Устройство для определения биохимических изменений и физиологического состояния растительных объектов

 

ОП ИСАКИИ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Социапистичесник

Республик () )) 994968 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 14. 12,78 (21) 2691601/18-25 с прнсоелинением заявки № (23) Приоритет . Опубликовано 07. 02. 83. Бюллетень № 5

Дата опубликования описания 09. 02 .83 (5l)M. Кл.

G 01 N 24/08

Гпеударстееииый комитет пп делам иэебретеиий и аткрытик (53) УДК 539. 143. .43(088.8) П,М. Бородин и M.N. 6очаров

))

f ". с (, о

Ф с

Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудо ого,-».,.

Красного Знамвни государственный университ им. А.А. Иданова (? 2) Авторы изобретения (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

БИОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ

И ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к устройствам для изучения растительных объектов (стеблей, плодов, корнеплодов и т.п. ), и предназначено для практи ческих целей, а именно для выполнения исследований в биологии и агрономии, а также для контроля эа разви" тием, созреванием и сохранностью рас. тительных объектов в сельском хозяй-. стве и в заготовительных органиэа" циях. С его помощью можно изучать изменение химического состава и ход биохимических и физиологических процессов в растительных объектах в процессе их развития и хранения без раз-,s рушения целостности растительных организмов и при .полном отсутствии влияния устройства на исследуемый объект во время измерения.

Известны устройства, которые ис- 2о пользуются для определения биохими" ческих изменений и физиологического состояния растительных и других био" логических объектов, в которых во

2 время измерения на биологический объектт осуществляется физическое воздействие ультразвука, тепла, давле" ния, электрического тока, ионизирующего облучения, переменного электромагнитного или магнитного полей (1 g.

Однако в результате такого воздействия, 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"

I 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 физи че с ки х факторов.

Более совершенными являются устройства, в которых во время измерения на объект оказывается воздействие лишь магнитного поля, ибо до сих пор

994968 отсутствуют надежно подтвержденныефакты существенного влияния магнитного поля на биологические организмы.

Примерами таких устройств являются магнитные весы Гюи, прибор Ренкина, спектрометры ядерного, магнитного и электронного парамагнитного резонансов (ЯМР- и ЭПР"приборы и др,). Наи" более чувствительным и перспективным из укаэанных магнитных устройств яв- о ляется спектрометр, который работает на ядрах Н С Ъ, содержащихся во всех физиологических компонентах биологических объектов, Известно ЯМР-устройство, которое 15 используется дпя определения биохимических изменений и физиологичес. кого состояния растительных объектов, в частности для определения влагосодержания, состоящее из магнита, датчика ЯМР и вторичного прибора (2 ), Источник магнитного поля - магнит обеспечивает в месте расположе" ния катушки с исследуемым образцом высокую напряженность магнитного по- д ля, большую стабильность за время измерений и высокую однородность (в объеме образца относительная неоднородность поля 6"Н не превышает 10 8).

Для обеспечения этих требований в спектрометре ЯМР имеются блок питания, стабилизаторы поля (по напряжению, току, магнитному потоку ) и уст ройства для выравнивания неоднородности магнитного поля (пассивные по35 токовые и электрические токовые шиммы ). Датчик ЯМР представляет собой небольшую э кр анирующу ю короб ку, внутри которой закреплена цилиндрическая катушка, Ампула с исследуемым образ о цбм вводится через отверстие в экра не и располагается внутри катушки датчика, В других современных промышленных спектрометрах ЯМР в датчике размещены еще и другие вспомога45 тельные устройства, обеспечивающие, например, термостатирование образца, вращение его вокруг оси катушки и др.

