bis 1210), einer Belichtungszeit (engl. Exposure current) von 1 (von möglichen 0 bis 1023). Eine digitale Bildmittelung erfolgte über 10 Bilder. Die Aufnahmen bei sichtbarem Licht erfolgten in derselben Weise, mit Ausnahme der Verwendung einer Blende von 50. Es wurde eine Standard-Objektiv-Linse (25 mm; Cosmicar/Pentax; The Imaging Source, Bremen, Germany) ohne Filter beziehungsweise bei den Infrarot-Aufnahmen bei 880 nm ein Infrarot-Passtrough-Filter (880 nm; Edmund Optics, Karlsruhe, Germany) verwendet. Eine konstante Ausleuchtung erfolgte entweder mittels einer Halogenlampe (zur Messung der optischen Eigenschaften der Optoden im sichtbaren Licht bei ca. 400–800 nm) oder mittels Zuhilfenahme von Infrarot-LEDs (880 nm; Conrad Electronics, Hirschau, Germany). Die fotografischen Aufnahmen wurden mit der Software „Root leaf aquisition”, ( Schmundt et al. (1998) eingestellt und im Multi-TIFF-Format gespeichert. Danach wurden die fotografischen Aufnahmen mit der Software IrfanView ( http://www.irfanview.com/ ) geöffnet und mit den Werkzeugen der Software IrfanView vermessen. Zur Vermessung des Auflösungsvermögens wurde das Messwerkzeug „Measure tool” der Software IrfanView verwendet. Start- und Endpunkte der Messung der Durchmesser des Punktes der Schriftgröße 128 wurden dadurch festgelegt, dass ab einer Veränderung des Grauwertes von mehr als 3 Grauwertstufen im Vergleich zum Hintergrund der jeweilige Durchmesser gemessen wurde. Zur Vermessung des Grauwert-Kontrasts wurde der Grauwert mit der Software IrfanView gemessen, wobei die Messpunkte entweder mittig im Punkt der Schriftgröße 128 oder mittig zwischen den Punkten der Schriftgröße 128 und 64 gewählt wurden. Danach wurde die Differenz der Grauwerte berechnet. To obtain a suitable quantitative measure of resolution as well as gray scale contrast, the optodes were placed in a lid of a Petri dish (120 x 120 x 17 mm, Greiner Petri dishes with cams) filled with 20 ml of deionized water (Milli-Q, Millipore Corporation). square, Greiner Bio-One item No .: 688102), and the bottom of the Petri dish turned upside down so that the optodes were planar fixed. The lid of the Petri dish was then set to a standard consisting of a high resolution print on printer paper, in which different symbols (dots) of the font "Times New Roman" of the software Microsoft Word in the font sizes 1, 2, 4, 8, 16 , 32, 64 and 128 were printed. The same construction was also used for the case where there was no optode in the Petri dish. This case served as a reference. The optodes were photographed in grayscale through the water and the bottom of the Petri dish using a CMOS camera (Flea BW by Point Gray Research Inc., Vancouver, Canada). The settings used for the photographic recordings were analogous to conventional recordings using the method DISP or GROWSCREEN root. The images at 880 nm were taken without electronic signal amplification, a shutter current of 500 (from possible 0 to 1210), an exposure current of 1 (from possible 0 to 1023). Digital averaging was done over 10 pictures. Visible light images were taken in the same manner except for the use of a shutter of 50. A standard 25mm objective lens (Cosmicar / Pentax, The Imaging Source, Bremen, Germany) was used without the filter or infrared sensor. Images taken at 880 nm using an infrared pass-through filter (880 nm, Edmund Optics, Karlsruhe, Germany). A constant illumination was carried out either by means of a halogen lamp (for measuring the optical properties of the optodes in visible light at about 400-800 nm) or by means of infrared LEDs (880 nm, Conrad Electronics, Hirschau, Germany). The photographs were taken with the software "Root leaf aquisition", ( Schmundt et al. (1998) set and saved in multi-TIFF format. After that, the photographs were taken with the software IrfanView ( http://www.irfanview.com/ ) and measured with the tools of the IrfanView software. To measure the resolving power the measuring tool "Measure tool" of the software IrfanView was used. Start and end points of the measurement of the diameter of the point of the font size 128 were determined by measuring the respective diameter from a change in the gray value of more than 3 gray scale levels compared to the background. To measure the gray value contrast, the gray value was measured with the IrfanView software, whereby the measurement points were selected either in the middle of the dot of the font size 128 or in the middle between the dots of the font size of 128 and 64. Then the difference of the gray values was calculated.

Zur Erzielung eines geeigneten quantitativen Maßes für die Transmissivität wurde jeweils ein Streifen der Optode in eine Kristallglasküvette planar eingebracht und die Küvette mit 1 ml deionisiertem Wasser (Milli-Q, Millipore Corporation) gefüllt. Als Referenz diente eine Kristallglasküvette, die mit 1 ml deionisiertem Wasser (Milli-Q, Millipore Corporation) gefüllt wurde. Die Messung erfolgte mit einem Zweistrahl-Spektralfotometer (UVIKON x1, Bio-Tek Instruments). Eine fotometrische Referenzmessung kann 100% gesetzt werden. Die Kurve, die dieser Messung entspricht, würde bei der in 6a)/b) gewählten Darstellungsweise (als relative Transmission bezogen auf die Referenz) über den gesamten Bereich des Spektrums einen Wert von 100% besitzen.To obtain a suitable quantitative measure of transmissivity, one strip of the optode was planarly placed in a crystal glass cuvette and the cuvette filled with 1 ml of deionized water (Milli-Q, Millipore Corporation). For reference, a glass cuvette filled with 1 ml of deionized water (Milli-Q, Millipore Corporation) was used. The measurement was carried out using a two-beam spectrophotometer (UVIKON x1, Bio-Tek Instruments). A photometric reference measurement can be set 100%. The curve corresponding to this measurement would be at the in 6a) / b) have a selected representation (as relative transmission with respect to the reference) over the entire range of the spectrum has a value of 100%.

Ergebnisse:Results:

In der folgenden Tabelle 8 sind die in den vorangehend beschriebenen Messverfahren ermittelten fotographischen Aufnahmen abgebildet. Die beiden zu vergleichenden Optoden sowie die Leermessung mit demselben Messaufbau kann zur Gewinnung eines ersten Eindrucks verglichen werden.Table 8 below shows the photographic images determined in the previously described measuring methods. The two optodes to be compared and the blank measurement with the same measurement setup can be compared to obtain a first impression.

