低場核磁共振技術(shù)與應(yīng)用概述

1.  什么是低場核磁共振；

核磁共振儀器按磁場強度可分為以下幾類：

>3.0T ———-高場強核磁；

1.0T-3.0T —–中場強核磁；

0.1T-1.0T —–低場強核磁；

<0.1T ———超低場強核磁；

低場核磁共振主要是指磁場強度比較低的核磁共振儀器。低場核磁共振技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，而且還處在不斷拓展之中，低場核磁共振技術(shù)主要基于四個方面進行樣品分析與檢測：（1）基于信號幅值的分析檢測；（2）基于圖像(信號二維分布)的分析檢測；（3）基于弛豫時間的分析檢測；（4）基于擴散系數(shù)的分析檢測。

低場核磁共振技術(shù)在食品農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘探、石油化工、生物醫(yī)藥、材料科學(xué)等諸多方面體現(xiàn)出越來越廣泛的應(yīng)用，成為一種重要的分析測試工具。

下圖為0.5T磁場強度的低場核磁共振儀器：

低場核磁共振成像分析儀

2. 低場核磁共振與高場核磁共振的區(qū)別

高場核磁共振儀器主要用于測試分子化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過化學(xué)位移得到分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，研究領(lǐng)域?qū)傥⒂^領(lǐng)域（分子內(nèi)部），可進行1H、13C、31P，15N等多核波譜測量。

低場核磁主要用于測試分子與分子之間的動力學(xué)信息，過弛豫時間得到分子運動信息，分子與分子之間的作用信息；研究領(lǐng)域?qū)賮單⒂^領(lǐng)域（分子之間），可測定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度、高分子材料交聯(lián)密度、造影劑弛豫率、孔徑分布及孔隙度等，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、石油工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、紡織工業(yè)、聚合物工業(yè)。

高場核磁具有高靈敏度、高分辨率、高信噪比，但是對樣品均勻度要求高，液體需要去離子化，固體需要是粉末狀，而且儀器費用昂貴，安裝需要專用場地，需要屏蔽設(shè)施，儀器需要液氮或液氦冷卻，后續(xù)維護成本非常高；

低場核磁使用永磁體，設(shè)備小型化，靈活易于移動，維護簡單，易與其他設(shè)備或配件整合，滿足在線高通量測試要求。低場核磁共振儀器費用低，儀器內(nèi)部已做屏蔽，安裝場地不需特殊處理。非常適合在線過程檢測、工業(yè)品控和質(zhì)檢；

3. 低場核磁共振技術(shù)原理

低場核磁共振技術(shù)主要檢測為H質(zhì)子，也可以用于F信號測試。含H樣品經(jīng)過特定頻率的射頻激勵后，產(chǎn)生核磁共振信號。H核磁共振信號對應(yīng)有T1、T2兩個主要參數(shù)，通過測試T1、T2弛豫時間并進行建模，可用于食品、農(nóng)業(yè)、石油勘探、聚合物、固體脂肪含量…多方面研究。已有多種方法形成國際標(biāo)準和行業(yè)標(biāo)準方法。

低場核磁共振由于其設(shè)備成本較低，研究使用門檻相對較低，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，且處于不斷拓展之中。由于核磁共振分析技術(shù)具有速度快、精確度高、一次測量可獲得多個參數(shù)、對樣品無損耗、樣品制備簡單、對操作人員的健康和環(huán)境無影響等諸多優(yōu)點，因此許多原來采用其他傳統(tǒng)檢測方法的應(yīng)用目前都在探索采用核磁共振技術(shù)進行。

