低场核磁共振成像分析技术与应用
陈路平*，高杨文，杨培强
(上海纽迈电子科技有限公司)
摘要：低场核磁共振成像与分析技术已经广泛应用于食品、农业、石油化工、多孔材料、生命科学以及聚合物工业领域。低场核磁共振技术是一种快速无损检测技术，该技术主要是借助于水的“无处不在”与“无孔不入”的特性，以水分子为探针，研究样品的物性特征。本文介绍了当前低场核磁共振成像与分析技术的特点，以及在各领域的应用方法与应用成果展示。并为低场核磁的应用进展指出发展方向。
关键词：低场核磁共振，驰豫时间，磁共振成像，磁共振分析
Technology and Application of Low Field NMR and MRI
Luping Chen*,Yangwen Gao,PeiQiang Yang
(Niumag Coporation)
Abstract:Low-field magnetic resonance imaging and analysis technology has been widely used in food, agriculture, petrochemicals, porous materials, life sciences, and polymer industries. Low-field NMR technique is a rapid non-destructive detection method. It's sensitive to analyze sample's physical character for water's nature of pervasive as probes. This paper summarized the progress and advantages of low-field magnetic resonance imaging and analysis technology，and finally gave its prospect..
Key words : Low Field NMR,Relaxation Time,MRI,NMR
低场核磁共振技术是一种快速无损的检测技术，它具有测试速度快、灵敏度高、无损、绿色等优点，已经广泛应用于食品品质分析、种子育种、石油勘探、生命科学和橡胶交联密度等领域。该技术主要是借助于水分子的“无处不在”与“无孔不入”的特性，以水分子为探针，研究样品的物性特征。近几年已推出手持式小核磁，可用于现场快速检测，大大拓展了低场核磁共振技术的应用范围。
1 技术原理与应用基础
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。依据磁场强度不同，核磁共振技术可分为高场、中场和低场三类。其中低场脉冲核磁共振（LF-NMR）成像与分析是一种正在兴起的快速无损检测技术。其场强较低，一般采用永磁体，测试样品介于两磁极之中心，通过特殊的激励与信号处理即可等到稳定的核磁共振信号。主要的测试参数包括纵向弛豫时间（T1）、横向弛豫时间（T2）、自扩散系数、T1加权成像、T2加权成像以及质子密度加权成像等。低场核磁设备价格较低，体积与重量较小，易于移动，而且操作简单，易于维护。
低场核磁共振技术的研究在国内虽然起步较早，但发展较慢。在核磁共振技术中，检测最为广泛的即是氢质子,以水为代表。氢原子在自然界丰度极高，由其产生的核磁共振信号很强，容易检测。而核磁共振技术中，基于弛豫时间的差异可快速准确用于检测出样品中水分的性状以及不同性质水分的含量，以水分子为探针，研究样品的内部物性特征。
作者简介：陈路平（1985-），男，汉族，本科，上海理工大学，主要从事低场核磁共振技术与应用。Email:lp_chen@https://www.doczj.com/doc/8410417419.html, 156********
2 应用案例展示
2.1 食品领域
水分与食品品质动态相关，食品在冷藏、保鲜、干燥、解冻与速冻过程中内部水分子都在发生相应的变化。核磁共振仪可快速准确的检测出样品内部水分子的含量与相态，从而动态研究食品性状。以下是食品领域的应用案例：
水分子有固相和液相两种形式，水分子结冰后，核磁共振信号弛豫速度加快到仪器无法检测的范围，也就是冰无信号，而水的信号正常。可以利用这个特性研究食品解冻与速冻机理。
2.2 农业无损检测与种子育种
核磁共振成像技术可以用于种子及水果的无损探伤，成像结果可以反映内部水分分布及结构信息。
种子吸水过程在能清晰的反映出种子发芽过程，磁共振成像可动态的反映出水分被种子吸入的过程，为种子育种提供直观的信息。
（图一）鳕鱼冷冻保鲜 图一是将新鲜的鳕鱼放置在-10℃坏境下，放置1周、3周、5周、7周、9周、14周、18周、20周、23周，融化分别对鳕鱼肉片进行核磁共振弛豫特性检测。
