Изотопный анализ методом ядерного магнитного резонанса

Изотопный анализ методом ядерного магнитного резонанса позволяет пользователю с большой точностью количественно определить различия в содержании изотопов на каждом участке молекулы и , таким образом, измерить конкретное фракционирование природных изотопов для каждого участка этой молекулы. Аналитический метод SNIF -NMR был разработан для обнаружения (чрезмерного) засахаривания вина и обогащения виноградного сусла и в основном используется для проверки подлинности пищевых продуктов (таких как вина , спиртные напитки , фруктовые соки , мед , сахар и уксус ) и контролировать натуральность некоторых ароматических молекул (таких как ванилин , бензальдегид , кетон малины и анетол ). Метод SNIF-NMR был принят Международной организацией винограда и вина (OIV) и Европейским Союзом в качестве официального метода анализа вина. Это также официальный метод, принятый Ассоциацией химиков-аналитиков (AOAC) для анализа фруктовых соков, кленового сиропа , ванилина и Европейским комитетом по стандартизации (CEN) для уксуса.

Фон

1981: Изобретение метода SNIF-ЯМР профессором Жераром Мартином, Мэривонн Мартин и их командой в Нантском университете / CNRS. ^{[ 1 ]}
1987: Создание лабораторий Eurofins Nantes, специализирующихся на анализе вин, и приобретение прав на использование патентов CNRS. ^{[ 1 ]} (этот патент теперь общедоступен, а название «SNIF-NMR» теперь является зарегистрированной торговой маркой). ^{[ 2 ]}

OIV принимает его в качестве официального метода.

1987–1990: Лаборатории Eurofins применяют метод SNIF-ЯМР для анализа фруктовых соков и некоторых натуральных ароматизаторов.
1990: Метод SNIF-ЯМР признан Европейским Союзом официальным методом анализа вин. ^{[ 3 ]}

→ Внедрение метода SNIF-ЯМР для официальных лабораторий Европы

1990-1992: испытания метода 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-NMR< признан AOAC для ванилина.
2013: Метод SNIF-ЯМР признан CEN для уксусной кислоты.

→ Внедрение метода SNIF-ЯМР для официальных лабораторий Азии

Принцип

Изотопное распределение

Рисунок 2

Атомы водорода , кислорода и углерода естественным образом сосуществуют в определенных пропорциях с их стабильными изотопами 2H (или D), 18O и 13C соответственно, в разных пропорциях, как показано на рисунке 2 ниже.

На количество и распределение различных изотопов в молекуле влияют: ^{[ 5 ]}

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

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

Общий принцип

Принцип SNIF-ЯМР основан на «естественном изотопном фракционировании». Обычно для аутентичности пищевых продуктов 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 применения). В этом методе будут использоваться соотношения ¹³Крышка ¹²C на каждом сайте молекулы

Этапы метода

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

Ферментация (для фруктового сока)
Количественное этанола перегонкой извлечение
Стандартизированная подготовка ЯМР образцов
Получение ЯМР
Интерпретация результатов и отчет о подлинности

На каждом этапе анализа SNIF-ЯМР следует прилагать усилия, чтобы избежать фракционирования изотопов паразита. Контрольные мероприятия, такие как определение крепости спирта промежуточных продуктов анализа (перебродившего сока или дистиллята), проводятся на каждой пробе.

Преимущества метода

Изотопные отношения молекулы также можно определить с помощью масс-спектрометрии изотопных отношений (IRMS), количество проб для IRMS намного меньше, чем для ЯМР, и существует возможность подключения масс-спектрометра к хроматографической системе для обеспечения оперативной очистки. или анализы нескольких компонентов сложной смеси. Однако образец сгорает после физического преобразования, такого как сжигание или пиролиз . Следовательно, он дает среднее значение концентрации изучаемого изотопа между всеми участками молекулы. IRMS — это официальная методика AOAC, используемая для определения среднего соотношения. ¹³С/ ¹²C (или δ ¹³C) сахаров или этанола, а также официальный метод CEN и OIV для определения 18O/16O в воде .

Метод SNIF-NMR (специфическое фракционирование природных изотопов, изучаемое с помощью ядерного магнитного резонанса) позволяет с высокой степенью точности определить изотопные отношения для каждого из участков молекулы, что обеспечивает лучшую дискриминацию. Например, для этанола (CH ₃ CH ₂ три соотношения ((D/H)CH ₃ , (D/H)CH ₂ и (D/H) _OH OH) можно получить ).

