Лабораторный ЯМР-анализатор

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к лабораторным анализаторам на основе импульсного метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и может быть использована для количественных и качественных измерений (исследований) сложных гетерогенных систем,  например, жиров, масел, растительных и животных тканей и других объектов исследований, имеющих многокомпонентный характер  сигналов ЯМР.
Известно устройство – лабораторный ЯМР-анализатор  «ХРОМАТЭК ПРОТОН 20М», предназначенное для измерения амплитудно-релаксационных характеристик сигналов ЯМР протонов, содержащихся в веществах при контроле показателей качества продукции и параметров технологических процессов [1]. Данный анализатор включает магнитный блок и блок управления в виде персонального компьютера, в котором осуществляется управление и обработка данных.
Известен также ЯМР-релаксометр компании BRUKER «MINISPEC MQ-ONE», выполняющий аналогичные функции, и состоящий из блока магнита с отделением для анализируемого образца, блока электроники и отдельно устанавливаемого компьютера [2].
Недостатками указанных аналогов является применение в качестве источника магнитного поля постоянных магнитов, что требует высокой точности поддержания температуры термостата магнитной системы; а также необходимость длительного времени выхода на рабочий режим при включении анализатора, и отсутствие системы стабилизации резонансных условий.
Наиболее близким по технической сущности является портативный ЯМР-релаксометр (патент RU № 156063), содержащий датчик ЯМР с постоянным магнитом, передатчик-усилитель мощности на рабочую частоту ЯМР, приемник с детектором, цифровой синтезатор резонансной частоты, блок управления устройством на основе микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем, соединённый с персональным компьютером через порт USB, при этом в качестве источника питания ЯМР-релаксометра используется шина USB персонального компьютера.
Недостатками прототипа является большая величина погрешностей результатов измерений, а также использование в качестве источника магнитного поля постоянного магнита, требующего поддержания температуры магнитной системы с высокой степенью точности.
Задачей заявляемой полезной модели является усовершенствование конструкции лабораторного ЯМР-анализатора.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности результатов количественного и качественного анализа веществ на основе импульсного метода ЯМР и сокращение времени подготовки к работе.
Поставленный технический результат достигается тем, что лабораторный   ЯМР-анализатор,  включающий  расположенные  в  технологической последовательности  источник  питания,  устройство  для  создания магнитного  поля,  аналитический  блок,  имеющий  возможность  соединения  с  персональным  компьютером,  и содержащий блок управления, передатчик-усилитель мощности радиоимпульсов на рабочую частоту  ЯМР,  датчик  сигналов  ЯМР,  усилитель  сигналов  ЯМР,  амплитудно-цифровой преобразователь  с  буферным  оперативно-запоминающим  устройством (ОЗУ),  в  качестве   устройства  для  создания  магнитного  поля  содержит электромагнит  с основными  и  регулирующими  катушками,  а  в  качестве  источника  питания  содержит  блок питания, включающий стабилизатор тока, при этом дополнительно снабжен установленным в  аналитическом  блоке  блоком  стабилизации  резонансных  условий  по  сигналу  ЯМР,  получаемому  от  анализируемого  образца,  входы  блока  при  этом  имеют  возможность соединения  с  персональным  компьютером  и  амплитудно-цифровым  преобразователем  с буферным оперативно-запоминающим устройством, а выходы с регулирующими катушками электромагнита.
Краткое описание чертежа.
На фигуре изображена структурная схема лабораторного ЯМР – анализатора.
Заявляемый лабораторный ЯМР-анализатор на основе импульсного метода ЯМР содержит аналитический блок 1, соединенный с персональным компьютером 2, электромагнит с основными 3 и регулирующими катушками 4, блок питания 5 со стабилизатором тока основных катушек электромагнита.  В составе аналитического блока 1 содержатся следующие узлы: блок управления 6, передатчик-усилитель 7 мощности радиоимпульсов на рабочую частоту ЯМР, датчик сигналов ЯМР 8, усилитель сигналов ЯМР 9, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП)  10 с буферным ОЗУ, блок стабилизации резонансных условий 11, содержащий  цифро-аналоговой преобразователь  и усилитель тока. Входы блока стабилизации резонансных условий 11 соединены с персональным компьютером 2 и АЦП 10 с буферным ОЗУ, а выходы с  регулирующими катушками  4 электромагнита.
