DISPOSITIVO Y MÉTODO DE MEDICIÓN DE REFLECTIVIDAD, TRANSMISIVIDAD Y FLUORESCENCIA.

Dispositivo y método de medición de reflectividad, transmisividad y fluorescencia.

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados a medir la reflectividad, la transmisividad y/o la fluorescencia de muestras bajo estudio, siendo dichas muestras, preferentemente, hojas vegetales. El dispositivo comprende un medio de sujeción de las muestras formado por, al menos, dos elementos de cierre que, al cerrarse, conforman una cámara oscura para alojar dichas muestras; un medio de detección de la radiación reflejada y de la fluorescencia ascendente de las muestras, conectable a, al menos, uno de los elementos de cierre del medio de sujeción; un medio de detección de la radiación transmitida y de la fluorescencia descendente de las muestras, conectable a, al menos, uno de los elementos de cierre del medio de sujeción; y un medio de análisis espectral conectable a dichos medios de detección.

Dispositivo y método de medición de reflectividad, transmisividad y fluorescencia.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a un dispositivo y a un método destinados a medir la reflectividad, la transmisividad y/o la fluorescencia de muestras bajo estudio, siendo dichas muestras, preferentemente, hojas vegetales.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los dispositivos destinados a la medición de la fluorescencia en hojas vegetales son bien conocidos en el estado de la técnica y se emplean habitualmente tanto en estudios de laboratorio como en estudios de campo. Dichos estudios permiten analizar propiedades de las especies vegetales estudiadas tales como, por ejemplo, los procesos de fotosíntesis propios de cada especie, la emisión de la fluorescencia inducida por el sol, los ciclos diurnos de emisión de dicha fluorescencia, o para la modelización teórica del ciclo del carbono, entre otros. Especialmente, los estudios de campo resultan fundamentales para poder analizar las propiedades de las especies vegetales estudiadas in vivo, lo que permite obtener información en condiciones naturales, tanto del estado de las hojas estudiadas, como de la iluminación a la que son sometidas dichas hojas.

Algunos ejemplos disponibles en el mercado de dispositivos empleados para la medición de la fluorescencia son los dispositivos basados en iluminación artificial, filtrada de forma que se dejan pasar las longitudes de ondas que excitan la fotosíntesis, eliminando aquéllas en las que la clorofila emite la fluorescencia, o los sistemas basados en iluminación artificial modulada, que se superpone a la iluminación natural, equipados con un sistema de detección sincronizado con los pulsos de luz emitidos, como son, por ejemplo, los sistemas PAM (“Pulse Amplitude Modulation) comercializados por la compañía Walz.

Por otra parte, dentro de las herramientas conocidas para el estudio de la reflectividad y la transmisividad en muestras vegetales, cabe citar los siguientes dispositivos, empleados de manera predominante en el estado de la técnica:

- Dispositivos basados en una esfera integradora a la que hay que acoplar una fuente de iluminación externa: Una esfera integradora es una esfera hueca cuyo interior está cubierto con un material de reflectividad cercana al 100% (p. ej. Spectralon®) , donde dicha esfera dispone de tres o más aberturas que no son coaxiales, colocándose en una de las aberturas una fuente de luz y, en otra, un detector. La luz que penetra en la esfera sufre múltiples reflexiones en su interior, distribuyéndose de forma homogénea. Mediante la colocación de la muestra estudiada en la tercera de las aberturas, la luz que recoge el detector es la reflejada por la muestra, mientras que, mediante la colocación de la muestra entre la fuente de luz y la abertura, la luz medida en el detector corresponde a la luz transmitida. Las medidas tomadas mediante los dispositivos de esfera integradora proporcionan un promedio de la luz reflejada (o transmitida) hemisféricamente (en todas direcciones) .

- Dispositivos que comprenden una pinza que sostiene la muestra estudiada, equipada con un fondo reversible de colores negro y blanco donde, para medir la reflectividad, se coloca la muestra sobre el fondo negro, se ilumina y se mide la luz reflejada. De forma análoga, para medir la transmisividad, se coloca el fondo blanco tras la muestra y se mide la luz que ha atravesado la muestra dos veces, al reflejarse en el fondo blanco, sumándose a la luz reflejada por la superficie de la hoja y donde, mediante un algoritmo, se extrae el valor de una sola transmisión a partir de las dos medidas realizadas.

