波譜核磁共振（核磁共振波譜）和核磁是同一種現(xiàn)象的不同描述方式。

核磁共振是指在外加恒定強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻輻射場(chǎng)的作用下，原子核可發(fā)生能級(jí)躍遷的現(xiàn)象。當(dāng)原子核處于低能態(tài)時(shí)，可以通過(guò)吸收或發(fā)射特定頻率的射頻輻射而躍遷到高能態(tài)，這個(gè)特定頻率被稱(chēng)為共振頻率。核磁共振可以用于確定某種物質(zhì)中不同原子核的數(shù)量和環(huán)境。

而波譜核磁共振是對(duì)核磁共振現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量、分析和研究的方法和技術(shù)。它通過(guò)記錄射頻輻射的吸收或發(fā)射強(qiáng)度隨頻率的變化，得到核磁共振譜圖。從核磁共振譜圖可以得到關(guān)于化合物結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)、化學(xué)環(huán)境等信息。

因此波譜核磁共振和核磁的區(qū)別就是：核磁共振是一種物理現(xiàn)象，而波譜核磁共振是對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量和研究的方法。

波譜核磁共振技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：

【食品農(nóng)業(yè)】

在眾多應(yīng)用領(lǐng)域之中，食品農(nóng)業(yè)應(yīng)該是低場(chǎng)核磁共振技術(shù)應(yīng)用較廣泛的領(lǐng)域了，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的油料種子含油含水率的測(cè)定及固體脂肪含量SFC測(cè)定，再到農(nóng)產(chǎn)品、果蔬、畜肉、海產(chǎn)品、乳制品等等，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)都有應(yīng)用。

【高分子材料】

這里所說(shuō)的高分子材料主要包括：彈性體材料（如橡膠）、非金屬?gòu)?fù)合材料（如玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維等）、功能膜材料、納米顆粒、凝膠等多孔材料。檢測(cè)范圍主要分為定量和定性研究。

其中定量包括：交聯(lián)密度、橡膠及增塑劑含量、軟硬段比例、氟含量等。

定性包括：硫化、固化、老化過(guò)程、降解過(guò)程、吸濕過(guò)程等。此外還有性能研究：顆粒聚合物相容性、顆粒表面改性、材料吸附性能、聚合物競(jìng)爭(zhēng)性吸附、親疏水表征等、分散性能等。

【巖石土壤】【生命科學(xué)】【石油勘探開(kāi)發(fā)】等領(lǐng)域的應(yīng)用，歡迎查看以往文章。

自由感應(yīng)衰減(free induction decay, FID)是核磁共振現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。下面將對(duì)核磁共振中的自由衰減信號(hào)（FID）進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

　　核磁共振設(shè)備中會(huì)使用若干種不同種類(lèi)的線圈。主要包括：梯度線圈和射頻線圈兩種，下面簡(jiǎn)單介紹下射頻線圈的功能。

　　射頻線圈具有發(fā)射和接收兩個(gè)基本功能，包括發(fā)射線圈本接收線圈。發(fā)射線圈的功能是向檢測(cè)樣品發(fā)射射頻脈沖，使質(zhì)子的縱向磁化強(qiáng)度矢量發(fā)生翻轉(zhuǎn)。接收線圈的功能是接收樣品的核磁共振信號(hào)。

自由感性衰減信號(hào)（FID）

　　這里以π/2脈沖為例，在x軸方向通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射π/2脈沖，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)，脈沖結(jié)束時(shí)，縱向磁化強(qiáng)度矢量M0翻轉(zhuǎn)到xOy平面內(nèi)并位于y‘軸方向。這樣在π/2脈沖以后，可以得到一個(gè)橫向磁化強(qiáng)度矢量。Mxy ，在xOy平面的運(yùn)動(dòng)是螺旋形衰減，見(jiàn)圖1。若把發(fā)射線圈作為接受線圈，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的 Mxy穿過(guò)xOy平面內(nèi)位于x軸上的接收線圈，引起拖過(guò)線圈磁通量的變化時(shí)，就可在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（或感應(yīng)電流），這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流稱(chēng)為核磁共振信號(hào)。