Осуществление полезной модели.
В блоке управления 6 лабораторного ЯМР-анализатора по команде получаемой от управляющей программы загруженной в памяти  персонального компьютера 2, соединенных между собой по средствам порта USB формируется необходимая для конкретной методики импульсного ЯМР последовательность радиочастотных импульсов и импульсов управления АЦП 10 с буферным ОЗУ. Далее, эти радиочастотные импульсы усиливаются в передатчике-усилителе 7 мощности радиоимпульсов на рабочую частоту ЯМР и подаются в датчик сигналов ЯМР 8. Сигналы ЯМР, полученные от анализируемой пробы в датчике сигналов ЯМР 8, усиливаются в усилителе сигналов ЯМР 9 до необходимой амплитуды радиочастотного сигнала, который преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 10 в цифровой код, и далее, через буферное ОЗУ, передается в персональный компьютер 2 через порт USB. По полученным данным измерений в управляющей программе (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программный комплекс управления, приёма, обработки и хранения информации ЯМР-анализатора» № 2019666343 от 09.12.2019 г.) установленной на персональном компьютере 2 вычисляется амплитуда, а также частота и фаза сигнала ЯМР. По частоте сигнала ЯМР проводится грубая настройка резонансных условий, а по фазе ˗ точная. Настройка осуществляется путем преобразования кода управления, полученного и переданного через USB порт, в управляющей программе персонального компьютера 2, в аналоговый сигнал с помощью блока стабилизации резонансных условий 11, содержащего цифроаналоговый преобразователь и усилитель тока. Затем усиленный сигнал подается в регулирующие катушки 4 электромагнита. Основное магнитное поле электромагнитной системы создается стабилизатором тока блока питания 5. Обмен данными с персональным компьютером 2 осуществляется через USB порты, что обеспечивает совместимость с современной компьютерной техникой и программным обеспечением.
Применение в конструкции лабораторного ЯМР-анализатора автоматической системы стабилизации резонансных условий по сигналу ЯМР, получаемому от анализируемого образца, и электромагнита с основными и регулирующими катушками позволяет существенно сократить время подготовки анализатора к работе за счет автоматизации процесса стабилизации резонансных условий, а также использовать регулирующие катушки для поддержания оптимальных резонансных условий измерения сигналов ЯМР с погрешностью не более±50 Гц в диапазоне температур от 18 до 28 ºС, что улучшает показатели повторяемости и воспроизводимости результатов измерений ЯМР характеристик.  При этом не требуется термостатирование электромагнита.
Работа лабораторного ЯМР-анализатора состоит из двух циклов: коррекция и анализ. При помещении в датчик сигналов ЯМР  8 анализируемой пробы запускается процесс коррекции, заключающийся в оптимальной настройке резонансных условий (индукции постоянного магнитного поля) по сигналу ЯМР, получаемому от анализируемой пробы. После достижения необходимой точности резонансных условий, которая задается в программе управления персонального компьютера, начинается процесс анализа, заключающийся в измерении и накоплении амплитуд сигналов ЯМР от анализируемой пробы по заданному в блоке управления лабораторного ЯМР-анализатора алгоритму. Далее, полученная информации передается в персональный компьютер 2 для дальнейшей обработки и вычисления значений амплитуд сигналов ЯМР и времен релаксации протонов, содержащихся в анализируемой пробе.
Примеры конкретного выполнения.
Была изготовлена опытная конструкция заявляемого лабораторного ЯМР-анализатора, и проведены испытания реализации способа измерения масличности и влажности семян масличных культур. С этой целью были отобраны образцы семян масличных культур, выращенных в различных регионах Российской федерации. Для всех анализируемых образцов масличных семян были определены показатели масличности и влажности  в соответствии с требованиями арбитражных методов (ГОСТ 10857-64 Семена масличные. Методы определения масличности и ГОСТ 10856-96 Семена масличные. Метод определения влажности).