Tabelle 8: Fotographische schwarz-weiß Aufnahmen von Punkten des Schrifttyps Times New Roman bei verschiedenen Punktgrößen von Punktgröße 1 bis Punktgröße 128Table 8: Photographic black-and-white photographs of points of the Times New Roman font at various point sizes from point size 1 to point size 128

  • a) der Leermessung (Referenz; Ohne Optode) mit Belichtung mit sichtbarem Licht, b) der neuen Optode (Gegenstand des Patentantrags) mit Belichtung mit sichtbarem Licht, sowie c) einer im Handel erhältlichen pH-Optode mit Belichtung mit sichtbarem Licht jeweils ohne Verwendung eines Filters. Darunter fotographische schwarz-weiß Aufnahmen d) der Leermessung (Referenz; Ohne Optode) mit Belichtung mit Licht der Wellenlänge 880 nm, e) der neuen Optode (Gegenstand des Patentantrags) mit Belichtung mit Licht der Wellenlänge 880 nm, sowie f) einer im Handel erhältlichen pH-Optode mit Belichtung mit Licht der Wellenlänge 880 nm jeweils unter Verwendung eines Infrarot-Passtrough-Filters.a) the blank reading (reference, without optode) with exposure to visible light, b) the new optode (subject of the patent application) with exposure to visible light, and c) a commercially available pH optode with exposure to visible light, each without use a filter. Including photographic black and white photographs d) the blank measurement (reference, without optode) with exposure to light of wavelength 880 nm, e) the new optode (subject of the patent application) with exposure to light of wavelength 880 nm, and f) one commercially available with 880 nm wavelength light-emitting pH optode, each using an infrared pass-through filter.

Figure 00480001
Figure 00480001

Die erfindungsgemäße Optode erreicht Transmissivitätswerte, die im (im Sinne der Erfindung relevanten) Spektrum zwischen 300 und 900 nm oberhalb von 90% liegen. Im nahinfraroten Bereich des Spektrums (700 bis 900 nm) erreicht die neue Optode eine Transmissivität von 100%. Der Bereich nahinfraroten Lichts ist im Sinne der Erfindung von besonderer Bedeutung, da nahinfrarotes Licht (> 800 nm) das Pflanzenwachstum nicht beeinflusst ( Schmundt et al. 1998 ). Die im Handel erhältliche Optode erzielt im Spektrum von 300 bis 900 nm Werte von maximal 65%. Da die Transmissivität für die Anwendung im Sinne der Erfindung nicht allein relevant ist, sondern auch die Parameter Auflösungsvermögen sowie Grauwert-Kontrast zur Erzielung einer maximalen Bildgüte von Bedeutung sind, wurden diese Parameter für eine im Handel erhältliche pH-Optode sowie die neue Optode bestimmt. Die erzielte Trennschärfe (Auflösungsvermögen) der neuen Optode war sowohl unter Verwendung sichtbaren Lichts, als auch unter Verwendung nahinfraroten Lichts (880 nm), nur wenig und nicht signifikant schlechter, als die erzielte Auflösungsvermögen, welche erzielt wurde, wenn keine Optode in den Strahlengang (Petrischale) gelegt wurde (4% Verschlechterung bei Belichtung mit Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums; 1% Verschlechterung bei Belichtung mit Licht der Wellenlänge von 880 nm). Die im Handel erhältliche Optode verschlechterte die erzielten Auflösungsvermögen im Vergleich zur Referenz (Messung ohne Optode in der Sichtachse) unter Verwendung von Licht des sichtbaren Spektrums um 27%, und bei Belichtung mit nahinfrarotem Licht der Wellenlänge 880 nm um 24%.The optode according to the invention achieves transmissivity values which lie above 90% in the spectrum (relevant for the purposes of the invention) between 300 and 900 nm. In the near-infrared region of the spectrum (700 to 900 nm), the new optode achieves a transmissivity of 100%. The region of near-infrared light is of particular importance for the purposes of the invention since near-infrared light (> 800 nm) does not influence plant growth ( Schmundt et al. 1998 ). The commercially available optode achieves values of maximum 65% in the spectrum from 300 to 900 nm. Since the transmissivity for the application according to the invention is not is relevant only, but also the parameters resolving power and gray value contrast are important for achieving a maximum image quality, these parameters were determined for a commercially available pH optode and the new optode. The obtained selectivity (resolving power) of the new optode was little and not significantly worse using both visible light and near-infrared light (880 nm) than the resolution achieved when no optode was placed in the beam path (Fig. Petri dish) (4% degradation on exposure to light in the visible region of the spectrum; 1% degradation on exposure to light of wavelength 880 nm). The commercially available optode deteriorated resolving power as compared with the reference (measurement without optode in the visual axis) by using light of the visible spectrum by 27%, and by exposure to near-infrared light of wavelength 880 nm by 24%.

Die Verschlechterung des Grauwert-Kontrasts im Vergleich zum erzielten Grauwert-Kontrast ohne Optode im Strahlengang beträgt bei Verwendung sichtbaren Lichts bei der neuen Optode 26%, und 6% bei Verwendung nahinfraroten Lichts (880 nm). Bei der im Handel erhältlichen Optode beträgt die Verschlechterung des Grauwert-Kontrasts 93% bei Verwendung sichtbaren Lichts, und 89% bei Verwendung nahinfraroten Lichts (880 nm). Somit besitzt die neue Optode im Sinne der Erfindung deutlich und signifikant bessere, optische Eigenschaften als die im Handel erhältliche Optode. Im Gegensatz zur im Handel erhältlichen Optode ist die neue Optode nachweislich zur Anwendung in bildgebenden und bildanalytischen Verfahren wie beispielsweise DISP, WinRHIZO und GROWSCREEN root geeignet.The deterioration of the gray value contrast compared to the obtained gray value contrast without optode in the beam path is 26% when using visible light with the new optode and 6% when using near-infrared light (880 nm). For the commercially available optode, the gray level contrast degradation is 93% using visible light and 89% using near infrared light (880 nm). Thus, the new optode in the context of the invention has significantly and significantly better optical properties than the commercially available optode. Unlike the commercially available optode, the new optode is proven to be suitable for use in imaging and image analysis techniques such as DISP, WinRHIZO and GROWSCREEN root.

Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Begriffe werden wie folgt definiert:The terms used in the invention are defined as follows:

1. Auflösungsvermögen:1. Resolution:

(Synonym: Bildschärfe, Trennschärfe). Fähigkeit eines optischen Gerätes, zwei eng benachbarte Objekteinzelheiten voneinander zu trennen, d. h. deutlich als zwei getrennte Gebilde wiederzugeben. Bei hoher Auflösung können feine Einzelheiten in den Objekten erkannt werden. Das Auflösungsvermögen ist objekt- und kontrastabhängig, daher sind Zahlenangaben über das Auflösungsvermögen nur als ungefähre Anhaltspunkte zu werten ( Mütze et al. 1972 ).(Synonym: image sharpness, selectivity). The ability of an optical device to separate two closely spaced object details, ie, to clearly represent two separate entities. At high resolution fine details can be detected in the objects. The resolution is object- and contrast-dependent, therefore figures about the resolution are only approximate indications ( Cap et al. 1972 ).

2. Bildanalyse:2. Image analysis:

Als Bildanalyse wird die systematische Analyse des Bildinhaltes durch visuelle Bildinterpretation bezeichnet. (Geoinformatik-Service der Universität Rostock, 2008, Professur für Geodäsie und Geoinformatik (GG) Universität Rostock; www.geoinformatik.uni-rostock.de ).Image analysis is the systematic analysis of the image content by means of visual image interpretation. (Geoinformatics Service of the University of Rostock, 2008, Chair of Geodesy and Geoinformatics (GG) University of Rostock; www.geoinformatik.uni-rostock.de ).

3. Bildgebung:3. Imaging:

(Synonym: Bildgebendes Verfahren) Ein bildgebendes Verfahren erzeugt aus Messgrößen eines realen Objektes ein Abbild, wobei die Messgröße oder eine daraus abgeleitete Information ortsaufgelöst und über Helligkeitswerte oder Farben kodiert visualisiert wird. ( www.wikipedia.org ).(Synonym: Imaging method) An imaging method generates an image from measured variables of a real object, wherein the measured variable or information derived therefrom is visualized spatially resolved and coded via brightness values or colors. ( www.wikipedia.org ).

