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RRMMSSBB
H2 QUANTITATIVE NMRFOR WINES CARACTERISATION
JM FRANCONI
UMR 5536 / CNRS Université Victor Segalen
146 rue Léo-Saignat
33076 BORDEAUX CEDEX
RRMMSSBB
Spécifique Naturel Isotopique Fractionnement
S N I F
RRMMSSBB
LES INVENTEURS DU CONCEPT
SNIF NMR
G. J. MARTIN M.L MARTIN
RRMMSSBB SNIF NMR
REFERENCES
L.A.I.E.M EUROFINS
S. AKOKAM TRIERWEILLERF MABON
Fondamental research Economical valorisation
G. MARTIN
RRMMSSBB SNIF NMR
STABLE ISOTOPE
Définition: Stable isotope
P
N
P
P
PN
P
P
N
P P
P
nucleus
RRMMSSBB
Lo représente la quantité d ’isotope lourd
Le représente la quantité d'isotope léger
ISOTOPIC RATIO R = Lo / Le(en ppm)
Abondance isotopique A = Lo / (Le+Lo)
la déviation isotopique i = ((Ri - Rref) / Rref).1000
R i rapport isotopique d'une substance i
R ref rapport isotopique d'une référence
SNIF NMR
STABLE ISOTOPE QUANTIFICATION
RRMMSSBB SNIF NMR
In foods and beverages we can find the following isotopes:
isotopes abundance référence
H2 / 1H 0.015% H2O V.SMOW
C13 / C12 1.11% CaCO3 PDB
N15 / N14 0.37% N2 de l'air
O18 / 016 0.20% H2O V SMOW
STABLE ISOTOPES
RRMMSSBB SNIF NMR
Range of variation of isotopic composition
C13 H2
40 % 500 %<
70 X
C13 / C12 H2 / H1
RRMMSSBB SNIF NMR
Difference between deuterium and proton
NP P
proton deutérium
électron électron
RRMMSSBB
O
H
DO
H
HO
D
D
H2O HOD D2O
SNIF NMR
0.015% 2.25 ppm
WATER ISOTOPIC DISTRIBUTION
RRMMSSBB SNIF NMR
deutérium(D/H) distribution
Soleil
mercure
Vénus
La Terre
Mars
155ppm
16 000ppm
900ppm
espace 0.01ppm
RRMMSSBB SNIF NMR
(D/H) variation with latitude
130ppm
160ppm
RRMMSSBB
(D/H) diminue
(D/H) diminue
SNIF NMR
(D / H) variation with altitude and ocean distance
RRMMSSBB SNIF NMR
ISOTOPIC FRACTIONNEMENT MECHANISM
eauA B
EVAPORATION
Liquid phase Gaz phase
D / H liquide > D / H vapeur
RRMMSSBB SNIF NMR
A-[D] B-[D] + C
THERMODYNAMIC
FRACTIONNEMENT - ORIGIN
éthanol
RRMMSSBB SNIF NMR
A B + C
KINETIC
FRACTIONNEMENT - ORIGIN
AHAHAHADAD
AH BHBHBH
AD
BD
RRMMSSBB SNIF NMR
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
IN THE VINE ?
