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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffversorgung
in den unterirdischen Teilen einer Pflanze, ein mobiles Sensorsystem
zur Verwendung in diesem Verfahren sowie weitere Verwendungen des
Sensorsystems zur Ertragssicherung und -steigerung von Nutzpflanzen
und zur Überwachung
von Wachstumsbedingungen in Pflanzen.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Ansammlung von Wasser im Wurzelbereich von Pflanzen führt zur
Verringerung des Sauerstoff (O2) Partialdrucks
in der Wurzelzone, was wiederum zu verringertem Wachstum der Pflanze
führen kann.
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Von
Carotinoiden, zu denen neben den Carotinen auch ihre Sauerstoff
enthaltenden Derivate, die Xanthophylle gehören, ist bekannt, dass sie
wichtige biologische Funktionen in Pflanzen wahrnehmen. In den Chloroplasten
wirken sie als akzessorische Pigmente zur Aufnahme von Licht, das
sie über die
Weiterleitung von Energie an das Chlorophyll der Pflanzen abgeben.
Die Carotinoide wirken als Schutzmechanismen gegen photooxidative
Schädigung
und als Radikalfänger
für singulären Sauerstoff. Carotinoide
kommen ubiquitär
nicht nur in den Blättern,
sondern auch in den Blüten
und Früchten
der Pflanzen vor. Die antioxidanten Eigenschaften der Carotinoide
wurden umfassend zum Schutz vor Krebs, Herzkreislauf Erkrankungen
sowie zur Stimulation des Immunsystems untersucht.
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Die
US 6,567,537 beschreibt
ein System und ein Verfahren zur Bewertung von Stressfaktoren in Nutzpflanzen
mittels nicht invasiver Messungen. Mit Hilfe von digitalen Kameras
wird eine digitale Matrix bereitgestellt, welche das Absorptionsspektrum
von Chlorophyll α bei
680 nm misst. Die digitalen Daten werden korrigiert und mit einem
Computer in ein Algorithmusbild umgewandelt. Das algorith mische
Bild stellt den Chlorophyllgehalt bezüglich des Standortes einer
Pflanze dar, woraus Informationen über Stressfaktoren, die auf
die Pflanze wirken, abgeleitet werden können.
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Die
US Patentanmeldung US2004/0032973 A1 beschreibt ein Verfahren zur
Vorhersage und Überwachung
des ökonomischen
Wertes einer landwirtschaftlichen Einheit. Das Verfahren ermittelt
zunächst
verschiedene Bilddaten, analysiert diese Daten hinsichtlich vorbestimmter
Merkmale und verwendet schließlich
eine Analyse, um die Überlebensfähigkeit
der landwirtschaftlichen Einheit anzugeben.
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Die
US Patentanmeldung US2005/0098713 A1 beschreibt eine Vorrichtung
zur Bewertung einer Pflanze unter Verwendung deren biophysikalischer und
biochemischer Eigenschaften, wobei eine selektive Überwachung,
Eliminierung oder Behandlung von einzelnen Pflanzen von einem entfernt
gelegenen Ort aus möglich
ist. Mit einer Lichtquelle wird ein bestimmter Bodenbereich, der
mit Pflanzen bewachsen sein kann, beleuchtet. Ein spezieller Detektor misst
den polychromatischen Lichtstrahl, der durch den Oberflächenbereich
reflektiert wird und ob das nachgewiesene Licht durch eine Pflanze
oder nicht pflanzliches Material, wie beispielsweise Erde, reflektiert
wurde. Eine Kontrolleinheit analysiert das Signal, und – falls
eine Pflanze detektiert wurde – wird
eine bestimmte Aktion, wie beispielsweise das Ausbringen eines Herbizids
oder die Zufuhr von Düngemittel, induziert.
Mit diesem Verfahren kann pflanzliche Biomasse in großen Bereichen,
wie beispielsweise auf Sportplätzen,
kartiert und überwacht
werden.
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Die
US 6,114,683 beschreibt
ein tragbares System zur Darstellung von pflanzlichem Chlorophyll,
das Licht von einer Zielpflanze aufnimmt und in zwei getrennte Wellenlängen zerlegt.
Das aufgenommene Licht wird in zwei Kanälen unter Verwendung von synchronisierten
Videokameras verarbeitet. Eine Kontrolleinheit innerhalb des Systems
vergleicht die beiden Videobilder, die von der Zielpflanze abgegeben
wurden, mit einem Referenzwert. Auf diese Weise kann die Menge an
pflanzlichem Chlorophyllgehalt bestimmt werden, wodurch auf physiologischen Stress,
der auf die Pflanze einwirkt, geschlossen werden kann.
