Способ изучения развития растительных объектов Советский патент 1983 года по МПК G01N24/08 A01G7/00 

О) Изобретение относится к физичес ким методам исследования, может быть использовано как для научных, так и для практических целей в био логии агрономии и сельскохозяйст венном производстве и позволяет изу чать изменение хи2уического состава и ход биохимических и физиологических процессов в растительных объектах в процессе их развития или хранения без нарушения целостности растенийf определить степень созревания Тех или иных сельскохозяйственных культур. Известны способы определения био химических изменений и физиологического состояния растительных объектов ij . В этих способах на биологический объект осуществляется физическое воздействие ультразвука, тепла, дав ления,, электрического напряжения (тока , ионизирующего облучения или магнитного поля. Кроме магнитного поля все перечисленные виды воздействия являются внешними возбудителя ГФ биологических организмов и в ряде случаев сильное воздействие некоторых из них может приводит к необратимым процессам -в биологичёскик тканях (например, к разрушению к,йЗг-очнык: стенок-мембран, или даже к рй.зрыву .молекулярных связей под де;й твием ионизирующего излучения) .;Срсл.13 TorOf эти методы не могут рас акаогриваться как идеальные,, так как измерения проводятся не в естествен ных условияк существования и развития биологических объектов, а при воэбужцша ем воздействии внешних факторов„ Более coBepmeHHbiivM являются способы, в которых используется воздей ствие на животные -или растительные организг ы постоянного магнитного поля, так как до сих пор не имеется надежно подтвержденных фактов замет ного влияния магнитного поля на био логические организмы В магнитных способах измеряется магнитная восприимчивость веществ, например ферментов. В статических способах измерения, например при помощи магнитных весов Гюи или прибора Ренкина исследуемое биологичес кое вещество помещается в магнитное поле, причем для повышения чувствительности измерения проводятся с вы сокими концентрациями вещества (нап ример, высокие концентраьщи фермента в белковом растворе) . Более чувствительными магнитными способами являются резонансные способы ЯКР и ЭПР в сильных магнитных полях 2 . Однако в этих способах измерения биологическое вещество помещают в датчик, ( pesQHairop) , расположенный между полюсами магнитами, а они также мало пригодны для изучения биологических объектов, в процессе их развития в естественных условиях. Из немагнитных способов изучения развития растительных объектов известен способ, основанный на определении биохимических изменений и физиологического состояния исследуемого объекта, в котором измеряется электрический импеданс З . В способе электрического импеданса измеряют удельное сопротивление биологического объекта, из которого выделяют импеданс клетки цитоплазмы, протоплаз1 5ы и межклеточного раствора, а свойство стенок клетки характеризуют емкостью единицы поверхности . Однако во время измерения на образец оказывают воздействие электромагнитныг-1 полем. Поскольку большинство растительных объектов имеют низкую электропроводность (высокое удельное сопротивление), то в процессе измерения к ним прикладывается большой электрический потенциал, что может приводить не только к изменению естественного ионного состава протоплазмы и окружающей клетку биологической жидкости, а следовательно и к нарушению нормального хода биохимических процессов, но и к разрыву клеточных мембран, Измеряемые импедансы биологичес-ких систем не позволяют установить в деталях все различия между клетками различных типов (растительными и животными, яйцеклетками и т.п.), их значения для разных клеток перекрываютсяЗначение импедансов биологических систем не всегда позволяют изучить ход релаксационных процессов (например, низкочастотных)и они мало пригодны для изучения молекулярного состава биологических сред. Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерений и уменьшение влияния процесса измерений на естественные условия развития растительного объекта. 1 Указанная цель достигается тем, что согласно способу в растительном объекте возбуждают ядерный магнитный резонанс в магнитном поле Земли, и по парг1метрам наблюдаемого сигнала, преимущественно по временам релаксации и/или амплитуде сигнала, судят о биохимических изменениях и физиологическом состоянии объекта. Способ ЯМР-анализа химического состава веществ в магнитном поле Земли использует сигналы свободной прецессии ядер исследуемых объектов после предварительного намагничивания образца значительно более сильным, чем земно е, поляризующим магнитным полем tTj, . Это поле н ориентируют перпендикулярно магнитному полю . Тогда магнитные моменты и; используемого ядра вещества, например, протоны окажутся сориентированными суммацным эффе1 тивным магнитным .полем. При этом вектор ядерной намагнич нност и единицы объема вещества М ориентиро ван вдоль направления поля Нэф , т.е практически перпендикулярно Нзем а его длина определяется ядерной восприимчивостью- X вещества и модулем эффективного поля , М X.Hg. Если затем поле Н неадиабатически быстро выключить, то вектор устанавливаетсд к своему стационарному состоянию М.., при котором К ох О, MO О, Ног HO . В процессе установления вектор К прецессирует вокруг надравления магнитного поля Земли с част той WQ / где Tf - гиромагнитное отношение резонирующих ядер а его длина уменьшается. Изменение модуля вектора М определяется экс поненциальньт- характером изменения его продольной М, и поперечной М - . , . --, --, где М (о) - значение Mj. в начальный момент времени после вык лючения поляризующего по ля Hf,; Т - время спин-решеточной (или продольной релакса ции; Т - время спин-спиновой (или поперечной)релаксации. Сигналы ЯМР наблюдаются за счет измене ния поперечных компонент век тора М. Если исследуемые вещества находятся внутри индуктивной катуш ки L, , ось которой ориентирована перпендикулярно полю Н , то в пр цессе уС1 ановления прецессирующего вектора М, к стационарному состоянию его компонента Mj индуцируется в катушке L ЭДС-сигнал свободной прецессии (ССП). Частота этого сиг равна частоте прецессии векто М в магнитном поле Земли (ц о а амплитуда уменьшается по экспоне циальному закону в соответствии с формулой (З), т.е. затухание сигна ла определяется постоянной времени Т - временем спин-спиновой релаксации . Таким образом, непосредственно по ССП можно определять Т. В чистых жидкостях время релаксации Т и Т приблизительно равны-. Экспериментально показано, что Т - Т и в случае релаксации протонов в водных растворах большинства парамаг- нитных ионов. Поэтому Т также как и Т, можно определять в первом приближении по затуханию ССП. В случае необходимости Т;, определяют по ССП более точно используя, например, импульсную методику. Из теории ядерного магнитного резонанса известно, что время спинрешеточной релаксации Т определяется интенсивностью вращательного и трансляционного движения молекул, наличием в исследуемом веществе парамагнитных частиц (ионов , квадрупольным взаимодействием, анизотропией электронного экранирования и некоторыми другими факторами. Из этого следует, что по Т, можно изучать структуру чистых жидкостей и растворов, исследовать межмолекулярные взаимодействия, процессы комплексообразования, полимеризации, диссоциации, получать некоторые термодинамические характеристики молекулярных и ионных равновесий и т.п. Все эти и другие подобные задачи успешно решаются главным образом методом ЯМР в сильных магнитных полях. Однако ставить подобные задачи в случае изучения биохимических растворов в растительных объектах без нарушения их целостности при использовании метода ЯМР в сильном поле крайне затруднительно, а в большинстве случаев и просто невоз.можно (растительные объекты необходимо было бы помещать в небольшие датчики ЯМР с рабочим объемом исследуемого вещества порядка 0,5 куб. см, располагаемые в тесные зазорах магнитов). Значительно большие возможности открываются при использовании способа ЯМР в земном поле, так как при этом рабочий объем исследуемого образца составляет 100 - 1000 см, а при использовании для поляризации образца магнитных полей во внешней области катушек датчика достигает и еще больших значений порядка нес.колько литров. Применение ЯМР-анализа в магнитном поле Земли для определения биохимических изменений и физиологического состояния растительных объектов стало возможным благодаря обнаруженной зависимости скорости затухания ССП и/или времен релаксации Т и от сроков созревания некоторых растительных объектов (стеблей