RRMMSSBB SNIF NMR
GROUND
H2O
H2O évaporation
Different isotopicdistribution
H2O sol
CLIMAT
PLANT
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
CLIMAT EFFECT
(D / H) élevé
high evaporation Lowevaporation
(D / H) faible
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
SOL EFFECT
eaueau
clay sand
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
PLANT EFFECT
Isotopicfractionmentgenerated by
metabolism reactions
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
Inter molecular
Intra molecular
Isotopicfractionmentgenerated by
metabolism reactions
PLANT EFFECT
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
Pour le deutérium
GJ Martin, ML MartinJournal de Chimie Physique1983,80,n°3
PLANT EFFECT
NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
FRACTIONNEMENT
C4C4C4
C3
RRMMSSBB SNIF NMR
FRACTIONNEMENT
dC13Metabolic pathway
dDEnvironmental effect
Mais (C 4) Blé (C 3)
RRMMSSBB SNIF NMR
WINE CARACTERISATION
THE PLANT IS FIXED (vine C3)THE MOLECULE IS FIXED (wine ethano)
The differences are related to
CLIMAT
PROCESS
RRMMSSBB SNIF NMR
FRACTIONNEMENT
Isotopic distribution for ethanol
CH3 - CH2 - OH
CH3 - CH2 - OH
CH3 - CH2 - OD
CH3 - CH2 - OHCH3 - CHD - OH
CH2D - CH2 - OH
CH3 - CH2 - O
H
CH3 - CH2 - O
H
CH3 - CH2 - OH
RRMMSSBB
CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OH
Statistical distribution3 2 1
SNIF NMR
Natural distribution
Isotopic distribution for ethanol
RRMMSSBB SNIF NMR
MEASUREMENT
RRMMSSBB SNI F NMR
3 STEPS FOR WINE ANALYSIS
SAMPLEPREPARATION
NMRACQUISITION
POSTPROCESSING
RRMMSSBB SNIF NMR
SAMPLE PREPARATION
Rendement100%
Extraction-purification
WINE ETHANOL
Alcool 95%
DISTILLATION
RRMMSSBB SNIF NMR
MEASUREMENT TOOLS
MASS SPECTROMETRY
permet d ’obtenir le rapport isotopique global. Les produits à analyser sont préalablement transformés en H2O ou CO2
- sensible- précise
RRMMSSBB
QUANTITATIVE NMR
permet d ’obtenir le rapport isotopique de chacun des isotopomères
(molécule mono substituée sur un des sites moléculaires) La méthode permet de connaître la répartition isotopique sur chacun des sites moléculaires et de mesurer les fractions molaires des différentes espèces isotopiques
- peu sensible
SNIF NMR
MEASUREMENT TOOLS
RRMMSSBB SNIF NMR
QUANTITATIVE NMR
High magnetic field (400 Mhz) concentrated sample 15 mm tube diameter average with a big number of scans avoiding T1 saturation
-TA >= 5* T1- flip angle (90°,..)
broad band decoupling lock system (F19) avoiding NOE effect
SENSITIVITY IMPROVEMENT
RRMMSSBB SNIF NMR
Quantitative NMRdeutérium
Quadripolar momentum
électrons
NOE effect does not existnucleus
RRMMSSBB SNIF NMR
ETHANOL DEUTERIUM SPECTRUM
CH3—CH2--OH
RRMMSSBB SNIF NMR
RELATIVE ISOTOPIC RATIO
R = 3 I II / I III
I II teneur isotopique du site méthylène
I III teneur isotopique du site méthyleDans une répartition statistique ---> R = 2
On constate un appauvrissement du site méthyle par rapportau site méthyléne
RRMMSSBB SNIF NMR
STATISTICAL ANALYSIS
SDM data
NMR Data
X Y Z
variable
X
Z
I2
Data Base
Individus
123
nY
Factorial analysisACP,AFD,réseaux de neurones
G1 G2
G3
External data(climat,geology,…)
RRMMSSBB SNIF NMR
WINE CHAPTALISATION CONTROL
Ethanolicfermentation
Wine sugar
distillation
wineÉthanolVine
(,sol,climat)
Sucrebetterave
canne
RRMMSSBB
(D/H en ppm)
sugar CH2D CHD
Beet(n=120) 90 (0.06) 122.4 (0.1)
grape (n=130) 101 (0.08) 131 (0.1)
cane (n=126) 109.6 (0.07) 119.9 (0.1)
G J Martin, M L MartinAnnual report on NMR Spectroscopy, Volume 31 1995
SNIF NMR
WINE CHAPTALISATION CONTROL
RRMMSSBB
sugar (%) T % en éthanol R chaptalisation(% sugar)
0 9.28 2.479 0.050.5 9.43 2.495 0.571 10.08 2.505 0.861.5 10.54 2.532 1.412 11.09 2.55 2.09
Détection 0.5%
SNIF NMR
WINE CHAPTALISATION CONTROL
RRMMSSBB
Wine isotopic composition is related to
- wine fermentation process- vine climatenvironment
Vin sec : influence négligeable du procédé de vinification car le mout initial est entièrement transformé
ex blancs de Loirenormal R= 2.522chaptalisé R =2.594
SNIF NMR
WINE CHAPTALISATION CONTROL
RRMMSSBB
Wine authentification
en O18, D, C13
SNIF NMR
RRMMSSBB
x
xx
x
x
r
rrr
R
?
