低場核磁不易流動(dòng)水

低場核磁共振技術(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：

（1）基于信號(hào)幅值的分析檢測；

（2）基于圖像(信號(hào)二維分布)的分析檢測；

（3）基于弛豫時(shí)間的分析檢測；

（4）基于擴(kuò)散系數(shù)的分析檢測。

低場核磁共振技術(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)出越來越廣泛的應(yīng)用，成為一種重要的分析測試工具。

低場核磁不易流動(dòng)水

在食品研究領(lǐng)域，采集到的CPMG回波串，經(jīng)過反演擬合后得到的T2分布經(jīng)常有3個(gè)峰。中間的峰一般認(rèn)為是低場核磁不易流動(dòng)水

低場核磁技術(shù)主要是檢測水的信號(hào)，或是以水為探針檢測與水接觸的物質(zhì)變化。食品體系中測得的三個(gè)峰，主要體現(xiàn)了不同環(huán)境中的水分狀態(tài)。要理解低場核磁的三個(gè)峰的物理含義，我們先了解一下低場核磁檢測水分的原理。

生物大分子類似蛋白淀粉等含有很多親水位點(diǎn)，帶有的固有電荷和與之相連的相反電荷迫使大量水分形成極性多層模型。

多層結(jié)構(gòu)形成機(jī)理是：大分子的親水基團(tuán)（—NH2，—OH）與鄰近水分形成氫鍵，由于氫鍵極化，水分子反過來傾向與下一層水分子形成氫鍵，如此反復(fù)，zui后形成極性的多層結(jié)構(gòu)。這個(gè)又是NMR研究水分相態(tài)的基礎(chǔ)依據(jù)，由于結(jié)合水直接與大分子基團(tuán)以氫鍵結(jié)合，受到束縛程度較大，水分運(yùn)動(dòng)性較弱，衰減速度最快，自由水游離在結(jié)構(gòu)以外，水分運(yùn)動(dòng)性較強(qiáng)，衰減速度最慢，從而根據(jù)弛豫時(shí)間的大小來區(qū)分水分相態(tài)。

不同狀態(tài)的水分往往與食品的品質(zhì)、口感、質(zhì)構(gòu)、加工工藝等有直接關(guān)系，這部分的研究已經(jīng)非常成熟。

低場核磁共振技術(shù)原理

低場核磁共振技術(shù)主要檢測為H質(zhì)子，也可以用于F信號(hào)測試。含H樣品經(jīng)過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)對應(yīng)有T1、T2兩個(gè)主要參數(shù)，通過測試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際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

低場核磁共振由于其設(shè)備成本較低，研究使用門檻相對較低，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、一次測量可獲得多個(gè)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(diǎn)，因此許多原來采用其他傳統(tǒng)檢測方法的應(yīng)用目前都在探索采用核磁共振技術(shù)進(jìn)行。

水凝膠低場核磁分析氫鍵強(qiáng)弱

水凝膠是一類為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態(tài)可以保持大量體積的水而不溶解。由于存在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，水凝膠可以溶脹和保有大量的水，水的吸收量與交聯(lián)度密切相關(guān)。交聯(lián)度越高，吸水量越低。水凝膠中的水含量可以低到百分之幾，也可以高達(dá)99%。

水凝膠具有良好的生物相容性、低毒性和可生物降解性等特性，用途非常廣泛。水凝膠溶脹過程與水的傳輸和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，溶脹性能是評(píng)價(jià)水凝膠的重要參數(shù)。

凝膠的溶脹性評(píng)價(jià)方法

目前關(guān)于溶脹行為的研究主要是通過測量溶脹水凝膠的重量或體積變化來計(jì)算溶脹率。然而，該方法需要從溶液中取出水凝膠并用濾紙擦拭以去除多余的表面水，擦拭過程容易影響測定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性，從而產(chǎn)生意想不到的誤差。

水凝膠低場核磁分析氫鍵強(qiáng)弱

低場核磁共振（LF-NMR）在研究基于水遷移率的聚合物網(wǎng)絡(luò)的水傳輸和微觀結(jié)構(gòu)方面具有巨大潛力。與高分辨率核磁共振不同，低場核磁共振（LF-NMR）主要用于通過測量弛豫時(shí)間來闡明反映結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和相互作用的分子遷移率。研究表明，低場核磁共振（LF-NMR）是一種快速、wu創(chuàng)、無損的測定水組分分布的方法。低場核磁可標(biāo)準(zhǔn)氫鍵與周圍水分子之間的相互作用。

對于水凝膠，不同環(huán)境中的水，如凝膠內(nèi)水或外水，可能表現(xiàn)出不同的弛豫性質(zhì)。T2組分對應(yīng)的幅度可以定量并計(jì)算膨脹率。此外，基于T2值與水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸之間的比例關(guān)系，可以描繪溶脹過程中由于濃度效應(yīng)引起的水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸變化。因此，低場核磁共振（LF-NMR）可以作為研究水凝膠溶脹過程中水的動(dòng)態(tài)傳輸和微觀結(jié)構(gòu)變化的有力工具。此外，低場核磁共振（LF-NMR）不需將水凝膠從溶脹體系中取出，即可直接原位測量水凝膠的T2分布。

