原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)用于抗凍蛋白分子動力學(xué)分析

什么是抗凍蛋白？

抗凍蛋白是一種能抑zhi冰晶生長的蛋白質(zhì)或糖蛋白質(zhì).自二十世紀發(fā)現(xiàn)以來,研究對象先后從極區(qū)魚類,昆蟲,轉(zhuǎn)移到植物材料上。

抗凍蛋白是生活在寒冷區(qū)域的生物經(jīng)過長期自然選擇進化產(chǎn)生的一類用于防止生物體內(nèi)結(jié)冰而導(dǎo)致生物體死亡的功能性蛋白質(zhì)。對于抗凍蛋白抗凍機制的研究有助于揭開冰晶成核、生長和冰晶形貌調(diào)控的分子層面的機理。

抗凍蛋白生長機制的模型

抗凍蛋白吸附在冰晶表面,通過EAFC3效應(yīng)抑zhi其生長.機制的模型為:一般晶體的生長垂直于晶體的表面,假如雜質(zhì)分子吸附于冰生長通途的表面,那么需要在外加一推動力(冰點下降),促使冰在雜質(zhì)間生長.由于曲率增大,使邊緣的表面積也增加.因表面張力的影響,增加表面積將使體系的平衡狀態(tài)發(fā)生改變,從而冰點降低。通過對抗凍植物抗凍活性的研究,認為抗凍植物形成了一種特殊的控制胞外冰晶形成的機制,即抗凍蛋白和冰核聚物質(zhì)的協(xié)同作用.在植物體內(nèi),熱滯效應(yīng)并不明顯,而冰重結(jié)晶抑zhi效應(yīng)顯著.吸附抑zhi學(xué)說是否適應(yīng)于植物有待于進一步的證實.

原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)用于抗凍蛋白分子動力學(xué)分析

原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)是指可以實現(xiàn)在線原位改變樣品溫度，并在設(shè)置溫度下對樣品進行原位測量的低場核磁共振系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時實現(xiàn)弛豫分析和磁共振成像功能。

傳統(tǒng)的低場核磁共振系統(tǒng)是常溫測試系統(tǒng)，測試過程中樣品的溫度保持與實驗室溫度（環(huán)境溫度）一致，檢測到的數(shù)據(jù)與樣品在室溫下的特性相關(guān)。而原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)可對樣品進行程序控溫（高低溫），并進行原位檢測，可研究不同溫度下樣品的特性?？蓪悠愤M行冷凍過程、干燥過程、蒸煮過程、樣品冰點、食品變性過程等相關(guān)研究。

原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)是在常規(guī)低場核磁共振系統(tǒng)上加配了變溫探頭、控溫硬件以及控溫軟件。系統(tǒng)樣機如下圖：

低場核磁共振法用于淀粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度研究

淀粉不僅是食品中的重要的組成成分,而且也是有用的食品工業(yè)原料,應(yīng)用用途十分的廣泛。大家都知道,淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成,直鏈淀粉為一條直鏈的結(jié)構(gòu),分子量較小,支鏈淀粉是高度分支,分子量通常較高。由于來自不同種植物的淀粉在結(jié)構(gòu),組成和分子狀態(tài)方面的差異,來自不同的來源的淀粉具備各自的使用功能。

食品的玻璃化轉(zhuǎn)變可能會引起食品的貨架壽命和質(zhì)構(gòu)等的改變,已成為當(dāng)今的研究熱點。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的這個概念目前被廣泛的應(yīng)用在食品科學(xué)的領(lǐng)域當(dāng)中。玻璃化轉(zhuǎn)變是一種二級相變,物質(zhì)不會放出潛熱,不發(fā)生相變,他的宏觀上在物質(zhì)的物理、電學(xué)、熱及力學(xué)等其他性質(zhì)上,表現(xiàn)出變化或者不連續(xù)性。當(dāng)食品處在玻璃態(tài)時,食品的分子分散的速率就會減慢,產(chǎn)品的品質(zhì)就會提高,然而,當(dāng)食品發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變之后,它的理化性質(zhì)就會發(fā)生明顯的改變。淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變對機械性能的影響很大,如引起淀粉的質(zhì)構(gòu)特性和產(chǎn)品老化等重要影響。因此,研究淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是非常重要的。

