Способ определения остаточной влажности в сухих веществах импульсным методом ядерного магнитного резонанса

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИА ЛИСТ ИЧЕСНРЕСПУБЛИК З 1 4 С 01 И 24/О Е ЕНИЯ сследоваадной микр ов,магнетизм.392,язегяейа 1 йсе 1 п паСгезопапзс - Вег 1 сМ80, Ке 1 сЪе тся к биотехк анализу сух ферментов и их сухих веции вия высо ампл врем ампл(Н,т ользован армацевт и других ес бл вре совы- алиб- от ми фун ровочнь отноше быстро (фиг,с вля ется тороерениилажност малых остаточных На фиг, 1 графиче исимость сигнала ен и из к обо ОСУДАРСТВЕКНЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Абрагам А, ЯдерныйМ,: ИЛ, 1963, гл. Х, с.Меззег К. БсЪпе 11 е ИазЪеяг.1 шпюп 1 п 21 Ъепяш 1 гНИе бег дерц 1 яГеп 1 егцБресггозсору, ГогсясЪггбег ЧП 1 2 е 1 сзсЪттсеп 1914, М 22, з. 67.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ВЛАЯЯОСТИ В СУХИХ ВЕП,ЕСТВАХ ИМПУЛЬС НЫМ МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕ- ЗОНАНСА Изобретение относ нологии, в частности микробных препаратов других протонсодержащ ществ, и может быть микробиологической,медицинской, пищевой тях народного хозяйс Целью изобретения ширение диапазона из(57) Изобретение относится к био -технологии, в частности к анализусухих микробных препаратов, ферментои других протоносодержащих сухих веществ, и может быть использовано вмикробиологической, фармацевтической, медицинской, пищевой и другихобластях народного хозяйства, Цельюизобретения является расширение диапазона измерений в сторону малых остаточных влажностей, В способе производят регистрацию всей видимой части сигнала свободной индукции, определяют значения амплитуд медленнойи быстрой компонент спада свободнойиндукции в нулевой момент времени,время поперечной релаксации медленной компоненты и по определенной зависимости определяют влажность, Повремени поперечной релаксации медленной компоненты судят о качествевысушивания образца путем сравненияс эталонным значением, 3 ил,ССИ) от времени после воз о а исследуемый образец 90 очастотного (ВЧ) импульса туда ССИ в начальный моме ни медленной компоненты,туда ССИ в начальный моме ни быстрой компоненты, О,зоны аппроксимации ССИ га кциями); на фиг, 2 и 3 -е зависимости влажности киях Х амплитуд медленно й компонент для примеров 2) и 2 (фиг, 3).В способе измеряют всю видимуюй часть ССИ после воздействия 90 -ным высокочастотным ВЧ-импульсом, определяют значение амплитуд компонент ССИ (Ни Н) в нулевой момент времени (в середине ВЧ-импульса),Остаточная влажность может быть определена из линейной зависимостиВ КХ Э где В - остаточная влажность биопрепарата и г Н О на 100 г сухого остатка; 15Х - отношение между амплитудамимедленной и быстрой компонент ССИ, 7.;К - калибровочный коэффициент,равный удельному массовому 20содержанию протонов в сухомостатке относительно воды",0 - калибровочный коэффициент,равный значению величины КХсухого остатка.25Характеризуя биопрепарат по остаточной влажности, важно знать нетолько количество влаги, но и какона распределена в биопрепарате. Не"равномерность распределения влаги 30с одной стороны обусловлена вещественным составом биопрепарата, а сдругой - может создаваться самим процессом высушивания.В первом случае вода в сухом биопрепарате распределена неравномерномежду компонентами, входящими в егосостав, Например, микробиологические биопрепараты содержат защитнуюсреду (до 407 сухого веса биопрепара-, 40та), которая высушивается практически полностью до 0,2-0,47, в то время как клетки микроорганизмов послелнофилизации имеют влажность 6-73,Находясь в одном биопрепарате, эти 45компоненты создают среднюю влажность.Если состав биопрепарата может меняться, то средняя влажность очевидно не будет отражать влажность входя.