原位变温低场核磁共振系统用于抗冻蛋白分子动力学分析

原位变温低场核磁共振系统用于抗冻蛋白分子动力学分析

什么是抗冻蛋白？

抗冻蛋白是一种能抑zhi冰晶生长的蛋白质或糖蛋白质.自二十世纪发现以来,研究对象先后从极区鱼类,昆虫,转移到植物材料上。

抗冻蛋白是生活在寒冷区域的生物经过长期自然选择进化产生的一类用于防止生物体内结冰而导致生物体死亡的功能性蛋白质。对于抗冻蛋白抗冻机制的研究有助于揭开冰晶成核、生长和冰晶形貌调控的分子层面的机理。

抗冻蛋白生长机制的模型

抗冻蛋白吸附在冰晶表面,通过EAFC3效应抑zhi其生长.机制的模型为:一般晶体的生长垂直于晶体的表面,假如杂质分子吸附于冰生长通途的表面,那么需要在外加一推动力(冰点下降),促使冰在杂质间生长.由于曲率增大,使边缘的表面积也增加.因表面张力的影响,增加表面积将使体系的平衡状态发生改变,从而冰点降低。通过对抗冻植物抗冻活性的研究,认为抗冻植物形成了一种特殊的控制胞外冰晶形成的机制,即抗冻蛋白和冰核聚物质的协同作用.在植物体内,热滞效应并不明显,而冰重结晶抑zhi效应显著.吸附抑zhi学说是否适应于植物有待于进一步的证实.

原位变温低场核磁共振系统用于抗冻蛋白分子动力学分析

原位变温低场核磁共振系统是指可以实现在线原位改变样品温度，并在设置温度下对样品进行原位测量的低场核磁共振系统。该系统可同时实现弛豫分析和磁共振成像功能。

传统的低场核磁共振系统是常温测试系统，测试过程中样品的温度保持与实验室温度（环境温度）一致，检测到的数据与样品在室温下的特性相关。而原位变温低场核磁共振系统可对样品进行程序控温（高低温），并进行原位检测，可研究不同温度下样品的特性。可对样品进行冷冻过程、干燥过程、蒸煮过程、样品冰点、食品变性过程等相关研究。

原位变温低场核磁共振系统是在常规低场核磁共振系统上加配了变温探头、控温硬件以及控温软件。系统样机如下图：

低场核磁共振法用于淀粉玻璃化转变温度研究

淀粉不仅是食品中的重要的组成成分,而且也是有用的食品工业原料,应用用途十分的广泛。大家都知道,淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成,直链淀粉为一条直链的结构,分子量较小,支链淀粉是高度分支,分子量通常较高。由于来自不同种植物的淀粉在结构,组成和分子状态方面的差异,来自不同的来源的淀粉具备各自的使用功能。

食品的玻璃化转变可能会引起食品的货架寿命和质构等的改变,已成为当今的研究热点。玻璃化转变温度的这个概念目前被广泛的应用在食品科学的领域当中。玻璃化转变是一种二级相变,物质不会放出潜热,不发生相变,他的宏观上在物质的物理、电学、热及力学等其他性质上,表现出变化或者不连续性。当食品处在玻璃态时,食品的分子分散的速率就会减慢,产品的品质就会提高,然而,当食品发生了玻璃化转变之后,它的理化性质就会发生明显的改变。淀粉的玻璃化转变对机械性能的影响很大,如引起淀粉的质构特性和产品老化等重要影响。因此,研究淀粉的玻璃化转变温度是非常重要的。

聚合物在比较低的温度下,分子的热运动所需要的能量就很低,只有分子中的链节、支链等比较小的运动单元可以运动,而链段和分子链处于被冻结的状态,聚合物在外界作用下只能发生微小的形变,这个时候聚合物表现出来的力学性质和玻璃相似,所以把这种状态叫做玻璃态。聚合物发生了玻璃化转变时的温度称为玻璃化转变温度(Tg)。当食品处在玻璃态的时候,受扩散控制的食品的品质变化的反应就会变得非常的缓慢,有的甚至不会发生。这时的食品的各个方面的性质就会非常的稳定,对于食品的保存和新鲜程度等品质的保持就十分有利。大部分的谷物类食品是以淀粉为原料的,如小吃、焙烤食品等。面包在储藏的过程会发生老化(硬化),严重影响面包的品质,淀粉结晶就是影响面包老化的重要因素。当储藏温度低于Tg时,淀粉就不会发生结晶,所以将面包在玻璃态时储藏,对yi制面包老化很有效。食品中的玻璃化转变会影响食品的货架寿命和质构等。

