Способ измерения диффузии адсорбированных молекул жидкостей

1и)649996 ОП ИСАЯ И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Свез Советеиии Социалистических Республик(45) Дата опубликования описания 28.02.79по делам иасоретений и открытий(71) Заявитель Казанский институт биологии Казанского филиала АН СССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФУЗИИ АДСОРБИРОВАИНЫХ МОЛЕКУЛ ЖИДКОСТЕЙИзобретение относится к области ЯМР- спектроскопии, занимающейся исследованием поступательной диффузионной подвижности молекул жидкостей,Изобретение, опирающееся на импульсный метод ЯМР, может быть использовано для непосредственного измерения эффективного коэффициента диффузии молекул, адсорбированных на различных подложках при низких уровнях адсорбции, а также для измерения коэффициента диффузии молекул жидкостей, имеющих короткиевремена ядерной релаксации.Известные способы непосредственного измерения диффузии молекул жидкостей с использованием импульсного метода ЯМР- метода спинового эха различаются способом приложения градиента магнитного поля, а именно приложением градиента поля, не зависящего от времени, - метод постоянного градиента 111 и импульсным приложением градиента магнитного поля - метод импульсного градиента 21.Известен способ измерения диффузии адсорбированных молекул жидкостей, основанный на явлении спинового эха ядерного магнитного резонанса, по которому образец подвергают воздействию 90- и 180-ных радиочастотных (РЧ) импульсов и после кажлого импчлься включяют одинаковые прямоугольные импульсы линейного градиента магнитного поля 131.Недостатком указанного способа является аномальное подавление (спад) ампли туды эха недиффузионной природы при интервалах между градиентными импульсами Ь( 1,5 мсек, так как при низких уровнях адсорбцнп относительно небольшое содержание в исследуемом образце адсорбиро ванных молекул, имеющих короткие времена ядерной релаксации, ограничивает верхний предел вариации времени между РЧ- импучьсами т и соответственно между градиентными импульсами (Л) величиной- 1,-, 1,5 мсек. Это аномальное, недиффузионноеподавление эха не позволяет измерять диффузию адсорбированных молекул при низких уровнях адсорбции, хотя именно эти измерения представляют наибольший инте,рес, Установлено, что аномальное подавление обусловлено неидентичностью конфигурации градиента магнитного поля в интервалах между 90- и 180-ными РЧ-импульсами и 180-ным РЧ-импульсом и моментом 25 появления эха, а также перекрытием заднего фронта первого градиентного импульса со 180-ным РЧ-импульсом, вызывающим неоднородное уширение линии поглощения ЯМР. Это заключение сделано на ю основе летального игглелонднии Ьоочн5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3заднего фронта градиентных импульсов - остаточного градиента (д 0 С). Оказалось, что градиентный импульс вызывает локальное изменение градиента поля лабораторного магнита, которое вследствие гистерезиса запаздывает за изменением поля, подаваемого на исследуемый образец градиентного импульса. Остаточный градиент накладывается на градиент ноля лаоораторного магнита, что приводит к неоднородному уширению линии поглощения ЯЬ 1 Р и к не- идентичности конфигурации градиента магнитного поля в указанных интервалах. 1 аким образом, основной причиной подавления является отклонение реальной формы градиентного импульса от прямоугольной - затягивание заднего фронта,Цель предлагаемого изобретения - устранение причин аномального подавления и получение возможности непосредственного измерения диффузии быстрорелаксирующих адсорбированных молекул,11 о предлагаемому способу исследуемый образец подвергают воздеиствию дополнительного прямоутольного импульса линейного градиента магнитного поля, который включается перед 90"-ным импульсом, причем параметры дополнительного импульса идентичны с параметрами двух последу 1 ощих градиентных импульсов, а временной интервал между моментом включения дополнительного импульса и 90"-ного.импульса равен интервалу между моментом включения первого градиентного импульса и 180"-ным импульсом и, кроме того, после каждого прямоугольного градиентного импульса включается градиентный импульс ооратной полярности с формой, соответствующей форме затягивания задних фронтов прямоутольных градиентных импульсов.На фиг. 1 изобрагкена схема 1 гас 11 оложсння градиентных РЧ-импульсов по предлагаемому способу; на фиг. 2 - график, иллюстрирующ.и эффективность, достигнутую Олагодаря предлагаемому спосооу.