WINE AUTHENTIFICATION
RRMMSSBB SNIF NMR
QUANTITATIVE NMR
PERPECTIVES :
Measurement sensitivity improvement
ERETIC (L Barantin, S Akoka)Magnetisation transfer (INEPT,DEPT)
Extention to other product
RRMMSSBB SNIF NMR
OTHER APPLICATIONS
RRMMSSBB SNIF NMR
ANETHOLES (natural et synthetic)
Axe éthylénique
Axe méthylique
Axe Aromatique
RRMMSSBB
VANILLINE
L lignineG guaïacol
N gousse de vanille
SNIF NMR
RRMMSSBB
NICOTINE
SNIF NMR
RRMMSSBB
Nicotine extraite de la feuille de tabac
SNIF NMR
RRMMSSBB
RRMMSSBB SNIF NMR
LES OUTILS DE MESURE - RMN
Elle est connue pour ses applications:
- Imagerie médicale (anatomique, diagnostique, fonctionnelle)
- Chimie structurale (élucidation des structures et conformation des macromolécules)
- Analyse quantitative
- faible sensibilité- grande spécificité- mise en évidence de faibles différences
RRMMSSBB SNIF NMR
LA RMN QUANTITATIVE
POST-TRAITEMENT DES SPECTRES
multiplication du signal d ’induction libre par une fonction exponentielle constante
correction de phase automatique
intégration entre des bornes définies
simulation et lissage des signaux
RRMMSSBB SNIF NMR
La mesure de la répartition isotopique du deutérium sur la molécule d ’éthanol informe sur:
- l ’environnement géo-climatique de la vigne (terroir).
- le procédé de vinification.
Détection de la chaptalisation et caractérisation de l ’origine des vins
RRMMSSBB SNIF NMR
LE FACTIONNEMENT NATUREL SPECIFIQUE
Il se produit aussi un fractionnement isotopique intra-moléculaire
(la répartition intramoléculaire du deutérium sur les différents sites s ’écarte d ’une répartition statistique)
RRMMSSBB
PERSPECTIVES:
Observation d ’autres molécules (lipides)
Mesure du SNIF du C13 par RMN QUANTITATIVE
les premiers résultats (B Zhang, S Akoka) sont encourageants
SNIF NMR
RRMMSSBB SNIF NMR
LA RMN QUANTITATIVE
OPTIMISATION DE LA RESOLUTION SPECTRALE
(Pour différencier des signaux voisins)
F(Hz)
F bande passante en Hz
A temps d ’échantillonnage du signal
N nombre de points(taille mémoire)
la résolution R = 1/Ale théorème de l ’échantillonnage impose2.F.A = N
Pour le deutérium par exemple F=600Hz N=16K R = 0.15Hz
RRMMSSBB SNIF NMR
LA RMN QUANTITATIVE
DEUTERIUM - CARBONE 13
Le C13 est un candidat moins bon que le deutérium pour l ’analyseisotopique par RMN quantitative
- Le T1 est élevé (S/B diminue)
- La large bande de fréquence rend le découplage Incomplet et difficile à réaliser
- Il existe un effet NOE résiduel
-La gamme de variation des rapports isotopiques est réduite
RRMMSSBB SNIF NMR
JM FRANCONIUMR 5536 / CNRS Université Victor Segalen146 rue Léo-Saignat33076 BORDEAUX CEDEX
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