Non-invasive quantitative measurement of rutin content in plant leaves using Raman Spectroscopy

New digital technologies are being used to optimize crop production, often by using sensors to assess phenotypic traits and then using that information to support decision-making. In regard to medicinal and aromatic crops, they can help to optimize production toward higher and more consistent quality. Conventional methods for chemical analysis of valuable plant compounds can be expensive and time-consuming and are, therefore, hardly suitable for the optimization of cropping systems. New approaches try to overcome these limitations with their quick and non-destructive properties but are only available for few applications, and the methods for many others remain to be developed. This is, for instance, the case for the measurement of leaf rutin content, a naturally occurring plant compound, which is valued for its various health benefits in humans. This thesis examined a new approach for its determination based on Raman spectroscopy, a quick and non-destructive method that allows chemical analysis of a sample by measuring light scattering effects when illuminated by a laser. Results did not indicate a working method; however, it could also not be ruled out that Raman spectroscopy is suitable for said purpose. The experiment design of this thesis left considerable room for alterations, and it was therefore possible to deliver valuable information for the design of similar studies in the future. Laser optics and wavelengths were considered the most important parameters on which improved designs should focus. In particular, it is encouraged to use less magnifying optics in order to maximize laser spot size and thereby improve data soundness. Furthermore, it was concluded that several excitation wavelengths in the near-infrared range could be worth investigating.

Zur Optimierung der Pflanzenproduktion kommen neue digitale Technologien zum Einsatz, häufig in der Form von Sensoren zur Bestimmung phänotypischer Merkmale. Diese wiederum können dabei helfen diverse Entscheidungsprozesse zu unterstützen. Bei medizinischen und aromatischen Pflanzen können diese Technologien dazu beitragen, die Produktion in Richtung höherer und gleichbleibender Qualität zu verbessern. Herkömmliche Methoden zur chemischen Analyse wertvoller Pflanzeninhaltsstoffe sind häufig teuer und zeitintensiv, und daher schlecht geeignet für Optimierungsansätze in der Pflanzenproduktion. Im Gegensatz hierzu können neuere, zerstörungsfreie Verfahren genau dafür verwendet werden, sind bisher jedoch nur für wenige Anwendungen verfügbar. Letzteres ist auch der Fall für die Messung des Rutin-Gehalts in Blättern, einem natürlich vorkommenden Pflanzeninhaltsstoff der aufgrund seiner vielfältigen positiven Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit geschätzt wird. Diese Arbeit untersucht einen neuen Ansatz für dessen Messung basierend auf Raman-Spektroskopie, einer schnellen und zerstörungsfreien Methode zur chemischen Analyse einer Probe durch Messung von Streuungseffekten bei Bestrahlung mit einem Laser. Die erzielten Ergebnisse haben keine Hinweise auf eine funktionierende Methode geliefert, allerdings konnte auch nicht ausgeschlossen werden, dass Raman-Spektroskopie für besagten Zweck geeignet sein könnte. Das Versuchsdesign dieser Arbeit lässt viel Spielraum für Veränderungen, und es konnte aufgezeigt werden wo ähnliche Studien in Zukunft anknüpfen sollten. Insbesondere sollte die Auswahl einer geeigneten Laser Optik sowie Wellenlänge im Fokus stehen. Genauer wird dazu geraten eine weniger vergrößernde Optik zu verwenden, um die Punktgröße des Lasers zu erhöhen und dadurch die Datenqualität zu verbessern. Darüber hinaus wurde geschlussfolgert, dass vor allem Anregungswellenlängen im Nahinfrarotbereich in Betracht gezogen werden sollten.