Втор, ичный электронный прибор соединен с датчиком коаксиальным кабелем и располагается рядом с источником магнитного поля. Он включает в себя генератор для создания высокочастотного тока в катушке датчика ЯМР, ВЧ и НЧ-усилителя, амплитудные и фазовые детекторы и регистратор (осциллограф

55 и 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 объектов, например семян); во время исследования 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 помещается внутрь 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 ЯМР и, следовательно, размер объекта обычно не превышает 1-3 см

Дальнейшее. увеличение рабочеro 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 превышают 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"968

5 нвц, сам спектрометр ЯМР является весьма сложным крупногабаритным радиотехническим прибором, применение которого для определения хода физиологического развития, например, сте. пени созревания растительного объекта непосредственно на месте его произрастания (на поле, огороде, бах че и т.п, ) невозможно.

Целью изобретения является выпол- !О нение измерений без нарушения физиологической целостности исследуемого объекта и исключение влияния на него устройства во время измерения, а также упрощение его конструкции и умень"И шение габаритов.

Укаэанная цель достигается тем, что в известном устройстве для апре" деления биохимических изменений и фи" зиологического состояния растительных2о объектов, содержащем датчик ЯМР, вторичный прибор и источник магнитного поля, датчик ЯИР выполнен в виде пары соединенных встречно или не-. скольких включенных встречно соеди- 25 ненных последовательно катушек, образующих измерительную полость для размещения в ней объекта, причем плоскости витков катушек взаимно параллельны. 30

Кроме того, для повышения чувстви" тельновти измерений и удобства эксплуатации катушки датчика ЯМР выполнены разъемными по форме образца, что позволяет наблюдать сигнал ядер- з ного магнитного резонанса от растительного объекта при максимальном коэффициенте заполнения объектом катушки датчика без разруешния физиологической целостности объекта (напри- 4в мер,арбуза, дыни, стебля кукурузы и т.п,1, 1

На фиг. изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - датчик ЯИР, 45 четырехкатушечный, разъемный;. на фиг. 3 - то же, восьмикатушечный; на фиг. 4 " неразъемный двухкатушечный датчик для исследования цилиндричес" ких образцов (стеблей, плодов, зерна или соков в цилиндрической трубе ); . на фиг. 5 - датчик разъемный двухкатушечный для исследования растительных объектов типа арбузов, дынь, тыквы и т.п. на фиг. 6 - то же, датчик четырехкатушечный; на фиг. . И осциллограммы сигналов свободной процессии, полученные при помощи маке" та предлагаемого устройства от яблок одного сорта, сня тых с дере ва до и после заморозков.

Блок-схема устройства состоит иэ датчика ЯМР и вторичного прибора 2, соединенного коаксиальным кабелем 3 .

Вторичный прибор включает в себя источник 4 тока поляризации (например, аккумулятор ), коммутатор,g, усиди" тель 6 и регистратор 7 сигнала свобод" ной процессии.

Для получения сигнала ЯМР при по-. мощи коммутатора подключают батареи 4 к катушкам датчика ЯМР, которые должны быть ориентированы плоскостями своих витков параллельно маг" нитному полю Земли H> . Благодаря току, протекающему через катушки, в рабочей их области создается поляриэую-О щее магнитное поле Н ориентированное перпендикулярно Н . Это поле создает ядерную намагниченность М в исследуемом образце, причем M ортого. нально Нз м. Через -3 с после Нп быстро выключают коммутатор 5 и под-. ключают датчик к усилителю 6 и регистрируют сигнал свободной процес-сии ядер в магнитном поле Земли за счет ЭДС, наводимой в катушках, пре" цессирующей намагниченность M вокруг

Язем с частотой о|о ° Амплитуда огибающей сигнала СП убывает по экспоненциальному закону с постоянной времени Т g

