巖心分析是認(rèn)識(shí)油氣層地質(zhì)特征的必要手段，巖石作為一種多孔介質(zhì)材料，其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、孔內(nèi)分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、反應(yīng)過(guò)程等現(xiàn)象以及現(xiàn)象之間的相互關(guān)系是巖心分析研究的重要課題。近年來(lái)，低場(chǎng)核磁共振巖心分析技術(shù)已經(jīng)成為快速測(cè)量巖石物性參數(shù)的重要手段，其適合于實(shí)驗(yàn)室研究和油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，受到石油行業(yè)的廣泛重視，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。

基本原理：
低場(chǎng)核磁共振技術(shù)利用油氣或者水中的氫原子核在磁場(chǎng)中具有共振并能產(chǎn)生信號(hào)的特性來(lái)探測(cè)油、氣、水及其分布和巖石物性參數(shù)。巖石中，不同大小的孔隙喉道構(gòu)成巖石孔隙，弛豫時(shí)間顯示的是孔隙大小的特征。因此T2譜顯示了巖石的孔徑大小分布，孔隙的尺寸越大，對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，T2分布曲線越靠右側(cè)；孔隙尺寸越小，對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間越短，T2分布曲線越靠近左側(cè)。

與其他方法對(duì)比
相比氣體吸附法、壓汞法、氣體孔隙度法等方法，低場(chǎng)核磁法具有快速、無(wú)損、綠色等諸多優(yōu)勢(shì)。

（來(lái)源：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)與應(yīng)用概述

1.  什么是低場(chǎng)核磁共振；

核磁共振儀器按磁場(chǎng)強(qiáng)度可分為以下幾類：

>3.0T ———高場(chǎng)強(qiáng)核磁；

1.0T-3.0T —–中場(chǎng)強(qiáng)核磁；

0.1T-1.0T —–低場(chǎng)強(qiáng)核磁；

<0.1T ———超低場(chǎng)強(qiáng)核磁；

低場(chǎng)核磁共振主要是指磁場(chǎng)強(qiáng)度比較低的核磁共振儀器。低場(chǎng)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(chǎng)核磁共振技術(shù)主要基于四個(gè)方面進(jìn)行樣品分析與檢測(cè)：（1）基于信號(hào)幅值的分析檢測(cè)；（2）基于圖像(信號(hào)二維分布)的分析檢測(cè)；（3）基于弛豫時(shí)間的分析檢測(cè)；（4）基于擴(kuò)散系數(shù)的分析檢測(cè)。

低場(chǎng)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(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為一種重要的分析測(cè)試工具。

下圖為0.5T磁場(chǎng)強(qiáng)度的低場(chǎng)核磁共振儀器：

低場(chǎng)核磁共振成像分析儀

2. 低場(chǎng)核磁共振與高場(chǎng)核磁共振的區(qū)別

高場(chǎng)核磁共振儀器主要用于測(cè)試分子化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(jìn)行1H、13C、31P，15N等多核波譜測(cè)量。

低場(chǎng)核磁主要用于測(cè)試分子與分子之間的動(dòng)力學(xué)信息，過(guò)弛豫時(shí)間得到分子運(yùn)動(dòng)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(cè)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(chǎng)核磁具有高靈敏度、高分辨率、高信噪比，但是對(duì)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(fèi)用昂貴，安裝需要專用場(chǎng)地，需要屏蔽設(shè)施，儀器需要液氮或液氦冷卻，后續(xù)維護(hù)成本非常高；

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

3. 低場(chǎng)核磁共振技術(shù)原理

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)主要檢測(cè)為H質(zhì)子，也可以用于F信號(hào)測(cè)試。含H樣品經(jīng)過(guò)特定頻率的射頻激勵(lì)后，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。H核磁共振信號(hào)對(duì)應(yīng)有T1、T2兩個(gè)主要參數(shù)，通過(guò)測(cè)試T1、T2弛豫時(shí)間并進(jìn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