圖1.橫向磁化螺旋式衰減

由于Mxy是一個(gè)按正弦規(guī)律振蕩、按指數(shù)規(guī)律衰減，所以接受的信號(hào)也是按正弦規(guī)律振蕩，按指數(shù)規(guī)律衰減。信號(hào)變化如圖2（a）。因此，這種按正弦規(guī)律振蕩、按指數(shù)規(guī)律衰減的核磁共振信號(hào)習(xí)慣被稱(chēng)為自由感應(yīng)衰減信號(hào)（free induction decay）

圖2. FID信號(hào)波形

　　需要特別注意的是：由于Mxy以角頻率ω0繞外磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，接收到信號(hào)的角頻率也是ω0，即信號(hào)的頻率與射頻脈沖相等，也就是產(chǎn)生核磁共振的頻率。當(dāng)一個(gè)較小的縱向磁化強(qiáng)度矢量M0在π/2脈沖作用下翻轉(zhuǎn)到xOy平面內(nèi)，其產(chǎn)生的FID信號(hào)見(jiàn)圖2（b），這說(shuō)明FID信號(hào)的大小與π/2脈沖停止后，Mxy初始大小或π/2脈沖作用前縱向磁化強(qiáng)度大小有關(guān)，Mxy越大，同一時(shí)刻產(chǎn)生的FID信號(hào)越強(qiáng)。

　　FID信號(hào)是強(qiáng)度隨時(shí)間的變化波形，經(jīng)傅立葉變換后偶可得到核磁共振信號(hào)強(qiáng)度隨頻率ν變化的波形，即核磁共振譜，如圖3，圖中ν0為共振頻率。

核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例展示：硬脈沖FID 序列測(cè)量拉莫爾頻率

圖4.偏振狀態(tài)下的FID信號(hào)

圖5.接近共振狀態(tài)下的FID信號(hào)

圖6.共振狀態(tài)下的FID信號(hào)

（來(lái)源：蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）

波譜分析主要是以光學(xué)理論為基礎(chǔ)，以物質(zhì)與光相互作用為條件，建立物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與電磁輻射之間的相互關(guān)系，從而進(jìn)行物質(zhì)分子幾何異構(gòu)、立體異構(gòu)、構(gòu)象異構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)分析和鑒定的方法。

低場(chǎng)核磁共振是一種物理測(cè)試技術(shù)，它利用外部磁場(chǎng)和磁化技術(shù)，對(duì)生物樣品中的氫原子進(jìn)行測(cè)量。LFMR技術(shù)的原理基于核自旋磁矩和外磁場(chǎng)之間的相互作用。

當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，生物分子會(huì)產(chǎn)生核自旋磁矩，并在外磁場(chǎng)中排列成一定的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，一些能量較高的核自旋會(huì)被外磁場(chǎng)激發(fā)，形成核自旋磁矩。這些自旋磁矩在外磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，我們稱(chēng)之為磁化強(qiáng)度。

當(dāng)外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，生物分子的磁化強(qiáng)度也會(huì)隨之變化。這種變化會(huì)導(dǎo)致磁共振信號(hào)的產(chǎn)生。通過(guò)測(cè)量這些磁共振信號(hào)，我們可以了解生物分子的結(jié)構(gòu)和磁化強(qiáng)度的變化，從而對(duì)生物樣品進(jìn)行分析和研究。

波譜分析與核磁的區(qū)別是什么呢？

波譜分析主要包括紅外光譜、紫外光譜、核磁共振和質(zhì)譜，簡(jiǎn)稱(chēng)為四譜。

自1945年F.Bloch和E.M.Purcell為首的兩個(gè)研究小組同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象以來(lái)，1H核磁共振在化學(xué)中的應(yīng)用已有50年了。特別是近20年來(lái)，隨著超導(dǎo)磁體和脈沖傅里葉變換法的普及，核磁共振的新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的發(fā)展，是核磁共振的分析方法和技術(shù)不斷完善，應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大，樣品用量減少，靈敏度大大提高。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的應(yīng)用方向：

