低場核磁共振技術與應用概述

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。低場核磁共振技術應用領域非常廣泛，而且還處在不斷拓展之中，低場核磁共振技術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）基于擴散系數的分析檢測。
 

低場核磁共振技術在食品農業、地質勘探、石油化工、生物醫藥、材料科學等諸多方面體現出越來越廣泛的應用，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別

高場核磁共振儀器主要用于測試分子化學結構，通過化學位移得到分子內部結構信息，研究領域屬微觀領域（分子內部），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；研究領域屬亞微觀領域（分子之間），可測定玻璃態轉化溫度、高分子材料交聯密度、造影劑弛豫率、孔徑分布及孔隙度等，廣泛應用于食品工業、石油工業、醫藥工業、紡織工業、聚合物工業。

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，需要屏蔽設施，儀器需要液氮或液氦冷卻，后續維護成本非常高；

低場核磁使用永磁體，設備小型化，靈活易于移動，維護簡單，易與其他設備或配件整合，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、工業品控和質檢；

 

3. 低場核磁共振技術原理

低場核磁共振技術主要檢測為H質子，也可以用于F信號測試。含H樣品經過特定頻率的射頻激勵后，產生核磁共振信號。H核磁共振信號對應有T1、T2兩個主要參數，通過測試T1、T2弛豫時間并進行建模，可用于食品、農業、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準和行業標準方法。

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

 

4. 低場核磁共振儀器應用

1). 低場核磁在食品領域的應用：

◆ 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產品的固體脂肪含量

◆ 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、含水量和蛋白質含量

◆ 食品玻璃化轉變溫度

◆ 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、復水過程品質變化研究

 

2). 低場核磁在農業領域的應用：

◆ 種子含油含水率測試

◆ 種子發芽過程研究

◆ 含油種子自動化選育（按含油率分選）

◆ 植物根系成像研究

◆ 農產品干燥研究

 

3). 低場核磁在紡織行業的應用：

◆ 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的應用：

◆ 聚丙烯的二甲苯可溶物含量

◆ 聚乙烯密度和結晶度

◆ 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

◆ 銨油炸藥中含油量

◆ 廢水中的油脂含量測試

◆ 載氟氧化鋁的氟含量測量

◆ 橡膠交聯密度研究

◆ 聚合物老化、 固化過程動態評價

◆ 變溫環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的應用：

◆ 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的應用

◆ 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，多模態成像
 

7). 低場核磁在懸浮液體系中的應用：

◆ 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

◆ 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

◆ 粉體質量控制、分散工藝研究
 

8). 低場核磁在巖土能源領域的應用：

◆ 孔隙度、孔徑分布、滲透性、飽和度測試

◆ 力學損傷規律及機理研究

◆ 土壤水分狀態、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域的應用：

◆ 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

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、射頻單元、梯度單元、磁體柜及溫控單元六大部分；按照工作任務來分，儀器由工控機、射頻系統、梯度系統、磁體、恒溫系統五大部分組成。其中，工控機負責接收操作者的指令，并通過序列發生軟件產生各種控制信號傳遞給譜儀系統的各個部件協調工作，還要完成數據處理、存儲和圖像重建以及顯示任務；射頻系統主要負責射頻脈沖序列的發射和采樣信號的接收；梯度系統主要負責產生梯度磁場；磁體主要負責提供均勻、穩定的主磁場；恒溫系統主要負責磁體柜內的溫度控制。

低場核磁共振儀器架構框圖

低場核磁共振成像軟件：

低場核磁共振分析儀軟件：