四期直播：研究慢速分子運(yùn)動(dòng)的利器：

快速變場(chǎng)核磁（FFC）

       上幾期的直播中，我們從核磁原理、應(yīng)用領(lǐng)域、細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用解決方案、軟件操作培訓(xùn)等方面給大家做了詳細(xì)的展示，相信您對(duì)低場(chǎng)核磁一定也有了較為全面的認(rèn)識(shí)：低場(chǎng)核磁的主要研究H原子（一般以H₂O）為探針的分子間運(yùn)動(dòng)，這種分子運(yùn)動(dòng)一般較快（一般為液體、氣體等）且彼此差異較大在低場(chǎng)核磁中能區(qū)分出來。而對(duì)于分子運(yùn)動(dòng)差異較小，尤其是慢速分子運(yùn)動(dòng)用傳統(tǒng)的核磁方法研究效果不佳。

       而變場(chǎng)核磁共振（FFC-NMR)則能發(fā)揮其研究分子運(yùn)動(dòng)的方法優(yōu)勢(shì)。

       于是本期紐邁分析為您重磅推薦研究分子運(yùn)動(dòng)的利器——快速變場(chǎng)核磁（FFC-NMR），特別邀請(qǐng)紐邁分析預(yù)研部研發(fā)經(jīng)理?xiàng)钜頌榇蠹抑辈プ儓?chǎng)核磁共振技術(shù)介紹及在科研中的具體應(yīng)用。

直播預(yù)告

主題：變場(chǎng)核磁共振(FFC)原理及科研應(yīng)用

時(shí)間：2020年4月9日  10:00-10:40

內(nèi)容要點(diǎn)：

為什么要了解變場(chǎng)核磁？

變場(chǎng)核磁原理及功能

科研中的應(yīng)用（高分子、多孔介質(zhì)、造影劑、食品、催化劑）

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推薦FFC的理由

本文將從以下幾個(gè)方面為您簡單解答關(guān)于快速變場(chǎng)核磁（FFC-NMR)的幾個(gè)問題

       1.什么是FFC-NMR，與低場(chǎng)核磁有何不同？

       2.FFC-NMR的弛豫散步曲線（NMRD）相當(dāng)于物質(zhì)的指紋圖譜。鑒別不同分子量的物質(zhì)、研究慢速分子運(yùn)動(dòng)。

       3.簡單概述FFC-NMR的應(yīng)用領(lǐng)域。

什么是變場(chǎng)核磁？與低場(chǎng)核磁有何不同？

01 在變化的磁場(chǎng)下獲取樣品的T1弛豫率

       FFC NMR 是 Fast Field Cycling NMR 的簡稱，它是一項(xiàng)重要的NMR分析技術(shù)和材料表征手段，在科研單位和工業(yè)市場(chǎng)中都得到了廣泛的應(yīng)用，也屬于時(shí)域核磁。

       在FFC NMR工作過程中，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，場(chǎng)強(qiáng)可從10 KHz （幾高斯）變換到120 MHz（3T），測(cè)試樣品T1隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，從而繪制一條橫坐標(biāo)是磁場(chǎng)強(qiáng)度，縱坐標(biāo)是1/T1的曲線，也叫弛豫散步曲線（NMRD）。

       變場(chǎng)核磁是世界上唯yi一種能夠在同一臺(tái)儀器上獲取不同場(chǎng)強(qiáng)的低場(chǎng)NMR技術(shù)。也是唯yi一種可以在1 MHz以下場(chǎng)強(qiáng)工作的儀器。

02 測(cè)試對(duì)象不僅是1H核，還有1H、2H、13C、7Li、19F、23Na等

       我們知道，核磁共振波譜、低場(chǎng)核磁一般都是指H譜，尤其是低場(chǎng)核磁基本上能做的也只有H譜和F譜。而FFC測(cè)試對(duì)象涵蓋1H、13C、7Li、19F、23Na等。

       研究對(duì)象涵蓋固體，液體，膠體或復(fù)雜混合物等。

03 為什么一定要用FFC-NMR?

       我們知道，低場(chǎng)核磁共振是在固定的磁場(chǎng)下測(cè)試氫核的T1和T2弛豫。

       而FFC-NMR是在變化的磁場(chǎng)下測(cè)試樣品的T1弛豫率隨磁場(chǎng)的變化曲線。

▲圖1 低場(chǎng)核磁（左）與變場(chǎng)核磁（右）的測(cè)試結(jié)果比較

       打個(gè)比方：假如我們?cè)跍y(cè)試一輛汽車的各個(gè)性能指標(biāo)，低場(chǎng)核磁共振就好比是汽車在勻速行駛時(shí)測(cè)試其平穩(wěn)效果，舒適效果。而FFC就好比是汽車在加速行駛過程中測(cè)試汽車實(shí)際的加速性能、綜合性能等。那些在勻速行駛時(shí)沒能發(fā)現(xiàn)的缺陷和問題，很容易在加速中暴露。所以，LF-NMR和FFC-NMR某種程度可以互補(bǔ)。

