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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к биотехнологии ,в частности, к анализу сухих микробных препаратов, ферментов и других протоносодержащих сухих веществ, и может быть использовано в микробиологической, фармацевтической, медицинской, пищевой и других областях народного хозяйства. Целью изобретения является расширение диапазона измерений в сторону малых остаточных влажностей. В способе производят регистрацию всей видимой части сигнала свободной индукции, определяют значения амплитуд медленной и быстрой компонент спада свободной индукции в нулевой момент времени, время поперечной релаксации медленной компоненты и по определенной зависимости определяют влажность. По времени поперечной релаксации медленной компоненты судят о качестве высушивания образца путем сравнения с эталонным значением. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д1) 4 С Ol N 24/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4216257/28-25 (22) 26.03„87 (46) 30,07.89. Бюл. N - 28 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт прикладной микробиологии (72) В.Д.Шепкин, В.Я.Волков, !

О.Г.Руденко, Г.Н.Федюкина и А.И,Иванников (53) 539,143.43(088.8) (56) Абрагам А. Ядерный магнетизм.

М.: ИЛ, 1963, гл. Х, с. 392.

Messer R. Schnelle Wassergehalt

sbestimmung in Zibensmitteln mit

Hilfe der gepulsten keruresonanz

Spectroscopy, Fortschritt — l3erichte

der VDI Zeitschriften 1980, Reiche

14, М 22, s. 67. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ

ВЛАЯЯОСТИ В СУХИХ ВЕП, ЕСТВАХ ИМПУЛЬСHbIM МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к анализу сухих микробных препаратов, ферментов и других протонсодержащих сухих веществ, и может быть использовано в микробиологической, фармацевтической, медицинской, пищевой и других областях народного хозяйства.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений в сторону малых остаточных влажностей.

На фиг. 1 графически изображена зависимость сигнала свободной индукÄÄSUÄÄ 1497538 А1 (57) Изобретение относится к био— технологии, в частности к анализу сухих микробных препаратов, ферментов и других протоносодержащих сухих веществ, и может быть использовано в микробиологической, фармацевтической, медицинской, пищевой и других областях народного хозяйства, Целью изобретения является расширение диапазона измерений в сторону малых остаточных влажностей, В способе производят регистрацию всей видимой части сигнала свободной индукции, определяют значения амплитуд медленной и быстрой компонент спада свободной индукции в нулевой момент времени, время поперечной релаксации медленной компоненты и по определенной зависимости определяют влажность, По времени поперечной релаксации медленной компоненты судят о качестве высушивания образца путем сравнения с эталонным значением, 3 ил. ции (ССИ) от времени после воздейсто вия на исследуемый образец 90 -ного высокочастотного (ВЧ) импульса (Н вЂ” амплитуда ССИ в начальный момент времени медленной компоненты, Н2 амплитуда ССИ в начальный момент времени быстрой компоненты, О, и

Π— зоны аппроксимации ССИ гауссовы2 ми функциями); на фиг. 2 и 3 — калибровочные зависимости влажности В от отношениях Х амплитуд медленной и быстрой компонент для примеров 1 (фиг. 2) и 2 (фиг. 3).

1497538

В способе измеряют всю видимую б часть ССИ после воздействия 90 -ным высокочастотным ВЧ-импульсом, определяют значение амплитуд компонент

ССИ (Н „ и Н ) в нулевой момент времени (в середине ВЧ-импульса), J

Остаточная влажность может быть определена из линейной зависимости (1) В КХ-Э, где  — остаточная влажность биопрепарата и г Н<О на 100 r cyxoro остатка; 15

Х вЂ” отношение между амплитудами медленной и быстрой компонент ССИ, 7.;

К вЂ” калибровочный коэффициент, равный удельному массовому 20 содержанию протонов в сухом остатке относительно воды", D — калибровочный коэффициент, равный значению величины КХ сухого остатка. 25

Характеризуя биопрепарат по остаточной влажности, важно знать не только количество влаги, но и как она распределена в биопрепарате. Неравномерность распределения влаги 30 с одной стороны обусловлена вещественным составом биопрепарата, а с другой — может создаваться самим процессом высушивания.