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Baranski
et al. (2005), Planta, 222: 448–457 beschreiben
die Anwendung von Near-infrared (NIR) angeregter Fourier Transformations-(FT)-Raman Spektroskopie
für die
in situ Analyse von Carotinoiden in Proben von lebenden Pflanzen.
Dieses Verfahren wurde auch zur Kartierung von Carotinoidänderungen
eingesetzt, die durch abiotischen oder biotischen Stress hervorgerufen
wurden. Ferner werden das Auftreten von Lutein, β-Carotin und Capsanthin sowie
die Änderungen
in ihrem relativen Gehalt während
der Fruchtreifung unter Verwendung von Raman Spektren beschrieben.
Die NIR-FT-Raman Spektroskopie wird für nicht destruktive Analysen von
Carotinoiden in verschiedenen pflanzlichen Geweben in einer Größenordnung
von ungefähr
0,01 mm2 bis 35 cm2 diskutiert.
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Im
Stand der Technik wird allgemein Stress oder die Evapotranspirationsrate
zur Bewertung des Bewässerungsstatus
eines Pflanzenbestandes herangezogen, um ein Defizit in der Bewässerung
zu vermeiden. Auch wurde der Einfluss von Trockenstress auf die
physiologische Aktivität
von Pflanzen untersucht. Spektrale Veränderungen der Reflexion treten
dabei vorrangig bei Wellenlängen
im Absorptionsbereich der Chlorophylle, Carotinoide, Polyphenole,
Kohlenhydrate und von Wasser auf.
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An
vielen Pflanzenproduktionssystemen entstehen Wachstumsdepressionen
bzw. Ertragsminderungen jedoch häufig
nicht durch zu wenig verfügbares
Wasser sondern durch Sauerstoffmangel in der Wurzelzone. Der Sauerstoffmangel
kann durch natürlich
bedingte oder durch Bewässerungsfehler
bedingte Staunässe
ebenso hervorgerufen werden wie durch Bodenverdichtung. Eine Bewertung
des Sauerstoffmangels im Wurzelbereich erfolgt im Stand der Technik
bislang lediglich durch Sauerstoffmessungen bzw. Porenvolumenmessungen
im Boden und langwierige Aufzeichnungen von Wachstumsdepressionen.
Eine Messung kurzfristiger Pflanzenreaktionen und dadurch zeitnahe
Maßnahmen
zur Vermeidung von Ertragsminderung oder Wachstumsdepression sind
bislang nicht möglich.
Gerade in hydroponischen Systemen, bei Tröpfchenbewässerung, verdichteten Böden oder
bei Gasleckage treten die Probleme häufig an betroffenen Einzel pflanzen
auf. Der Wert von einzelnen pflanzlichen Dauerkulturen des Erwerbsobstbaus,
bei Straßen-
oder Alleebäumen sowie
allgemein in der Landwirtschaft in intensivierten Gemüsekulturen
rechtfertigt eine technologische Erfassung zur Vermeidung von Pflanzenschäden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfaches
Verfahren sowie eine dazu verwendbare Vorrichtung bereitzustellen, mit
dem/der Sauerstoffmangel in der Wurzel erkannt werden kann. Das
Verfahren soll an lebenden Pflanzen an ihrem Standort durchgeführt werden,
ohne dass eine Ernte oder eine Zerstörung der Pflanze notwendig
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Stressreaktion der Pflanze
bei reduziertem Sauerstoffgehalt in den unterirdischen Pflanzenteilen
einer Pflanze gelöst,
welches die Carotinoide in oberirdischen Pflanzenteilen erfasst
und durch einen Vergleich mit einem Referenzwert einen Rückschluss
auf die Sauerstoffversorgung in den unterirdischen Pflanzenteilen
ermöglicht.
Ferner wird die Aufgabe durch ein mobiles Sensorsystem gelöst, mit
dessen Hilfe die Sauerstoffversorgung in den unterirdischen Pflanzenteilen
durch Bestimmen von Parametern in oberirdischen Pflanzenteilen am
Standort der Pflanze möglich
ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Sauerstoffversorgung in den unterirdischen Teilen einer Pflanze,
umfassend die Schritte:
- a) Aufnehmen eines
Ausgangszustands der Carotinoide in Form eines Referenzwertes an
einem oberirdischen Pflanzenteil mittels mindestens einer Lichtquelle
und mindestens einem Detektor;
- b) Zuführen
von Sauerstoff zu den unterirdischen Pflanzenteilen;
- c) Bestimmen einer Veränderung
der Carotinoide an einem oberirdischen Pflanzenteil in Form eines Messwertes;
wobei
eine Abweichung des Messwerts in Schritt c) von dem Referenzwert
in Schritt a) einen Sauerstoffmangel in den unterirdischen Teilen
der Pflanze anzeigt.