水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究-低場核磁技術(shù)

水凝膠是一類為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態(tài)可以保持大量體積的水而不溶解。由于存在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，水凝膠可以溶脹和保有大量的水，水的吸收量與交聯(lián)度密切相關(guān)。交聯(lián)度越高，吸水量越低。水凝膠中的水含量可以低到百分之幾，也可以高達(dá)99%。

水凝膠具有良好的生物相容性、低毒性和可生物降解性等特性，用途非常廣泛。水凝膠溶脹過程與水的傳輸和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，溶脹性能是評(píng)價(jià)水凝膠的重要參數(shù)。

凝膠的溶脹性評(píng)價(jià)方法

目前關(guān)于溶脹行為的研究主要是通過測量溶脹水凝膠的重量或體積變化來計(jì)算溶脹率。然而，該方法需要從溶液中取出水凝膠并用濾紙擦拭以去除多余的表面水，擦拭過程容易影響測定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性，從而產(chǎn)生意想不到的誤差。

水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究-低場核磁技術(shù)

低場核磁共振（LF-NMR）在研究基于水遷移率的聚合物網(wǎng)絡(luò)的水傳輸和微觀結(jié)構(gòu)方面具有巨大潛力。與高分辨率核磁共振不同，低場核磁共振（LF-NMR）主要用于通過測量弛豫時(shí)間來闡明反映結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和相互作用的分子遷移率。研究表明，低場核磁共振（LF-NMR）是一種快速、wu創(chuàng)、無損的測定水組分分布的方法。低場核磁可標(biāo)準(zhǔn)氫鍵與周圍水分子之間的相互作用。

對于水凝膠，不同環(huán)境中的水，如凝膠內(nèi)水或外水，可能表現(xiàn)出不同的弛豫性質(zhì)。T2組分對應(yīng)的幅度可以定量并計(jì)算膨脹率。此外，基于T2值與水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸之間的比例關(guān)系，可以描繪溶脹過程中由于濃度效應(yīng)引起的水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸變化。因此，低場核磁共振（LF-NMR）可以作為研究水凝膠溶脹過程中水的動(dòng)態(tài)傳輸和微觀結(jié)構(gòu)變化的有力工具。此外，低場核磁共振（LF-NMR）不需將水凝膠從溶脹體系中取出，即可直接原位測量水凝膠的T2分布。

低場核磁反演技術(shù)

無論是低場核磁縱向弛豫還是低場核磁橫向弛豫，對于決大多數(shù)樣品來說，低場核磁弛豫信號(hào)都可以用多指數(shù)函數(shù)來表達(dá)。通常情況下，分別利用CPMG實(shí)驗(yàn)和IR實(shí)驗(yàn)來檢測樣品的橫向弛豫過程和縱向弛豫過程，低場核磁弛豫信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(1)和公式(2)所示：

其中fi表示樣品中第i種成分的信號(hào)強(qiáng)度，總信號(hào)的大小是所有成分產(chǎn)生信號(hào)大小的總和，T2i和T1i表示樣品中第i種成分的橫向弛豫時(shí)間和縱向弛豫時(shí)間。

低場核磁反演技術(shù)：

弛豫信號(hào)反演的目標(biāo)是通過上面的公式(1)、公式(2)來計(jì)算樣品中的每個(gè)值(或者稱為樣品中質(zhì)子分布的密度函數(shù)，也稱為T1分布或T2分布)。下面采用矩陣的形式重新改寫上述數(shù)學(xué)表達(dá)式：

Y=A * F

低場核磁反演技術(shù)實(shí)例：

以多組分T2反演為例，如下圖，左邊是回波串，右邊是反演結(jié)果（T2分布）。下式表示每一個(gè)回波的等式系統(tǒng)。一般物質(zhì)的T2分布是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，但是為簡化反演，計(jì)算使用一個(gè)多指數(shù)模型，并假定T2分布包含有m個(gè)獨(dú)立的弛豫時(shí)間T2i，對應(yīng)的幅值分量為fi。T2i的值是預(yù)先選定的（如0.5ms，1ms，2ms，4ms，8ms，16ms，32ms，64ms，128ms，256ms，512ms，…）。反演的過程主要是確定每個(gè)分布的孔隙度分量.