На фиг, 1 изображен дополнительный прямоугольный градиентный импульс 1, 90"-ный РЧ-импульс 2, первый прямоугольный градиентныи импульс 3, 1 ЬО -ныи РЧ- импульс 4, второй прямоугольный градиентный импульс 5, сигнал-эхо о, градиентные импульсы компенсации 7, 8 и 9. Дополнительный прямоутольный градиентный импульс симметрирует градиент магнитного поля в интервалах 90" - 180 и 180- - эхо, а импульсы компенсации устраняют причины неоднородного уширения линии поглощения ЯМР и исключают эффект накопления градиента магнитного поля при малых Ь, обусловленный затягиванием задних фронтов прямоугольных градиентных импульсов. Включение только импульсов компенсации не позволяет полностью исключить эФФект подавления,Предлагаемый способ испытан при контрольных измерениях диффузии чистых жидкостей с известными коэффициентами диффузии (вода, бутиловый спирт, глицерин), Действительно, для кривой, полученной известным способом (фиг. 2, поз. 10), нри Ь(1,5 мсек набл 1 одается аномальное Одын,1 с 1 ис эха, которос зле;1 Очастся в Отклонении завнсимости амплитуды эха Я от Ь, построенной в полулогарифмическо.,1 масштабе от линейкой. В то же время это о нс наол 1 одается Дл 51 кр 1 во 1, полученной предлагаемым способом фиг. 2, поз, 11).Предлагаемый способ использован для измерсния эффективного коэффициента В,.фф молекул воды, адсоронрованной на белке - бычьем сывороточном альбумине в количестве 0,22 г НгО на 1 г белка, Использование нового способа позволило впервые непосредственно измерить д,фф, Величина й.,фф при 20"С установлена равной 2,4 10-" см- секс энергией активации диффузии, равной 6,5 ккал/моль, для диапазона температур 20 - 50 С.Измерения проводились следующим образом. Устанавливалась величина Л и измерялась зависимость Я от бд) при Л= =сопз 1. Из наклона линейнои зависимости 1,Л от (о,0) с помощью приведенного ниже выражения определялась величина эфф я = ехр-е (е -- о) 15,ее,3 где у - гиромагнитное отношение;о - длительность градиентных,импульсов;д - их амплитуда.Использование предлагаемого способа позволяет непосредственно измерять диффузию адсорбированных молекул при низких уровнях адсорбции, что ранее было невозможно вследствие аномального недиффузионного подавления эха.Предлагаемый способ полезен также для измерения диффузии молекул жидкостей, имеющих короткие времена ядерной релаксации и для исследования ограниченной диффузии. Последнее обстоятельство связано с тем, что этот способ позволяет уменьшить время наблюдения за диффундирующими молекулами.Способ разработан и испытан применительно к исследованию диффузии молекул воды, адсорбированнои на различных биологических матрицах, однако может быть использован и в друтгих отраслях народного хозяйства. Например, в промышленности химического катализа, для исследования активности катализаторов, в нефтяной промышленности, в промышленности, производящей молекулярные сита, и т, д,Эффективность предлагаемого способа определяется его новизной. Способ позволяет проводить измерения за 10 - 15 мин,649996 формула изобретения тг гЗаказ 94/11 Изд. М 188 Тираж 1089 Подписное НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5объект исследования может иметь произвольную геометрическую форму. Способ измерения диффузии адсорбированных молекул жидкостей, основанный на явлении спинового эха ядерного магнитного резонанса, в котором образец подвергают воздействию 90- и 180-радиочастотных импульсов и после каждого радиочастотного импульса включают одинаковые прямоугольные импульсы линейного градиента магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью получения возможности измерения диффузии быстрорелаксирующих адсорбированных молекул, исследуемый образец подвергают воздействию дополнительного прямоугольного импульса линейного градиента магнитного поля, который включается перед 90 импульсом, причем параметры дополнительного импульса идентичны с параметрами двух последующих градиентных импульсов, а временной интервалмежду моментом включения дополнитель 5 ного импульса н 90 импульса равен интервалу между моментом включения первогоградиентного, импульса и 180-ным импучьсом и, кроме того, после каждого прямоугольного градиентного импульса включа 10 ется градиентный импульс обратной полярности с формой, соответствующей фо 1)мезатягивания задних фронтов прямоугольных градиентных импульсов,Источники информации,15 принятые во внимание при экспертизе1. Р. Е. Чоевзпег, 1. СЬев. РЬув., 1961,34, 2057,2, 1. Кагдег, %, Не 1 п 1, У,. Ехр. ТесЬпРЬуз, 1971, 19, 453.20 3. Е, О, Яе 1 зКа 1, Л. Е, Таппег, Л. СЬегп.РЬуз, 1965, 42, 288.