Устройство для определения биохимических изменений и физиологического состояния растительных объектов

ОП ИСАКИИИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсиикСоциапистичесникРеспублик. Опубликовано 0,02.83. БюллетеньДата опубликования описания 09. 02,83(53 ) М. Кл. С 01 М 2/08 Гфе 1 дарстеееый комитет вв делам кэебретекий и вткрыткк. т 3 (088. 8) П,М, Бородин и М,М, БочаровтЪФ дЛенинградский ордена Ленина и ордена Трудо ого,-1Красного Знамени государственный университим. А.А, Иданова(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯБИОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯРАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ 1Изобретение относится к устрой" ствам для изучения растительных объ. ектов (стеблей, плодов, корнеплодови т.п. ), и предназначено для практических целей, а именно для выполне" ния исследований в биологии и агро" номии, а также для контроля эа разви" тием, созреванием и сохранностью рас. тительных объектовв сельском хозяй-. стве и в заготовительных органиэа" циях. С его помощью можно изучать изменение химического состава и ход биохимических и физиологических про. цессов в растительных объектах в процессе их развития и хранения без раз" 15 рушения целостности растительных ор- ганизмов и при полном отсутствии влияния устройства на исследуемый объект во время измерения,Известны устройства, которые ис о пользуются для определения биохими" ческих изменений и физиологического состояния растительных и других био" логических объектов, в которых во 2время измерения на биологический объект осуществляется Физическое воздействие ультразвука, тепла, давле" ния, электрического тока, ионизирующего облучения, переменного электромагнитного или магнитного полей1 1.Однако в результате такого воздей. ствия, которое в ряде устройств является достаточно сильным, в иссле" дуемых растительных объектах могут происходить необратимые процессы в биологических тканях (например, разрушение мембран или даже разрыв моле" кулярных связей ), С помощью указан ных устройств измерения проводятся не в естественных условиях существования и развития биологических объектов, а тогда, когда исследуемый объект подвергается воздействию внешних Физических Факторов.Более совершенными являются устройства, в которых во время измерения на объект оказывается воздействие лиоь магнитного поля, ибо до сих поротсутствуют надежно подтвержденныефакты существенного влияния магнитного поля на биологические организмы.Примерами таких устройств являютсямагнитные весы Гюи, прибор Ренкина,спектрометры ядерного, магнитного иэлектронного парамагнитного резонансовЯИР- и ЭПР"приборы и др,). Наи"более чувствительным и перспективнымиз укаэанных магнитных устройств яв оляется спектрометр, который работаетна ядрах НСЪ, содержащихся во всехфизиологических компонентах биологических объектов,Известно ЯИР-устройство, которое 15используется дпя определения биохимических изменений и физиологического состояния растительных объек"тов, в частности для определения вла.госодержания, состоящее из магнита,датчика ЯМР и вторичного прибора 2 ),Источник магнитного поля " магнит обеспечивает в месте расположе"ния катушки с исследуемым образцомвысокую напряженность магнитного по- для, большую стабильность за времяизмерений и высокую однородность (вобъеме образца относительная неоднородность поля ФН не превышает 10 8).Для обеспечения этих требований вспектрометре ЯМР имеются блок питания, стабилизаторы поля по напряже"нию току 1 магнитному потоку ) и устройства для выравнивания неоднородности магнитного поля (пассивные по 35токовые и электрические токовые шиммы ), Датчик ЯМР представляет собойнебольшую экранирующую коробку, внутри которой закреплена цилиндрическаякатушка, Ампула с исследуемым образаоцбм вводится через отверстие в экране и располагается внутри катушкидатчика, В других современных промышленных спектрометрах ЯМР в датчике размещены еще и другие вспомога 45тельные устройства, обеспечивающие,например, термостатировэние образца,вращение его вокруг оси катушки и др.Втор, ичный электронный прибор соединен с датчиком коаксиальным кабелеми располагается рядом с источникоммагнитного поля, Он включает в себягенератор для создания высокочастот"ного тока в катушке датчика ЯМР, ВЧи НЧ-усилителя, амплитудные и фазовыедетекторы и регистратор ( осциллограф55и самописец ). Кроме того, в спектрометре ЯМР имеются устройства, обеспечивающие линейное прохождение через резонансные условия, измерения параметров регистрируемых сигналов и др, которые имеют свои специальные токовые катушки, и электронные блоки,Однако при определении биохимических изменений и физиологического состояния растительных объектов в известном устройстве измерения проводятся с нарушением целостности растительного объекта (кроме мелких объ. ектов, например семян); во время ис" следования объект подвергается со стороны устройства воздействию силь" ного магнитного и радиочастотного электромагнитного полей; устройство является крупногабаритным лабораторным прибором.