聚合物在比較低的溫度下,分子的熱運動所需要的能量就很低,只有分子中的鏈節(jié)、支鏈等比較小的運動單元可以運動,而鏈段和分子鏈處于被凍結(jié)的狀態(tài),聚合物在外界作用下只能發(fā)生微小的形變,這個時候聚合物表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)和玻璃相似,所以把這種狀態(tài)叫做玻璃態(tài)。聚合物發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變時的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。當(dāng)食品處在玻璃態(tài)的時候,受擴散控制的食品的品質(zhì)變化的反應(yīng)就會變得非常的緩慢,有的甚至不會發(fā)生。這時的食品的各個方面的性質(zhì)就會非常的穩(wěn)定,對于食品的保存和新鮮程度等品質(zhì)的保持就十分有利。大部分的谷物類食品是以淀粉為原料的,如小吃、焙烤食品等。面包在儲藏的過程會發(fā)生老化(硬化),嚴重影響面包的品質(zhì),淀粉結(jié)晶就是影響面包老化的重要因素。當(dāng)儲藏溫度低于Tg時,淀粉就不會發(fā)生結(jié)晶,所以將面包在玻璃態(tài)時儲藏,對yi制面包老化很有效。食品中的玻璃化轉(zhuǎn)變會影響食品的貨架壽命和質(zhì)構(gòu)等。

低場核磁共振法測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度：

NMR是一種通過測定活性原子核的弛豫特性來描述分子運動特性的技術(shù)。用NMR測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是基于弛豫時間(T1、T2)可以衡量玻璃化轉(zhuǎn)變時分子鏈段運動的急劇變化。與上述方法相比，NMR對所測食品樣品沒有限制，對樣品亦不具破壞性，靈敏度高，能夠快速、實時、荃芳位、定量的研究樣品。

玻璃化轉(zhuǎn)變是指非晶態(tài)的高聚物（包括晶態(tài)高聚物中的非晶體部分）從玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變或者從高彈態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變。許多研究人員已經(jīng)接受食品也是聚合物這一觀點并將其作為聚合物體系進行分析，聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)是分子運動，聚合物由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)時，含有質(zhì)子的基團運動頻率增加，這些變化可由弛豫時間T1和T2來衡量。

當(dāng)聚合物處于玻璃態(tài)時，T2不隨溫度而變，表現(xiàn)出剛性晶格的性質(zhì)，玻璃化轉(zhuǎn)變后，突破剛性晶格的限制，T2隨溫度升高而增大。繪制T2-溫度曲線，T2轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。

T2-溫度曲線和T1-溫度曲線都是由兩條近似直線的不同斜率的直線部分組成，這兩條直線的交點就看作為相轉(zhuǎn)變點，所對應(yīng)的溫度就是相轉(zhuǎn)變溫度，即我們所要測定的Tg。對于“U”曲線，其zui低點，即為相轉(zhuǎn)變點，所對應(yīng)溫度為Tg。

變溫低場核磁系統(tǒng)用于食品凍融穩(wěn)定性的研究

速凍食品通常采用快速冷凍和低溫儲存的工藝，通過降低食品中水分含量和水分活度來減少微生物繁殖的風(fēng)險、降低酶活性以及延緩食品原料間化學(xué)變化，以此達到延長產(chǎn)品貨架期和方便消費者食用的目的。然而，速凍食品在運輸、儲存和消費過程中，都會面臨無法保證低溫冷藏條件的問題。溫度波動所導(dǎo)致的產(chǎn)品品質(zhì)變化往往讓消費者難以接受，如產(chǎn)品口感變差、失水變硬、蒸煮后表皮開裂、失去彈性等。