4. Bildgüte:4th image quality:

(Synonym: Bildqualität, Abbildungsqualität). Maß der objekttreuen Wiedergabe bei der optischen Abbildung. Meist subjektiv beurteilt, kann aber auch durch Abbildung einer geeigneten Vorlage (Test) beurteilt werden. Kriterien für die Bildgüte sind oftmals Auflösungsvermögen und Kontrastwiedergabe. ( Mütze et al. 1972 ).(Synonym: picture quality, picture quality). Measure of object-faithful reproduction in optical imaging. Usually subjectively assessed, but can also be assessed by mapping a suitable template (test). Criteria for image quality are often resolving power and contrast rendition. ( Cap et al. 1972 ).

5. Bildverarbeitung:5. Image processing:

Als Bildverarbeitung werden alle Verfahren bezeichnet, mit denen Bilder bearbeitet und verändert werden, d. h. die Aufbereitung und Analyse von Bild- bzw. Rasterdaten. Bezeichnet einen Satz digitaler Methoden, die verwendet werden zum Erstellen, Analysieren, Verbessern, Interpretieren oder Darstellen von Bilddaten oder Rasterdaten. (Geoinformatik-Service der Universität Rostock, 2008, Professur für Geodäsie und Geoinformatik (GG) AUF Universität Rostock; www.geoinformatik.uni-rostock.de ).Image processing refers to all processes with which images are processed and changed, ie the processing and analysis of image or raster data. Designates a set of digital methods used to create, analyze, enhance, interpret, or display image data or raster data. (Geoinformatics Service of the University of Rostock, 2008, Professorship of Geodesy and Geoinformatics (GG) AT Universität Rostock; www.geoinformatik.uni-rostock.de ).

6. Diffuses Licht:6. Diffused light:

  • Gestreutes Licht ( Mütze et al. 1972 ).Scattered light ( Cap et al. 1972 ).

7. Grauwert: 7. Gray value:

  • Helligkeits- oder Intensitätswert in der Bildverarbeitung.Brightness or intensity value in image processing.

Unter Grauwert versteht man die einem Bildpunkt (Pixel) zugeordnete Zahl, z. B. in Rasterdaten oder in der digitalen Bildverarbeitung. Je nach Anzahl der Bits, die ein Grauwert einnehmen kann, unterscheidet man Binärbild (1 Bit, Zustande 0 und 1), Grauwertbild (8 Bit, Zustände zwischen 0 und 255) und Farbbild (3·8 Bit mit jeweils Zuständen zwischen 0 und 255). Diesen Werten sind zur Darstellung auf einem Bildschirm Einträge einer Farbtabelle (LUT) zugeordnet, d. h. die Werte werden als Indizes einer Farbtabelle interpretiert. (Geoinformatik-Service der Universität Rostock, 2008, Professur für Geodäsie und Geoinformatik (GG) AUF Universität Rostock; www.geoinformatik.uni-rostock.de ).Gray value is understood to mean the number assigned to a picture element (pixel), z. In raster data or in digital image processing. Depending on the number of bits which a gray value can take, a distinction is made between binary image (1 bit, states 0 and 1), gray value image (8 bits, states between 0 and 255) and color image (3 × 8 bits each with states between 0 and 255) ). These values are assigned to entries of a color table (LUT) for display on a screen, ie the values are interpreted as indices of a color table. (Geoinformatics Service of the University of Rostock, 2008, Professorship of Geodesy and Geoinformatics (GG) AT Universität Rostock; www.geoinformatik.uni-rostock.de ).

8. Kontrast, fotometrischer:8. Contrast, photometric:

Der fotometrische Kontrast kennzeichnet den Helligkeitsunterschied zwischen zwei leuchtenden Flächen: ( Mütze et al. 1972 ).The photometric contrast indicates the brightness difference between two luminous surfaces: ( Cap et al. 1972 ).

9. Kontrast, optischer:9. Contrast, optical:

Sammelbezeichnung für den Helligkeitskontrast und den Farbkontrast. Siehe auch fotometrischer Kontrast ( Mütze et al. 1972 ).Collective name for the brightness contrast and the color contrast. See also photometric contrast ( Cap et al. 1972 ).

10. Monomer:10. Monomer:

Einzelbaustein-Molekül eines Polymers. Monomere sind niedermolekulare, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu molekularen Ketten oder Netzen, zu unverzweigten oder verzweigten Polymeren, zusammenschließen können (wikipedia).Single-block molecule of a polymer. Monomers are low molecular weight, reactive molecules that can combine to molecular chains or networks, to unbranched or branched polymers (wikipedia).

11. Optode:11. Optode:

  • (Synonym: Optrode) Optochemischer Sensor ( Kessler 2006 ).(Synonym: Optrode) Optochemical sensor ( Kessler 2006 ).

12. Planar:12. Planar:

  • Flach, eben ( Duden 1974 ).Flat, even ( Duden 1974 ).

13. Polymer:13. Polymer:

Chemische Verbindung aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekülen), die wiederum aus gleichen oder gleichartigen Einheiten (den sogenannten Monomeren) bestehen (wikipedia).Chemical compound of chain or branched molecules (macromolecules), which in turn consist of identical or similar units (the so-called monomers) (wikipedia).

14. Strahlengang:14th ray path:

  • Verlauf der Lichtstrahlen in irgendeiner optischen Anordnung ( Mütze et al. 1972 ).Course of the light rays in any optical arrangement ( Cap et al. 1972 ).

15. Streuung:15. Scattering:

  • Ablenkung von Licht bzw. Strahlung von seiner ursprünglichen Richtung durch kleine Teilchen ( Mütze et al. 1972 ).Distraction of light or radiation from its original direction by small particles ( Cap et al. 1972 ).

16. Transmission:16. Transmission:

Durchgang von Strahlung durch ein Medium ohne Änderung der Frequenz in den monochramtischen Strahlenanteilen. Bei allen glasklaren Stoffen ist gerichtete Transmission, d. h. ohne Streuung, gegeben. Im Gegensatz dazu gibt es auch gestreute Transmission, bei der der Körper die eintreffende Strahlung in verschiedenen Richtungen wieder austreten lässt (Streuung), und dabei die optischen Gesetze der Brechung jedoch nicht in Erscheinung treten ( Mütze et al. 1972 ).Transmission of radiation through a medium without changing the frequency in the monochromatic beam components. Directed transmission, ie without scattering, is given for all clear materials. In contrast, there is also scattered transmission, in which the body lets the incoming radiation emerge in different directions again (scattering), while the optical laws of refraction do not appear ( Cap et al. 1972 ).

17. Transmissivität: 17. Transmissivity:

  • Eigenschaft der Durchlässigkeit von Medien. Eigenschaft in Bezug auf die physikalische Größe der Transmission (wikipedia).Property of permeability of media. Property in terms of the physical size of the transmission (wikipedia).

18. Transparenz:18. Transparency:

  • Durchlässigkeit für Licht ( Duden 1974 ).Permeability to light ( Duden 1974 ).