低場核磁反演技術(shù)（T2分布）

定組分反演和二維反演在原理上和多組分反演都是一致的，是一個(gè)設(shè)置模型不斷尋優(yōu)的過程。不同的方法間，模型函數(shù)和尋優(yōu)方法會(huì)有稍許不同。

低場核磁技術(shù)研究水凝膠的保水性能

什么是水凝膠？

水凝膠（Hydrogel）是由親水性聚合物鏈通過化學(xué)或物理交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)絡(luò)。它可以充分吸水而不溶于水，自身顯著溶脹的同時(shí)仍保持其原有的三維結(jié)構(gòu)。水凝膠含有大量的水（可達(dá)90%），質(zhì)地柔軟，性狀可變，物理性質(zhì)與生物組織類似，具有優(yōu)異的生物相容性，可負(fù)載不同材料，包容性非常強(qiáng)，同時(shí)其力學(xué)性質(zhì)可調(diào)，是一類優(yōu)秀的生物材料。

水凝膠的分類

水凝膠有多種分類方式。根據(jù)材料來源可分為天然水凝膠（如透明質(zhì)酸、膠原蛋白、海藻酸鈉等）和人工合成水凝膠（如聚丙烯酰胺、聚乙二醇等）。人體的許多組織（如肌肉、角膜、血管等）都可以歸為天然水凝膠，這也就使得水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、人體組織方面有巨大的應(yīng)用潛力。

水凝膠的應(yīng)用

水凝膠生物相容性、生物可降解性、高吸水、保水的特性使其廣泛適用于環(huán)境工程、柔性傳感、電化學(xué)等許多領(lǐng)域，尤其是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括組織工程、藥物輸送系統(tǒng)、傷口敷料、生物傳感器、隱形眼鏡、人工細(xì)胞等，有著廣泛的應(yīng)用。

水凝膠作為新型功能材料，具有高吸水保水性、生物相容性好、柔韌等特點(diǎn)，通過不同材料的選擇以及改性、復(fù)合等手段賦予其特定性能如自愈合性、環(huán)境響應(yīng)特性等。因此，關(guān)于水凝膠的研究數(shù)不勝數(shù)。同時(shí)水凝膠及其衍生物在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，其研究價(jià)值絕不僅限于此，這也是其大火的原因。

水凝膠的保水性能

水凝膠因其優(yōu)異的柔性、親水性和生物相容性等特點(diǎn)在組織工程、傷口敷料、藥物輸送、柔性電子、智能器件、能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，由于水凝膠中含有大量水分，水分不可避免地蒸發(fā)，而導(dǎo)致水凝膠在空氣中逐漸脫水，造成水凝膠柔性、彈性等功能逐漸喪失，這已嚴(yán)重限制了水凝膠的實(shí)際應(yīng)用。因此，提高水凝膠的保水性能對改善水凝膠的穩(wěn)定性、延長水凝膠的使用壽命、擴(kuò)展水凝膠的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

低場核磁技術(shù)研究水凝膠的保水性能

低場核磁共振（LF-NMR）在研究基于水遷移率的聚合物網(wǎng)絡(luò)的水傳輸和微觀結(jié)構(gòu)方面具有巨大潛力。與高分辨率核磁共振不同，低場核磁共振（LF-NMR）主要用于通過測量弛豫時(shí)間來闡明反映結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和相互作用的分子遷移率。研究表明，低場核磁共振（LF-NMR）是一種快速、無創(chuàng)、無損的測定水組分分布的方法。

對于水凝膠，不同環(huán)境中的水，如凝膠內(nèi)水或外水，可能表現(xiàn)出不同的弛豫性質(zhì)。T2組分對應(yīng)的幅度可以定量并計(jì)算膨脹率。此外，基于T2值與水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸之間的比例關(guān)系，可以描繪溶脹過程中由于濃度效應(yīng)引起的水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸變化。因此，低場核磁共振（LF-NMR）可以作為研究水凝膠溶脹過程中水的動(dòng)態(tài)傳輸和微觀結(jié)構(gòu)變化的有力工具。此外，低場核磁共振（LF-NMR）不需將水凝膠從溶脹體系中取出，即可直接原位測量水凝膠的T2分布。低場核磁技術(shù)是研究水凝膠的保水性能非常適用的一種技術(shù)。

紐邁PQ001系列核磁共振分析儀

水驅(qū)剩余油分布-低場核磁技術(shù)

隨著水驅(qū)開發(fā)的進(jìn)行，國內(nèi)大多數(shù)油田皆已進(jìn)入高含水、高采出程度的“雙高”階段，針對二次采油未能采出的未波及區(qū)的剩余油和波及區(qū)的殘余油，認(rèn)識(shí)剩余油為油田二次采油及三次采油提供重要依據(jù)尤為重要。

剩余油分布是指剩余油在地層中的分布情況，影響剩余油分布的因素眾多，主要受靜態(tài)儲(chǔ)層(地質(zhì)的)和動(dòng)態(tài)注采狀況(開發(fā)的)雙重因素的影響。靜態(tài)儲(chǔ)層因素是根本的、內(nèi)在的因素，注采狀況(開發(fā)條件)是影響剩余油分布的外部因素。

