Fast-field-cycling ultralow-field nuclear magnetic relaxation dispersion

Optically pumped magnetometers (OPMs) based on alkali-atom vapors are ultra-sensitive devices for dc and low-frequency ac magnetic measurements. Here, in combination with fast-field-cycling hardware and high-resolution spectroscopic detection, we demonstrate applicability of OPMs in quantifying nuclear magnetic relaxation phenomena. Relaxation rate dispersion across the nT to mT field range enables quantitative investigation of extremely slow molecular motion correlations in the liquid state, with time constants > 1 ms, and insight into the corresponding relaxation mechanisms. The 10-20 fT/$$\sqrt{{\rm{H}}}{\rm{z}}$$ H z sensitivity of an OPM between 10 Hz and 5.5 kHz 1H Larmor frequency suffices to detect magnetic resonance signals from ~ 0.1 mL liquid volumes imbibed in simple mesoporous materials, or inside metal tubing, following nuclear spin prepolarization adjacent to the OPM. High-resolution spectroscopic detection can resolve inter-nucleus spin-spin couplings, further widening the scope of application to chemical systems. Expected limits of the technique regarding measurement of relaxation rates above 100 s−1 are discussed.

DEPENDENCE OF NUCLEAR-MAGNETIC RELAXATION CHARACTERISTICS OF LIQUID SOY LECITHINS ON THE CONTENT OF LIPIDS SHOWING ACIDIC PROPERTIES

Жидкие соевые лецитины вырабатывают в больших объемах, чем лецитины из других растительных масел. Поэтому актуален поиск инструментального способа определения качества жидких соевых лецитинов – кислотного числа (КЧ). Для разработки способа определения КЧ жидких соевых лецитинов на основе импульсного метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) исследовали содержание и влияние на ядерно-магнитные релаксационные характеристики (ЯМ-релаксационные характеристики) жидких соевых лецитинов липидов, проявляющих кислотные свойства. Объектом исследования были две пары образцов жидких соевых лецитинов. Образцы в каждой паре имели одинаковое содержание фосфолипидов и масла при различных значениях КЧ. Исследование ЯМ-релаксационных характеристик протонов жидких соевых лецитинов проводили на ЯМР-анализаторе АМВ-1006М при температуре 23°С. Установлено, что значение КЧ жидких соевых лецитинов не влияет на время релаксации и амплитуду сигналов ЯМР протонов компонент жидких соевых лецитинов, которая изменяется только в зависимости от содержания в лецитине масла и фосфолипидов. Таким образом, необходимо продолжить поиск аналитического параметра, который бы с высокой точностью характеризовал содержание липидов, проявляющих кислотные свойства, в жидких соевых лецитинах и, следовательно, значение их КЧ. Liquid soy lecithins are produced in larger volumes than lecithins from other vegetable oils. Therefore, the search for an instrumental method for determining the quality of liquid soy lecithins – the acid number (AN) is relevant. To develop a method for determining the AN of liquid soy lecithins based on the pulse method of nuclear magnetic resonance (NMR), the content and effect on the nuclear magnetic relaxation characteristics (NM-relaxation characteristics) of liquid soy lecithins of lipids that exhibit acidic properties were studied. The object of the study was two pairs of samples of liquid soy lecithins. The samples in each pair had the same content of phospholipids and oil at different values of AN. The study of the NM-relaxation characteristics of protons of liquid soy lecithins was performed on an AMV-1006M NMR-analyzer at a temperature of 23°C. It was found that the value AN of liquid soy lecithins does not affect the relaxation time and the amplitude of NMR signals of proton components of liquid soy lecithins, which changes only depending on the content of oil and phospholipids in lecithin. Thus, it is necessary to continue searching for an analytical parameter that would accurately characterize the content of lipids that exhibit acidic properties in liquid soy lecithins and, consequently, the value of their AN.

RESEARCH OF THE EFFECT OF CARBON TETRACHLORIDE ON NUCLEAR MAGNETIC RELAXATION CHARACTERISTICS OF LIQUID RAPESEED LECITHINS

Исследовано влияние четыреххлористого углерода на ядерно-магнитные релаксационные характеристики протонов, содержащихся в рапсовых лецитинах (РЛ). Выявлено, что добавление CCl4 в многокомпонентную систему, которую представляет собой жидкий РЛ, приводит к ослаблению и разрыву межмолекулярных связей, а при достижении определенного соотношения масс РЛ и CCl4 происходит максимальный разрыв межмолекулярных связей и в системе устанавливается равновесие. Установлено, что при увеличении в системе РЛ–CCl4 массовой доли CCl4 с 1 до 4 происходит перераспределение содержащихся в РЛ четырех компонент: на 33% увеличивается доля 1-й компоненты; доля 2-й снижается на 14,5%; на 1,3% увеличивается доля 3-й; на 17,1% снижается доля 4-й по сравнению с контролем – образцом жидкого РЛ без добавки CCl4. Таким образом, предварительное растворение РЛ в четыреххлористом углероде при соотношении масс 1 : 4 соответственно позволяет максимально высвободить из мицелл содержащиеся в лецитине молекулы фосфолипидов, проявляющих кислотные свойства, и молекулы свободных жирных кислот, что в значительной степени сократит время их взаимодействия с раствором щелочного реагента при определении кислотного числа жидких РЛ. The effect of carbon tetrachloride on the nuclear magnetic relaxation characteristics of protons contained in rapeseed lecithins (RL) has been studied. It is revealed that the addition of CCl4in a multicomponent system, which is a liquid RL, leads to the weakening and rupture of intermolecular bonds, and when a certain mass ratio of RL and CCl4is reached, the maximum rupture of intermolecular bonds occurs and the equilibrium is established in the system. It was found that the redistribution of the four components contained in the RL occurs by increasing the mass fraction of CCl4in the system RL–CCl4from 1 to 4: the share of the 1st component increases by 33%; the share of the 2nd component decreases by 14,5%; the share of the 3rd component increases by 1,3%; the share of the 4th component decreases by 17,1% compared with the control sample of liquid RL without CCl4additive. Thus, the preliminary dissolution of RL in carbon tetrachloride at a mass ratio of 1: 4, respectively, allows the maximum release from the micelles contained in lecithin phospholipids molecules exhibiting acidic properties, and molecules of free fatty acids, which greatly reduce the time of their interaction with the alkaline reagent solution in determining the acid number of liquid RL.