19. Trennschärfe:19. Selectivity:

(synonym: angulare Sehschärfe, Auflösungsvermögen) Das Vermögen Objekte so scharf zu sehen, dass Einzelheiten gut erkannt und aufgelöst werden können. Messbar in Bogensekunden (synonym Winkelsekunde; Maßeinheit des Winkels). 60 Winkelsekunden entsprechen einer Winkelminute, 60 Winkelminuten entsprechen einem Grad. Die Auflösung von 1 (einer Winkelminute) entspricht einer Ortsauflösung von etwa 1,5 mm bei 5 m Abstand. Je kleiner die Winkel-Sehschärfe ist, desto besser ist die Sehschärfe ( Mütze et al. 1972 ).(synonymous: angular visual acuity, resolving power) The ability to see objects so clearly that details can be well recognized and resolved. Measurable in arc seconds (synonyms angular second, unit of measurement of the angle). 60 arc-seconds equals one minute of arc, 60 arc-minutes equals one degree. The resolution of 1 (one minute angle) corresponds to a spatial resolution of about 1.5 mm at 5 m distance. The smaller the angular acuity, the better the visual acuity ( Cap et al. 1972 ).

Literaturquellen:Literature sources:

  • Avery GS (1993) Structure and development of the tobacco leaf. Amer J Bot 20: 565–592Avery GS (1993) Structure and development of the tobacco leaf. Amer J Bot 20: 565-592
  • Blossfeld S, Gansert D (2007) A novel non-invasive optical method for quantitative visualization of pH dynamics in the rhizosphere of plants. Plant Cell Environ 30: 176–187Blossfeld S, Gansert D (2007) A novel non-invasive optical method for the quantitative visualization of pH dynamics in the rhizosphere of plants. Plant Cell Environ 30: 176-187
  • Blossfeld S, Perriguey J, Sterckeman T, Morel JL, Lösch R (2010) Rhizosphere pH dynamics in trace-metal-contaminated soils, monitored with planar pH optodes. Plant Soil 330: 173–184Blossfeld S, Perriguey J, Sterckeman T, Morel JL, Lösch R (2010) Rhizosphere pH dynamics in trace-metal-contaminated soils, monitored with planar pH optodes. Plant Soil 330: 173-184
  • Erickson RO, Sax KB (1956) Elemental Growth Rate of the Primary Root of Zea mays. Proc Amer phil Soc 100: 487–498Erickson RO, Sax KB (1956) Elemental Growth Rate of the Primary Root of Zea mays. Proc Amer phil Soc. 100: 487-498
  • Frederiksen SM, Glud RN (2006) Oxygen dynamics in the rhizosphere of Zostera marina: a twodimensional planar optode study. Limnol Oceanogr 51: 1072–1083Frederiksen SM, Glud RN (2006) Oxygen dynamics in the rhizosphere of Zostera marina: a twodimensional planar optode study. Limnol Oceanogr 51: 1072-1083
  • Glud RN, Santegoeds CM, De Beer D, Kohls O, Ramsing NB (1998) Oxygen dynamics at the base of a biofilm studied with planar optodes. Aquat Microb Ecol 14: 223–233Glud RN, Santegoeds CM, De Beer D, Kohls O, Ramsing NB (1998). Oxygen dynamics at the base of a biofilm studied with planar optodes. Aquat Microb Ecol 14: 223-233
  • Hakonen A, Hulth S (2007) A high-precision ratiometric fluorosensor for pH: Implementing time-dependent non-linear calibration protocols for drift compensation. Anal Chim Acta 606: 63–71Hakonen A, Hulth S (2007) A high-precision ratiometric fluorosensor for pH: Implementing time-dependent non-linear calibration protocols for drift compensation. Anal Chim Acta 606: 63-71
  • Hakonen A, Hulth S, Dufour S (2010) Analytical performance during ratiometric longterm imaging of pH in bioturbated sediments. Talanta 81: 1393–1401Hakonen A, Hulth S, Dufour S (2010). Analytical performance during ratiometric longterm imaging of pH in bioturbated sediments. Talanta 81: 1393-1401
  • Hinsinger P, Gobran G R, Gregory P J, Wenzel W W (2005) Rhizosphere geometry and heterogeneity arising from root-mediated physical and chemical processes. New Phytol 168: 293–303Hinsinger P, Gobran G R, Gregory P J, Wenzel W W (2005) Rhizosphere geometry and heterogeneity arising from root-mediated physical and chemical processes. New Phytol 168: 293-303
  • Holst G, Kohls O, Klimant I, König B, Kühl M, Richter T (1998) A modular luminescence lifetime imaging system for mapping oxygen distribution in biological samples. Sens Actuators B: Chem 51: 163–170Holst G, Kohl's O, Klimant I, King B, Cool M, Richter T (1998) A modular luminescence lifetime imaging system for mapping oxygen distribution in biological samples. Sens Actuators B: Chem 51: 163-170
  • Holst G, Grunwald B (2001) Luminescence lifetime imaging with transparent oxygen optodes. Sens Actuators B: Chem 74: 78–90Holst G, Grunwald B (2001) Luminescence lifetime imaging with transparent oxygen optodes. Sens Actuators B: Chem 74: 78-90
  • Hulth S, Aller R C, Engström P, Selander E (2002) A pH Plate fluorosensor (Optode) for early diagenetic studies of marine sediments. Limnol Oceanogr 47: 212–220Hulth S, Aller R C, Engström P, Selander E (2002) A pH Plate fluorosensor (optode) for early diagenetic studies of marine sediments. Limnol Oceanogr 47: 212-220
  • Jaillard B, Ruiz L, Arvieu JC (1996) pH mapping in transparent gel using color indicator video densitometry. Plant Soil 183: 85–95Jaillard B, Ruiz L, Arvieu JC (1996) pH mapping in transparent gel using color indicator video densitometry. Plant Soil 183: 85-95
  • Marschner H, Römheld V, Horst W J, Martin P (1986) Root induced changes in the rhizosphere: Importance for the mineral nutrition of plants. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde 149: 441–446Marschner H, Romheld V, Horst W J, Martin P (1986) Root Induced Changes in the Rhizosphere: Importance for the mineral nutrition of plants. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 149: 441-446
  • Nagel K A, Kastenholz B, Jahnke S, van Dusschoten D, Aach T, Mühlich M, Truhn D, Scharr H, Terjung S, Walter A, Schurr U (2009) Temperature responses of roots: impact on growth, root system architecture and implications for phenotyping. Funct Plant Biol 36: 947–959Nagel KA, Kastenholz B, Jahnke S, van Dussschoten D, Aach T, Mühlich M, Truhn D, Scharr H, Terjung S, Walter A, Schurr U (2009) The root system architecture and implications: for phenotyping. Funct Plant Biol 36: 947-959
  • Oguri K, Kitazato H. Glud R N (2006) Platinum octaetylporphyrin based planar optodes combined with an UV-LED excitation light source: an ideal tool for high-resolution O2 imaging in O2 depleted environments. Mar Chem 100: 95–107Oguri K, Kitazato H. Glud R N (2006) Platinum octaetylporphyrin based planar optodes combined with UV LED excitation light source: an ideal tool for high-resolution O2 imaging in O2 depleted environments. Mar Chem 100: 95-107
  • Pijnenborg JWM, Lie TA, Zehnder AJB (1990) Simplified measurement of soil pH using an agar-contact technique. Plant Soil 126: 155–160Pijnenborg JWM, Lie TA, Zehnder AJB (1990) Simplified measurement of soil pH using an agar-contact technique. Plant Soil 126: 155-160
  • Precht E, Franke U, Polerecky L, Huettel M (2004) Oxygen dynamics in permeable sediments with wave-driven pore water exchange. Limnol and Oceanogr 49: 693–705Precht E, Franke U, Polerecky L, Huettel M (2004) Oxygen dynamics in permeable sediments with wave-driven pore water exchange. Limnol and Oceanogr 49: 693-705
  • Schröder CR (2006) Luminescent planar single and dual optodes for time-resolved imaging of pH, pCO2 and pO2 in marine systems. Dissertation Universität Regensburg, Fakultät für Chemie und PharmazieSchröder CR (2006) Luminescent planar single and dual optodes for time-resolved imaging of pH, pCO2 and pO2 in marine systems. Dissertation University of Regensburg, Faculty of Chemistry and Pharmacy
  • Stahl H, Glud A, Schröder C R, Klimant I, Tengberg A, Glud R N (2006) Time-resolved pH imaging in marine sediments with a luminescent planar optode. Limnol Oceanogr 4: 336–345Steel H, Glud A, Schröder C R, Climant I, Tengberg A, Glud R N (2006) Time-resolved pH imaging in marine sediments with a luminescent planar optode. Limnol Oceanogr 4: 336-345
  • Strömberg N, Hulth S (2005) Assessing an imaging ammonium sensor using time correlated pixel-by-pixel calibration. Anal Chim Acta 550: 61–68 Strömberg N, Hulth S (2005) Assessing an imaging ammonium sensor using time-correlated pixel-by-pixel calibration. Anal Chim Acta 550: 61-68
  • Walter A, Silk WK, Schurr U (2009) Environmental effects on spatial and temporal patterns of leaf and root growth. Annu Rev Plant Biol 60: 279–304Walter A, Silk WK, Schurr U (2009) Environmental effects on spatial and temporal patterns of leaf and root growth. Annu Rev Plant Biol 60: 279-304
  • Zhu QZ, Aller RC, Fan YZ (2005) High-performance planar pH fluorosensor for twodimensional pH measurements in marine sediment and water. Environ Sci Technol 39: 8906–8911Zhu QZ, All RC, Fan YZ (2005) High-performance planar pH fluorosensor for twodimensional pH measurements in marine sediment and water. Environ Sci Technol 39: 8906-8911
  • Zhu QZ, Aller RC, and Fan YZ (2006) A new ratiometric, planar fluorosensor for measuring high resolution, two-dimensional pCO2 distributions in marine sediments. Mar Chem 101: 40–53Zhu QZ, All RC, and Fan YZ (2006) A new ratiometric, planar fluorosensor for measuring high resolution, two-dimensional pCO2 distributions in marine sediments. Mar Chem 101: 40-53