4. 低場核磁共振儀器應(yīng)用

1). 低場核磁在食品領(lǐng)域的應(yīng)用：

◆ 棕櫚油、黃油等油脂固體脂肪含量測試（SFC ,Solid Fat Content）

◆ 含油種子、種子殘渣含油率和含水率測試

◆ 巧克力及巧克力相關(guān)產(chǎn)品的固體脂肪含量

◆ 總脂肪含量

◆ 水包油型和油包水型乳劑的液滴粒徑分析

◆ 干濕食品和飼料的含油量、含水量和蛋白質(zhì)含量

◆ 食品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

◆ 食品變溫研究（食品加熱模式、熱變性、蒸煮過程）

◆ 食品儲藏過程、水分遷移、水分分布研究

◆ 餅干水分含量快速測試

◆ 干零食含油量測試

◆ 凝膠水合作用研究

◆ 干燥、復(fù)水過程品質(zhì)變化研究

2). 低場核磁在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用：

◆ 種子含油含水率測試

◆ 種子發(fā)芽過程研究

◆ 含油種子自動化選育（按含油率分選）

◆ 植物根系成像研究

◆ 農(nóng)產(chǎn)品干燥研究

3). 低場核磁在紡織行業(yè)的應(yīng)用：

◆ 纖維中油劑含量

◆ 聚合物涂層含量

◆ 纖維和紡織品上的氟化涂層測量

4). 低場核磁在材料行業(yè)的應(yīng)用：

◆ 聚丙烯的二甲苯可溶物含量

◆ 聚乙烯密度和結(jié)晶度

◆ 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯和聚苯乙烯等聚合物的橡膠含量

◆ 彈性體交聯(lián)密度

◆ 硫磺粉末樣品中的油含量

◆ 聚苯乙烯中的橡膠含量

◆ 瀝青瓦填料含量

◆ 螢石中氟化鈣含量

◆ 聚氯乙烯（PVC）中增塑劑含量

◆ 聚乙烯密度的測量

◆ 聚合物分子量測試

◆ 沸石含水率測試

◆ 銨油中含油量

◆ 廢水中的油脂含量測試

◆ 載氟氧化鋁的氟含量測量

◆ 橡膠交聯(lián)密度研究

◆ 聚合物老化、 固化過程動態(tài)評價

◆ 變溫環(huán)境下聚合物性能研究

◆ 聚合物改性評價

◆ 聚合物軟硬段分析

◆ 材料親疏水性研究、吸水過程研究

◆ 膜材料孔徑大小、孔徑分布研究

◆ 膜材料水分遷移分析

◆ 凝膠材料水合作用評價

◆ 木材孔徑大小與孔徑分布研究

◆ 牙膏的含氟量

◆ 化妝品的熔融屬性

5). 低場核磁在石化行業(yè)的應(yīng)用：

◆ 碳氫化合物的氫含量

◆ 蠟/石蠟的含油量

6). 低場核磁共振在制藥行業(yè)的應(yīng)用

◆ 活體小鼠和大鼠的脂肪和肌肉含量

◆ 非接觸式稱重

◆ 粉劑和片劑的含水量和溶劑含量

◆ 造影劑弛豫時間、弛豫率、體外成像、活體MRI

◆ 活體大鼠、小鼠MRI，多模態(tài)成像

7). 低場核磁在懸浮液體系中的應(yīng)用：

◆ 微乳液的弛豫

◆ 混合聚合物體系的吸附行為

◆ 聚合物在二氧化硅上的競爭吸附

◆ 鈦酸鋇沉淀過程

◆ 金和銀納米粒子加速老化效應(yīng)

◆ 懸浮顆粒體系的比表面積

◆ 評價研磨過程對懸浮液表面積的影響

◆ 碳化硅懸浮液表面積

◆ 混合粒子懸浮液弛豫行為

◆ 藥用原料藥研磨過程的弛豫行為

◆ 液滴尺寸測量

◆ 粉體質(zhì)量控制、分散工藝研究

8). 低場核磁在巖土能源領(lǐng)域的應(yīng)用：

◆ 孔隙度、孔徑分布、滲透性、飽和度測試

◆ 力學(xué)損傷規(guī)律及機理研究

◆ 土壤水分狀態(tài)、水分遷移、凍土未凍水含量分析

◆ 污泥整體含水率、不同層面含水率分布研究

◆ 污泥凈化處理工藝研究

◆ 建筑材料吸水、滲水、持水性、防水性檢測

◆ 水泥固化過程研究

9). 低場核磁在多孔材料領(lǐng)域的應(yīng)用：

◆ 孔徑分布研究

◆ 孔徑大小研究

◆ 低溫納米孔徑測試

5. 低場核磁共振儀器架構(gòu)

低場核磁共振儀按照儀器部件來分，主要包括工控機、譜儀系統(tǒng)、射頻單元、梯度單元、磁體柜及溫控單元六大部分；按照工作任務(wù)來分，儀器由工控機、射頻系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、磁體、恒溫系統(tǒng)五大部分組成。其中，工控機負責(zé)接收操作者的指令，并通過序列發(fā)生軟件產(chǎn)生各種控制信號傳遞給譜儀系統(tǒng)的各個部件協(xié)調(diào)工作，還要完成數(shù)據(jù)處理、存儲和圖像重建以及顯示任務(wù)；射頻系統(tǒng)主要負責(zé)射頻脈沖序列的發(fā)射和采樣信號的接收；梯度系統(tǒng)主要負責(zé)產(chǎn)生梯度磁場；磁體主要負責(zé)提供均勻、穩(wěn)定的主磁場；恒溫系統(tǒng)主要負責(zé)磁體柜內(nèi)的溫度控制。

低場核磁共振儀器架構(gòu)框圖

低場核磁共振成像軟件：

低場核磁共振分析儀軟件：

時域核磁共振分析儀軟件界面