Примеры применения ²H-SNIF-ЯМР

Применение для 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, свекловичного сахара ).

Спектр ЯМР (пример ²H-SNIF-ЯМР)

Молекулы этанола, полученные после полного брожения сахара, сосуществуют с 3 природными монодейтерированными изотопомерами (CH ₂ D-CH ₂ -OH, CH ₃ -CHDOH и -CH ₃ -CH ₂ OD). Затем их присутствие можно определить количественно с относительной точностью. ^{[ 6 ]}

О следующем ²Спектр H-ЯМР (рис. 8), пик соответствует одному из трех наблюдаемых изотопомеров этанола. В официальном методе AOAC соотношения (D/H)CH ₃ и (D/H)CH ₂ рассчитываются путем сравнения с внутренним стандартом тетраметилмочевиной (TMU) с сертифицированным значением (D/H).

Интерпретация изотопных значений SNIF-ЯМР

На следующем рисунке 9 обобщен принцип интерпретации:

Результаты измерены с помощью IRMS (изотопное отклонение δ ¹³C), что позволяет различать растения в зависимости от их фотосинтетического метаболизма CO ₂ (C4, например, консервная банка или кукуруза, по сравнению с C3, например, свекла, апельсин или виноград)
С результатами, измеренными с помощью SNIF-NMR ((D / H)I), которые могут дифференцировать ботаническое происхождение сахаров в одной метаболической группе (свекла, апельсин или виноград)

Значения, полученные на тестовом образце, затем сравниваются со значениями аутентичных образцов (база данных).

Заявка на подлинность вин

SNIF-NMR является официальным методом OIV для определения происхождения вина. Это единственный метод обнаружения добавления сахара C3 (например, свекловичного сахара).

Изотопные параметры как воды, так и этанола связаны с влажностью и температурой региона произрастания растения . Поэтому соображения метеорологических данных региона и года помогают поставить диагноз. В случае вина и фруктов было показано, что изотопные параметры этанола реагируют даже на незначительные изменения окружающей среды и эффективно характеризуют регион производства. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

(EC-JRC) создается банк изотопных данных С 1991 года в Объединенном исследовательском центре Европейской комиссии по винам всех европейских членов. База данных содержит несколько тысяч записей о европейских винах. ^{[ 8 ]} и поддерживается и обновляется каждый год. Эта база данных доступна для всех официальных государственных лабораторий. Частные компании, занимающиеся контролем продуктов питания и напитков, также собрали подлинные образцы и создали специальные банки данных. ^{[ 9 ]}

Таким образом, путем сравнения конкретного фракционирования природных изотопов, соответствующего каждому участку молекулы винного этанола, с молекулой, известной и указанной в базе данных. Можно проверить географическое происхождение, ботанику и метод производства молекулы этанола и, следовательно, подлинность вина. ^{[ 10 ]}

Применение уксуса и уксусной кислоты

Происхождение уксусов, полученных путем бактериального или химического окисления этанола в результате ферментации различных сахаров, можно определить по ²H-SNIF-ЯМР. Это позволяет контролировать качество уксуса и определять, получен ли он из сахарного тростника, вина, солода, сидра и спирта или в результате химического синтеза. ^{[ 11 ]}

Применение ванилина

²H-SNIF-ЯМР является официальным методом AOAC для определения природного ванилина.

Содержание пяти монодейтерированных изотопомеров ванилина можно измерить по формуле ²H-SNIF-ЯМР. Молекула ванилина представлена на рисунке 11, все наблюдаемые участки, для которых можно измерить концентрации дейтерия в конкретных участках, обозначены номерами.

Что касается вина или фруктов, интерпретация результатов с точки зрения происхождения осуществляется путем сравнения изотопных параметров анализируемого образца с параметрами группы эталонных молекул известного происхождения. Похоже, что все источники происхождения ванилина хорошо различимы с помощью ²Данные H-ЯМР. В частности, экс-бобы ванилина хорошо отличаются от других источников, как мы можем видеть на рисунке 12 ниже.

