Способ определения остаточной влажности в сухих веществах импульсным методом ядерного магнитного резонанса Советский патент 1989 года по МПК G01N24/08 

В способе измеряют всю видимую часть ССИ после воздействия 90 -ным высокочастотным ВЧ-импульсом, определяют значение амплитуд компонент ССИ (Н и Hj) в нулевой момент времни (в середине ВЧ-импульса),

Остаточная влажность может быть оп{)еделена из линейной зависимости

,(1)

где В - остаточная влажность биопрепарата в г на 100 г сухого остатка; X - отношение между амплитудами медленной и быстрой компонент ССИ, %; К - калибровочный коэффициента

равный удельному массовому содержанию протонов в сухом остатке относительно воды; D - калибровочный коэффициент, равный значению величины КХ сухого остатка.

Характеризуя биопрепарат по остаточной влажности, важно знать не только количество влаги, но и как она распределена в биопрепарате. Не- ра номерность распределения влаги с Ьдной стороны обусловлена вещест- вейным составом биопрепарата, а с другой - может создаваться самим про цессом высушивания.

В первом случае вода в сухом бис- препарате распределена неравномерно между компонентами, входящими в его состав. Например, микробиологические биопрепараты содержат защитную среду (до 40% сухого веса биопрепара та), которая высушивается практичес™ ки полностью до 0,2-0,4%, в то время как клетки микроорганизмов после лиофилизации имеют влажность 6-7%„ Находясь в одном биопрепарате, эти компоненты создают среднюю влажность Если состав биопрепарата может меняться, то средняя влажность очевидно не будет отражать влажность входящих в него клеток микроорганизмов. Избыточная влажность клеток микроорганизмов может быть скомпенсирована избыточным количе,ством защитной среды и средняя влажность сохранится. Однако избыточная влажность клеток в«гдвт к возрастанию Tj, 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 краевв1х 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 нагрева образца, например, до 38 С. Значение температуры некритично, 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 (АДП). 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 X.

Дпя диапазона малых остаточных влажностей (2-9%) величина К в формуле (О 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 73 II определена экс 1 о

периментально из отношения амплитуд ЯМР, приходящихся на единицу веса, для одинакового объема сухого биопре

парата и воды; III 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 ио образцам с известной влажно стью.

Для диапазона остаточных влажнос- тей 9% значения калибровочных коэффициентов К и D сохраняются, если в состав биопрепарата не входят легко- растворимые в воде вещества (наприме ферменты, ДНК и др.). При наличии в составе биопрепарата 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 качес.т- ве высушивания образца путем сравнения с эталонным значением.

Пример 1. Рассмотрим измерение остаточной влажности в пекарских дрожжах. Для получения образцов с различной влажностью лиофилизирован- ныё клетки дрожжей помещались на время в эксикатор в атмосферу 100%-ной относительной влажности.

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

Полученные образцы первоначально измерялись на спектрометре ЯМР SxP- 100, затем этот же образец подвергался досушиванию (105 -1ч). Результаты измерений приведены на фиг. 2,

Сигнал свободной индукции измерялся на частоте 90 мГц после 90° в.ч. импульса 2,5 мкс. Период запуска равнялся- 3с, 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 канала микропроцессора.

Вес образца составлял 200 мг. Медленная и быстрая компонента ССИ аппроксимировались гауссовыми функциями, зоны аппроксимации выбирались Од 50-70 мкс, 0,2 10-20 мкс (фиг. 1). Время математической обработки составляло Ci i О с ,

Величина К была вычислена теоретически и оказалась равной ,11

0

5

0

5

Экспериментальное значение получеп- но из графика

,27iO,14,.D(19,li2,6)%.

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

Ошибка ЯМР измерения остаточной влажности в абсолютных единицах составляла ±0,5%.

Измерение остаточной влажности в указанных образцах по способу прототипа оказалось практическ невозможным из-за большой ошибки измерения, которая составляла ±3%.

Для диапазона остаточных влажнос- тей 9% связь ЯМР параметра X и В остается линейной с коэффициентами

,27±0,016, ,91±0,49%.

Коэффициенты получены методом 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.

Пример2. В качестве объекта небиологической природы возьмем про- тонсодержащее вещество, адсорбирующее воду и не имеющее растворимых в « воде веществ. Примером этому могут служить ионообменные смолы, напри0

5

45

мер, КБ-4П2 в натриевой форме.

Отличие настоящих измерений от примера 1 заключается в том, что зона 0 (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 линей- Q ная зависимость.

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

,42±0,02, .

Для сравнения величина V была вычислена теоретически ия химической формулы КБ-4П2 в натриевой форме: .42.

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

Ошибка измерения остаточной влаж- ности для КБ-41Т2 не превышала ±0,4% в абсолютных единипах.

Анализ различных образцов ионообменной смолы показал, что время поперечной релаксацни Т медленной Компоненты для одной и той же остаточной влажности может изменяться от партии к партии. Величина Т/ в некоторых образцах возрастала до двух раз. Причем это различие сохранялось во всем диапазоне, влажностей.

Ионообменная смола, имеющая меньшее время релаксации Т медленной компоненты, сильнее связьшает воду. Следовательно, в данном случае Т позво- ляет сортировать смолу по адсорбцион- ным свойствам.

Таким образом, предлагаемьй способ позволяет измерять остаточную влажность биопрепаратов начиная с 2-3% с ошибкой, не превышающей 0,5%, а также контролировать качество высушивания образцов. Формула изобретения

Способ определения остаточной влажности в сухих веществах импульс

ным методом ядерного магнитного резонанса, основанный на измерении сигнала свободной индукции (ССИ) после воздействия на сухое Вещество, содержащее протоны, 90°-ным высокочастотным импульсом и определении значений амплитуд медленной и быстрой компонент ССИ, отличающий- с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторону малых остаточных влажностей, регистрируют всю видимую часть ССИ, находят ам- пЛйтуды сигналов компонент в нулевой момент времени путем экстраполяции по гауссовому закону и определяют остаточную Влажность по линейной зависимости

,

где В - остаточная влажность;

X - отношение между амплитудами медленной и быстрой компонент ССИ;

К - калибровочный коэффициент, .равный удельному массовому содержанию протонов в сухом остатке относительно воды;

D - значение КХ сухого остатка.

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.

В.ч. импульс

Фаг.Г

В,%

12,5- ЩО7.5sA

25О О.

100 76.0

гг.о 28.0 ао л.% Фиг,г

В.% ЩО120.0- 90.0що30,0