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Ohne
durch irgendeinen speziellen Wirkmechanismus gebunden zu sein, nehmen
die Erfinder der vorliegenden Erfindung an, dass die gemessene Carotinoidveränderung
in einem veränderten
endogenen Elektronendruck begründet
ist. Tatsächlich werden
Intensitäten
gemessen, mit denen die Carotinoide Licht absorbieren.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein mobiles,
insbesondere tragbares bzw. portables Sensorsystem zur Bestimmung der
Sauerstoffversorgung in den unterirdischen Teilen einer Pflanze,
wobei ein Ausgangszustands der Carotinoide in Form eines Referenzwertes
an einem oberirdischen Pflanzenteil mittels mindestens einer Lichtquelle
und mindestens einem Detektor aufgenommen wird, Sauerstoff zu den
unterirdischen Pflanzenteilen zugeführt wird, und eine Veränderung der
Carotinoide an einem oberirdischen Pflanzenteil in Form eines Messwertes
bestimmt wird, wobei eine Abweichung des Messwerts von dem Referenzwert einen
Sauerstoffmangel in den unterirdischen Teilen der Pflanze anzeigt.
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Weitere
Gegenstände
der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung des Sensorsystems
zur Ertragssicherung oder -steigerung von Nutzpflanzen sowie zur Überwachung
von Wachstumsbedingungen in Pflanzen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Figuren dienen der Erläuterung
der Erfindung. Sie beabsichtigen nicht, die Erfindung auf die konkret
dargestellten Formen zu beschränken.
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1 zeigt
eine Spektralanalyse an Blattstücken,
wobei jeweils junge, mittelalte und alte Pflanzen einer Spezies
gegenübergestellt
sind. Gemessen wird die diffuse Reflexion von I555/I450 unter Sauerstoffmangel,
unter Belüftung
und unter osmotischem Stress im Vergleich zur Kontrolle.
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2 zeigt
schematisch einen mehrschichtigen Aufbau eines oberirdischen Pflanzenteils 1,
an dessen Oberseite ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 3 angeordnet
ist. Die Einstrahlung von Licht, der Weg des eingestrahlten Lichts
in dem Gewebe des oberirdischen Pflanzenteils 1 und die
Messung (Detektion) im Remissionsmodus sind gezeigt.
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3 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 3,
das auf einer exemplarisch halbierten Zitrusfrucht angeordnet ist.
Das Sensorsystem weist zwei Lichtquellen 5 auf, die Licht
in einen ersten Bereich der Zitrusfrucht einstrahlen sowie einen
Detektor 7 zur Messung/Detektion des Lichtes. Die Lichtdetektion
findet mittels eines Spektrometers 11 statt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Bestimmung
der Sauerstoffversorgung in den unterirdischen Teilen einer Pflanze,
umfassend die Schritte:
- a) Aufnehmen eines
Ausgangszustands der Carotinoide in Form eines Referenzwertes an
einem oberirdischen Pflanzenteil 1 mittels mindestens einer
Lichtquelle 5 und mindestens einem Detektor 7;
- b) Zuführen
von Sauerstoff zu den unterirdischen Pflanzenteilen;
- c) Bestimmen einer Veränderung
der Carotinoide an einem oberirdischen Pflanzenteil 1 in
Form eines Messwertes;
wobei eine Abweichung des Messwerts
in Schritt c) von dem Referenzwert in Schritt a) einen Sauerstoffmangel
in den unterirdischen Teilen der Pflanze anzeigt.
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Erfindungsgemäß kann die
Spektralanalyse 11 zur Bestimmung der Carotinoidzusammensetzung in
oberirdischen Pflanzenteilen 1 zum Nachweis eines Sauerstoffmangels
in der Wurzelzone der Pflanze verwendet werden. Ohne auf irgendeine
Theorie beschränkt
zu sein, nehmen die Erfinder an, dass beispielsweise Staunässe im Wurzelbereich
der Pflanze zu einer verringerten Sauerstoffkonzent ration in der
Wurzel führt.