Измерения производились следующим образом. Из подготовленного в соответствии с методикой измерений анализируемого образца отбирают пробу установленного объема, взвешивают на электронных весах и помещают пробу в датчик сигналов ЯМР 7, расположенный в аналитическом блоке 1.  Проводится измерение сигналов ЯМР протонов, содержащихся в анализируемой пробе, и обработка результатов на персональном компьютере 2. Расчет количественных и качественных характеристик анализируемого образца выводился по градуировочным уравнениям, коэффициенты которых содержатся в памяти персонального компьютера. Результат измерений выводится на экране персонального компьютера 2 и записывается в его памяти.
Параметры измерения – серия Карра-Парселла-Мейбума-Гилла период запуска серии импульсов Т=1,5 сек, интервал между 180-градусными импульсами τ=500 мксек, число импульсов N=400, число накоплений измерений n=25. Время измерений составляло не более 1 мин. Результаты приведены в таблице 1 и 2.
Таблица 1  -  Сравнительные результаты определения масличности и влажности в семенах льна.
Образец
Показатели качества масличных семян
Результаты измерений полученных на заявленном лабораторном ЯМР-анализаторе
Масличность(ГОСТ 10857-64 ), %
Влажность(ГОСТ 10856-96), %
Масличность, %
Влажность, %
1
50,02
4,52
49,78
4,5
2
47,56
8,71
47,7
8,56
3
42,13
5,64
42,41
5,78
4
30,45
5,7
30,44
5,51
5
39,89
7,93
40,22
7,89
6
52,3
6,84
52,43
6,73
7
47,47
5,54
47,25
5,66
8
44,58
6,47
44,6
6,78
9
42,18
5,63
42,49
5,91
10
53,7
5,48
53,42
5,78
11
56,42
7,84
56,4
7,55
12
48,63
5,64
48,35
5,89
13
46,2
9,45
46,31
9,56
14
44,45
12,36
44,73
12,12
15
49,5
11,48
49,17
11,4
Таблица  2  -  Сравнительные результаты определения масличности и влажности в семенах льна.
Образец
Показатели качества масличных семян
Результаты измерений, полученный на заявленном лабораторном ЯМР-анализаторе
Масличность(ГОСТ 10857-64), %
Влажность (ГОСТ 10856-96), %
Масличность, %
Влажность, %
1
36,45
7,02
36,74
6,87
2
44,51
8,54
44,46
8,57
3
35,00
4,96
34,96
5,23
4
43,81
5,24
43,60
5,01
5
35,46
5,92
35,78
6,34
6
34,12
10,63
33,89
10,87
7
40,69
7,80
40,97
8,00
8
40,80
6,09
40,73
6,40
9
42,78
8,56
42,94
8,64
10
41,46
6,23
41,30
6,34
Промышленная применимость.
Полученные результаты показали, что полезная модель в представленной совокупности признаков обеспечивает создание более простого в конструкции и в эксплуатации по сравнению с прототипом лабораторного ЯМР-анализатора, обеспечивающего высокую повторяемость и воспроизводимость результатов измерений амплитудно-временных характеристик сигналов ЯМР. Таким образом,  совокупность существенных признаков, содержащихся в формуле полезной модели, позволяет достигнуть желаемый технический результат. Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и найдет широкое применение в области количественных и качественных измерений (исследований) сложных гетерогенных систем.
Источники информации, используемые в описании:
1. Сайт компании ЗАО СКБ «Хроматэк» (http://chromatec.ru/products/nmr/  дата обращения  01.08. 2019 г.)
2. Свидетельство об утверждении типа средств измерений  DE.C.31.076.A №32312  «ЯМР-релаксометры Minispec mq» (http://nd-gsi.ru/grsi/240xx/24484-08.pdf  дата обращения  23.12. 2019 г.)