Para realizar el análisis de la luz detectada mediante los diferentes tipos de dispositivos antes descritos, se emplean los aparatos de análisis espectral usados comúnmente en el estado de la técnica, tales como espectrómetros, espectrorradiómetros, espectrofotómetros, fotómetros de filtros, cámaras CCD (“Charge coupled device”) o CMOS (“Complementar y metal-oxide semiconductor”) con filtros espectrales (ruedas de filtros, filtros acusto-ópticos) o cámaras convencionales.

Si bien la utilización de una combinación de los sistemas anteriormente citados (aquéllos utilizados para medir fluorescencia y aquéllos utilizados para medir la reflectividad/transmisividad) constituye una alternativa válida para la medición de las tres propiedades deseadas, es importante resaltar que ninguno de dichos sistemas, por separado, es capaz de realizar la medición conjunta de las tres propiedades consideradas mediante un único soporte experimental.

Adicionalmente, los dispositivos del estado de la técnica no están exentos de problemas técnicos que permanecen aún sin resolver, y que se superan mediante la presente invención. Por una parte, con relación a la medida de la fluorescencia, los dispositivos del estado de la técnica se basan en el uso de luz artificial para provocar la emisión de dicha fluorescencia, siendo ésta de una calidad distinta a la de la luz solar, resultando esta diferencia, a la postre, en la medida de un estado diferente del estado natural de la planta. Por otra parte, la mayoría de estos sistemas sólo permiten medir uno de los dos picos característicos de emisión de fluorescencia de la clorofila o, en los casos en los que se miden los dos, dicha medición se realiza en condiciones alteradas, al eliminar gran parte de la luz que activa la fotosíntesis en las longitudes de onda del rojo, para poder detectar el primer pico de emisión.

Con relación a la medida de la reflectividad y la transmisividad, los dispositivos del estado de la técnica también presentan problemas de importancia: respecto a los dispositivos de esfera integradora, resultan poco manejables en estudios de campo (de hecho, su principal función es la realización de estudios de laboratorio) , debido a que son muy voluminosos, requieren de una fuente de luz artificial controlada y precisan, adicionalmente, de una batería, además del sistema detector. El propio volumen de la esfera hace que poder medir en la muestra estudiada resulte difícil, necesitando, en numerosas ocasiones, cortar la hoja de muestra para poder realizar las medidas, lo que impide realizar un estudio completo en condiciones naturales. Además, los dispositivos basados en esfera integradora son capaces de medir únicamente luz transmitida/reflejada, pero no fluorescencia.

Por otra parte, el principal problema que acarrean los sistemas de pinza con fondo reversible es que en ellos se asume que la transmisividad en el sentido descendente (en el sentido de la luz incidente) , es idéntica a la transmisividad en el sentido ascendente (en el sentido opuesto al de la luz incidente) , tras reflejarse en el fondo blanco, lo cual no siempre resulta cierto, especialmente en aquellas zonas del espectro donde se producen fuertes absorciones de radiación, como es el caso de la absorción de la clorofila en las regiones del rojo y del azul. Lo mismo sucede al asumir que la reflectividad en ambas caras de la hoja es idéntica. Por ultimo, la contribución luminosa de la superficie negra del fondo reversible no es, en la práctica, completamente desdeñable, por lo que la medida de la reflectividad en estos sistemas lleva implícito un considerable margen de error.

Con el objetivo de proporcionar una solución a los problemas del estado de la técnica antes mencionados, se plantea la presente invención, basada en un dispositivo portátil completamente adaptado para realizar estudios de campo sin necesitad de alterar el estado de las muestras estudiadas, resultando además mínimamente invasivo, y siendo capaz, al mismo tiempo, de realizar una medida conjunta de todas las propiedades analizadas (reflectividad, transmisividad y fluorescencia) , mediante un único montaje experimental.

Concretamente, una de las principales ventajas del presente dispositivo frente a los sistemas de medida de fluorescencia y frente a los dispositivos basados en una esfera integradora, es que la presente invención permite la medida bajo iluminación natural, con luz solar, preservando las condiciones naturales de la muestra, mejorando además sustancialmente la portabilidad y facilidad de uso en condiciones de campo. En cuanto a los sistemas de pinza con fondo reversible, dichos sistemas se basan en el doble paso de la luz a través de la muestra, junto con una pluralidad de aproximaciones teóricas para poder determinar la reflectividad y transmisividad, lo que conlleva un cierto grado de pérdida de precisión que conduce, a la postre, a la toma de medidas erróneas, siendo dicha pérdida un efecto indeseado que se solventa mediante el dispositivo de la invención.

Adicionalmente, la presente invención...