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2006/0105174 A1 [0020] US 2006/0105174 A1 [0020]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Avery 1933 [0006] Avery 1933 [0006]
  • Erickson und Sax, 1956 [0006] Erickson and Sax, 1956 [0006]
  • Walter 1997 [0006] Walter 1997 [0006]
  • Strömberg 2008 [0011] Strömberg 2008 [0011]
  • Pijnenborg et al. 1990 [0011] Pijnenborg et al. 1990 [0011]
  • Blossfeld & Gansert 2007 [0011] Blossfeld & Gansert 2007 [0011]
  • Jaillard et al. 1996 [0011] Jaillard et al. 1996 [0011]
  • Marschner et al. 1986 [0011] Marschner et al. 1986 [0011]
  • Marschner 1986 [0011] Marschner 1986 [0011]
  • Blossfeld & Gansert 2007 [0013] Blossfeld & Gansert 2007 [0013]
  • Blossfeld et al. 2010 [0013] Blossfeld et al. 2010 [0013]
  • Holst et al. 1998 [0014] Holst et al. 1998 [0014]
  • Schröder 2006 [0014] Schröder 2006 [0014]
  • Hakonen et al. 2010 [0014] Hakonen et al. 2010 [0014]
  • Schröder 2006 [0014] Schröder 2006 [0014]
  • Hakonen & Hulth 2008 [0015] Hakonen & Hulth 2008 [0015]
  • Hulth et al. 2002 [0015] Hulth et al. 2002 [0015]
  • Stahl et al. 2006 [0015] Stahl et al. 2006 [0015]
  • Schröder 2006 [0015] Schröder 2006 [0015]
  • Glud et al. 1998 [0015] Glud et al. 1998 [0015]
  • Holst et al. 1998 [0015] Holst et al. 1998 [0015]
  • Holst & Grunwald 2001 [0015] Holst & Grunwald 2001 [0015]
  • Schröder 2006 [0015] Schröder 2006 [0015]
  • Oguri et al. 2006 [0015] Oguri et al. 2006 [0015]
  • Precht et al. 2004 [0015] Precht et al. 2004 [0015]
  • Zhu et al. 2006 [0015] Zhu et al. 2006 [0015]
  • Schröder 2006 [0015] Schröder 2006 [0015]
  • Zhu et al. 2005 [0015] Zhu et al. 2005 [0015]
  • Hakonen et al. 2010 [0016] Hakonen et al. 2010 [0016]
  • Blossfeld & Gansert 2007 [0016] Blossfeld & Gansert 2007 [0016]
  • Hakonen et al. 2010 [0017] Hakonen et al. 2010 [0017]
  • Blossfeld & Gansert 2007 [0017] Blossfeld & Gansert 2007 [0017]
  • Holst und Grundwald 2001 [0018] Holst and Grundwald 2001 [0018]
  • Frederiksen & Glud 2006 [0018] Frederiksen & Glud 2006 [0018]
  • Walter et al 2009 [0020] Walter et al 2009 [0020]
  • Nagel et al 2009 [0020] Nagel et al 2009 [0020]
  • Blossfeld et al. (2007) [0025] Blossfeld et al. (2007) [0025]
  • Hinsinger et. al. (2005) New Phythologist, 168: 293–303 [0034] Hinsinger et. al. (2005) New Phytologist, 168: 293-303 [0034]
  • Ritzhaupt-Kleissl (2007) [0040] Ritzhaupt-Kleissl (2007) [0040]
  • Walter et al. (2009) [0046] Walter et al. (2009) [0046]
  • Walter et al., 2009 [0054] Walter et al., 2009 [0054]
  • Zhu et al. 2005 [0056] Zhu et al. 2005 [0056]
  • Zhu et al. (2005) [0057] Zhu et al. (2005) [0057]
  • Zhu et al. 2005 [0057] Zhu et al. 2005 [0057]
  • Zhu et al. 2005 [0057] Zhu et al. 2005 [0057]
  • Strömberg & Hulth (2005) [0095] Strömberg & Hulth (2005) [0095]
  • Hakonen & Hulth (2007) [0096] Hakonen & Hulth (2007) [0096]
  • Strömberg und Hulth 2005 [0097] Strömberg and Hulth 2005 [0097]
  • Burger und Burge (2008) [0101] Burger and Burge (2008) [0101]
  • Schmundt et al. (1998) [0102] Schmundt et al. (1998) [0102]
  • http://www.irfanview.com/ [0102] http://www.irfanview.com/ [0102]
  • Schmundt et al. 1998 [0105] Schmundt et al. 1998 [0105]
  • Mütze et al. 1972 [0108] Cap et al. 1972 [0108]
  • www.geoinformatik.uni-rostock.de [0109] www.geoinformatik.uni-rostock.de [0109]
  • www.wikipedia.org [0110] www.wikipedia.org [0110]
  • Mütze et al. 1972 [0111] Cap et al. 1972 [0111]
  • www.geoinformatik.uni-rostock.de [0112] www.geoinformatik.uni-rostock.de [0112]
  • Mütze et al. 1972 [0112] Cap et al. 1972 [0112]
  • www.geoinformatik.uni-rostock.de [0113] www.geoinformatik.uni-rostock.de [0113]
  • Mütze et al. 1972 [0114] Cap et al. 1972 [0114]
  • Mütze et al. 1972 [0115] Cap et al. 1972 [0115]
  • Kessler 2006 [0116] Kessler 2006 [0116]
  • Duden 1974 [0116] Duden 1974 [0116]
  • Mütze et al. 1972 [0117] Cap et al. 1972 [0117]
  • Mütze et al. 1972 [0117] Cap et al. 1972 [0117]
  • Mütze et al. 1972 [0118] Cap et al. 1972 [0118]
  • Duden 1974 [0118] Duden 1974 [0118]
  • Mütze et al. 1972 [0119] Cap et al. 1972 [0119]