水驅(qū)剩余油分布-低場核磁技術(shù)

基于核磁對氫信號(hào)優(yōu)秀的捕捉能力，在油氣藏儲(chǔ)層研究中，發(fā)揮了巨大的作用。搭配多場耦合配件，可以模擬地層真實(shí)高溫高壓環(huán)境，巖心（水驅(qū)油核磁共振實(shí)驗(yàn)、水驅(qū)剩余油分布實(shí)驗(yàn)、微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、多相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)）不同尺寸孔隙中的油水信號(hào)在核磁T2譜中對應(yīng)的弛豫時(shí)間不同，隨著驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（水驅(qū)油核磁共振實(shí)驗(yàn)、水驅(qū)剩余油分布實(shí)驗(yàn)、微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、多相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)）的進(jìn)行，核磁T2譜隨著巖心內(nèi)部油水相態(tài)（多相驅(qū)替）的變化而發(fā)生變化，可以用定量來研究地層的油氣開采過程。同時(shí)基于核磁成像功能，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)驅(qū)替過程（水驅(qū)油核磁共振實(shí)驗(yàn)、水驅(qū)剩余油分布實(shí)驗(yàn)、微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、多相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)）的各個(gè)階段進(jìn)行成像，生動(dòng)形象的觀察動(dòng)態(tài)變化。實(shí)現(xiàn)驅(qū)替過程（水驅(qū)油核磁共振實(shí)驗(yàn)、水驅(qū)剩余油分布實(shí)驗(yàn)、微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、多相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)）中油水變化的可視化。

水驅(qū)剩余油分布-低場核磁儀器

MacroMR高溫高壓巖心驅(qū)替可視化系統(tǒng)能夠結(jié)合傳統(tǒng)的外圍驅(qū)替系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬地層高溫高壓環(huán)境，對巖心進(jìn)行全過程可視化驅(qū)替研究，可視化可以定性的評(píng)價(jià)巖心驅(qū)替情況，通過譜圖變化可定量計(jì)算出驅(qū)替量的多少；可以任意層面、多角度對巖心進(jìn)行無損切片選層觀測和分析；

水泥水化過程的水-低場核磁分析技術(shù)

水泥加水拌合后成為既有可塑性又有流動(dòng)性的水泥漿,同時(shí)產(chǎn)生水化,隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,逐漸失去流動(dòng)能力到達(dá)“初凝”.待完全失去可塑性,開始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),即為“終凝”.隨著水化,凝結(jié)的繼續(xù),漿體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度的堅(jiān)硬固體水泥石,即為硬化。

水泥與水拌合后,其顆粒表面的熟料礦物立即與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),各組分開始溶解,形成水化物,放出一定熱量,固相體積逐漸增加。

水化是水泥產(chǎn)生凝結(jié)硬化的前提，而凝結(jié)硬化是水泥水化的結(jié)果。水泥與水拌合后，它的顆粒表面的熟料礦物立即與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，各組分開始溶解，形成水化物，放出一定熱量后，固相體積逐漸增加。

水泥的水化程度

水泥的水化程度是指在一定時(shí)間內(nèi)，水泥顆粒水化量與水泥完全水化量的比值。在純水泥體系中，由于膠凝材料只有水泥，其水化程度即是整個(gè)試樣的水化程度。國內(nèi)外關(guān)于水化程度測試法有化學(xué)結(jié)合水法、CH定量測試法、水化熱法和水化動(dòng)力模擬等方法。

水泥水化過程的水低場核磁分析技術(shù)原理

低場核磁共振技術(shù)對于水泥漿體內(nèi)部不同自由程度的水分有著較高的敏感性。低場核磁共振技術(shù)以水分為“探針”可分析水分在漿體內(nèi)部的弛豫信息，表征水泥漿體水化進(jìn)程中微觀結(jié)構(gòu)，這使得利用低場核磁共振技術(shù)研究水泥水化程度成為可能。

橫向弛豫時(shí)間可表征早期的水泥水化反應(yīng)程度。現(xiàn)代水泥基材料科學(xué)的研究表明，不可蒸發(fā)水的含量與材料水化反應(yīng)的程度和產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)，而可蒸發(fā)水的含量及其狀態(tài)與材料的抗凍性、抗腐蝕性、徐變、干燥收縮等性能關(guān)系密切。由于水泥水化反應(yīng)隨時(shí)間變化的連續(xù)性，不可蒸發(fā)水和可蒸發(fā)水的含量及狀態(tài)也在不斷變化。

