Изотопный анализ методом ядерного магнитного резонанса - Isotopic analysis by nuclear magnetic resonance

Изотопный анализ методом ядерного магнитного резонанса позволяет пользователю с большой точностью определять различия в содержании изотопов на каждом участке молекула и, таким образом, для измерения удельного естественного фракционирование изотопов для каждого сайта этой молекулы. В SNIF-ЯМР аналитический метод был разработан для обнаружения (чрезмерного) засахаривания вина и обогащения виноградное сусло, и в основном используется для проверки подлинности продуктов питания (например, вина, духи, фруктовый сок, медовый, сахар и уксус ) и контролировать естественность некоторых ароматических молекул (например, ванилин, бензальдегид, малиновый кетон и анетол ). Метод SNIF-ЯМР был принят Международная организация винограда и вина (OIV) и Евросоюз как официальный метод анализа вина. Это также официальный метод, принятый Ассоциация химиков-аналитиков (AOAC) для анализа фруктовых соков, кленовый сироп, ванилин и Европейский комитет по стандартизации (CEN) для уксуса.

Фон

  • 1981: Изобретение метода SNIF-ЯМР профессорами Джерардом Мартином, Мэривонн Мартин и их командой в Нантском университете / CNRS. [1]
  • 1987: Создание Еврофинс Nantes Laboratories - специализируется на анализе вин и приобретении патентных прав CNRS.[1] (этот патент теперь общедоступен, и название «SNIF-NMR» теперь зарегистрировано товарный знак[2]

OIV принимает это как официальный метод

  • 1987-1990: Лаборатории Eurofins применяют метод SNIF-ЯМР для анализа фруктовых соков и некоторых природных ароматы
  • 1990: Метод SNIF-ЯМР признан Европейским Союзом официальным методом анализа вин.[3]
SNIF-ЯМР в мире

→ Внедрение метода SNIF-ЯМР для официальных лабораторий в Европе

  • 1990-1992: метод апробирован на ароматических молекулах
  • 1996: Метод SNIF-ЯМР признан в США AOAC для фруктовых соков.[4]

→ Внедрение метода SNIF-NMR <для официальных лабораторий США

  • 2001: Метод SNIF-ЯМР <признан AOAC для ванилина.
  • 2013: Метод SNIF-ЯМР признан CEN за уксусная кислота

→ Внедрение метода SNIF-ЯМР для официальных лабораторий в Азии

Принцип

Изотопное распределение

фигура 2
Рисунок 3 - Источники изотопного фракционирования

Атомы водород, кислород, и углерод естественно сосуществуют в определенных пропорциях со своими стабильные изотопы, 2H (или D), 18O и 13C соответственно, в различных пропорциях, как показано на рисунке 2 ниже.

На количество и распределение различных изотопов в молекуле влияют:

  • Экологические (климатические и географические) условия - для натуральных продуктов
  • Химические или биохимические процессы, такие как фотосинтетический метаболизм в растениях

Это явление известно как естественное изотопное фракционирование (см. рисунок 3). Полученный изотопный отпечаток может предоставить информацию о происхождении - ботаническом, синтетическом, географическом - молекулы или продукта.

Основной принцип

Принцип SNIF-ЯМР основан на «естественном изотопном фракционировании». Обычно для аутентичности пищи используются два ядра:

  • Ядра водорода: 2Метод H-SNIF-ЯМР был первым применением SNIF-ЯМР, он измеряет соотношение дейтерий / водород на каждом участке молекулы образца
  • Ядра углерода: 13Метод C-SNIF-ЯМР открыл новые возможности анализа с помощью SNIF-ЯМР (новые молекулы и новые приложения). В этом методе будут использоваться отношения 13Крышка 12C на каждом участке молекулы

Шаги метода

Рисунок 5 - Этапы SNIF-ЯМР этанола - Официальный метод

SNIF-ЯМР применяется к чистым (или очищенным) молекулам. Поэтому перед анализом могут потребоваться некоторые подготовительные этапы в лаборатории, например, для SNIF-ЯМР этанола согласно официальным методам:

На каждом этапе анализа SNIF-ЯМР следует прилагать усилия, чтобы избежать изотопного фракционирования паразитов. Меры контроля, такие как определение крепости спирта промежуточных продуктов анализа (сброженного сока или дистиллята), выполняются для каждого образца.

Преимущества метода

Рисунок 6 - Принцип IRMS

Изотопные отношения молекулы также можно определить с помощью изотопное соотношение масс-спектрометрия (IRMS), количество образцов для IRMS намного ниже, чем для ЯМР, и есть возможность соединить масс-спектрометр с хроматографической системой, чтобы обеспечить очистку или анализ нескольких компонентов сложной смеси в реальном времени. Однако образец сжигается после физического преобразования, такого как горение или же пиролиз. Следовательно, это дает среднее значение концентрации исследуемого изотопа между всеми участками молекулы. IRMS - это официальный метод AOAC, используемый для расчета среднего отношения 13C /12C (или δ13C) из сахара или этанол, а также официальный метод CEN и OIV для 18O / 16O в воды.