Weil Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor dient, steigt
durch seinen Mangel der endogene Elektronendruck, auch in den oberirdischen
Pflanzenteilen 1, wie beispielsweise den Blättern an.
Wird nun über
die Carotinoide und insbesondere über die am Xantophyllzyklus
beteiligten Carotinoide eine physiologische Pflanzenreaktion bestimmt,
erlaubt sie einen Rückschluss
auf die Sauerstoffversorgung der Wurzel.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird das Carotinoid ausgewählt
aus der Gruppe, die aus Lutein, Violaxanthin, Zeaxanthin, Antheraxanthin,
alpha-Carotin, beta-Carotin, Lycopin und Neoxanthin besteht.
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Außerdem kann
der oberirdische Pflanzenteil 1 aus der Gruppe ausgewählt werden,
die aus Stängeln,
Sprossen, Blättern,
Knospen, Zweigen, Nadeln und Früchten
besteht.
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Es
ist ferner geeignet, die unterirdischen Pflanzenteile aus der Gruppe
auszuwählen,
die aus Wurzel, Knolle, unterirdischem Spross und Rübe besteht.
Die Wurzel ist dabei besonders bevorzugt.
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Der
Carotinoidgehalt kann punktuell oder integriert über eine Fläche des oberirdischen Pflanzenteils 1 bestimmt
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
strahlt die Lichtquelle 5 sichtbares Licht auf einen ersten
Bereich eines oberirdischen Pflanzenteils 1 ein, und der
Detektor 7 misst das eingestrahlte Licht an einem zweiten
Bereich eines oberirdischen Pflanzenteils 1. Durch die
Detektion des Lichts an einer anderen Stelle als der eingestrahlten Stelle
wird eine genauere Messung und damit eine genauere Aussage über die
Sauerstoffversorgung der Wurzel möglich.
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Der
Referenzwert kann nach dem Zuführen von
atmosphärischem
oder konzentriertem Sauerstoff zu der Wurzel bestimmt werden. Die
Messdaten werden nach Zuführung
von Gasproportionen mit atmosphärischem
oder höher
konzentriertem Sauerstoffanteil ermittelt. Die Variation der Messdaten
bedingt durch eine eintretende Pflanzenreaktion kann als weitere
Referenz verwendet werden.
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Der
Sauerstoff kann aktiv über
einen Schlauch und eine Pumpe zugeführt werden. Es ist außerdem möglich, dass
der Sauerstoff über
Thermik zu den unterirdischen Pflanzenteilen diffundiert.
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Die
Pflanze kann vorteilhaft aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Nutzpflanzen,
Obstbäumen,
Straßenbäumen und
Alleebäumen
besteht. Unter Nutzpflanzen werden dabei vor allem Zitrusfrüchte und
-pflanzen, Gemüse,
wie beispielsweise Salat, Tomaten, Gurken und Kohl sowie Steinobstarten
verstanden.
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Es
ist ferner besonders vorteilhaft, wenn der Messwert elektronisch
gespeichert und auf einem Display angezeigt wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren mittels eines mobilen,
insbesondere tragbaren Sensorsystems durchgeführt.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein mobiles,
insbesondere tragbares Sensorsystem zur Bestimmung der Sauerstoffversorgung
in den unterirdischen Teilen einer Pflanze, wobei ein Ausgangszustands
der Carotinoide in Form eines Referenzwertes an einem oberirdischen Pflanzenteil
mittels mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Detektor
aufgenommen wird, Sauerstoff zu den unterirdischen Pflanzenteilen
zugeführt
wird, und eine Veränderung
der Carotinoide an einem oberirdischen Pflanzenteil in Form eines Messwertes
bestimmt wird, wobei eine Abweichung des Messwerts von dem Referenzwert
einen Sauerstoffmangel in den unterirdischen Teilen der Pflanze anzeigt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
strahlt die Lichtquelle sichtbares Licht auf einen ersten Bereich
eines oberirdischen Pflanzenteils ein, und der Detektor misst das
eingestrahlte Licht an einem zweiten Bereich des oberirdischen Pflanzenteils,
der von dem ersten Bereich mindestens teilweise verschieden ist.
Das eingestrahlte Licht kann auch als diffuse Reflexion erfasst
werden. Durch die Detektion des Lichts an einer anderen Stelle als
der eingestrahlten Stelle wird eine genauere Messung und damit eine
genauere Aussage über
die Sauerstoffversorgung der Wurzel möglich.