从T2谱图变化中，明显可以看出，随着储藏期的延长，不易流动水不断减少，自由水不断增加，动态的反映了肌原纤维内部水不断迁移到外部空间变成自由水的过程。
速冻实验在-18℃常规冻藏室中进行，从T2图谱可了解到食品中并不是所有水分都结成冰晶，仍有一部分结合水处于未冻水状态，通过低温下测试样品水分状态，就可以知道未冻水含量占比，以此研究冻藏过程中未冻水对于货架期的影响。
同样低场核磁T2谱也能直观的看到冻融过程中，水分与冰之间的迁移转化过程，哪部分水先结成冰，最先融化的也是这部分，都可以清晰的从图谱中反映出。 （图二）速冻与解冻研究
2.3 石油勘探领域案例
孔隙是石油勘探领域最值得关注的参数之一，孔隙大小与孔隙的连通性在油层评价与开采中是至关重要的参数。低场核磁共振技术在孔隙研究方便体现出独有的便捷与准确性。水分子的特性之一是“无孔不入”。在检测一些骨架不含水的样品时，我们需要借助于水分子的无孔不入特性，将水分子填充到孔隙结构的样品中，这样水分子的特性就与样品的孔隙特性一一对应。水分含量能体现出孔隙的多少，水分的核磁共振弛豫特性与孔隙大小相关。
（图三）绿豆吸水过程
图三是将绿豆种子泡于32度温水中，每10分钟完成一副核磁共振质子密度加权成像。红色部分为进入到种子内部的水分。从图中可以清晰的看到水分被种子吸入的过程。从胚芽开始吸水，慢慢的渗透到种子所有部位。非常直观的了解到种子实际的吸水过各，为研究种子发芽机理与育种提供参考。 （图四）玉米多层面核磁共振成像图 图四是玉米的核磁共振横段位与矢状柆的核磁共振图像，可以无损了看到玉米棒子内部的结构信息。
（图五）油品品质分析
图五是不同黏度的油水
混合物的一维与二习以为常核磁共振图谱。一维图谱上重油和水的谱峰会有重叠，无法计算油水的相对比例。二维图谱中加入了扩散系数值，由于水和油的扩散系数差别很大，从而把油水混合物明显区分开来。
采收率是衡量油田开发水平高低的一个重要指标。石油的剩余储量大都集中在高含水、低渗透、稠油、高温高盐油藏、非均质极强的碳酸盐岩缝洞油藏等开采难度较大的地方，已形成提高采收率四大技术系列，即化学法、气驱、热力和微生物采油。认识驱替剂的作用机理是提高驱油效率、扩大波及体积的基础对进一步提高采收率有着重要的作用。低场核磁共振成像技术可用来直观地显示岩心驱替过程中流体的分布状态，对于揭示驱替剂的作用机理意义重大。
2.4 橡胶交联密度领域
低场核磁共振用于橡胶交联密度的测试原理不再是以水为基础，而主要是根据聚合物中碳氢链质子的分子动力学，利用交联结构的磁共振响应来有效地评价聚合物(如橡胶、塑料等)的交联密度，分析聚合物在研发与生产过程中的结构演变，据此进行硫化参数的优化、橡胶制品的质量验证、老化过程分析研究、疲劳寿命预测、橡胶及其它弹性体中水分和溶剂含量测定等。采用此种方法评价橡胶的交联结构，技术上快速便捷(30秒～5分钟)、测试过程对样品无任何损害、重现性好、信息量大，而且可以将化学交联和物理交联区分出来。核磁共振交联密度测试手段提供了一种全新的交联检测技术，与传统的测试结果有很好的相关性，优势明显。
左图为玻璃珠孔隙模型T2反演图谱，可以
清晰的反映出三种不同大小了孔隙分布与
孔隙多少。三个不同的位置的谱峰分别代表
三种不同尺寸的孔隙，峰面种反映孔隙的多
少。
下图是岩心样品T2图谱，可以反映出大孔、
小孔及裂缝体系。
（图六）孔隙分析
（图七）核磁驱替装置与驱替成像
（图八）橡胶强度与交联密度测试
（图九）核磁法交联密度与传统方法对比
4 总结与展望
低场核磁共振检测技术以其快速、无损、多参数检测的优点，已在多个科研领域起到重要作用，获得了大量的科研成果。该技术在多个领域弥补了传统方法的不足，同时还提供了新的测试参数数年，更全面的评价样品特性。Mobile 手持式低场核磁共振分析仪的问世，更是大大拓展了低场核磁共振技术的应用范围，为各领域的现场快速检测提供全新的技术手段。可以预见，未来低场核磁共振检测技术必将在科研与生产领域大展拳脚。
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图（八）是天然橡胶交联密度与强度的测试数据对比。交联密度是评价橡胶品质最重要的参数之一，交联密度越大，也就是单位体积内的交联键越多，其耐热性更好，拉伸强度增加，力学强度更好，回弹性更好。过高的交联度会导致冲击强度下降。 从图中可以看出，随着交联密度的增加，抗张性能增加，拉长断裂性能减弱。 图（九）是相同一批样品核磁法交联密度与传统溶胀法交联密度测试数据对比。可以看出核磁法与传纺方法有较好的一致性，同时核磁法还能区分物理交联与化学交联，测试样品一般在5分钟以内完成，速度快，能满足科研与生产上的各种测试需求。是一种全新的快速检测手段。