低場(chǎng)核磁共振由于其設(shè)備成本較低，研究使用門檻相對(duì)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(cè)量可獲得多個(gè)參數(shù)、對(duì)樣品無(wú)損耗、樣品制備簡(jiǎn)單、對(duì)操作人員的健康和環(huán)境無(wú)影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此許多原來(lái)采用其他傳統(tǒng)檢測(cè)方法的應(yīng)用目前都在探索采用核磁共振技術(shù)進(jìn)行。

4. 低場(chǎng)核磁共振儀器應(yīng)用

1). 低場(chǎng)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(cè)試（SFC ,Solid Fat Content）

◆ 含油種子、種子殘?jiān)吐屎秃蕼y(cè)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(guò)程）

◆ 食品儲(chǔ)藏過(guò)程、水分遷移、水分分布研究

◆ 餅干水分含量快速測(cè)試

◆ 干零食含油量測(cè)試

◆ 凝膠水合作用研究

◆ 干燥、復(fù)水過(guò)程品質(zhì)變化研究

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

◆ 種子含油含水率測(cè)試

◆ 種子發(fā)芽過(guò)程研究

◆ 含油種子自動(dòng)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(chǎng)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(cè)量

4). 低場(chǎng)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(cè)量

◆ 聚合物分子量測(cè)試

◆ 沸石含水率測(cè)試

◆ 銨油zha藥中含油量

◆ 廢水中的油脂含量測(cè)試

◆ 載氟氧化鋁的氟含量測(cè)量

◆ 橡膠交聯(lián)密度研究

◆ 聚合物老化、 固化過(guò)程動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

◆ 變溫環(huán)境下聚合物性能研究

◆ 聚合物改性評(píng)價(jià)

◆ 聚合物軟硬段分析

◆ 材料親疏水性研究、吸水過(guò)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(píng)價(jià)

◆ 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(chǎng)核磁在石化行業(yè)的應(yīng)用：

◆ 碳?xì)浠衔锏臍浜?/p>

◆ 蠟/石蠟的含油量

6). 低場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)吸附

◆ 鈦酸鋇沉淀過(guò)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(píng)價(jià)研磨過(guò)程對(duì)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yong原料藥研磨過(guò)程的弛豫行為

◆ 液滴尺寸測(cè)量

◆ 粉體質(zhì)量控制、分散工藝研究

8). 低場(chǎng)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(cè)試

◆ 力學(xué)損傷規(guī)律及機(jī)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(cè)

◆ 水泥固化過(guò)程研究

9). 低場(chǎng)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(cè)試

5. 低場(chǎng)核磁共振儀器架構(gòu)

低場(chǎng)核磁共振儀按照儀器部件來(lái)分，主要包括工控機(jī)、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(lái)分，儀器由工控機(jī)、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(jī)負(fù)責(zé)接收操作者的指令，并通過(guò)序列發(fā)生軟件產(chǎn)生各種控制信號(hào)傳遞給譜儀系統(tǒng)的各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作，還要完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和圖像重建以及顯示任務(wù)；射頻系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)射頻脈沖序列的發(fā)射和采樣信號(hào)的接收；梯度系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)；磁體主要負(fù)責(zé)提供均勻、穩(wěn)定的主磁場(chǎng)；恒溫系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)磁體柜內(nèi)的溫度控制。

低場(chǎng)核磁共振儀器架構(gòu)框圖

低場(chǎng)核磁共振成像軟件：

低場(chǎng)核磁共振分析儀軟件：

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用（文獻(xiàn)解讀）

本文收集了四篇相關(guān)文獻(xiàn)，主要討論：低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用。