【食品農(nóng)業(yè)】

在眾多應(yīng)用領(lǐng)域之中，食品農(nóng)業(yè)應(yīng)該是低場(chǎng)核磁共振技術(shù)應(yīng)用較廣泛的領(lǐng)域了，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的油料種子含油含水率的測(cè)定及固體脂肪含量SFC測(cè)定，再到農(nóng)產(chǎn)品、果蔬、畜肉、海產(chǎn)品、乳制品等等，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)都有應(yīng)用。如果問(wèn)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)是用來(lái)研究什么的，用一個(gè)詞來(lái)總結(jié)就是“水分相態(tài)"，水分相態(tài)將之前大家對(duì)水分的研究（之前主要是含水率、水分活度等）擴(kuò)展到了水分存在狀態(tài)。

【高分子材料】

這里所說(shuō)的高分子材料主要包括：彈性體材料（如橡膠）、非金屬?gòu)?fù)合材料（如玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維等）、功能膜材料、納米顆粒、凝膠等多孔材料。檢測(cè)范圍主要分為定量和定性研究。

其中定量包括：交聯(lián)密度、橡膠及增塑劑含量、軟硬段比例、氟含量等。

定性包括：硫化、固化、老化過(guò)程、降解過(guò)程、吸濕過(guò)程等。此外還有性能研究：顆粒聚合物相容性、顆粒表面改性、材料吸附性能、聚合物競(jìng)爭(zhēng)性吸附、親疏水表征等、分散性能等。

【巖石土壤】、【生命科學(xué)】、【石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域】等領(lǐng)域的應(yīng)用，可查閱以往發(fā)布的文章了解。

一、什么是便攜式核磁儀？

便攜式核磁儀（Portable Nuclear Magnetic Resonance，PNMR）是一種小型、輕便、易攜帶的核磁共振儀器。它的核心部分是一個(gè)低場(chǎng)強(qiáng)磁鐵，通常在0.1T-1.5T之間。

二、便攜式核磁儀有哪些特點(diǎn)？

1. 便攜性強(qiáng)：體積小、重量輕、易于攜帶，可在實(shí)驗(yàn)室、野外和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行非破壞性的材料表征和分析。

2. 成本較低：相較于傳統(tǒng)核磁共振儀，需要的設(shè)備和材料成本較低，因此價(jià)格更為合理。

3. 實(shí)時(shí)檢測(cè)：可以進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)提供有關(guān)樣品的信息。

4. 操作簡(jiǎn)單：操作簡(jiǎn)單，使用便捷，只需要將樣品放置在儀器中，并按照操作說(shuō)明進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置和操作即可。

5. 非破壞性：是一種非破壞性的檢測(cè)手段，可以在不破壞樣品的情況下獲取樣品的信息。

6. 適用于小樣品：樣品室通常較小，可以容納約1毫升的樣品。因此，它適用于需要分析小樣品的應(yīng)用。

7. 多功能性：可以用于各種應(yīng)用，包括油氣勘探和開(kāi)發(fā)、化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)研究、材料表征、食品和藥品分析等領(lǐng)域。

低場(chǎng)核磁共振用于木材纖維飽和點(diǎn)(FSP)的測(cè)試-低溫核磁技術(shù)