Эти недостатки обусловлены следую щими причинами, В ЯМР"спектрометре исследуемый образец помещаетсявнутрь цилиндрической катушки датчи - ка, расположенной в сильном магнитном после высокой однородности, по виткам которой течет высокочастотный ток. В связи с тем, что для получения,спектров ЯМР достаточной интенсивности и высокой разрешающей способности необходимо использовать сильные и весьма однородные магнитные поля, размер рабочей области датчи" ка ЯИР и, следовательно, размер объекта обычно не превышает 1-3 см, Дальнейшее. увеличение рабочего объ" ема сопряжено со значительным увеличением объема и веса спектрометра ЯМР, который и без того является крупногабаритным лабораторным прибором. Следовательно, при помощи спектрометра ЯМР можно исследовать без разрушения целостности лишь мелкие растительные объекты или соки что ограничивает область их применения, Такие приборы невозможно также при" менить для изучения развития растений в процессе их роста, созревания или хранения без нарушения физиологической целостности и без прекраще.ния их жизни, если их размеры пре" вышают 1-3 смЗ. Во время измерения растительный объект в спектрометре ЯМР оказывается под воздействие сильного магнитного (Н. 5-40 кЭ ) и высокочастотного электромагнитного полей, Эти поля в принципе могут нарушать нормальный ход биохимических процессов, так как в естественных условиях растения подвергаются воздействию лишь слабого земного поля, напряженностью порядка 0,5 Э, Нако99 ч 968 5нвц, сам спектрометр ЯМР являетсявесьма сложным крупногабаритным ра"диотехническим прибором, применениекоторого для определения хода Физиологического развития, например, сте.пени созревания растительного объекта непосредственно на месте егопроизрастания (на поле, огороде, бахче и т.п, ) невозможно,Целью изобретения является выполнение измерений без нарушения Физио"логической целостности исследуемогообъекта и исключение влияния на негоустройства во время измерения, а так"же упрощение его конструкции и умень"35шение габаритов,Укаэанная цель достигается тем,что в известном устройстве для апре"деления биохимических изменений и Фи"зиологического состояния растительных 20объектов, содержащем датчик ЯМР, вторичный прибор и источник магнит"ного поля, датчик ЯИР выполнен в ви"де пары соединенных встречно или не-.скольких включенных встречно соединенных. последовательно катушек, образующих измерительную полость дляразмещения в ней объекта, причем плоскости витков катушек взаимно параллельны, 30Кроме того, для повышения чувстви"тельнооти измерений и удобства эксплуатации катушки датчика ЯМР выполнены разъемными по Форме образца,что позволяет наблюдать сигнал ядерного магнитНого резонанса от расти"тельного объекта при максимальномкоэффициенте заполнения объектом катушки датчика без разруешния физиологической целостности объекта ( например,арбуза, дыни, стебля кукурузы.и т,п,),1На Фиг.изображена блок-схемаустройства; на фиг. 2 - датчик ЯИР,45четырехкатушечный, разъемный; нафиг. 3 - то же, восьмикатушечный; нафиг. 1 " неразъемный двухкатушечныйдатчик для исследования цилиндричес"ких образцов ( стеблей, плодов, зернаили соков в цилиндрической трубе );на Фиг.- датчик разъемный двухкатушечный для исследования расти"тельных объектов типа арбузов, дынь,тыквы и т.п.; на Фиг. 6 - то же,датчик четырехкатушечный; на Фиг. Н .. 55осциллограммы сигналов свободной процессии, полученные при помощи маке"та предлагаемого устройства от яблок одно го сорт а, сня тых с дере ва до ипосле заморозков,Блок-схема устройства состоит иэдатчикаЯМР и вторичного прибора 2,соединенного коаксиальным кабелем 3;Вторичный прибор включает в себя источник М тока поляризации (например,аккумулятор ), коммутатор,5, усиди"тель 6 и регистратор Н сигнала свобод"ной процессии.Для получения сигнала ЯМР при помощи коммутатора подключают батареи 4 к катушкам датчикаЯИР, ко"торые должны быть ориентированы плоскостями своих витков параллельно маг"нитному полю Земли Й м, Благодаря току, протекающему через катушки, в рабочей их области создается поляриэую"Фщее магнитное поле Н ориентирован"ное перпендикулярно Н м. Это полесоздает ядерную намагниченность М висследуемом образце, причем И ортогонально Йз м, Через 1-3 с после Нпбыстро выключают коммутатор 5 и подключают датчик к усилителю 6 и ре"гистрируют сигнал свободной процес сии ядер в магнитном поле Земли засчет ЭДС, наводимой в катушках, пре"цессирующей намагниченность М вокругЛзем с частотой ойдо, Амплитуда оги"бающей сигнала СП убывает по экспоненциальному закону с постоянной времени Т 2Время спин"спиновой релаксацииТр (в жидкостях оно равно Т- времени спин-решеточной релаксации ) определяют по изменению амплитуды сигнала СП в 1 раз и по нему определяютбиохимические изменения или физиологическое состояние растительных объектов,Отличительные особенности устрой"ства позволяют достичь технико"экономической эффективности ЯИР-уст"ройства при использовании его для оп"ределения биохимических изменений ифизиологического состояния растлитель"ных объектов, Встречное включениедвух катушек или пар последовательносоединенных катушек делает датчик ЯМРмало чувствительным к внешней элект"ромагнитной помехе, что