畜禽屠宰后，鮮肉仍保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其水分主要分布在肌原纖維內(nèi)、肌原纖維與細(xì)胞膜之間、肌細(xì)胞之間以及肌束之間。肌肉組織的自身結(jié)構(gòu)和鮮肉的處理方法會(huì)對(duì)肉中水分分布產(chǎn)生影響，并zui 終影響鮮肉的保水性，因而生鮮肉在成熟、保鮮貯藏過(guò)程中的水分變化受到廣泛關(guān)注。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)（lowfield NMR，LF-NMR）是一種快速、無(wú)損的分析檢測(cè)技術(shù)，可以通過(guò)測(cè)定肉品中氫原子核在磁場(chǎng)中的弛豫特性來(lái)確定肉品中水分的不同狀態(tài)，因而在肉品領(lǐng)域已有諸多研究。

主要集中在以下3個(gè)方面：

1）測(cè)定肉與肉制品中不同狀態(tài)水分的分布和遷移；

2）結(jié)合其他指標(biāo)判斷肉的食用品質(zhì)和加工品 質(zhì)；

3）進(jìn)行注水、注膠肉的鑒偽，異質(zhì)肉的鑒別和肉品新鮮度檢測(cè)。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用：肉品水分分布/水分含量分析，肉品品質(zhì)評(píng)定

文獻(xiàn)結(jié)論：

肉中不易流動(dòng)水、自由水與肉的持水力、保水性、風(fēng)味等品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)。從相關(guān)性分析可以看出牦牛肉在貯藏過(guò)程中，物理化學(xué)性質(zhì)的變化常伴隨著肉中水分子流動(dòng)性的變化?？衫肨2弛豫時(shí)間進(jìn)行不同貯藏時(shí)間下牦牛肉品質(zhì)的評(píng)定。

▲牦牛肉在貯藏過(guò)程中橫向弛豫時(shí)間分布

▲牦牛肉指標(biāo)間的相關(guān)性分析

文獻(xiàn)來(lái)源：

袁乙平，李靖，馬螈小等，低場(chǎng)核磁結(jié)合理化指標(biāo)分析低溫貯藏真空包裝牦牛肉的品質(zhì)[J].食品工業(yè)科技，2019,40(06):31-36.

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用：肉品貯藏溫度Tg研究

文獻(xiàn)結(jié)論：

通過(guò)對(duì)牛肉品質(zhì)指標(biāo)與核磁共振參數(shù)T2的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)T22與各品質(zhì)參數(shù)均有強(qiáng)的相關(guān)性，因此可根據(jù)T22 變化表征牛肉品質(zhì)變化。 通過(guò)核磁成像實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，－10℃貯藏牛肉干耗現(xiàn)象嚴(yán)重，肉的保水性差，不利于牛肉的長(zhǎng)期貯藏?；谒謸p失和經(jīng)濟(jì)成本考慮，牛肉盡量在Tg以下貯藏，控制在－15～－20℃ 左右為宜。

▲LF－NMR T2與測(cè)量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

　　▲不同貯藏溫度和時(shí)間下牛肉的核磁成像

文獻(xiàn)來(lái)源：

馬瑩，楊菊梅，王松磊等，基于LF_NMR及成像技術(shù)分析牛肉貯藏水分含量變化[J].食品工業(yè)科技，2018,39(02) :278-284.

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用：冷凍肉品解凍方式研究

文獻(xiàn)結(jié)論：

不同的解凍方式對(duì)凍豬肉的橫向弛豫時(shí)間T2的影響也不盡相同。凍豬肉解凍過(guò)程中發(fā)生了不同水分群之間的水分遷移。

LF-NMR T2弛豫的水分分布情況顯示，解凍方式對(duì) 豬肉中不同水分群間的遷移具有顯著影響，冷藏解凍使凍豬肉中的不易流動(dòng)水向自由水進(jìn)行遷移，微波-1解凍則使凍豬肉中的自由水向不易流動(dòng)水進(jìn)行遷移，而微波-2解凍更傾向于使不易流動(dòng)水向結(jié)合水遷移。

▲肉樣橫向弛豫時(shí)間T2變化的三維瀑布圖

　　▲不同解凍方式下肉樣橫向弛豫時(shí)間T2的變化

文獻(xiàn)來(lái)源：

程天賦，蔣奕，張翼飛等 ，基于低場(chǎng)核磁共振研究不同解凍方式對(duì)凍豬肉食用品質(zhì)的影響[J].食品科學(xué)，2019,40(07):20-26.