低场核磁共振法测定玻璃化转变温度：

NMR是一种通过测定活性原子核的弛豫特性来描述分子运动特性的技术。用NMR测定玻璃化转变温度是基于弛豫时间(T1、T2)可以衡量玻璃化转变时分子链段运动的急剧变化。与上述方法相比，NMR对所测食品样品没有限制，对样品亦不具破坏性，灵敏度高，能够快速、实时、荃芳位、定量的研究样品。

玻璃化转变是指非晶态的高聚物（包括晶态高聚物中的非晶体部分）从玻璃态到高弹态的转变或者从高弹态到玻璃态的转变。许多研究人员已经接受食品也是聚合物这一观点并将其作为聚合物体系进行分析，聚合物玻璃化转变的基础是分子运动，聚合物由玻璃态转变为橡胶态时，含有质子的基团运动频率增加，这些变化可由弛豫时间T1和T2来衡量。

当聚合物处于玻璃态时，T2不随温度而变，表现出刚性晶格的性质，玻璃化转变后，突破刚性晶格的限制，T2随温度升高而增大。绘制T2-温度曲线，T2转折点所对应的温度即玻璃化转变温度Tg。

T2-温度曲线和T1-温度曲线都是由两条近似直线的不同斜率的直线部分组成，这两条直线的交点就看作为相转变点，所对应的温度就是相转变温度，即我们所要测定的Tg。对于“U”曲线，其zui低点，即为相转变点，所对应温度为Tg。

变温低场核磁系统用于食品冻融稳定性的研究

速冻食品通常采用快速冷冻和低温储存的工艺，通过降低食品中水分含量和水分活度来减少微生物繁殖的风险、降低酶活性以及延缓食品原料间化学变化，以此达到延长产品货架期和方便消费者食用的目的。然而，速冻食品在运输、储存和消费过程中，都会面临无法保证低温冷藏条件的问题。温度波动所导致的产品品质变化往往让消费者难以接受，如产品口感变差、失水变硬、蒸煮后表皮开裂、失去弹性等。

淀粉冻融通常是指低温（如-18℃）下对糊化或未糊化淀粉进行冷冻后再放置室温或者更高温度(如30℃水浴)下使淀粉融化的过程。在此过程中，淀粉理化性质及颗粒结构的变化趋势和程度反映了淀粉的冻融稳定性，也直接影响了相关速冻食品的质构特性。淀粉冻融稳定性的研究有助于进一步了解淀粉分子的内部结构，推动相关产品工业化生产条件的优化。

冻融过程对淀粉影响

冻融过程通过水分子和温度的作用改变淀粉的内部结构，对淀粉的颗粒形态、质构特征、结晶状态和功能特性产生显著影响。一般而言，这些影响效果不利于淀粉在冻融过程中保持结构的稳定。

淀粉在冻融过程中，循环过程形成的冰晶和微机械力会对淀粉颗粒造成损伤。经过多次冻融循环后，淀粉颗粒棱角出现损伤，表面变得更粗糙且出现许多凹洞。冻融过程中冰晶不断融解和再形成，反复对淀粉颗粒表面进行挤压，从而造成了上述的机械损伤并伴随部分淀粉的游离溢出。

原位变温低场核磁共振系统？

原位变温低场核磁共振系统是指可以实现在线原位改变样品温度，并在设置温度下对样品进行原位测量的低场核磁共振系统。该系统可同时实现弛豫分析和磁共振成像功能。

传统的低场核磁共振系统是常温测试系统，测试过程中样品的温度保持与实验室温度（环境温度）一致，检测到的数据与样品在室温下的特性相关。而原位变温低场核磁共振系统可对样品进行程序控温（高低温），并进行原位检测，可研究不同温度下样品的特性。可对样品进行冷冻过程、干燥过程、蒸煮过程、样品冰点、食品变性过程等相关研究。

原位变温低场核磁共振系统是在常规低场核磁共振系统上加配了变温探头、控温硬件以及控温软件。系统样机如下图：

储层物性指什么？低场核磁共振如何用于储层物性分析

储层物性是油气储集层的物理性质。广义上还包括储集层岩石的骨架性质、孔隙性、渗透性、含流体性、热学性质、导电性、声学性质、放射性及各种敏感性等。狭义的一般指储层岩石的孔隙率和渗透率。