Кроме того, этот метод является единственным, позволяющим различать природные и биосинтетические источники ванилина. ^{[ 12 ]}

Применение для других ароматов

Натуральность различных ароматов также можно проверить с помощью SNIF-ЯМР: например, для анетола содержание только шести монодейтерированных изотопомеров можно измерить с помощью ²H-SNIF-ЯМР, позволяющий дифференцировать ботаническое происхождение фенхеля, звездчатого аниса или сосны. ^{[ 13 ]}

Другие приложения: Метод SNIF-ЯМР, применяемый к бензальдегиду, позволяет обнаружить фальсифицированные масла горького миндаля и корицы . Показано, что сайт-специфическое содержание дейтерия в бензальдегиде позволяет определить происхождение молекулы: синтетическое (экс- толуол и экс- бензальхлорид ), природное (экс-ядра абрикосов , персиков , вишен и экс-горького миндаля). и полусинтетические (за исключением коричного альдегида, извлеченного из корицы). ^{[ 14 ]} Опубликованы и другие применения: кетон малины), ^{[ 15 ]} гелиотропин,...

¹³C-SNIF-ЯМР

Как описано в работе Э. Тенайо и С. Акока, оптимизация параметров метода позволила достичь большей точности ¹³Измерения ЯМР С). ^{[ 16 ]}

The ¹³Метод C-SNIF-ЯМР называют методом «нового рубежа», поскольку это первый аналитический метод, который позволяет различать сахара, поступающие из растений, участвующих в метаболизме C4 (тростник, кукуруза и т. д.), и некоторых . растений, метаболизирующих кислоту (CAM-метаболизм), таких как толстянковые растения ананас или агава . ^{[ 17 ]}

Этот метод также может быть применен к продуктам из текилы , где он позволяет отличить настоящую текилу, состоящую из 100% агавы, текилу мисто (изготовленную как минимум из 51% агавы) и продукты, изготовленные с большей долей тростникового или кукурузного сахара и, следовательно, не соответствующие Юридическое определение текилы. ^{[ 17 ]}

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

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Eurofins Scientific – Услуги по лабораторным испытаниям по всему миру, «Eurofins Scientific – 1987–1997 – Начальный этап» (консультация проведена 2 января 2014 г.). http://www.eurofins.com/en/about-us/our-history/start-up-phase.aspx. Архивировано 10 февраля 2015 г. в Wayback Machine.
^ INPI: Национальный институт промышленной собственности, «Базы данных по товарным знакам» (консультации проведены 6 января 2014 г.). http://bases-marques.inpi.fr/
^ Постановление Комиссии европейских сообществ, 1990 г. (ЕЕС) № 000/90: «Определение методов сообщества для анализа вина». Брюссель, Официальный журнал европейских сообществ, стр. 64-73.
^ Перейти обратно: ^а ^б Официальный метод AOAC 995.17, Свекольный сахар во фруктовых соках, SNIF-NMR, AOAC International, 1996 г.
^ Акока, Серж; Ремо, Жеральд (октябрь – декабрь 2020 г.). «Изотопный и изотопомный анализ на основе ЯМР» . Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 120–121: 1–24. дои : 10.1016/j.pnmrs.2020.07.001 . ПМИД 33198965 . Проверено 11 февраля 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Дж. Мартин, М.Л. Мартин. Современные методы анализа растений: «Метод ЯМР-фракционирования природных изотопов для конкретного участка, применяемый для изучения вин», издание: HF Linskens и JF Jackson Springer Verlag, Берлин, 1988, с. 258-275
^ Мартин Г.Дж., Гийу С., Мартин М.Л., Кабанис М.Т., Теп Ю., Эрни Дж.Дж. Агрик. Пищевая хим. 1988;36:316–22
^ Официальный журнал Европейских сообществ. Выключенный. Дж. Эур. Коммун. 1991;L214:39–43
^ Гийу С., Жамин Э., Мартин Г.Дж., Реньеро Ф., Витковски Р., Вуд Р. Бюллетень OIV. 2001;74:26–36
^ Г. Мартин, К. Гийу, Ю. Л. Мартин, Природные факторы фракционирования изотопов и характеристика вин», Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 36, 1988, стр. 316-322
^ Сайт-специфическое фракционирование изотопов водорода при окислении этанола в уксусную кислоту. Применение к уксусам. (К. Валлет, М. Арендт, Г. Мартин), Биотехнологические методы, вып. 2 № 2, 1988 г.
^ Официальный метод AOAC 2006.05, Соотношения дейтерия/водорода (D/H) для конкретного места в ванилине, AOAC International 2007
^ Ядерный магнитный резонанс дейтерия в естественном изобилии, новый метод определения происхождения пищевых продуктов, применяемый для распознавания анетолов и эстраголов. (Дж. Мартин, М. Мартин, Ф. Мабон, Ж. Брико), Пищевые науки, 1983 г.
^ 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.
^ Журнал хроматографии высокого разрешения, том 18, май 1995 г., 279-285.
^ Э. Тенайо, С. Акока. Схема адиабатической развязки 1H для очень точных измерений интенсивности в ЯМР 13C, Журнал магнитного резонанса, № 185, 2007, стр. 50-58.
^ Перейти обратно: ^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 применительно к этанолу, Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 58, 2010, стр. 11580-11585.

