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(shù)的分析檢測。

低場核磁共振技術在食品農(nóng)業(yè)、地質勘探、石油化工、生物醫(yī)藥、材料科學等諸多方面體現(xiàn)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(qū)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(nèi)部結構信息，研究領域屬微觀領域（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(tài)轉化溫度、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(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(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準和行業(yè)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(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(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(nóng)業(yè)領域的應用：

◆ 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(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zha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(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yong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(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(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；射頻系統(tǒng)主要負責射頻脈沖序列的發(fā)射和采樣信號的接收；梯度系統(tǒng)主要負責產(chǎn)生梯度磁場；磁體主要負責提供均勻、穩(wěn)定的主磁場；恒溫系統(tǒng)主要負責磁體柜內(nèi)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：

巖心分析是認識油氣層地質特征的必要手段，巖石作為一種多孔介質材料，其內(nèi)部的孔隙結構、孔內(nèi)分子的運動狀態(tài)、反應過程等現(xiàn)象以及現(xiàn)象之間的相互關系是巖心分析研究的重要課題。近年來，低場核磁共振巖心分析技術已經(jīng)成為快速測量巖石物性參數(shù)的重要手段，其適合于實驗室研究和油田現(xiàn)場應用，受到石油行業(yè)的廣泛重視，應用領域日益廣泛。

基本原理：
低場核磁共振技術利用油氣或者水中的氫原子核在磁場中具有共振并能產(chǎn)生信號的特性來探測油、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成巖石孔隙，弛豫時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，對應的弛豫時間越長，T2分布曲線越靠右側；孔隙尺寸越小，對應的弛豫時間越短，T2分布曲線越靠近左側。

與其他方法對比
相比氣體吸附法、壓汞法、氣體孔隙度法等方法，低場核磁法具有快速、無損、綠色等諸多優(yōu)勢。

（來源：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）

低場核磁共振技術在肉品研究中的應用（文獻解讀）

本文收集了四篇相關文獻，主要討論：低場核磁共振技術在肉品研究中的應用。

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

低場核磁共振技術（lowfield NMR，LF-NMR）是一種快速、無損的分析檢測技術，可以通過測定肉品中氫原子核在磁場中的弛豫特性來確定肉品中水分的不同狀態(tài)，因而在肉品領域已有諸多研究。

主要集中在以下3個方面：

1）測定肉與肉制品中不同狀態(tài)水分的分布和遷移；

2）結合其他指標判斷肉的食用品質和加工品 質；

3）進行注水、注膠肉的鑒偽，異質肉的鑒別和肉品新鮮度檢測。

低場核磁共振技術在肉品研究中的應用：肉品水分分布/水分含量分析，肉品品質評定

文獻結論：

肉中不易流動水、自由水與肉的持水力、保水性、風味等品質指標相關。從相關性分析可以看出牦牛肉在貯藏過程中，物理化學性質的變化常伴隨著肉中水分子流動性的變化。可利用T2弛豫時間進行不同貯藏時間下牦牛肉品質的評定。

▲牦牛肉在貯藏過程中橫向弛豫時間分布

▲牦牛肉指標間的相關性分析

文獻來源：

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

低場核磁共振技術在肉品研究中的應用：肉品貯藏溫度Tg研究

文獻結論：

通過對牛肉品質指標與核磁共振參數(shù)T2的相關性分析，發(fā)現(xiàn)T22與各品質參數(shù)均有強的相關性，因此可根據(jù)T22 變化表征牛肉品質變化。 通過核磁成像實驗發(fā)現(xiàn)，－10℃貯藏牛肉干耗現(xiàn)象嚴重，肉的保水性差，不利于牛肉的長期貯藏?；谒謸p失和經(jīng)濟成本考慮，牛肉盡量在Tg以下貯藏，控制在－15～－20℃ 左右為宜。

▲LF－NMR T2與測量指標的相關系數(shù)

　　▲不同貯藏溫度和時間下牛肉的核磁成像

文獻來源：

馬瑩，楊菊梅，王松磊等，基于LF_NMR及成像技術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.

低場核磁共振技術在肉品研究中的應用：冷凍肉品解凍方式研究

文獻結論：

不同的解凍方式對凍豬肉的橫向弛豫時間T2的影響也不盡相同。凍豬肉解凍過程中發(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 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水向自由水進行遷移，微波-1解凍則使凍豬肉中的自由水向不易流動水進行遷移，而微波-2解凍更傾向于使不易流動水向結合水遷移。

▲肉樣橫向弛豫時間T2變化的三維瀑布圖

　　▲不同解凍方式下肉樣橫向弛豫時間T2的變化

文獻來源：

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

低場核磁共振技術在肉品研究中的應用：5種不同解凍方式對比

下面我們通過一個新的案例，來了解整個研究過程的思路和模式。

文獻來源：

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

本文研究旨在基于低場核磁共振橫向弛豫時間T2分析解凍過程中肌原纖維水的分布及流動性與雞肉食用品質間的關聯(lián)性。

　　研究思路

　　冷鮮雞胸肉（宰后32?h）為對照，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 ℃的凍結雞胸肉，測定肉樣T2、品質特性指標并分析它們之間的相關性。

　　研究方案　　

▲肉樣橫向弛豫時間T2變化的三維瀑布圖

▲不同解凍方式下肉樣橫向弛豫時間T2的變化表

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

文獻結論：

品質方面：從解凍過程中肌水對雞胸肉品質影響的角度考慮，微波-2解凍技術更適合冷凍雞胸肉的解凍。

水分遷移：結果表明結合水、不易流動水含量與肉樣的WHC、嫩度和多汁性評分呈極顯著正相關（P＜0.01），與解凍損失率、蒸煮損失率和剪切力呈極顯著負相關（P＜0.01）；自由水與這些指標的相關性與之相反。 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水向自由水遷移的現(xiàn)象，且肉品質均顯著變差；而微波-2解凍對雞胸肉品質的負面影響最小，肌水水分群中還出現(xiàn)了強結合水水分群，并且微波解凍具有解凍速度快的天然優(yōu)勢。

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

小結：
低場核磁共振技術在肉品研究中的應用，主要集中在：測定肉品中的水分分布和遷移；判斷肉的食用品質和加工品質；進行注水、注膠肉的鑒偽，異質肉的鑒別和肉品新鮮度檢測。