低场核磁共振如何用于储层物性分析：

低场核磁共振储层物性分析是利用氢原子核在外加磁场的作用下形成核磁共振现象的这一特性,测量同一样品在不同处理阶段的核磁共振信号,从而求取储层的孔隙度、渗透率、含油饱和度、可动流体饱和度等地质参数的一项新技术。该技术克服了常规岩心分析方法成本高、测试周期长的缺点,具有用量少、速度快、成本低、获取参数多、准确性高等优点。在储层物性方面采用核磁共振技术研究并应用,能够为石油勘探提供可靠且及时的数据,对于油田开发有着重要的实际意义。

储层物性评价是储层评价和油气资源评价的重要内容。许多石油院校、科研院所、油田单位在积极探索室内岩石物性准确测定,低场核磁共振技术不断发展起来而且日趋完善。低场核磁共振技术分析样品由测试岩心扩展到了岩屑以及井壁取心,且不受形状的限制,具获取参数多、分析速度快、精度高、可随钻分析、耗资低等特点,并使得在现场快速分析储层物性得以实现,形成了一项特色的快速评价储层物性的核磁共振技术。

低场核磁共振驰豫机理

固体表面对流体分子的作用力强弱决定了弛豫时间的大小即弛豫速度的快慢。总的来说,弛豫时间快慢由三个方面决定:岩样固体的表面性质;岩样内的孔隙大小;岩样中饱和流体的流体性质和流体类型。

岩石孔隙中,三种驰豫机制控制着核磁驰豫过程,分别是表面弛豫、体积弛豫和扩散弛豫。这三种机制同时存在,若满足快扩散条件,单个驰豫机制引起的驰豫速率的和就是总的驰豫速率。

岩石孔隙中的流体,存在于类似较大孔隙这种不受限空间时,流体内部会产生自由衰减过程,称之为体积弛豫,也叫自由驰豫。由于孔隙空间不受限,故体积驰豫与孔隙壁无关,与温度、流体粘度、岩石润湿性有关,主要影响因素是孔隙中流体的性质。

岩石颗粒表面润湿流体后,流体的扩散运动使得分子与岩石颗粒表面发生频繁碰撞,分子与岩石表面碰撞时,分子会把核自旋的能量传给岩石颗粒表面,于是会因自旋运动重新取向于原来磁场方向,引起纵向弛豫T1;同时,自旋相位发生不可恢复的相散,导致横向弛豫T2的加速。这个过程就是岩石表面驰豫的作用机制。岩石表面驰豫机制与岩石胶结物的性质以及颗粒表面有关。进而反映出岩石的储层物性参数。

低场核磁共振横相弛豫时间

在核磁共振现象中，弛豫是指原子核发生共振且处在高能状态时，当射频脉冲停止后，将迅速恢复到原来低能状态的现象。恢复的过程即称为弛豫过程，它是一个能量转换过程，需要一定的时间反映了质子系统中质子之间和质子周围环境之间的相互作用。

完成弛豫过程分两步进行，即纵向磁化强度矢量Mz恢复到最初平衡状态的M0和横向磁化强度Mxy要衰减到零，这两步是同时开始但独立完成的，下面将简单介绍低场核磁共振横相弛豫过程和低场核磁共振横相弛豫时间T2。

低场核磁共振横相弛豫过程

在射频脉冲的作用下，所有质子的相位都相同，它们都沿相同的方向排列，以相同的角速度（或角频率）绕外磁场进动。当射频脉冲停止后，同相位的质子彼此之间将逐渐出现相位差，即失相位。我们把质子由同相位逐渐分散zui终均匀分布，宏观表现为其横向磁化强度矢量Mxy从zui大（对于π/2脉冲来说，为M0）逐渐衰减为0的过程称为横向弛豫过程。

低场核磁共振横相弛豫时间

低场核磁共振横相弛豫时间又称自旋-自旋弛豫时间，通常用Mxymax衰减63%时所需的时间，所以经过一个T2时间，Mxy还存在37%在实际工作中，一般认为Mxy经过5T2时间已基本衰减为零。下图表示π/2脉冲之后Mxy随时间的衰减曲线：

在MRI中，通常用横向弛豫时间T2来描述横向磁化强度Mxy衰减的快慢，如果T2小就说明横向磁化强度Mxy衰减快。否则，若T2长就说明横向磁化强度Mxy衰减慢。

在给定外磁场中，T2仅取决于组织，不同的组织由于其自旋-自旋相互作用效果不同，而这种效果取决于质子间的接近程度。由于不同组织自旋-自旋相互作用效果不同，所以不同组织的T2不同，固体中的T2比液体中的T2短的多。特别注意的是：横向弛豫时间T2比纵向弛豫时间T1快5-10倍，也就是说在纵向磁化强度恢复到M0时，横向磁化强度早已经衰减为零。