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Das
erfindungsgemäße Sensorsystem
weist vorteilhafterweise eine Lichtquelle auf, die ausgewählt ist
aus der Gruppe, die aus Sonnenstrahlung, Laserdiode, Leuchtdiode
(LED) 13, Blitzlampe und Halogenlampe besteht.
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Vorteilhafterweise
werden einzelne Lichtintensitäten
mit Wellenlängen
zwischen ca. 400 nm und ca. 1.100 nm gemessen.
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Ferner
umfasst das Sensorsystem 3 einen Detektor, der vorzugsweise
ein spektraloptischer Detektor 7 ist, der ausgewählt ist
aus der Gruppe, die aus einer Kamera, einem Spektrometer und einer
Fotodiode besteht.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn das Sensorsystem 3 zur Auswertung
und Speicherung der Messwerte mit einem Mikroprozessor verbunden
ist.
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Weitere
Gegenstände
des erfindungsgemäßen Systems
betreffen die Verwendung des Sensorsystems zur Ertragssicherung
und -steigerung von Nutzpflanzen sowie zur Überwachung von Wachstumsbedingungen,
insbesondere dem Bewässerungszustand
in Pflanzen.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt
eine Grafik mit einer Spektralanalyse an Blattstücken, wobei jeweils junge,
mittelalte und alte Pflanzen einer Spezies gegenübergestellt sind. Gemessen
wird die diffuse Reflexion von I555/I450 unter Sauerstoffmangel,
unter Belüftung und
unter osmotischem Stress im Vergleich zur Kontrolle.
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2 zeigt
ein oberirdisches Pflanzenteil 1 in Form eines schichtförmig aufgebauten
Gewebes. Schematisch ist ferner ein Sensorsystem 3 mit
einer Lichtquelle 5 und einem Detektor 7 gezeigt.
Das sichtbare Licht wird von der Lichtquelle 5 abgestrahlt, und
es dringt in das Pflanzengewebe ein. Ein Teil des Lichts, dargestellt
als gebogene Pfeile von rechts nach links, wandert durch das Pflanzengewebe
und wird an einer zweiten Stelle bzw. einem zweiten Bereich des
Pflanzengewebes, die/der von dem Bereich verschieden ist, auf die/den
die Lichtquelle 3 einstrahlt, mit Hilfe des Detektors 7 gemessen.
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3 ist
eine detailliertere Darstellung des Sensorsystems aus 2.
Das oberirdische Pflanzenteil 1 aus 2 ist diesmal
in Form einer halben Zitrusfrucht 9 dargestellt. Das Sensorsystem 3 weist in
dieser Ausführungsform
zwei Lichtquellen 5 und einen Detektor 7 auf.
Der Detektor 7 ist in Form eines Spektrometers 11 ausgebildet,
während
die Lichtquellen 5 in Form von Leuchtdioden (LED) 13 ausgebildet
sind. Als Abdichtung gegenüber
der Umgebung dient ein schwarzes Dichtmaterial, das in dieser Ausführungsform
ein schwarzer Schaum 15 ist. Den unteren Abschlussrand
des Sensorssystems 3 gegenüber der halbierten Zitrusfrucht 9 bildet
eine Silikonabdichtung 17.
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Abschließend sei
angemerkt, dass sämtlichen
Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den
abhängigen
Ansprüchen genannt
sind, trotz dem vorgenommenen formalen Rückbezug auf einen oder mehrere
bestimmte Ansprüche,
auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz
zukommen soll. Insbesondere werden alle Merkmale, die in Bezug auf
den Verfahrens- und den Vorrichtungsanspruch genannt sind, auch
jeweils spezifisch in der anderen Kategorie offenbart.
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- 1
- oberirdisches
Pflanzenteil
- 3
- Sensorsystem
- 5
- Lichtquelle
- 7
- Detektor
- 9
- halbe
Zitrusfrucht
- 11
- Spektrometer
- 13
- LED
- 15
- schwarzer
Schaum (Dichtmaterial)
- 17
- Silikonabdichtung
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Referenzen
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Patente und Patentanmeldungen
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- US 6,567,537
- US 2004/0032973 A1
- US 2005/0098713 A1
- US 6,114,683
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Wissenschaftliche Veröffentlichungen
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Baranski
et al. (2005), "Changes
in carotenoid content and distribution and living plant tissue can be
observed and mapped in situ using NIR-FT-Raman spectroscopy", Planta 222: 448–457.