позволяетнаблюдать ЯМР в слабом, но высокооднородном магнитном поле, Земли, ис"пользуя при этом датчики с большимиизмерительными полостями, объемом отнескольких сотен до нескольких тысяч кубических сантиметров, в кото"рых могут целиком располагаться боль фустройство и позволяет его осуществлят ь в виде переносного прибора,пригодного для экспресс-анализа агро-номических культур непосредственно на плантациях или в хранилищахНа изготовленном в Ленинградском университете лабораторном макете прибора в процессе его испытания измерены при одинаковых условиях эффективные вре) мена затухания Тф сигналов свободнойгпрецессии ядер водорода в земном поле для ряда растительных объектов, Под Т 2 понимается время, эа которое амп%литуда сигнала свободной прецессии уменьшается в 0 раэ, Время Т р апре" деляется временем спин-спиновой ре" лаксации Т и зависит от неоднородности магнитного поля дН, Т" =2= Т " + у 3 РН, Для исключения влияния КН, искажающего полезную информацию, необходимо использовать зта" лонные образцы. Некоторые результаты измерений представлены в таблице. Раститель- Т 2ный объект с Растительный Т 2,объект с Сахарныйтростникразноговозраста 0,62 Арбуз розовый красный Яблоки сортадо зама"розков 0;7 после заморозков 0,37 Формула изобретения 7 99496 шие растительные объекты, например, арбузы, или тыквы без нарушения их физиологической целостности. Вследст" вие конструктивных особенностей уст" ройство во время измерения регистри" рует сигнал свободной прецессии ядер в земном поле, который наблюдается без воздействия на образец высокочастотного электромагнитного и сильного магнитного полей, т.е, расти О тельный объект исследуется в условиях его естественного развития в магнитном поле Земли.Разъемная по форме образца конструкция катушек датчика, прилегающих 15 к поверхности растительного объекта (см фиг, 2 ) позволяет исследовать растения в процессе их развития без нарушения целостности объекта и без изменения происходящих в нем физиоло гических процессов. Это позволяет исрельзовать устройство в качестве при" бора для определения степени сааре" вания агрономических культур (например сахарного тростника, арбузов, дынь и т.п. ) непосредственно на плантациях, бахчах, и др. сельскохозяйственных угодьях. Кроме того, можно изучать ход Физиологического развития растений в течение длительно-. зо го времени и исследовать влияния на их жизнь различных внешних Факторов удобрения, орошение и т,п, ), устанавливая, таким образом, оптимальные условия для получения тех или иных полезных качеств агрономических культур. Используя результаты этих исследований и контролируя при помощи предлагаемого устройства развитие растительных объектов наплантациях, можно оказывать влияние на это развитие при помощи внешних Факторов с тем, чтобы его ход шел по оптимальному графику. Иными словами, использование изобретения в качест" 1 ве прибора для неразрушающего растительные объекты экспресс-анализа способствует научному подходу и Формированию урожайности некоторых агрономических культур.Аналогично изложенному характеризуется полезность изобретения при использовании его в качестве прибора для контроля за изменением тех или иных качеств агрономических культур, например фочктов и овощей в процессе их .хранения. Использование для наблюдения ЯИР в магнитном поле Земли в значительной степени упрощает ЯИР" от Тыква0,40 съедобнаядо часть0,951,10 внутрен,45ность 0,80 Картофел ь 0,45 Иорковь 0,38 Представленные в таблице резуль"%таты измерении Т 2 в некоторых расти" тельных объектах позволяют составить представление о возможностях использования изобретения для практических целей в сельском хозяйстве,. заготовительных организациях и в производ" стве продуктов потребления,1 Устройство для определения биохимических изменений и физиологичес"9 99 ч 968 , 10кого состояния растительных объек- размещения в ней объекта, причем плос.тов, например их созревания или со- кости витков катушек взаимно паралхранности, содержащее датчик ядерно- лельны.го магнитного резонансаЯМР) и вто. Устройство по и, 1, о т л и ч аричный прибор, о т л и чающее "ю щ е е с я тем, что, с целью павы"с я тем, что, с целью выполнения шения чувствительности измерений иизмерений без нарушения физиологичес" удобства эксплуатации устройства, какой целостности исследуемого объекта тушки датчика ЯИР выполнены разъемны"и исключения влияния на него устрой- ми по форме исследуемого образца,ства во время измерения, а также упрор Источники информации,, щения устройства и уменьшения его га- принятые во внимание при экспертизебаритов, датчик ЯИР выполнен в виде 1, Аккерман Ю. Биофизика, "Иир",пары. соединенных встречно катушек или 1968.нескольких включенных встречно пар 2. Техническое описание ЯИР"присоединенных последовательно катушек, 15 бора РАТ"20 фирюзе "Эуро"лаб" (фРГ),образующих измерительную полость, для 1977 (прототип),. РедаЗака крытии наб д 1130в Ъю в ФилиалПроектная оо П, КЪе ее630/28В Составитель С.Рцссей Техрев И. Гайду Ти аж 1 7ИИПИ Государственного комипо делам изобретений и отМосква ЖРаушскаяППП "Патент", г, ужгород,Корректор Е. Рошко П одйисноеета СССР