Время спин-спиновой релаксации

Т (в жидкостях оно равно Т < - еремени спин-решеточной релаксации ) опрвделяют по изменению амплитуды сигнала СП в В раз и по нему определяют биохимические изменения или физиологическое состояние растительных объектов, Отличительные особенности устрой" ства поз воляют достичь те хни ко-э кономической эффективности ЯМР-уст" ройства при использовании его для определения биохими че с ки х и з мене ни и и физиологического сос тояния растительных объектов. Встречное включение двух катушек или пар последовательно . соединенных катушек делает датчик ЯМР мало чувствительным к внешней элект" ромагнитной помехе, что позволяет наблюдать ЯМР в слабом, но высокооднородном магнитном поле. Земли, ис" пользуя при этом датчики с большими измерительными полостями, объемом от нескольких сотен до нескольких тысяч кубических сантиметров, в которых могут целиком располагаться боль"устройство и позволяет его осуществлят ь в виде переносного прибора, пригодного для экспресс-анализа агро номических культур непосредственно на плантациях или в хранилищах ° На изготовленном в Ленинградском университете лабораторном макете прибора в процессе его испытания измерены при одинаковых условиях эффективные вре) мена затухания Т" сигналов свободной

2 прецессии ядер водорода в земном поле для ряда растительных объектов. Под

Т2 понимается время, эа которое амп >> литуда сигнала свободной прецессии уменьшается в раэ, Время Т 2 апре" деляется временем спин-спиновой релаксации Т и зависит от неоднородности магнитного поля о Н, Т > " ——

= Т " + у3 d H. Для исключения влияния фН, искажающего полезную информацию, необходимо использовать эталонные образцы. Некоторые результаты измерений представлены в таблице.

Раститель- Т, Ф ный объект с

Растительный Т>, объект с

Сахарный тростник разного возраста

0,62

Арбуз розовый красный

Яблоки сорта

"Китайка" до 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 регистрирует. сигнал свободной прецессии ядер в земном поле, который наблюдается без воздействия на образец BblcoKoчастотного электромагнитного и сильного магнитного полей, т.е . расти- 10 тельный объект исследуется в условиях его естественного развития в магнитном поле Земли.

Разъемная по форме образца конструкция катушек датчика, прилегающих 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- 20 гических процессов. Это позволяет исральзовать устройство в качестве прибора 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 на .. плантациях, можно оказывать влияние на это развитие при помощи внешних факторов с тем, чтобы его ход шел по оптимальному графику. Иными словами, использование изобретения в качест1 ве прибора для неразрушающего растительные объекты экспресс-анализа спо собствует 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 RMP" от Тыква

0,40 съедобная до часть

0 >95

1, 10 внутрен- 0,4 ность

0,80 Картофел ь 0,45

Морковь 0,38

Представленные в таблице резуль" >> таты измерении T 2 в некоторых расти" тельных объектах позволяют составить представление о возможностях использования изобретения для практических целей в сельском хозяйстве,, заготовительных организациях и в производстве продуктов потребления.

1 Устройство для определения био. химических изменений и физиологичес9 99"968 кого состояния растительных объек- размещения в ней объекта, причем плостов, например их созревания или со- кости витков катушек взаимно паралхранности,. содержащее датчик ядерно- лельны. го магнитного резонанса (ЯМР) и вто- 2. Устройство по и. 1 о т л и ч аричный прибор, отличающее" ющее ся тем, что, сцельюновы" с я тем, что, с целью выполнения шения чувствительности измерений и измерений без нарушения физиологичес" удобства эксплуатации устройства, какой целостности исследуемого объект тушки датчика ЯИР выполнены разъемны" и исключения влияния на него устрой- ми по форме исследуемого образца. ства во время измерения, а также упрона Источники информации,,щения устройства и уменьшения его га- принятые во внимание при экспертизе баритов, 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, >5 бора РАТ"20 фирм "Эуро"лаб" (ФРГ). образующих измерительную полость, для 1977 (прототип), 994968 с ь

Составитель С. Рыжих Редактор П, Коссей Техред И. Гайду Кооректор E . Рошко

Заказ 630/25 Тираж о71 Подйисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11)0)$ Москва Ж-35 Раушская наб,, д, 4/5 филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,