В первом случае вода в сухом био- 35 препарате распределена неравномерно между компонентами, входящими в его состав, Например, микробиологические биопрепараты содержат защитную среду (до 40Х сухого веса биопрепара-, 40 та), которая высушивается практически полностью до 0,2-0,47, в то время как клетки микроорганизмов после лиофилизации имеют влажность 6-7Х.

Находясь в одном биопрепарате, эти 45 компоненты создают среднюю влажность.

Если состав биопрепарата может ме-: няться, то средняя влажность очевидно не будет отражать влажность входящих в него клеток микроорганизмов.

Избыточная влажность клеток микроорганизмов может быть скомпенсирована избыточным количеством защитной среды и средняя влажность сохранится.

Однако избыточная влажность клеток ведет к возрастанию Т, что можно контролировать ЯМР методом.

Во втором случае неравномерность распределения влаги в биопрепарате связана с процессом самого высушивания, Она возникает при высушивании в толстом слое из-за краевшх эффектов, либо в результате оттаивания при лиофилизации (потеря вакуума, несоблюдение температурного режима высушивания и т.д.). Все это ведет к возрастанию эффективного значения медленной компоненты.

Величина поперечной релаксации медленной компоненты в обоих указанных выше случаях, отражая состояние воды в образце, характеризует качество высушивания.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец фасуют в ампулу и помещают в термошкаф для предварительного о нагрева образца, например, до 38 С.

Значение температуры накритично, важно ее постоянство как для калибровки так и для процесса измерения, В этом заключается предварительная подготовка образца. При измерении большого количества образцов такая подготовка лишь незначительно увеличивает время на одно измерение.

Образец из термошкафа помещается затем в датчик ЯМР прибора. Прикладывается 90 -ный импульс и измеряется весь ССИ с помощью амплитудного цифрового преобразователя (АЦП). Результат запоминается в буферной памяти микропроцессора, Температура образца при измерении поддерживается такой же как и в термошкафу. Амплитуды медленной (Н<) и быстрой (Н ) компонент ССИ в нулевой момент времени и время поперечной релаксации медленной компоненты определяют путем аппроксимации видимых частей сигнала гауссовыми функциями. Из соотношения этих компонент получаем значение Х.

Для диапазона малых остаточных влажностей (2-9%) величина К в формуле (1) может быть определена одним из трех методов: I вычислена теоретически, если известен основной химический состав биопрепарата, определяют количество протонов на единицу веса сухой части и делят на соответствующую величину для воды, 2 которая равна — II определена экс18 периментально из отношения амплитуд

ЯМР, приходящихся на единицу веса, для одинакового объема сухого биопре5 1497538 6 парата и воды; ?ТТ путем построения линейной калибровочной зависимости для ряда эталонных образцов методом наименьших квадратов.

Величина D определяется, как значение КХ для абсолютно сухого образца. Наиболее удобно ее определять но образцам с известной влажнбстью, Для диапазона остаточных влажнос- 10 тей >97 значения калибровочных коэффициентов К и D сохраняются, если в состав биопрепарата не входят легкорастворимые в воде вещества (например, ферменты, ДНК и др.). .При наличии в составе биапрепарата легкорастворимых веществ линейная зависимость (1) остается, величина К уменьшается а значение К и D определяются по III методу.

По времени поперечной релаксации медленной компоненты судят о качестве высушивания образца путем сравнения с эталонным значением.

П р и м е p l. Рассмотрим измерение остаточной влажности в пекарских дрожжах. Для получения образцов с различной влажностью лиофилизированные клетки дрожжей помещались на время в эксикатор в атмосферу 1007.-ной 30 относительной влажности.

После эксикатора образец помещался в ампулу и выдерживался в термошкафу при 38 С.