Метод SNIF-ЯМР (сайт-специфическое фракционирование природных изотопов, изученное методом ядерного магнитного резонанса) позволяет с высокой точностью определять изотопные отношения для каждого из участков молекулы, что позволяет лучше различать. Например, для этанола (CH3CH2OH), три отношения ((D / H) CH3, (Д / Ч) СН2 и (D / H)ОЙ) может быть получен.

Примеры применения 2H-SNIF-ЯМР

Рисунок 7 - Официальное признание изотопного метода для пищевых продуктов - 2013 г.

Применение фруктового сока и кленового сиропа

Официальный метод AOAC для обнаружения добавления сахара во фруктовый сок[4] или в кленовом сиропе. Это единственный надежный метод обнаружения добавления сахара C3 (например: свекольный сахар ).

Спектр ЯМР (пример 2H-SNIF-ЯМР)

Рисунок 8 - 2H-ЯМР спектр этанола.

Молекулы этанола, полученные после полной ферментации сахара, сосуществуют с 3 естественно монодейтерированными изотопомерами (CH2D-CH2-ОН, СН3-CHDOH и -CH3-CH2OD). Затем их присутствие можно количественно определить с относительной точностью.[5]

О следующих 2В спектре H-ЯМР (рис. 8) пик соответствует одному из трех наблюдаемых изотопомеров этанола. В официальном методе AOAC отношения (D / H) CH3 и (D / H) CH2 рассчитываются путем сравнения с внутренним стандартом, тетраметилмочевина (TMU) с сертифицированным значением (D / H).

Интерпретация изотопных значений SNIF-ЯМР

Рисунок 9 - Треугольник фальсификации: распределение изотопных соотношений в молекулах этанола.

На следующем рисунке 9 представлен принцип интерпретации:

  • Результаты измерения IRMS (изотопное отклонение δ 13C), что позволяет различать растения по их CO2 фотосинтетический метаболизм (C4, как консервная банка или кукуруза, по сравнению с C3, как свекла, апельсин или виноград)
  • С результатами, измеренными с помощью SNIF-ЯМР ((D / H) I), которые могут дифференцировать ботаническое происхождение сахаров в одной и той же метаболической группе (свекла по сравнению с апельсином или виноградом)

Затем значения, полученные на тестовом образце, сравниваются со значениями подлинных образцов (База данных).

Заявление на подлинность вин

Рисунок 10 - Применение SNIF-ЯМР и IRMS для проверки подлинности вина

SNIF-ЯМР - официальный метод OIV для определения подлинности происхождения вина. Это единственный метод определения добавления сахара C3 (например, свекольного сахара).

Изотопные параметры как воды, так и этанола связаны с влажность и температура растущего региона растение. Поэтому учет метеорологических данных региона и года помогает поставить диагноз. В случае вина и фруктов было показано, что изотопные параметры этанола реагируют даже на незначительные изменения окружающей среды, и они эффективно характеризуют регион производства.[5][6]

С 1991 г. создается банк изотопных данных в г. Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии (EC-JRC) в отношении вин всех европейских членов. База данных содержит несколько тысяч записей по европейским винам. [7] и поддерживается и обновляется каждый год. Эта база данных доступна для всех официальных государственных лабораторий. Частные компании, занимающиеся контролем пищевых продуктов и напитков, также собрали подлинные образцы и создали специальные банки данных.[8]

Таким образом, сравнивая конкретное естественное фракционирование изотопов, соответствующее каждому участку молекулы этанола вина, с молекулой, известной и упоминаемой в базе данных. Можно проверить географическое происхождение, ботанику и способ производства молекулы этанола, а значит, и подлинность вина.[9]

Применение уксуса и уксусной кислоты

Рисунок 11 - Применение уксуса

Происхождение уксусов, полученных путем бактериального или химического окисления этанола в результате ферментации различных сахаров, можно определить по 2H-SNIF-ЯМР. Он позволяет контролировать качество уксуса и определять, получен ли он из сахарного тростника, вина, солода, сидра и алкоголя или в результате химического синтеза.[10]

Применение ванилина

2H-SNIF-ЯМР - это официальный метод AOAC для определения природного ванилина.

Содержание пяти монодейтерированных изотопомеров ванилина можно измерить с помощью 2H-SNIF-ЯМР. Молекула ванилина представлена ​​на рисунке 11, все наблюдаемые участки, для которых можно измерить концентрацию дейтерия на конкретном участке, отмечены номером.

Что касается вина или фруктов, интерпретация результатов с точки зрения происхождения осуществляется путем сравнения изотопных параметров анализируемого образца с параметрами группы указанных молекул известного происхождения. Похоже, что все происхождение ванилина хорошо различимо с помощью 2Данные H-ЯМР. В частности, ванилин из зерен можно отличить от других источников, как мы можем видеть на рисунке 12 ниже.