淀粉凍融通常是指低溫（如-18℃）下對糊化或未糊化淀粉進行冷凍后再放置室溫或者更高溫度(如30℃水浴)下使淀粉融化的過程。在此過程中，淀粉理化性質(zhì)及顆粒結(jié)構(gòu)的變化趨勢和程度反映了淀粉的凍融穩(wěn)定性，也直接影響了相關(guān)速凍食品的質(zhì)構(gòu)特性。淀粉凍融穩(wěn)定性的研究有助于進一步了解淀粉分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，推動相關(guān)產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)條件的優(yōu)化。

凍融過程對淀粉影響

凍融過程通過水分子和溫度的作用改變淀粉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對淀粉的顆粒形態(tài)、質(zhì)構(gòu)特征、結(jié)晶狀態(tài)和功能特性產(chǎn)生顯著影響。一般而言，這些影響效果不利于淀粉在凍融過程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

淀粉在凍融過程中，循環(huán)過程形成的冰晶和微機械力會對淀粉顆粒造成損傷。經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，淀粉顆粒棱角出現(xiàn)損傷，表面變得更粗糙且出現(xiàn)許多凹洞。凍融過程中冰晶不斷融解和再形成，反復(fù)對淀粉顆粒表面進行擠壓，從而造成了上述的機械損傷并伴隨部分淀粉的游離溢出。

原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)？

原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)是指可以實現(xiàn)在線原位改變樣品溫度，并在設(shè)置溫度下對樣品進行原位測量的低場核磁共振系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時實現(xiàn)弛豫分析和磁共振成像功能。

傳統(tǒng)的低場核磁共振系統(tǒng)是常溫測試系統(tǒng)，測試過程中樣品的溫度保持與實驗室溫度（環(huán)境溫度）一致，檢測到的數(shù)據(jù)與樣品在室溫下的特性相關(guān)。而原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)可對樣品進行程序控溫（高低溫），并進行原位檢測，可研究不同溫度下樣品的特性。可對樣品進行冷凍過程、干燥過程、蒸煮過程、樣品冰點、食品變性過程等相關(guān)研究。

原位變溫低場核磁共振系統(tǒng)是在常規(guī)低場核磁共振系統(tǒng)上加配了變溫探頭、控溫硬件以及控溫軟件。系統(tǒng)樣機如下圖：

儲層物性指什么？低場核磁共振如何用于儲層物性分析

儲層物性是油氣儲集層的物理性質(zhì)。廣義上還包括儲集層巖石的骨架性質(zhì)、孔隙性、滲透性、含流體性、熱學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電性、聲學(xué)性質(zhì)、放射性及各種敏感性等。狹義的一般指儲層巖石的孔隙率和滲透率。

低場核磁共振如何用于儲層物性分析：

低場核磁共振儲層物性分析是利用氫原子核在外加磁場的作用下形成核磁共振現(xiàn)象的這一特性,測量同一樣品在不同處理階段的核磁共振信號,從而求取儲層的孔隙度、滲透率、含油飽和度、可動流體飽和度等地質(zhì)參數(shù)的一項新技術(shù)。該技術(shù)克服了常規(guī)巖心分析方法成本高、測試周期長的缺點,具有用量少、速度快、成本低、獲取參數(shù)多、準確性高等優(yōu)點。在儲層物性方面采用核磁共振技術(shù)研究并應(yīng)用,能夠為石油勘探提供可靠且及時的數(shù)據(jù),對于油田開發(fā)有著重要的實際意義。

儲層物性評價是儲層評價和油氣資源評價的重要內(nèi)容。許多石油院校、科研院所、油田單位在積極探索室內(nèi)巖石物性準確測定,低場核磁共振技術(shù)不斷發(fā)展起來而且日趨完善。低場核磁共振技術(shù)分析樣品由測試巖心擴展到了巖屑以及井壁取心,且不受形狀的限制,具獲取參數(shù)多、分析速度快、精度高、可隨鉆分析、耗資低等特點,并使得在現(xiàn)場快速分析儲層物性得以實現(xiàn),形成了一項特色的快速評價儲層物性的核磁共振技術(shù)。

低場核磁共振馳豫機理

固體表面對流體分子的作用力強弱決定了弛豫時間的大小即弛豫速度的快慢。總的來說,弛豫時間快慢由三個方面決定:巖樣固體的表面性質(zhì);巖樣內(nèi)的孔隙大小;巖樣中飽和流體的流體性質(zhì)和流體類型。