Claims (28)

Vorrichtung zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemischer und/oder physikalischer Parameter, umfassend folgende Komponenten: a) Beleuchtungseinheit, b) optische Erfassungseinheit, c) mindestens einen Wachstumscontainer, mit Wachstumsmedium, d) mindestens eine transparente, planare Optode, e) Steuerungseinheit, f) elektronische Datenerfassungs- und Auswerteeinheit.Device for the non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters, comprising the following components: a) lighting unit, b) optical detection unit, c) at least one growth container, with growth medium, d) at least one transparent, planar optode, e) control unit, f) electronic data acquisition and evaluation unit. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit mindestens eine Lichtquelle umfasst, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittiert.Apparatus according to claim 1, characterized in that the illumination unit comprises at least one light source which emits light of different wavelengths. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit Licht mit einem Wellenlängenspektrum emittiert, welches sowohl für die eine Beleuchtung/Anregung der eingesetzten Optoden mit dem/den jeweiligen Fluorophor(en) geeignet ist als auch das Wellenlängenspektrum/die Wellenlängen emittiert, welche/s für die Bild gebende, fotographische Messung der Wachstumsprozesse benötigt wird.Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the illumination unit emits light having a wavelength spectrum which is suitable both for the illumination / excitation of the optodes used with the respective fluorophore (s) and the wavelength spectrum / wavelengths which is needed for the imaging, photographic measurement of growth processes. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht im Bereich von Wellenlängen von 200 nm bis 2500 nm emittiert.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the light source emits light in the range of wavelengths from 200 nm to 2500 nm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinheit mindestens eine analoge oder digitale Kamera ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optical detection unit is at least one analog or digital camera. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit über die Steuerungseinheit gesteuert ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the lighting unit is controlled by the control unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinheit über die Steuerungseinheit gesteuert ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the optical detection unit is controlled by the control unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit als Lichtquelle LEDs und/oder OLEDs umfasst.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the illumination unit comprises as a light source LEDs and / or OLEDs. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachstumscontainer wenigstens teilweise lichtdurch-lässig/transparent ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the growth container is at least partially translucent / transparent. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Optode mindestens einen immobilisierten Fluorophor aufweist, der in Abhängigkeit der Quantität der zu messenden chemischen und/oder physikalischen Parameter fluoresziert.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the optode has at least one immobilized fluorophore, which fluoresces depending on the quantity of the measured chemical and / or physical parameters. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Optode auch nach Aufbringen des Fluorophors transparent ist.Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the optode is transparent even after application of the fluorophore. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Optode mit der Seite, die mit dem Fluorophor beschichtet ist, mit dem Wachstumsmedium kontaktiert.Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the optode with the side, which is coated with the fluorophore, contacted with the growth medium. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachstumscontainer von Außenlicht abgeschirmt ist.Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the growth container is shielded from external light. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dunkelbox den Wachstumscontainer und den Innenraum des Wachstumscontainers, die Beleuchtungseinheit und/oder die optische Erfassungseinheit vor Außenlicht abschirmt.Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that a dark box shields the growth container and the interior of the growth container, the lighting unit and / or the optical detection unit from outside light. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachstumscontainer, die Beleuchtungseinheit und die Kamera so zueinander positioniert sind, dass es zu keiner Reflektion an der Sichtscheibe des Wachstumscontainers kommt. Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the growth container, the lighting unit and the camera are positioned to each other so that there is no reflection on the window of the growth container. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachstumscontainer in einem Winkel unter 90° geneigt zur Beleuchtungseinheit und zur optischen Erfassungseinheit ist.Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the growth container is inclined at an angle of less than 90 ° to the illumination unit and the optical detection unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Datenerfassungs-/Auswerte-Einheit ein Computer mit einem mathematischen Auswerteprogramm ist.Device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the electronic data acquisition / evaluation unit is a computer with a mathematical evaluation program. Verfahren zur nicht-invasiven Erfassung von Wachstumsprozessen und simultanen Messung chemischer und/oder physikalischer Parameter, umfassend folgende Verfahrensschritte: i) Erfassung der Wachstumsprozesse mittels bildgebender Methoden. ii) Erfassung der chemisch und/oder physikalischen Parameter durch Verwendung einer planaren, transparenten Optode, wobei die Daten aus i) und ii) simultan und parallel zueinander gewonnen werden.Method for non-invasive detection of growth processes and simultaneous measurement of chemical and / or physical parameters, comprising the following method steps: i) Recording the growth processes by means of imaging methods. ii) acquisition of the chemical and / or physical parameters by using a planar, transparent optode, wherein the data from i) and ii) are obtained simultaneously and in parallel with each other. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch a) Einbringen eines Wachstumsmediums in einen Wachstumscontainer b) Einbringen einer transparenten, planaren Optode in den Wachstums container, so dass die Seite der Optode, die mit dem Fluorophor beschichtet ist, mit dem Wachstumsmedium kontaktiert. c) Einbringen des Untersuchungsobjekts in das Wachstumsmedium des Wachstumscontainers und Kultivieren unter Kulturbedingungen. d) Belichten des Wachstumscontainers durch eine Beleuchtungseinheit mit Licht einer Wellenlänge, das im Anregungswellenlängenbereich des jeweiligen Fluorophors der Optode liegt. e) Belichten des Untersuchungsobjekts im Wachstumscontainer mit einer Beleuchtungseinheit zur Erfassung der Wachstumsprozesse mittels Bild gebender Methoden durch die Optode hindurch. f) Aufnahme des emittierten Fluoreszenzlichts aus d) und Aufnahme von Bilddaten aus e) und mit einer optischen Erfassungseinheit. g) Auswerten der Daten aus f).Method according to claim 18, marked by a) introducing a growth medium into a growth container b) introducing a transparent, planar optode in the growth container, so that the side of the optode, which is coated with the fluorophore, contacted with the growth medium. c) introducing the examination object into the growth medium of the growth container and culturing under culture conditions. d) exposing the growth container by an illumination unit with light of a wavelength which lies in the excitation wavelength range of the respective fluorophore of the optode. e) exposing the examination object in the growth container with a lighting unit for detecting the growth processes by means of image-giving methods through the optode. f) recording the emitted fluorescent light from d) and taking image data from e) and with an optical detection unit. g) Evaluation of the data from f). Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten des Untersuchungsobjekts gemäß e) mit Licht im nahinfraroten Bereich erfolgt.A method according to claim 19, characterized in that the exposure of the examination object according to e) is carried out with light in the near-infrared region. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinheit und die Beleuchtungseinheit so zur Sichtscheibe des Wachstumscontainers ausgerichtet werden, dass es zu keiner Reflektion des Lichts in der Sichtscheibe des Wachstumscontainers kommt.Method according to one of claims 18 to 20, characterized in that the optical detection unit and the illumination unit are aligned with the viewing window of the growth container so that there is no reflection of the light in the viewing window of the growth container. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit in einem definierten Winkel und Abstand zur Sichtscheibe des Wachstumscontainers ausgerichtet wird.Method according to one of claims 18 to 21, characterized in that the illumination unit is aligned at a defined angle and distance to the viewing window of the growth container. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachstumscontainer, die Beleuchtungseinheit und/oder die optische Erfassungseinheit durch eine Dunkelbox von Außenlicht abgeschirmt wird.Method according to one of claims 18 to 22, characterized in that the growth container, the lighting unit and / or the optical detection unit is shielded by a dark box of external light. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass optische Erfassungseinheit und Beleuchtungseinheit über eine Steuerungseinheit gesteuert ausgelöst werden.Method according to one of claims 18 to 23, characterized in that the optical detection unit and lighting unit are triggered controlled by a control unit. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Erfassungseinheit elektronisch ausgewertet werden.Method according to one of claims 18 to 24, characterized in that the data of the detection unit are evaluated electronically. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung gemäß g) mit einem mathematischen Verfahren erfolgt.Method according to one of claims 18 to 25, characterized in that an evaluation according to g) is carried out with a mathematical method. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten der Optode und/oder die Aufnahme der Bilddaten des Untersuchungsobjekts in Zeitintervallen zwischen μ-Sekunden bis Millisekunden erfolgt.Method according to one of claims 18 to 26, characterized in that the exposure of the optode and / or the recording of the image data of the examination subject in time intervals between μ seconds to milliseconds occurs. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Belichten der Optode und/oder die Aufnahme der Bilddaten über einem Zeitraum von Minuten bis Wochen erfolgt.Method according to one of claims 18 to 27, characterized in that the exposure of the optode and / or the recording of the image data takes place over a period of minutes to weeks.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012105291A1 (en) * 2012-06-18 2013-12-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method, device and portable measuring device for the detection of biological molecules in layers of a layer system
DE102013022032A1 (en) * 2013-12-19 2015-06-25 Technische Universität Ilmenau Method for detecting foreign substances or degradation products in encapsulated systems and its use
DE102014000816A1 (en) * 2014-01-22 2015-07-23 Technische Universität Bergakademie Freiberg Chamber system for the analysis of gas flows of ecosystems
DE102014212657A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System and method for the demand-oriented supply of lighting energy to plants
DE102016204541A1 (en) 2016-03-18 2017-09-21 Technische Universität Dresden Method and device for the temporal and locally resolved detection of substance concentration in fluids
DE102017109968A1 (en) 2016-05-10 2017-11-16 Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V. Device for the cultivation of phototrophic organisms
DE102019208833A1 (en) * 2019-06-18 2020-12-24 Robert Bosch Gmbh Method for marking plant image information, in particular for agricultural purposes
DE102019129924A1 (en) * 2019-08-21 2021-02-25 Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg Optochemical sensor, sensor cap, use of the optochemical sensor and method for producing an analyte-sensitive layer of the optochemical sensor
DE102021102505A1 (en) 2020-12-21 2022-06-23 Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg Optochemical sensor and method for measuring luminescent analytes in a measuring medium
WO2023118569A1 (en) * 2021-12-24 2023-06-29 Smo Bvba Rhizotron
DE102022107746A1 (en) 2022-03-31 2023-10-05 Lytegate GmbH Method and measuring arrangement for examining organic material