Кроме того, этот метод - единственный, который позволяет различать природные и биосинтетические источники ванилина.[11]

Применение для других ароматов

Натуральность различных ароматов также может быть проверена с помощью SNIF-ЯМР: например, для анетола содержание только шести монодейтерированных изотопомеров можно измерить с помощью 2H-SNIF-ЯМР, который позволяет дифференцировать ботаническое происхождение фенхеля, звездчатого аниса или сосны.[12]

Другие приложения:SNIF-ЯМР, примененный к бензальдегиду, может обнаружить фальсифицированный горький миндаль и корица масла. Показано, что зависящее от площадки содержание дейтерия в бензальдегид позволяют определить происхождение молекулы: синтетическое (например,толуол и бывшийбензал хлорид ), натуральные (бывшие ядра из абрикосы, персики, вишня и бывший горький миндаль) и полусинтетические (экс-коричный альдегид извлекается из корицы).[13]Были опубликованы и другие приложения: кетон малины),[14] гелиотропин,…

13C-SNIF-ЯМР

Рисунок 12 - С помощью этого метода метаболизм растений C3, C4 и CAM хорошо разделен

Как описано в работе E. Tenailleau и S. Akoka, оптимизация параметров техники позволила достичь большей точности для 13Измерения ЯМР 13С).[15]

В 13Метод C-SNIF-ЯМР называется методом «новой границы», потому что это первый аналитический метод, который может дифференцировать сахара, поступающие из растений с метаболизмом C4 (тростник, кукуруза и т. Д.) И некоторых толстокожий кислый метаболизм растений (CAM-метаболизм) как ананас или же агава.[16]

Этот метод также можно применить к текила продукты, в которых можно отличить настоящую текилу из 100% агавы, Мисто текила (сделано не менее 51% агавы), и продукты, изготовленные из большей части трость или же кукуруза сахар и, следовательно, не соответствует юридическому определению текилы.[16]

Этот метод, безусловно, найдет дальнейшее применение в будущем в области проверки подлинности продуктов питания и напитков.

Рекомендации

  1. ^ а б Eurofins Scientific - Услуги по лабораторным испытаниям во всем мире, «Eurofins Scientific - 1987 - 1997 - Начальный этап» (консультация 2 января 2014 г.). http://www.eurofins.com/en/about-us/our-history/start-up-phase.aspx В архиве 2015-02-10 на Wayback Machine
  2. ^ INPI: Institut National de la Propriété Industrielle, «Bases de Données Marques», (консультация 6 января 2014 г.). http://bases-marques.inpi.fr/
  3. ^ Регламент Комиссии европейских сообществ, 1990 г. (EEC) № 000/90: «Определение методов сообщества для анализа вина». Брюссель, Официальный журнал европейских сообществ, с.64-73.
  4. ^ а б Официальный метод AOAC 995.17, Свекольный сахар во фруктовых соках, SNIF-NMR, AOAC International 1996
  5. ^ а б Г. Мартин, М.Л. Мартин. Современные методы анализа растений: «Сайт-специфический метод фракционирования природных изотопов-ЯМР, применяемый для изучения вин», издание: HF Linskens и JF Jackson Springer Verlag, Берлин, 1988, стр. 258–275
  6. ^ Martin GJ, Guillou C, Martin ML, Cabanis MT, Tep Y, Aerny J. J. Agric. Food Chem. 1988; 36: 316–22.
  7. ^ Официальный журнал Европейских сообществ. Выключенный. J. Eur. Commun. 1991; L214: 39–43
  8. ^ Guillou C, Jamin E, Martin GJ, Reniero F, Wittkowski R, Wood R. Bulletin OIV. 2001; 74: 26–36.
  9. ^ Г. Мартин, К. Гийу, Ю.Л. Мартин, Природные факторы фракционирования изотопов и характеристика вин », Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 36, 1988 г., стр. 316-322
  10. ^ Сайт-специфическое изотопное фракционирование водорода при окислении этанола в уксусную кислоту. Применение к уксусам. (К. Валле, М. Арендт, Г. Мартин), Biotechnology Techniques, vol. 2 N ° 2, 1988 г.
  11. ^ Официальный метод AOAC 2006.05, Конкретные отношения дейтерия к водороду (D / H) в ванилине, AOAC International 2007
  12. ^ La Résonnance Magnétique Nucléaire du Deutérium en Abondance Naturelle, новый метод идентификации происхождения продуктов питания, применяемый для разведки анестонов и эстраголов. (Дж. Мартин, М. Мартин, Ф. Мабон, Ж. Брику), Sciences des Aliments, 1983 г.
  13. ^ Г. Ремо, А. Дебон, Ю. Мартин, Г. Мартин. Аутентификация масла горького миндаля и масла корицы: применение метода SNIF-ЯМР к бензальдегиду, Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 45, 1997 г.
  14. ^ Журнал хроматографии высокого разрешения, выпуск 18, май 1995 г., 279-285
  15. ^ Э. Тенайло, С. Акока. Схема адиабатической развязки 1H для очень точных измерений интенсивности в 13C ЯМР, Journal of Magnetic Resonance, n ° 185, 2007, p50-58
  16. ^ а б Ф. Томас, К. Рандет, А. Гилберт, В. Сильвестр, Э. Жамин и др. Улучшенная характеристика ботанического происхождения сахара с помощью SNIF-ЯМР углерода-13 в применении к этанолу, Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 58, 2010 г., стр. 11580-11585

Смотрите также