FC有哪些應(yīng)用？

       NMR家族中的各個(gè)儀器非常適合研究分子的運(yùn)動(dòng)性，從探測(cè)的時(shí)空范圍也極為廣泛：從埃米到厘米、從飛秒到秒。

       然而對(duì)于較為慢速的分子運(yùn)動(dòng)，如納秒、甚至飛秒的動(dòng)力尺度，就需要用到FFC。

▲圖2 NMR探測(cè)的核磁作用尺度、以及相應(yīng)NMR實(shí)驗(yàn)示意圖

04 NMRD指紋識(shí)別：相似聚合物細(xì)微差別的識(shí)別

       我們知道，在恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度的低場(chǎng)核磁中，弛豫時(shí)間反應(yīng)分子運(yùn)動(dòng)的快慢，往往取決于其交聯(lián)密度。（例如自由鏈所受束縛Z小，分子運(yùn)動(dòng)快；交聯(lián)鏈所受束縛Z大，分子運(yùn)動(dòng)慢，懸尾鏈介于二者之間。以上三種的分子運(yùn)動(dòng)性差異較大，T2或者T1弛豫能完全識(shí)別出）

▲圖3 相似聚合物的FFC NMRD指紋識(shí)別

       但是對(duì)于差異較小的聚合物（如不同分子量的同種材料），或者未聚合的單體（不同物質(zhì)），在恒定磁場(chǎng)下（例如在0.1MHZ到100MHZ之間）分子運(yùn)動(dòng)性彼此差別不大，弛豫沒有明顯差異。然而在變場(chǎng)核磁中（尤其是超低場(chǎng)強(qiáng)下），這些細(xì)微的差別則能明顯測(cè)試出來，且對(duì)慢速分子運(yùn)動(dòng)尤為敏感。

       這種弛豫率（1/T1)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的色散曲線(NMRD)相當(dāng)于物質(zhì)的指紋圖譜，利用這個(gè)性質(zhì)可以用于聚合物生產(chǎn)中的品質(zhì)控制。

       此外NMRD曲線還能反映聚合物的流變學(xué)性質(zhì)。具體的以及更多的應(yīng)用我們會(huì)在直播中一一講解。

05 研究多孔介質(zhì)的表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)

       FFC-NMR測(cè)量的弛豫率（R1）隨場(chǎng)強(qiáng)變化的色散曲線（NMRD）不僅具指紋識(shí)別功能，而且還能夠給出獨(dú)特但關(guān)鍵的表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如介質(zhì)納米孔隙表面微觀潤濕性、孔隙流體擴(kuò)散系數(shù)、表面活化能等。（Zhou et al. 2019）

       FFC 在水泥有著重要應(yīng)用，如表征水泥納米孔隙特征、監(jiān)測(cè)水化動(dòng)力學(xué)過程、測(cè)定比表面積和擴(kuò)散系數(shù)（圖4）、識(shí)別探針分子在不同孔隙間的交換（圖5）等作用。

▲圖4 白水泥（上左）、波特蘭水泥（上右）微孔中擴(kuò)散系數(shù)的FFC NMRD（下圖）測(cè)量

▲圖5 水分子在水泥內(nèi)不同微孔之間的交換作用（二維交叉峰）

FFC-NMR應(yīng)用總結(jié)

科研領(lǐng)域：

       高分子聚合物領(lǐng)域：

       區(qū)分晶體與非晶體組分，評(píng)估交聯(lián)密度，產(chǎn)品質(zhì)量控制，液晶動(dòng)力學(xué)，固體界面處的流體動(dòng)力學(xué)等

       多孔介質(zhì)領(lǐng)域：

       多孔介質(zhì)中的運(yùn)輸（過濾，吸液和傳導(dǎo)），孔隙表面的物理化學(xué)作用（質(zhì)子交換和潤濕性），納米孔隙表面微觀潤濕性、孔隙流體擴(kuò)散系數(shù)、表面活化能等

       生命科學(xué)領(lǐng)域：

       蛋白質(zhì)水合作用，生物組織和膜，蛋白質(zhì)表面的水動(dòng)力學(xué)，以及MRI造影劑和鑒別診斷的研究。

       催化劑領(lǐng)域：

       催化劑性能研究，界面作用

       當(dāng)然，關(guān)于FFC的應(yīng)用這里不能一一列舉，更多的內(nèi)容請(qǐng)一定進(jìn)入我們直播間觀看，工程師會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的講解，并進(jìn)行在線答疑交流。

FFC技術(shù)原理及應(yīng)用

2020年4月09日

10:00-10:40

楊翼

預(yù)研部 經(jīng)理

       楊翼，東華大學(xué)，高分子材料，碩士研究生，現(xiàn)任上海紐邁電子科技有限公司預(yù)研部經(jīng)理。

       于2012年3月加入上海紐邁電子科技有限公司開始從事低場(chǎng)核磁應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作。在上海紐邁期間先后負(fù)責(zé)頁巖殘留烴項(xiàng)目，環(huán)境響應(yīng)型材料親疏水表征方法項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目。參與新項(xiàng)目及應(yīng)用開發(fā)10余項(xiàng)，發(fā)表ZL4項(xiàng)，發(fā)表磁共振相關(guān)論文4篇論文。

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