щих в него клеток микроорганизмов.Избыточная влажность клеток микроорганизмов может быть скомпенсированаизбыточным количеством защитной среды и средняя влажность сохранится.Однако избыточная влажность клетокведет к возрастанию Т, что можноконтролировать ЯМР методом,Во втором случае неравномерностьраспределения влаги в биопрепарате связана с процессом самого высушивания, Она возникает при высушиваниив толстом слое из-за краевшх эффектов, либо в результате оттаиванияпри лиофилизации (потеря вакуума,несоблюдение температурного режимавысушивания и т,д.). Все это ведетк возрастанию эффективного значениямедленной компоненты.Величина поперечной релаксациимедленной компоненты в обоих указанных выше случаях, отражая состояниеводы в образце, характеризует качество высушивания.Способ осуществляют следующим образом.Образец фасуют в ампулу и помещают в термошкаф для предварительногоонагрева образца, например, до 38 С.Значение температуры некритично,важно ее постоянство как для калибровки так и для процесса измерения,В этом заключается предварительнаяподготовка образца, При измерениибольшого количества образцов такаяподготовка лишь незначительно увеличивает время на одно измерение.Образец из термошкафа помещаетсязатем в датчик ЯМР прибора. Прикладывается 90 -ный импульс и измеряетсявесь ССИ с помощью амплитудного цифрового преобразователя (АЦП). Результат запоминается в буферной памяти микропроцессора, Температураобразца при измерении поддерживаетсятакой же как и в термошкафу, Ампли"туды медленной (Н) и быстрой (Н)компонент ССИ в нулевой момент времени и время поперечной релаксациимедленной компоненты определяют путем аппроксимации видимых частей сигнала гауссовыми функциями. Из соотношения этих компонент получаем значение Х,Для диапазона малых остаточныхвлажностей (2-9%) величина К вформуле (1) может быть определенаодним из трех методов: Т вычисленатеоретически, если известен основнойхимический состав биопрепарата, определяют количество протонов на единицу веса сухой части и делят насоответствующую величину для воды,2которая равна -ТТ определена экс 18периментально из отношения амплитудЯМР, приходящихся на единицу веса,для одинакового объема сухого биопре5 1 ч 97538 6 ла микропроцессора. К=0,42+0,02, 0=0,парата и воды; 111 путем построениялинейной калибровочной зависимостидля ряда эталонных образцов методомнаименьших квадратов.Величина 0 определяется, как значение КХ для абсолютно сухого образца, Наиболее удобно ее определятьно образцам с известной влажнбстью,Для диапазона остаточных влажностей 97 значения калибровочных коэффициентов К и Э сохраняются, если всостав биопрепарата не входят легкорастворимые в воде вещества (например,ферменты, ДНК и др.). При наличии в 15составе биопрепарата легкорастворимых веществ линейная зависимость(1) остается, величина К уменьшаетсяа значение К и П определяются по 111методу.20По времени поперечной релаксациимедленной компоненты судят о качестве высушивания образца путем сравнения с эталонным значением.П р и м е р 1, Рассмотрим измерение остаточной влажности в пекарскихдрожжах. Для получения образцов сразличной влажностью лиофилизированные клетки дрожжей помещались на время в эксикатор в атмосферу 100 Е-ной 30относительной влажности.После эксикатора образец помещался в ампулу и выдерживался в термошкафу при 38 С,Полученные образцы первоначальноизмерялись на спектрометре ЯМР ЗхР 100, затем этот же образец подвергалося досушиванию (105 - 1 ч). Результаты измерений приведены на фиг, 2,40Сигнал свободной индукции измерялся на частоте 90 мГц после 90 в.ч.