低場核磁技術(shù)研究水凝膠的保水性

什么是水凝膠？

水凝膠（Hydrogel）是由親水性聚合物鏈通過化學(xué)或物理交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)絡(luò)。它可以充分吸水而不溶于水，自身顯著溶脹的同時(shí)仍保持其原有的三維結(jié)構(gòu)。水凝膠含有大量的水（可達(dá)90%），質(zhì)地柔軟，性狀可變，物理性質(zhì)與生物組織類似，具有優(yōu)異的生物相容性，可負(fù)載不同材料，包容性及強(qiáng)，同時(shí)其力學(xué)性質(zhì)可調(diào)，是一類優(yōu)秀的生物材料。

水凝膠的分類

水凝膠有多種分類方式。根據(jù)材料來源可分為天然水凝膠（如透明質(zhì)酸、膠原蛋白、海藻酸鈉等）和人工合成水凝膠（如聚丙烯酰胺、聚乙二醇等）。人體的許多組織（如肌肉、角膜、血管等）都可以歸為天然水凝膠，這也就使得水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、人體組織方面有巨大的應(yīng)用潛力。

水凝膠的應(yīng)用

水凝膠生物相容性、生物可降解性、高吸水、保水的特性使其廣泛適用于環(huán)境工程、柔性傳感、電化學(xué)等許多領(lǐng)域，尤其是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括組織工程、藥物輸送系統(tǒng)、傷口敷料、生物傳感器、隱形眼鏡、人工細(xì)胞等，有著廣泛的應(yīng)用。

水凝膠作為新型功能材料，具有高吸水保水性、生物相容性好、柔韌等特點(diǎn)，通過不同材料的選擇以及改性、復(fù)合等手段賦予其特定性能如自愈合性、環(huán)境響應(yīng)特性等。因此，關(guān)于水凝膠的研究數(shù)不勝數(shù)。同時(shí)水凝膠及其衍生物在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，其研究價(jià)值絕不僅限于此，這也是其大火的原因。

水凝膠的保水性

水凝膠因其優(yōu)異的柔性、親水性和生物相容性等特點(diǎn)在組織工程、傷口敷料、藥物輸送、柔性電子、智能器件、能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，由于水凝膠中含有大量水分，水分不可避免地蒸發(fā)，而導(dǎo)致水凝膠在空氣中逐漸脫水，造成水凝膠柔性、彈性等功能逐漸喪失，這已嚴(yán)重限制了水凝膠的實(shí)際應(yīng)用。因此，提高水凝膠的保水性對改善水凝膠的穩(wěn)定性、延長水凝膠的使用壽命、擴(kuò)展水凝膠的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

低場核磁技術(shù)研究水凝膠的保水性

低場核磁共振（LF-NMR）在研究基于水遷移率的聚合物網(wǎng)絡(luò)的水傳輸和微觀結(jié)構(gòu)方面具有巨大潛力。與高分辨率核磁共振不同，低場核磁共振（LF-NMR）主要用于通過測量弛豫時(shí)間來闡明反映結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和相互作用的分子遷移率。研究表明，低場核磁共振（LF-NMR）是一種快速、無創(chuàng)、無損的測定水組分分布的方法。

對于水凝膠，不同環(huán)境中的水，如凝膠內(nèi)水或外水，可能表現(xiàn)出不同的弛豫性質(zhì)。T2組分對應(yīng)的幅度可以定量并計(jì)算膨脹率。此外，基于T2值與水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸之間的比例關(guān)系，可以描繪溶脹過程中由于濃度效應(yīng)引起的水凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔尺寸變化。因此，低場核磁共振（LF-NMR）可以作為研究水凝膠溶脹過程中水的動(dòng)態(tài)傳輸和微觀結(jié)構(gòu)變化的有力工具。此外，低場核磁共振（LF-NMR）不需將水凝膠從溶脹體系中取出，即可直接原位測量水凝膠的T2分布。低場核磁技術(shù)是研究水凝膠的保水性非常適用的一種技術(shù)。

紐邁PQ001系列核磁共振分析儀

低場核磁測水分流動(dòng)性

什么是低場核磁？

低場核磁共振（low-field magnetic resonance，LFMR）是一種物理測試技術(shù)，它利用外部磁場和磁化技術(shù)，對生物樣品中的氫原子進(jìn)行測量。LFMR技術(shù)的原理基于核自旋磁矩和外磁場之間的相互作用。

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

當(dāng)外磁場發(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。通過測量這些磁共振信號(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，從而對生物樣品進(jìn)行分析和研究。

低場核磁共振技術(shù)具有高分辨率、高靈敏度和高對比度等優(yōu)點(diǎn)，因此在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和地球科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

低場核磁如何檢測水分流動(dòng)性？

低場核磁共振技術(shù)可以用于檢測生物樣品中的水分流動(dòng)性。其原理是基于對質(zhì)子核自旋從食物成分（例如水，脂肪，碳水化合物和蛋白質(zhì)）中吸收的共振射頻的測量。質(zhì)子核自旋從食物成分中吸收共振射頻，由于質(zhì)子核自旋從食物成分中吸收的共振射頻，低場核磁共振儀可以測量質(zhì)子核自旋從食物成分中吸收的共振射頻。由于它的靈敏性、快速的分析速度、無創(chuàng)性和低成本，它已被廣泛用作表征食物中水分流動(dòng)性和分布的分析技術(shù)。