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109005964B (en) * 2018-05-21 2020-06-12 华南农业大学 Sterile filter paper cultivation method for researching interaction between plant root system and environment
RU2765841C1 (en) * 2021-06-07 2022-02-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" Method for integrated tracking of seasonal changes in plants
RU2765842C1 (en) * 2021-06-07 2022-02-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" Device for comprehensive tracking of seasonal changes in plants
RU206755U1 (en) * 2021-06-07 2021-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" DEVICE FOR FIXING SEASONAL PLANT GROWTH
RU206519U1 (en) * 2021-06-07 2021-09-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет" DEVICE FOR MEASURING SEASONAL PLANT GROWTH
CN114486824B (en) * 2021-12-27 2024-04-09 南京大学 High-resolution technology coupling heavy metal in-situ characterization system for simulating pH change and facing soil system
CN115436367B (en) * 2022-09-09 2024-05-03 中国农业大学 Root system soil in-situ imaging device and method based on external variable light source

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3213183A1 (en) * 1982-04-08 1983-10-20 Max Planck Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen ARRANGEMENT FOR OPTICAL MEASUREMENT OF PHYSICAL SIZES
EP0425587B1 (en) * 1989-05-12 1994-06-08 AVL Medical Instruments AG Process for determining biological activities in a sample and a device for implementing it
EP0702228A2 (en) * 1994-09-14 1996-03-20 AVL Medical Instruments AG Planar sensor for measuring a chemical parameter of a sample
DE69123619T2 (en) * 1990-03-20 1997-05-22 Minnesota Mining & Mfg Method of manufacturing a gas sensor element
US20060105174A1 (en) 2004-10-25 2006-05-18 The Research Foundation Of State University Of New York Optical pH sensor

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5372784A (en) * 1988-08-31 1994-12-13 Baxter Diagnostics Inc. Measurement of bacterial CO2 production in an isolated fluorophore by monitoring an absorbance regulated change of fluorescence

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3213183A1 (en) * 1982-04-08 1983-10-20 Max Planck Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 3400 Göttingen ARRANGEMENT FOR OPTICAL MEASUREMENT OF PHYSICAL SIZES
EP0425587B1 (en) * 1989-05-12 1994-06-08 AVL Medical Instruments AG Process for determining biological activities in a sample and a device for implementing it
DE69123619T2 (en) * 1990-03-20 1997-05-22 Minnesota Mining & Mfg Method of manufacturing a gas sensor element
EP0702228A2 (en) * 1994-09-14 1996-03-20 AVL Medical Instruments AG Planar sensor for measuring a chemical parameter of a sample
US20060105174A1 (en) 2004-10-25 2006-05-18 The Research Foundation Of State University Of New York Optical pH sensor