См. также

[Eurofins_Scientific-1] Перейти обратно: ^а ^б Eurofins Scientific – Услуги по лабораторным испытаниям по всему миру, «Eurofins Scientific – 1987–1997 – Начальный этап» (консультация проведена 2 января 2014 г.). http://www.eurofins.com/en/about-us/our-history/start-up-phase.aspx. Архивировано 10 февраля 2015 г. в Wayback Machine.

[INPI-2] INPI: Национальный институт промышленной собственности, «Базы данных по товарным знакам» (консультации проведены 6 января 2014 г.). http://bases-marques.inpi.fr/

[wine-3] Постановление Комиссии европейских сообществ, 1990 г. (ЕЕС) № 000/90: «Определение методов сообщества для анализа вина». Брюссель, Официальный журнал европейских сообществ, стр. 64-73.

[fruit_juice-4] Перейти обратно: ^а ^б Официальный метод AOAC 995.17, Свекольный сахар во фруктовых соках, SNIF-NMR, AOAC International, 1996 г.

[Analysis-5] Акока, Серж; Ремо, Жеральд (октябрь – декабрь 2020 г.). «Изотопный и изотопомный анализ на основе ЯМР» . Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 120–121: 1–24. дои : 10.1016/j.pnmrs.2020.07.001 . ПМИД 33198965 . Проверено 11 февраля 2024 г.

[plant_analysis-6] Перейти обратно: ^а ^б Дж. Мартин, М.Л. Мартин. Современные методы анализа растений: «Метод ЯМР-фракционирования природных изотопов для конкретного участка, применяемый для изучения вин», издание: HF Linskens и JF Jackson Springer Verlag, Берлин, 1988, с. 258-275

[food_chem-7] Мартин Г.Дж., Гийу С., Мартин М.Л., Кабанис М.Т., Теп Ю., Эрни Дж.Дж. Агрик. Пищевая хим. 1988;36:316–22

[official_journal-8] Официальный журнал Европейских сообществ. Выключенный. Дж. Эур. Коммун. 1991;L214:39–43

[OIV-9] Гийу С., Жамин Э., Мартин Г.Дж., Реньеро Ф., Витковски Р., Вуд Р. Бюллетень OIV. 2001;74:26–36

[natural_factors-10] Г. Мартин, К. Гийу, Ю. Л. Мартин, Природные факторы фракционирования изотопов и характеристика вин», Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 36, 1988, стр. 316-322

[acetic_acid-11] Сайт-специфическое фракционирование изотопов водорода при окислении этанола в уксусную кислоту. Применение к уксусам. (К. Валлет, М. Арендт, Г. Мартин), Биотехнологические методы, вып. 2 № 2, 1988 г.

[vanillin-12] Официальный метод AOAC 2006.05, Соотношения дейтерия/водорода (D/H) для конкретного места в ванилине, AOAC International 2007

[pine-13] Ядерный магнитный резонанс дейтерия в естественном изобилии, новый метод определения происхождения пищевых продуктов, применяемый для распознавания анетолов и эстраголов. (Дж. Мартин, М. Мартин, Ф. Мабон, Ж. Брико), Пищевые науки, 1983 г.

[cinnamon-14] 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.

[ketone-15] Журнал хроматографии высокого разрешения, том 18, май 1995 г., 279-285.

[routine-16] Э. Тенайо, С. Акока. Схема адиабатической развязки 1H для очень точных измерений интенсивности в ЯМР 13C, Журнал магнитного резонанса, № 185, 2007, стр. 50-58.

[tequila-17] Перейти обратно: ^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 применительно к этанолу, Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии, № 58, 2010, стр. 11580-11585.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

Фон