低場核磁共振技術(shù)可以測量水分子的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)態(tài)特性，以及水分子中各種化學(xué)物質(zhì)的分布和含量。這些信息可以被用于確定樣品中水分的含量、微觀結(jié)構(gòu)和水分子與其他成分的相互作用。這些信息也可以被用于確定樣品的干燥程度和質(zhì)量，以及其他與水分有關(guān)的特性。

低場核磁共振技術(shù)在檢測水分流動(dòng)性方面的應(yīng)用非常廣泛，包括水分在生物樣品中的分布、水分子的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)態(tài)特性、水分子中各種化學(xué)物質(zhì)的分布和含量等。例如，可以使用低場核磁共振技術(shù)測量果蔬中的水分含量、質(zhì)地特征和顏色特性，以及土壤中的水分含量和質(zhì)地特征。這些信息可以被用于確定樣品的干燥程度和質(zhì)量，以及其他與水分有關(guān)的特性。此外，低場核磁共振技術(shù)還可以用于監(jiān)測生物樣品的干燥過程和質(zhì)量變化，以及確定藥物中的水分含量和藥效。

環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度-低場核磁法

環(huán)氧樹脂屬于熱固性樹脂，同固化劑混合后，通過環(huán)氧樹脂分子和固化劑分子的相互接觸、纏繞達(dá)到均勻分布的狀態(tài)。環(huán)氧基同固化劑氨基中的活性氫發(fā)生縮合聚合反應(yīng)，從而形成高分子量的環(huán)氧化合物，具備了耐熱、高強(qiáng)度、耐水、耐溶劑、耐鹽霧、粘接強(qiáng)度、耐壓絕緣等使用性能。環(huán)氧樹脂的物理狀態(tài)變化是由化學(xué)變化引起的，逐步聚合的反應(yīng)程度將直接影響固化物的zui終使用性能。

交聯(lián)密度就是交聯(lián)聚合物里面交聯(lián)鍵的多少，一般用網(wǎng)鏈分子量的大小來表示。交聯(lián)密度越大，也就是單位體積內(nèi)的交聯(lián)鍵越多，交聯(lián)程度更大。對于用作塑料的交聯(lián)聚合物來講，比如環(huán)氧樹脂，交聯(lián)密度越大，其耐熱性更好，拉伸強(qiáng)度增加，但是過高的交聯(lián)度會(huì)導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度下降。對于用作橡膠的交聯(lián)聚合物，比如各種橡膠，交聯(lián)密度大，力學(xué)強(qiáng)度更好，回彈性更好。

環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度是衡量聚合反應(yīng)度的指標(biāo)，交聯(lián)密度對環(huán)氧樹脂zui終性能的影響至關(guān)重要，一般環(huán)氧體系需要達(dá)到75%甚至更高的交聯(lián)度，性能才能得到體現(xiàn)。

低場核磁法如何環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度：

低場核磁法是研究高分子材料中分子動(dòng)力學(xué)的一種非常重要和有效的手段．該技術(shù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是可以通過合理的實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)對研究體系中從低頻(Hz)到中頻(kHz)乃至高頻(MHz)范圍內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的觀測．因此．核磁法非常適合研究高分子體系中各類不同尺度分子運(yùn)動(dòng)．高分子材料中分子運(yùn)動(dòng)與交聯(lián)密度密切相關(guān)，通過分子運(yùn)動(dòng)的信息即可反映樣品的交聯(lián)密度。

低場核磁法環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度測試原理：

低場核磁法的主要檢測對象是氫核(1H),由于聚合物中不同鏈段上的H所處的周圍環(huán)境不一致,H的自旋磁矩(核自旋)存在差異。施加射頻脈沖后,自旋系統(tǒng)在恢復(fù)熱平衡狀態(tài)的過程中表現(xiàn)出來的弛豫行為不同,通過弛豫時(shí)間的差異可以體系聚合物的分子動(dòng)力學(xué)信息。而分子分子動(dòng)力學(xué)信息直接與聚合物的交聯(lián)密度、老化、填充劑相關(guān)。

分子內(nèi)和分子間氫質(zhì)子的偶極相互作用產(chǎn)生核磁共振的橫向弛豫。當(dāng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚合物的玻璃態(tài)溫度時(shí),聚合物網(wǎng)絡(luò)中的這種偶極相互作用被認(rèn)為是熱分子運(yùn)動(dòng)的平均。由于聚合物單鏈中的氫質(zhì)子被作為核磁共振測量的探針,于是一種修正的單鏈模型被引入并用來解釋聚合物的橫向弛豫。