1. Dispositivo para medir la reflectividad, la transmisividad y/o la fluorescencia de una muestra bajo estudio en presencia de una fuente de luz incidente, que comprende un medio de sujeción (1) de la muestra formado por, al menos, dos elementos de cierre (2, 3) que, al cerrarse, conforman una cámara oscura para alojar dicha muestra, y caracterizado dicho dispositivo porque:

- al menos, uno de los elementos de cierre (2) comprende una abertura de entrada (6) de la luz incidente;

- al menos, uno de los medios de cierre (2) comprende una abertura de salida de luz (7) para canalizar la luz reflejada y emitida por la región superior de la muestra bajo estudio, siendo dicha abertura de salida (7) conectable a, al menos, un medio de detección (9) de la radiación reflejada y de la fluorescencia ascendente de la muestra;

- al menos, uno de los elementos de cierre (3) comprende una abertura de salida de luz (8) para canalizar la luz transmitida y emitida por la región inferior de la muestra bajo estudio, siendo dicha abertura de salida (8) conectable a, al menos, un medio de detección (10) de la radiación transmitida y de la fluorescencia descendente de la muestra.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende un medio de análisis espectral (11) conectable a, al menos, uno de los medios de detección (9, 10) .

3. Dispositivo según la reivindicación 2, donde el medio de análisis espectral (11) comprende un espectrorradiómetro.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, donde el medio de análisis espectral (11) está conectado a un ordenador programado con uno o más algoritmos de procesado de las medidas tomadas por, al menos, uno de los medios de detección (9, 10) y analizadas por dicho medio de análisis (11) .

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde los elementos de cierre (2, 3) comprenden sendas semi-cámaras (4, 5) internas que, al cerrarse dichos elementos de cierre (2, 3) , conforman la cámara oscura para alojar la muestra bajo estudio.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde la abertura de entrada (6) de luz del medio de sujeción (1) comprende, al menos, un portafiltros (12) capaz de alojar uno o más filtros ópticos de la luz incidente sobre la muestra.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, donde el portafiltros está equipado con, al menos, un filtro óptico pasa-baja de longitud de onda de corte en 650 nm y un filtro óptico pasa-baja de longitud de onda de corte en 700 nm.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, donde, al menos, uno de los medios de detección (9, 10) comprende un haz de fibra óptica.

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, donde, al menos, uno de los elementos de cierre (2, 3) comprende un mecanismo de obturación (13) de la luz incidente.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, donde el medio de sujeción (1) comprende un alineador (14) del dispositivo con la fuente de iluminación utilizada.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, donde la muestra bajo estudio comprende un grosor igual o inferior a 3 mm.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, donde la muestra bajo estudio es una hoja vegetal.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, donde la fuente de luz incidente sobre la muestra es luz solar.

14. Método de medición de la reflectividad, la transmisividad y/o la emisión de fluorescencia de una muestra bajo estudio que comprende el uso de un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-13.

15. Método según la reivindicación 14, donde la muestra bajo estudio comprende un grosor igual o inferior a 3 mm.

16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14-15, donde la muestra bajo estudio es una hoja vegetal.

17. Método de medición de la reflectividad, la transmisividad y/o la radiación de emisión de una muestra bajo estudio que comprende el uso de un dispositivo según la reivindicación 6 que comprende, al menos, los siguientes pasos:

a) Reducción de ruido mediante la aplicación de un factor de corrección a las medidas de la luz incidente 5 sobre la muestra sin colocar ninguna muestra en el dispositivo, pudiendo dicho factor ser bien aplicado de forma independiente a cada longitud de onda, o bien aplicado de forma global a todas las longitudes de onda.

b) Control de calidad, mediante la división entre sí de cada par de medidas realizadas con y sin el uso de filtro óptico, respectivamente, estimando la función de transmisión del filtro por longitud de onda, y verificando que dicha transmisión se mantiene constante a lo largo de las medidas realizadas sobre la muestra bajo estudio, o dentro de un margen de error predeterminado. c) Procesado de los datos, mediante el cálculo de la reflectividad, la transmisividad y/o la curva de emisión de la muestra bajo estudio.

18. Dispositivo según la reivindicación 4, donde al menos uno de los algoritmos programados en el 15 ordenador comprenden un método de medición de la reflectividad, la transmisividad y/o la fluorescencia de una muestra bajo estudio, según la reivindicación 17.

FIG. 1 FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4 FIG. 5 FIG. 6 FIG. 7 FIG. 8