импульса 2,5 мкс, Период запуска равнялся 3 с, число накоплений 10,Следовательно, само измерение за нимало 30 с. ССИ измеряли каждые 0,5 мкс. Все амплитуды за вычетом базовой линии записывались в 1024 кана 50Вес образца составлял 200 мг. Медленная и быстрая компонента ССИ аппроксимировались гауссовыми функциями, зоны аппроксимации выбирались 0=50-70 мкс, О, =10-20 мкс (фиг, 1). Время математической обработки составляло 10 с,Величина К была вычислена теоретически и оказалась равной К=1,11 Экспериментальное значение полученно из графика К ,=1,270,14,. Р=(19,1;2,6)2. Указанное соответствие величин Кпри измерении широкого круга объектов значительно упрощает и сокращаетпроцесс калибровки. Для большинствамикробных биопрепаратов, биополимеров и других протонсодержащих веществ величина Р=О, поэтому определение значения этого коэффициентаотпадает,Ошибка ЯМР измерения остаточнойвлажности в абсолютных единицах составляла + 0,52,Измерение остаточной влажности вуказанных образцах по способу прототипа оказалось практически невозможным из-за большой ошибкиизмерения,которая составляла +ЗЕ,Для диапазона остаточных влажностей )92 связь ЯМР параметра Х и Востается линейной с коэффициентами К=0,27+0,016, 0=0,910,49 Х. Коэффициенты получены методомнаименьших квадратов согласно графика на фиг, 2,Время Т медленной компонентысоставляло 150 мкс, При неоднородном высушивании, частичном оттаивании при лиофилизации значение Тувеличивалось до 400 мкс и более,П р и м е р 2, В качестве объектанебиологической природы возьмем протонсодержащее вещество, адсорбирующее воду и не имеющее растворимых вводе веществ. Примером этому могутслужить ионообменные смолы, например, КБП 2 в натриевой форме,Отличие настоящих измерений отпримера 1 заключается в том, что зона 0 (фиг, 1) была от 1 ОО мкс до200 мкс, Результаты ЯМР измерений идосушивания (105 - 1 ч) приведенына фиг. 3. В диапазоне остаточныхвлажностей 0-130/ наблюдается линейная зависимость.Гараметры калибровочного уравнения (3), полученные методом наименьших квадратов, равны Для сравнения величина К была вычислена теоретически из химической формулы КБП 2 в натриевой форме: К=0,42, 3 497538Отсюда видно, что знание химического состава может полностью снять проблему калибровки. Ошибка измерения остаточной влаж 5 ности для КБП 2 не превышала +0,4% в абсолютных единицах.Анализ различных образцов ионообменной смолы показал, что время поперечной релаксации Т медленной 10й Компоненты для одной и той же остаточной влажности может изменяться от партии к партии. Величина Тв некоторых2 образцах возрастала до двух раз, Причем это различие сохранялось во 15 всем диапазоне влажностей,Ионообменная смола, имеющая меньШее время релаксации Т медленной компоненты, сильнее связывает воду, Следовательно, в данном случае Т. позвой ляет сортировать смолу по адсорбцион ным свойствам,Таким образом, предлагаемый способ позволяет измерять остаточную влажность биопрепаратов начиная с 25 2-3% с ошибкой, не превышающей 0,5%, а также контролировать качество высушивания образцов, Формула изобретенияСпособ определения остаточной 30 влажности в сухих веществах импульсгЗОВ дц импу ьс ным методом ядерного магнитного резонанса, основанный на измерении сигнала свободной индукции (ССИ) после воздействия на сухое, вещество, содержащее протоны, 90 -ным высокочаостотным импульсом и определении значений амплитуд медленной и быстрой компонент ССИ, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону малых остаточных влажностей, регистрируют всю видимую часть ССИ, находят ампгЖтуды сигналов компонент в нулевой момент времени путем экстраполяции по гауссовому закону и определяют остаточную влажность по линейной зависимостиВ=КХ-П,где В - остаточная влажность;Х - отношение между амплитудамимедленной и быстрой компонент ССИ;К - калибровочный коэФфициент,.равный удельному массовомусодержанию протонов в сухомостатке относительно воды;П - значение КХ сухого остатка