固化體系環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度提升的途徑：

1. 提高固化溫度：排除爆聚前提下，低溫固化體系在常溫下具有更高交聯(lián)度。

2.延長固化時(shí)間：延長固化時(shí)間能提升交聯(lián)度，隨著固化的進(jìn)程，位阻達(dá)到一定的程度，交聯(lián)度提升幅度和程度就會(huì)大打折扣。

3.促進(jìn)劑的作用：促進(jìn)劑能降低體系活化能，促進(jìn)體系放熱，用量的大小跟提高活性的程度有關(guān)。但隨著位阻的增大，提升的幅度同樣有限。

4.環(huán)氧體系中其余材料的配合：含吸電子基團(tuán)的材料有延遲反應(yīng)的效果，含供電子基團(tuán)材料有促進(jìn)效果。如酯類延遲反應(yīng)，酚類加速放熱，含硅醇基的活性硅微粉有促進(jìn)效果等等。

5.階段性升溫固化：一定溫度條件下達(dá)到一定交聯(lián)度以后，進(jìn)而提升固化溫度，外加能量越過位阻繼續(xù)反應(yīng)，從而進(jìn)一步提升交聯(lián)度。

低場核磁技術(shù)研究硅膠老化

由于硅膠制品的使用越來越頻繁，硅膠產(chǎn)品在多數(shù)人的印象中是性能優(yōu)異且各方面使用體驗(yàn)都很好，許多老客戶也慢慢感覺到硅膠制品老化的現(xiàn)象，硅膠制品為什么會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

硅膠產(chǎn)品為什么會(huì)出現(xiàn)老化？

硅橡膠樹脂的粘合性比許多橡膠都要高，但硅膠同其它橡膠一樣，也會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，由于內(nèi)部分子鏈斷裂，使硅膠的性能發(fā)生了很大的變化。對于橡塑制品來說，硅膠產(chǎn)品危害蕞大的就是紫外線，紫外線會(huì)直接導(dǎo)致橡膠分子鏈的斷裂，這是因?yàn)楣枘z制品可吸收光能使橡膠內(nèi)產(chǎn)生自由分子。

硅膠產(chǎn)品老化的原因主要有以下三點(diǎn)：

1. 經(jīng)常有高溫或高溫環(huán)境。高溫度會(huì)加速硅膠材料的氧化環(huán)境，從而導(dǎo)致老化。

2. 化學(xué)因素。歸根結(jié)底，硅膠材料是一種化學(xué)物質(zhì)，有些化學(xué)因素會(huì)加速其老化。

3. 臭氧。硅材料很怕臭氧，會(huì)使硅膠制品的性能迅速下降，老化得很快。

硅膠老化的試驗(yàn)方法：

硅膠老化是硅膠性能受損的主要原因之一。由于產(chǎn)品的配方和使用條件各異，老化歷程快慢不一，所以，需要通過檢測技術(shù)對硅膠樣品進(jìn)行測試，以評(píng)定硅膠老化的程度及其對性能的影響。低場核磁技術(shù)可用于硅膠老化檢測。

低場核磁技術(shù)研究硅膠老化基本原理：

低場核磁共振技術(shù)是通過測定恒定磁場強(qiáng)度下樣品中1H的弛豫時(shí)間,從而獲得分子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)信息的方法。其基本原理是通過施加射頻脈沖給予處于恒定磁場中的樣品,使氫質(zhì)子發(fā)生共振,質(zhì)子所吸收的射頻波能量以非輻射的方式釋放后返回到基態(tài),此過程被稱為弛豫過程。弛豫又可分為橫向弛豫和縱向弛豫,樣品內(nèi)部氫質(zhì)子所處物理化學(xué)環(huán)境及存在狀態(tài)決定了弛豫時(shí)間的長短。從物理機(jī)制上,核磁弛豫過程是自旋氫原子核與環(huán)境之間通過相互作用進(jìn)行能量交換的過程。核磁共振是自旋不為零的原子在靜磁場中被磁化后,與特定射頻場產(chǎn)生共振吸收現(xiàn)象,吸收射頻脈沖能量后自旋核與周圍物質(zhì)相互作用,釋放能量,并恢復(fù)初始狀態(tài)過程。

硅膠老化是交聯(lián)體系發(fā)生變化的綜合過程,核磁共振的弛豫機(jī)制對這種變化具有高敏感性,其主要表現(xiàn)為橫向弛豫時(shí)間T2隨反應(yīng)時(shí)間延長的規(guī)律性變化。因此通過研究老化過程中硅膠樣品的弛豫時(shí)間變化規(guī)律及其與老化性能的關(guān)系,就可以間接評(píng)估硅膠老化的特性。

f

低場核磁橫相弛豫時(shí)間

在核磁共振現(xiàn)象中，弛豫是指原子核發(fā)生共振且處在高能狀態(tài)時(shí)，當(dāng)射頻脈沖停止后，將迅速恢復(fù)到原來低能狀態(tài)的現(xiàn)象。恢復(fù)的過程即稱為弛豫過程，它是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，需要一定的時(shí)間反映了質(zhì)子系統(tǒng)中質(zhì)子之間和質(zhì)子周圍環(huán)境之間的相互作用。

