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Jul 18, 2023

Monitoraggio ottico dello stato di crescita delle piante mediante polarimetria

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 21841 (2022) Cita questo articolo 1426 Accessi 1 Dettagli metriche altmetriche La polarimetria è una potente tecnica di caratterizzazione che utilizza una vasta gamma di

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21841 (2022) Citare questo articolo

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La polarimetria è una potente tecnica di caratterizzazione che utilizza una grande quantità di informazioni provenienti dalle onde elettromagnetiche, inclusa la polarizzazione. Utilizzando le ricche informazioni fornite dalla polarimetria, viene attivamente studiato in campi biomedici come la diagnosi del cancro e dei tumori. Nonostante la sua importanza e il suo potenziale in agricoltura, la polarimetria per le piante viventi non è stata ben studiata. È stato costruito un sistema di imaging polarimetrico Stokes per determinare la correlazione tra gli stati di polarizzazione della luce che passa attraverso la foglia e gli stati di crescita della lattuga. Il parametro di Stokes s3 associato alla polarizzazione circolare è aumentato nel tempo ed è stato fortemente correlato con la crescita delle piantine di lattuga. Nell'analisi statistica, la distribuzione di s3 ha seguito la funzione di densità di probabilità del valore estremo generalizzato (GEV). Lo stress salino ha ritardato la crescita delle piante e la concentrazione di cloruro di sodio trattato (NaCl) ha mostrato una correlazione negativa con il parametro di localizzazione μ di GEV. La chiara correlazione qui riportata aprirà la possibilità di misurazioni della polarizzazione sulle piante viventi, consentendo il monitoraggio in tempo reale della salute delle piante.

Lo stato di polarizzazione della luce rifratta, riflessa o diffratta da un materiale dipende dalle proprietà del materiale. La polarimetria ottica viene utilizzata per analizzare le proprietà fisiche o chimiche dei materiali misurando e interpretando i cambiamenti nello stato di polarizzazione della luce1. L'ellissometria è una delle tecniche ben note utilizzate per caratterizzare i materiali misurando gli stati di polarizzazione. Il potere versatile delle misurazioni della polarizzazione non si limita a oggetti come composti organici o inorganici, ma può essere utilizzato anche negli organismi (ad esempio organi, tessuti e cellule). La diagnostica biomedica mediante polarimetria è una delle tecniche più attivamente studiate in questo campo2,3,4,5. L'enorme vantaggio della diagnostica biomedica polarimetrica è la misurazione senza contatto e in tempo reale. Ad esempio, la fibra ottica polarimetrica Mueller viene utilizzata per la diagnosi dei tumori4.

Per lo stesso motivo, la diagnosi delle piante viventi è una tecnica promettente per l’agricoltura. Nel frattempo, ci sono pochi studi sulle tecniche di polarizzazione per le piante viventi6,7,8,9,10,11,12,13. La polarimetria utilizza non solo l'ampiezza di un'onda elettromagnetica a una determinata lunghezza d'onda della luce, ma anche le informazioni sulla fase1. Pertanto, può fornire più informazioni sulla pianta rispetto all'analisi iperspettrale convenzionale, che utilizza solo l'ampiezza del campo elettromagnetico14,15,16,17,18,19,20,21,22. Molti parametri possono essere ottenuti dalla polarimetria, inclusi l'angolo di azimut di polarizzazione e l'ellitticità. Tuttavia, la maggior parte delle ricerche precedenti si limitava a utilizzare solo le informazioni sulla depolarizzazione per monitorare lo stato delle piante6,8,12,13. Pertanto l’esatta correlazione tra lo stato delle piante e lo stato di polarizzazione della luce non è stata ancora rivelata e rimane una questione aperta.

Attualmente, alcune piante crescono in ambienti controllati (ad esempio, serre e fabbriche di piante) dove la luce, la temperatura e l'umidità sono regolate artificialmente per consentire la raccolta tutto l'anno. Nel frattempo, le piante possono crescere in modo diverso anche in ambienti controllati, quindi è necessario sviluppare tecniche di monitoraggio. Per determinare la correlazione tra gli stati di polarizzazione e la crescita delle piante, è stato costruito un sistema di imaging polarimetrico di Stokes. Utilizzando il sistema di imaging Stokes, sono stati registrati e analizzati gli stati di polarizzazione della luce che passa attraverso le foglie di lattuga. La lattuga (Lactuca sativa L.) è stata scelta come soggetto perché è una delle verdure a foglia più popolari coltivate e consumate in tutto il mondo23. In questo articolo è stata mostrata una forte correlazione tra la crescita delle piante e lo stato di polarizzazione, dimostrando la fattibilità delle misurazioni della polarizzazione per il monitoraggio delle piante.