Способ изучения развития растительных объектов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГМЬЛИК (19) (И) 3(5)) G 01 N 24/08 А 01 G 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВ,Ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2439700/18-25 (22) 10 .01.77 (46) 23.12.83. Бюл. 9 47 (72) П.М.Бородин (71 ) Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. A.A.Æäàíoâà (53) 533 ° 143.43(088.8) (56) 1. Аккерман Ю. Биофизика. М., "Мир", 1964, с. 60, 2. Фаррар T. Баккер Э. Импульсная и фурьеспектроскопия яМР. М.;

"Мир", 1973, с. 157.

3. РЖ "Биология", 1968, 2г., с. 130 (прототип). (54)(57) 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 й. с я тем, что, с целью по° вышения 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, судят о биохимических изменениях и физиологическом состоянии объекта.

1062581

Изобретение относится к физическим методам исследования, может быть использовано как для научных, так и для практических целей в биологии, агрономии и сельскохозяйственном производстве и позволяет изучать изменение химического состава и ход биохимических и физиологических процессов в растительных объектах в процессе их развития или хранения без нарушения целостности растений, определить степень созревания тех или иных сельскохозяйственных культур.

Известны способы определения биохимических изменений и физиологического состояния растительных объектов (1) .

В этих способах на биологический объект осуществляется физическое воздействие ультразвука, тепла, давления, электрического напряжения (тока), ионизирующего облучения или магнитного поля. Кроме магнитного поля все перечисленные виды воздействия являются внешними возбудителями биологических организмов и в ряде случаев сильное воздействие некоторых иэ них может приводит к необратимым процессам в биологических тканях (например, к разрушению

Ъ к:: е"-очных стенок-мембран, или даже .-:зрыву молекулярных cBRBBA под де. ::: тянем чонизирующет Q излучения) .е то-; о, эти методы не могут расс:,атриваться как идеальные,. так как измерения проводятся не в естественных усповиях существования и развития биологических объектов, а при воэб„-жд:;.ищем воздействии внешних факторов.

Более совершенными являются способы„. в которых используется воздействие на животные или растительные организмы постоянного магнитного поля,. так как до сих пор не имеется надежно подтвержденных фак ов заметного влияния магнитного поля на биологические организмы.

В магнитных способах измеряется магнитная восприимчивость веществ, например ферментов. В статических способах измерения, например при помощи магнитных весов Гюи или прибора Ренкина исследуемое биологическое вещество помещается в магнитное поле,. причем для повышения чувствительности измерения проводятся с высокигли концентрациями вещества (например, высокие концентрации фермента в белковом растворе) . Более чувствительными магнитными способами являются резонансные способы ЯИР и

ЗПР в сильных магнитных полях t2j .

Однако в этих способах измерения биологическое вещество помещают в датчик (резонатор), 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

10 электрический импеданс (3) .

В способе электрического импеданса измеряют удельное сопротивление биологического объекта, из которого выделяют импеданс клетки цитоплазмы, 15 протоплазмы и межклеточного раствора, а свойство стенок клетки характеризуют емкостью единицы поверхности.

Однако во время измерения на образец оказывают воздействие электромагнитным полем. Поскольку большинство растительных объектов имеют низкую электропроводность (высокое удельное сопротивление), то в про 5 цессе 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 биологических систегл не позволяют установить в деталях все различия между клетками различных типов (растительными и животными, яйцеклетками и т.п.), их значения для разных клеток пере-. крываются.

Значение 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 ус50 ловия развития растительного объеK та.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу в растительном объекте возбуждают ядерный магнитный резонанс в магнитном поле Земли, и по параметрам наблюдаемого сигнала, преимущественно по релаксации и/или амплитуде сигнала, судят о биохимических изменениях и

60 физиологическом состоянии объекта.

Способ ЯМР-анализа химического состава веществ в магнитном поле

Земли использует сигналы свободной прецессии ядер исследуемых объектов после предварительного намагничиваЬ

1062581 ния образца значительно более сильным, чем земное, поляризующим магнитным полем Н„. Это поле Н„ ориентируют перпендикулярно магнитному полю Земли Й е . Тогда магнитные моменты р; используемого ядра яраг вещества, например, протоны окажутся сориентированными суммарным эффективным магнитным .полем Н р

Н„ + Н « . При этом вектор ядерной намагниченности единицы объема вещества М = - 4„ ориентирован вдоль направления поля Н р, т.е. практически перпендикулярно Й е,„ а его длина определяется ядерной восприимчивостью. X вещества и модулем эффективного поля H

М = Х Н „,. (1)

Если затем поле Йп неадиабатически быстро выключить, то вектор устанавливается к своему стационарному состоянию М., при котором Мо„

О, Н„= q = 8Нqqq В процессе установления вектор М прецессирует вокруг направления магнитного поля Земли Н « с частотой со = Н еА, где — гиромагнитное отношение резонирующих ядер, а его длина уменьшается, Изменение модуля вектора M определяется экспоненциальным характером изменения его продольное Нт н попереннон

М = П lz„ + М компонент, М (t) = М (1 — Е 4 (2) т (3) где М (o1 — значение N в начальный момент времени после выключения поляризующего поля Н,;

Т вЂ” время спин- решеточной

1 (или продольной) релаксации;

Тр — время спин-спиновой (или поперечной)релаксации.

1О

25 зо

35

Сигн алы ЯМР н аблюдаются 3 а счет изменения поперечных компонент вектора Х. Если исследуемые вещества находятся внутри индуктивной катушки 1., ось которой ориентирована перпендикулярно полю Н, то в процессе установления прецессирующего вектора М, к стационарному состоянию его компонента М1 индуцируется в катушке L ЭДС-сигйал свободной прецессии (ССП). Частота этого сигнала равна частоте прецессии вектора

М в магнитном поле Земли (И = Н, ), а амплитуда уменьшается по экспоненциальному закону в соответствии с формулой (3), т,е. затухание сигнала определяется постоянной времени

Т вЂ” 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 вЂ” Т и в случае релаксации протонов в водных растворах большинства парамагнитных ионов. Поэтому Т также как и Т можно определять в первом приближении по затуханию ССП. B 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 невозможно (растительные объекты необходимо было бы помещать в небольшие датчики ЯМР с рабочим объемом исследуемого вещества порядка 0Ä5 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

9 при использовании для поляризации образца магнитных полей во внешней области катушек датчика достигает и еще больших значений порядка несколько 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 Т от сроков созревания некоторых растительных объектов (стеблей

10á 2581

Составитель С, Рыжих

Редактор Н.Бобкова Техред А.Бабинец Корректор Б. Бутяга Заказ 10209/44 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

I г

ФЫлиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул., Проектная, 4 сахарного ..тростника, арбузов, дынь и др. . Предварительные измерения показывают, что времена релаксации Т и Т определены по ССП, по мере созревания сахарного.-.тростника изменяются от 0,95 с до 0,41 с.

Предлагаемый способ имеет преимущество перед существующим, так как он позволяет проводить анализ дистанционно, бесконжактно 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 поляриэующим полем . (H> = 100 Э, время намагничивания

Т = 1 - 3 с), однако это поле выключается перед появлением сигнала ССН

5 и, следовательно, во время измерения отсутствует °

Перечисленные достоинства спосо.ба позволяют проводить с его помощью определение биохимических изменениЯ и филиологического состояния растительных объектов в процессе их естественного развития на плантациях, бахчах и т,п. или контролировать указанные параметры в период хране15 ния.