完成弛豫過程分兩步進(jìn)行，即縱向磁化強(qiáng)度矢量Mz恢復(fù)到最初平衡狀態(tài)的M0和橫向磁化強(qiáng)度Mxy要衰減到零，這兩步是同時(shí)開始但獨(dú)立完成的，下面將簡單介紹低場核磁橫相弛豫過程和低場核磁橫相弛豫時(shí)間T2。

低場核磁橫相弛豫過程

在射頻脈沖的作用下，所有質(zhì)子的相位都相同，它們都沿相同的方向排列，以相同的角速度（或角頻率）繞外磁場進(jìn)動(dòng)。當(dāng)射頻脈沖停止后，同相位的質(zhì)子彼此之間將逐漸出現(xiàn)相位差，即失相位。我們把質(zhì)子由同相位逐漸分散zui終均勻分布，宏觀表現(xiàn)為其橫向磁化強(qiáng)度矢量Mxy從蕞大（對于π/2脈沖來說，為M0）逐漸衰減為0的過程稱為橫向弛豫過程。

低場核磁橫相弛豫時(shí)間

低場核磁橫相弛豫時(shí)間又稱自旋-自旋弛豫時(shí)間，通常用Mxymax衰減63%時(shí)所需的時(shí)間，所以經(jīng)過一個(gè)T2時(shí)間，Mxy還存在37%在實(shí)際工作中，一般認(rèn)為Mxy經(jīng)過5T2時(shí)間已基本衰減為零。下圖表示π/2脈沖之后Mxy隨時(shí)間的衰減曲線：

在MRI中，通常用橫向弛豫時(shí)間T2來描述橫向磁化強(qiáng)度Mxy衰減的快慢，如果T2小就說明橫向磁化強(qiáng)度Mxy衰減快。否則，若T2長就說明橫向磁化強(qiáng)度Mxy衰減慢。

在給定外磁場中，T2僅取決于組織，不同的組織由于其自旋-自旋相互作用效果不同，而這種效果取決于質(zhì)子間的接近程度。由于不同組織自旋-自旋相互作用效果不同，所以不同組織的T2不同，固體中的T2比液體中的T2短的多。特別注意的是：橫向弛豫時(shí)間T2比縱向弛豫時(shí)間T1快5-10倍，也就是說在縱向磁化強(qiáng)度恢復(fù)到M0時(shí)，橫向磁化強(qiáng)度早已經(jīng)衰減為零。

低場核磁反演方法研究

無論是低場核磁縱向弛豫還是低場核磁橫向弛豫，對于決大多數(shù)樣品來說，低場核磁弛豫信號(hào)都可以用多指數(shù)函數(shù)來表達(dá)。通常情況下，分別利用CPMG實(shí)驗(yàn)和IR實(shí)驗(yàn)來檢測樣品的橫向弛豫過程和縱向弛豫過程，低場核磁弛豫信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式(1)和公式(2)所示：

其中fi表示樣品中第i種成分的信號(hào)強(qiáng)度，總信號(hào)的大小是所有成分產(chǎn)生信號(hào)大小的總和，T2i和T1i表示樣品中第i種成分的橫向弛豫時(shí)間和縱向弛豫時(shí)間。

低場核磁反演方法研究：

弛豫信號(hào)反演的目標(biāo)是通過上面的公式(1)公式(2)來計(jì)算樣品中的每個(gè)值(或者稱為樣品中質(zhì)子分布的密度函數(shù)，也稱為T1分布或T2分布)。下面采用矩陣的形式重新改寫上述數(shù)學(xué)表達(dá)式：

Y=A * F

低場核磁反演方法研究實(shí)例：

以多組分T2反演為例，如下圖，左邊是回波串，右邊是反演結(jié)果（T2分布）。下式表示每一個(gè)回波的等式系統(tǒng)。一般物質(zhì)的T2分布是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，但是為簡化反演，計(jì)算使用一個(gè)多指數(shù)模型，并假定T2分布包含有m個(gè)獨(dú)立的弛豫時(shí)間T2i，對應(yīng)的幅值分量為fi。T2i的值是預(yù)先選定的（如0.5ms，1ms，2ms，4ms，8ms，16ms，32ms，64ms，128ms，256ms，512ms，…）。反演的過程主要是確定每個(gè)分布的孔隙度分量.

低場核磁反演方法研究（T2分布）

定組分反演和二維反演在原理上和多組分反演都是一致的，是一個(gè)設(shè)置模型不斷尋優(yōu)的過程。不同的方法間，模型函數(shù)和尋優(yōu)方法會(huì)有稍許不同。