Non-Patent Citations (67)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Avery 1933
Avery GS (1993) Structure and development of the tobacco leaf. Amer J Bot 20: 565-592
Blossfeld & Gansert 2007
Blossfeld et al. (2007)
Blossfeld et al. 2010
Blossfeld S, Gansert D (2007) A novel non-invasive optical method for quantitative visualization of pH dynamics in the rhizosphere of plants. Plant Cell Environ 30: 176-187
Blossfeld S, Perriguey J, Sterckeman T, Morel JL, Lösch R (2010) Rhizosphere pH dynamics in trace-metal-contaminated soils, monitored with planar pH optodes. Plant Soil 330: 173-184
Burger und Burge (2008)
Duden 1974
Erickson RO, Sax KB (1956) Elemental Growth Rate of the Primary Root of Zea mays. Proc Amer phil Soc 100: 487-498
Erickson und Sax, 1956
Frederiksen & Glud 2006
Frederiksen SM, Glud RN (2006) Oxygen dynamics in the rhizosphere of Zostera marina: a twodimensional planar optode study. Limnol Oceanogr 51: 1072-1083
Glud et al. 1998
Glud RN, Santegoeds CM, De Beer D, Kohls O, Ramsing NB (1998) Oxygen dynamics at the base of a biofilm studied with planar optodes. Aquat Microb Ecol 14: 223-233
Hakonen & Hulth (2007)
Hakonen & Hulth 2008
Hakonen A, Hulth S (2007) A high-precision ratiometric fluorosensor for pH: Implementing time-dependent non-linear calibration protocols for drift compensation. Anal Chim Acta 606: 63-71
Hakonen A, Hulth S, Dufour S (2010) Analytical performance during ratiometric longterm imaging of pH in bioturbated sediments. Talanta 81: 1393-1401
Hakonen et al. 2010
Hinsinger et. al. (2005) New Phythologist, 168: 293-303
Hinsinger P, Gobran G R, Gregory P J, Wenzel W W (2005) Rhizosphere geometry and heterogeneity arising from root-mediated physical and chemical processes. New Phytol 168: 293-303
Holst & Grunwald 2001
Holst et al. 1998
Holst G, Grunwald B (2001) Luminescence lifetime imaging with transparent oxygen optodes. Sens Actuators B: Chem 74: 78-90
Holst G, Kohls O, Klimant I, König B, Kühl M, Richter T (1998) A modular luminescence lifetime imaging system for mapping oxygen distribution in biological samples. Sens Actuators B: Chem 51: 163-170
Holst und Grundwald 2001
http://www.irfanview.com/
Hulth et al. 2002
Hulth S, Aller R C, Engström P, Selander E (2002) A pH Plate fluorosensor (Optode) for early diagenetic studies of marine sediments. Limnol Oceanogr 47: 212-220
Jaillard B, Ruiz L, Arvieu JC (1996) pH mapping in transparent gel using color indicator video densitometry. Plant Soil 183: 85-95
Jaillard et al. 1996
Kessler 2006
Marschner 1986
Marschner et al. 1986
Marschner H, Römheld V, Horst W J, Martin P (1986) Root induced changes in the rhizosphere: Importance for the mineral nutrition of plants. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bodenkunde 149: 441-446
Mütze et al. 1972
Nagel et al 2009
Nagel K A, Kastenholz B, Jahnke S, van Dusschoten D, Aach T, Mühlich M, Truhn D, Scharr H, Terjung S, Walter A, Schurr U (2009) Temperature responses of roots: impact on growth, root system architecture and implications for phenotyping. Funct Plant Biol 36: 947-959
Oguri et al. 2006
Oguri K, Kitazato H. Glud R N (2006) Platinum octaetylporphyrin based planar optodes combined with an UV-LED excitation light source: an ideal tool for high-resolution O2 imaging in O2 depleted environments. Mar Chem 100: 95-107
Pijnenborg et al. 1990
Pijnenborg JWM, Lie TA, Zehnder AJB (1990) Simplified measurement of soil pH using an agar-contact technique. Plant Soil 126: 155-160
Precht E, Franke U, Polerecky L, Huettel M (2004) Oxygen dynamics in permeable sediments with wave-driven pore water exchange. Limnol and Oceanogr 49: 693-705
Precht et al. 2004
Ritzhaupt-Kleissl (2007)
Schmundt et al. (1998)
Schmundt et al. 1998
Schröder 2006
Schröder CR (2006) Luminescent planar single and dual optodes for time-resolved imaging of pH, pCO2 and pO2 in marine systems. Dissertation Universität Regensburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Stahl et al. 2006
Stahl H, Glud A, Schröder C R, Klimant I, Tengberg A, Glud R N (2006) Time-resolved pH imaging in marine sediments with a luminescent planar optode. Limnol Oceanogr 4: 336-345
Strömberg & Hulth (2005)
Strömberg 2008
Strömberg N, Hulth S (2005) Assessing an imaging ammonium sensor using time correlated pixel-by-pixel calibration. Anal Chim Acta 550: 61-68
Walter 1997
Walter A, Silk WK, Schurr U (2009) Environmental effects on spatial and temporal patterns of leaf and root growth. Annu Rev Plant Biol 60: 279-304
Walter et al 2009
Walter et al. (2009)
Walter et al., 2009
www.geoinformatik.uni-rostock.de
www.wikipedia.org
Zhu et al. (2005)
Zhu et al. 2005
Zhu et al. 2006
Zhu QZ, Aller RC, and Fan YZ (2006) A new ratiometric, planar fluorosensor for measuring high resolution, two-dimensional pCO2 distributions in marine sediments. Mar Chem 101: 40-53
Zhu QZ, Aller RC, Fan YZ (2005) High-performance planar pH fluorosensor for twodimensional pH measurements in marine sediment and water. Environ Sci Technol 39: 8906-8911

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012105291A1 (en) * 2012-06-18 2013-12-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method, device and portable measuring device for the detection of biological molecules in layers of a layer system
DE102013022032A1 (en) * 2013-12-19 2015-06-25 Technische Universität Ilmenau Method for detecting foreign substances or degradation products in encapsulated systems and its use
DE102014000816A1 (en) * 2014-01-22 2015-07-23 Technische Universität Bergakademie Freiberg Chamber system for the analysis of gas flows of ecosystems
DE102014212657A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System and method for the demand-oriented supply of lighting energy to plants
DE102014212657B4 (en) * 2014-06-30 2016-03-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System and method for the demand-oriented supply of lighting energy to plants
DE102016204541B4 (en) * 2016-03-18 2019-11-14 Technische Universität Dresden Method and device for the temporal and locally resolved detection of substance concentration in fluids
DE102016204541A1 (en) 2016-03-18 2017-09-21 Technische Universität Dresden Method and device for the temporal and locally resolved detection of substance concentration in fluids
DE102017109968A1 (en) 2016-05-10 2017-11-16 Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V. Device for the cultivation of phototrophic organisms
DE102019208833A1 (en) * 2019-06-18 2020-12-24 Robert Bosch Gmbh Method for marking plant image information, in particular for agricultural purposes
DE102019129924A1 (en) * 2019-08-21 2021-02-25 Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg Optochemical sensor, sensor cap, use of the optochemical sensor and method for producing an analyte-sensitive layer of the optochemical sensor
DE102021102505A1 (en) 2020-12-21 2022-06-23 Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg Optochemical sensor and method for measuring luminescent analytes in a measuring medium
WO2023118569A1 (en) * 2021-12-24 2023-06-29 Smo Bvba Rhizotron
BE1030100B1 (en) * 2021-12-24 2023-07-26 Smo Bvba RHIZOTRON
DE102022107746A1 (en) 2022-03-31 2023-10-05 Lytegate GmbH Method and measuring arrangement for examining organic material

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