纖維飽和點(diǎn)(fiber saturation point,FSP)指的是木質(zhì)纖維素材料細(xì)胞壁中吸著水處于飽和狀態(tài)，而細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙中沒(méi)有自由水的特定含水率狀態(tài)。纖維飽和點(diǎn)是木材物理力學(xué)性能發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，纖維飽和點(diǎn)可以采用多種方法測(cè)量，比如電學(xué)法、干縮法、差示掃描量熱法和力學(xué)法等。以上幾種實(shí)測(cè)法目前普遍存在操作過(guò)程復(fù)雜、限制條件多、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而且不同方法的測(cè)量結(jié)果之間存在一定差異，準(zhǔn)確度也存在爭(zhēng)議。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可用于測(cè)定木材纖維飽和點(diǎn)，該方法能夠較為快速地測(cè)定木材纖維飽和點(diǎn)，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便快捷，并且是無(wú)損與非侵入式的。

低溫核磁技術(shù)測(cè)試木材纖維飽和點(diǎn)(FSP)原理

固態(tài)冰與液態(tài)水的核磁共振T2弛豫時(shí)間相差很大,冰的T2弛豫時(shí)間僅約6us,木材內(nèi)吸著水的T2弛豫時(shí)間一般為毫秒級(jí),很容易區(qū)分。核磁共振分析儀是以質(zhì)子為探針,能夠準(zhǔn)確表達(dá)多孔介質(zhì)內(nèi)水分含量。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臏囟仁鼓静募?xì)胞腔內(nèi)自由水產(chǎn)生凍結(jié),此時(shí)吸著仍然處于液態(tài),從而可以準(zhǔn)確獲得細(xì)胞壁內(nèi)吸著水的信號(hào)總量。

低溫核磁技術(shù)檢測(cè)對(duì)象

1、木材原料

2、木材制品

3、竹材

低溫核磁技術(shù)應(yīng)用案例

不同溫度熱處理后,花旗松試樣的 T2 分布

參考文獻(xiàn)：周凡丁, 高鑫, 蔡家斌, 莊壽增和周洪杰. 《利用低溫NMR技術(shù)測(cè)定木材及其熱處理材纖維飽和點(diǎn)》. 波譜學(xué)雜志 34, 期 1 (2017年): 7.

磁共振核磁信號(hào)檢測(cè)儀（Magnetic Resonance Nuclear Magnetic Resonance (MR-NMR) Signal Detector）是用于檢測(cè)和接收核磁共振信號(hào)的儀器設(shè)備。它是核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵組件之一，用于接收和放大樣品中的核磁共振信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量和分析的電信號(hào)。

磁共振核磁信號(hào)檢測(cè)儀通常包括以下主要組件：

1.探測(cè)線圈（Coil）：探測(cè)線圈是用于接收核磁共振信號(hào)的感應(yīng)線圈。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求和樣品類(lèi)型的不同，可以使用不同類(lèi)型的線圈，如表面線圈（Surface Coil）和體積線圈（Volume Coil）。線圈的設(shè)計(jì)和構(gòu)造方式可以影響信號(hào)的靈敏度和空間分辨率。

2.前置放大器（Preamplifier）：前置放大器用于放大探測(cè)線圈接收到的弱核磁共振信號(hào)。由于核磁共振信號(hào)較弱，需要使用低噪聲的前置放大器將信號(hào)增益到足夠的水平，以便后續(xù)處理和分析。

3.射頻放大器（RF Amplifier）：射頻放大器用于進(jìn)一步放大前置放大器輸出的核磁共振信號(hào)。射頻放大器通常工作在射頻范圍內(nèi)，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)放大器的功率和頻率。

4.數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）：ADC用于將放大的核磁共振信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字化處理、存儲(chǔ)和分析。

5.控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口：磁共振核磁信號(hào)檢測(cè)儀通常與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，用于控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)相關(guān)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和可視化。

磁共振核磁信號(hào)檢測(cè)儀的性能和靈敏度對(duì)于獲取準(zhǔn)確的核磁共振數(shù)據(jù)至關(guān)重要。因此，在選擇和使用磁共振核磁信號(hào)檢測(cè)儀時(shí)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求、樣品性質(zhì)和預(yù)期的信號(hào)強(qiáng)度等因素進(jìn)行評(píng)估和選擇。

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