巖石孔隙中,三種馳豫機制控制著核磁馳豫過程,分別是表面弛豫、體積弛豫和擴散弛豫。這三種機制同時存在,若滿足快擴散條件,單個馳豫機制引起的馳豫速率的和就是總的馳豫速率。

巖石孔隙中的流體,存在于類似較大孔隙這種不受限空間時,流體內(nèi)部會產(chǎn)生自由衰減過程,稱之為體積弛豫,也叫自由馳豫。由于孔隙空間不受限,故體積馳豫與孔隙壁無關(guān),與溫度、流體粘度、巖石潤濕性有關(guān),主要影響因素是孔隙中流體的性質(zhì)。

巖石顆粒表面潤濕流體后,流體的擴散運動使得分子與巖石顆粒表面發(fā)生頻繁碰撞,分子與巖石表面碰撞時,分子會把核自旋的能量傳給巖石顆粒表面,于是會因自旋運動重新取向于原來磁場方向,引起縱向弛豫T1;同時,自旋相位發(fā)生不可恢復(fù)的相散,導(dǎo)致橫向弛豫T2的加速。這個過程就是巖石表面馳豫的作用機制。巖石表面馳豫機制與巖石膠結(jié)物的性質(zhì)以及顆粒表面有關(guān)。進而反映出巖石的儲層物性參數(shù)。

低場核磁共振橫相弛豫時間

在核磁共振現(xiàn)象中，弛豫是指原子核發(fā)生共振且處在高能狀態(tài)時，當(dāng)射頻脈沖停止后，將迅速恢復(fù)到原來低能狀態(tài)的現(xiàn)象?；謴?fù)的過程即稱為弛豫過程，它是一個能量轉(zhuǎn)換過程，需要一定的時間反映了質(zhì)子系統(tǒng)中質(zhì)子之間和質(zhì)子周圍環(huán)境之間的相互作用。

完成弛豫過程分兩步進行，即縱向磁化強度矢量Mz恢復(fù)到最初平衡狀態(tài)的M0和橫向磁化強度Mxy要衰減到零，這兩步是同時開始但獨立完成的，下面將簡單介紹低場核磁共振橫相弛豫過程和低場核磁共振橫相弛豫時間T2。

低場核磁共振橫相弛豫過程

在射頻脈沖的作用下，所有質(zhì)子的相位都相同，它們都沿相同的方向排列，以相同的角速度（或角頻率）繞外磁場進動。當(dāng)射頻脈沖停止后，同相位的質(zhì)子彼此之間將逐漸出現(xiàn)相位差，即失相位。我們把質(zhì)子由同相位逐漸分散zui終均勻分布，宏觀表現(xiàn)為其橫向磁化強度矢量Mxy從zui大（對于π/2脈沖來說，為M0）逐漸衰減為0的過程稱為橫向弛豫過程。

低場核磁共振橫相弛豫時間

低場核磁共振橫相弛豫時間又稱自旋-自旋弛豫時間，通常用Mxymax衰減63%時所需的時間，所以經(jīng)過一個T2時間，Mxy還存在37%在實際工作中，一般認為Mxy經(jīng)過5T2時間已基本衰減為零。下圖表示π/2脈沖之后Mxy隨時間的衰減曲線：

在MRI中，通常用橫向弛豫時間T2來描述橫向磁化強度Mxy衰減的快慢，如果T2小就說明橫向磁化強度Mxy衰減快。否則，若T2長就說明橫向磁化強度Mxy衰減慢。

在給定外磁場中，T2僅取決于組織，不同的組織由于其自旋-自旋相互作用效果不同，而這種效果取決于質(zhì)子間的接近程度。由于不同組織自旋-自旋相互作用效果不同，所以不同組織的T2不同，固體中的T2比液體中的T2短的多。特別注意的是：橫向弛豫時間T2比縱向弛豫時間T1快5-10倍，也就是說在縱向磁化強度恢復(fù)到M0時，橫向磁化強度早已經(jīng)衰減為零。