Полученные образцы первоначально измерялись на спектрометре ЯМР ЗхР100, затем этот же образец подвергало ся досушиванию (105 — 1 ч) . Результаты измерений приведены на фиг, 2, 40

Сигнал 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- 45 нимало 30 с. ССИ измеряли каждые

0 5 мкс. Все амплитуды за вычетом базовой линии записывались в 1024 канала микропроцессора.

Вес образца составлял 200 мг. Медленная и быстрая компонента ССИ аппроксимировались гауссовыми функциями, зоны аппроксимации выбирались

0 =50-70 мкс, 02 =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

Kýêñï 1, 27 О, 14,. D=(19, 1+ 2,6)7.

Указанное соответствие величин К при измерении широкого круга объектов значительно упрощает и сокращает процесс калибровки. Для большинства микробных биопрепаратов, биополимеров и других пратонсадержащих веществ величина D=O, поэтому определение значения этого коэффициента отпадает.

Ошибка ЯМР измерения остаточной влажности в абсолютных единицах составляла + 0,57.

Измерение остаточной влажности в указанных образцах по способу прототипа оказалось практически невозможным из-за большой ошибки измерения, ко то рая со ставляла + 37..

Для диапазона остаточных влажностей )97 связь SIMP параметра Х и В остается линейной с коэффициентами

K=O, 27+0, 016, D=O, 91 0, 497..

Коэффициенты получены методам наименьших квадратов согласно графика на фиг, 2, Время Т медленной компоненты составляло 150 мкс. При неоднородном высушивании, частичном оттаивании при лиофилизации значение Т увеличивалось до 400 мкс и более, Пример 2, В качестве объекта небиологической природы возьмем протонсодержащее вещество, адсорбирующее воду и не имеющее растворимых в воде веществ. Примером этому могут служить ионообменные смолы, например, КБ-4П2 в натриевой форме.

Отличие настоящих измерений от примера 1 заключается в там, что зона О (фиг, 1) была от 100 мкс до

200 мкс, Результаты ЯМР измерений и досушивания (105 — 1 ч) приведены на фиг, 3, В диапазоне остаточных влажностей 0-130/ наблюдается линейная зависимость.

Гараметры калибровочного уравнения (3), полученные методом наименьших квадратов, равны

K=0,42+0,02, D=O, Для сравнения величина К была вычислена теоретически из химической формулы КБ-4П2 в натриевой форме:

K=O,42.! 497538

Отсюда видно, что знание химического состава может полностью снять проблему калибровки.

Ошибка измерения остаточной влаж5 ности для КБ — 4П2 не превышала +0,4% в абсолютных единицах.

Анализ различных образцов ионообменной смолы показал, что время поперечной релаксации Т медленной 10 2 компоненты для одной и той же остаточной влажности может изменяться от партии к партии. Величина Т в некоторых

2 образцах возрастала до двух раз, Причем это различие сохранялось во i5 всем диапазоне влажностей, Ионообменная смола, имеющая меньluce время релаксации Т медленной компоненты, сильнее связывает воду. Следовательно, в данном случае Т- позво- 20 и ляет сортировать смолу по адсорбцион- 1 ным свойствам, Таким образом, предлагаемый способ позволяет измерять остаточную влажность биопрепаратов начиная с

2-3% с ошибкой, не превышающей 0,5%, а также контролировать качество высушивания образцов, Формула и з о б р е т е н и я

Способ определения остаточной 30 влажности в сухих веществах импульс90 8ц импу ьс ным методом ядерного магнитного резонанса, основанный на измерении сигнала свободной индукции (ССИ) после воздействия на сухое, вещество, содержащее протоны, 90 -ным высокочао стотным 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 зависимости

В=КХ-D, где  — остаточная влажность;

Х вЂ” отношение между амплитудами медленной и быстрой компонент ССИ;

К вЂ” калибровочный коэффициент, равный удельному массовому содержанию протонов в сухом остатке относительно воды;

D — - значение КХ сухого остатка..

1497538

8,%

12, 5

5;О

g%

УО