сахарного ..тростника, арбузов, дынь и др. . Предварительные измерения показывают, что времена релаксации Т;| и Tj определены по ССП, по мере созревания сахарногоотростника изменяются от 0,95 с до 0,41 с Предлагаемый способ имеет преимущество перед существующим, так как он позволяет проводить анализ дистанционно, бесконтактно без нарушения физиологической целостности растительных объектов. Кроме того, в процессе изменения на растительные объекты не оказывается никакого внешнего воздействия. Правда, следует заметить, что для наблюдения

ССП исследуемый объект кратковременно намагничивают поляризуквдим полем. (Нп 100 Э, время намагничивания Т - 1 - 3 с), однако это поле выключается перед появлением сигнала ССП и, следовательно, во время измерения отсутствует.

Перечисленные достоинства способа позволяют проводить с его помощью определение биохимических изменений и филиологического состояния растительных объектов в процессе их естественного развития на плантациях, бахчах и т.п. или контролировать указанные параметры в период хранения.

СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ РАЗВИТИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ, например в процессе их созревания, основанный на определении биохимических изменений и физиологического состояния исследуемого объекта, о т л и ч аю щ и и. с я тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерений и уменьшения влияния процесса, измерений на естественные условия развития объекта, в объекте возбуждают ядерный магнитный резонанс в магнитном поле Земли, и по параметрам наблюдаемого сигнала, преимущественно по временам релаксации и/или амплитуде сигнала, сус SS дят о биохимических изменениях и физиологическом состоянии объекта. (Л