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用：5種不同解凍方式對(duì)比

下面我們通過(guò)一個(gè)新的案例，來(lái)了解整個(gè)研究過(guò)程的思路和模式。

文獻(xiàn)來(lái)源：

程天賦，俞龍浩，蔣奕等，基于低場(chǎng)核磁共振探究解凍過(guò)程中肌原纖維水對(duì)雞肉食用品質(zhì)的影響[J].食品科學(xué),2019,40(09),16-22.

本文研究旨在基于低場(chǎng)核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2分析解凍過(guò)程中肌原纖維水的分布及流動(dòng)性與雞肉食用品質(zhì)間的關(guān)聯(lián)性。

　　研究思路

　　冷鮮雞胸肉（宰后32?h）為對(duì)照，采用冷藏解凍、微波解凍（微波-1、微波-2）與超聲解凍（180、200 W） 5 種不同方式解凍中心溫度為－20 ℃的凍結(jié)雞胸肉，測(cè)定肉樣T2、品質(zhì)特性指標(biāo)并分析它們之間的相關(guān)性。

　　研究方案　　

▲肉樣橫向弛豫時(shí)間T2變化的三維瀑布圖

▲不同解凍方式下肉樣橫向弛豫時(shí)間T2的變化表

解凍方式對(duì)T22峰頂點(diǎn)時(shí)間和T22峰比例有顯著影響（P＜0.05）。與對(duì)照組相比，冷藏解凍和200W超聲解凍肉樣的T22峰頂點(diǎn)時(shí)間顯著延長(zhǎng)（P＜0.05）（表），峰值右移（圖）。其他3組解凍肉樣之間T22峰頂點(diǎn)時(shí)間無(wú)顯著差異，但兩組微波解凍肉樣的T22有左移的趨勢(shì)。5組解凍肉樣的T22峰比例與對(duì)照組相比均顯著下降，其中微波-2解凍肉樣與對(duì)照組相比差異顯著（P＜0.050)，其余4組與對(duì)照組相比差異極顯著（P＜0.01）。該結(jié)果說(shuō)明解凍過(guò)程會(huì)降低凍雞肉肉樣肌水中的不易流動(dòng)水含量。

文獻(xiàn)結(jié)論：

品質(zhì)方面：從解凍過(guò)程中肌水對(duì)雞胸肉品質(zhì)影響的角度考慮，微波-2解凍技術(shù)更適合冷凍雞胸肉的解凍。

水分遷移：結(jié)果表明結(jié)合水、不易流動(dòng)水含量與肉樣的WHC、嫩度和多汁性評(píng)分呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與解凍損失率、蒸煮損失率和剪切力呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；自由水與這些指標(biāo)的相關(guān)性與之相反。 冷藏解凍、微波-1解凍與兩組超聲解凍肉樣出現(xiàn)較為明顯的不易流動(dòng)水向自由水遷移的現(xiàn)象，且肉品質(zhì)均顯著變差；而微波-2解凍對(duì)雞胸肉品質(zhì)的負(fù)面影響最小，肌水水分群中還出現(xiàn)了強(qiáng)結(jié)合水水分群，并且微波解凍具有解凍速度快的天然優(yōu)勢(shì)。

核磁共振（ nuclear?magnetic?resonance， NMR）可以提供關(guān)于水質(zhì)子與蛋白質(zhì)中可交換質(zhì)子之間相互作用的直接信息，從而提供肌水的化學(xué)物理狀態(tài)。

小結(jié)：
低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在肉品研究中的應(yīng)用，主要集中在：測(cè)定肉品中的水分分布和遷移；判斷肉的食用品質(zhì)和加工品質(zhì)；進(jìn)行注水、注膠肉的鑒偽，異質(zhì)肉的鑒別和肉品新鮮度檢測(cè)。