核磁的核磁共振

波谱核磁共振（核磁共振波谱）和核磁是同一种现象的不同描述方式。

核磁共振是指在外加恒定强磁场和射频辐射场的作用下，原子核可发生能级跃迁的现象。当原子核处于低能态时，可以通过吸收或发射特定频率的射频辐射而跃迁到高能态，这个特定频率被称为共振频率。核磁共振可以用于确定某种物质中不同原子核的数量和环境。

而波谱核磁共振是对核磁共振现象进行测量、分析和研究的方法和技术。它通过记录射频辐射的吸收或发射强度随频率的变化，得到核磁共振谱图。从核磁共振谱图可以得到关于化合物结构、分子运动、化学环境等信息。

因此波谱核磁共振和核磁的区别就是：核磁共振是一种物理现象，而波谱核磁共振是对这一现象进行测量和研究的方法。

波谱核磁共振技术的应用领域：

【食品农业】

在众多应用领域之中，食品农业应该是低场核磁共振技术应用较广泛的领域了，从国家标准的油料种子含油含水率的测定及固体脂肪含量SFC测定，再到农产品、果蔬、畜肉、海产品、乳制品等等，低场核磁共振技术都有应用。

【高分子材料】

这里所说的高分子材料主要包括：弹性体材料（如橡胶）、非金属复合材料（如玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等）、功能膜材料、纳米颗粒、凝胶等多孔材料。检测范围主要分为定量和定性研究。

其中定量包括：交联密度、橡胶及增塑剂含量、软硬段比例、氟含量等。

定性包括：硫化、固化、老化过程、降解过程、吸湿过程等。此外还有性能研究：颗粒聚合物相容性、颗粒表面改性、材料吸附性能、聚合物竞争性吸附、亲疏水表征等、分散性能等。

【岩石土壤】【生命科学】【石油勘探开发】等领域的应用，欢迎查看以往文章。

自由感应衰减(free induction decay, FID)是核磁共振现象的表现形式。下面将对核磁共振中的自由衰减信号（FID）进行简要的介绍。

　　核磁共振设备中会使用若干种不同种类的线圈。主要包括：梯度线圈和射频线圈两种，下面简单介绍下射频线圈的功能。

　　射频线圈具有发射和接收两个基本功能，包括发射线圈本接收线圈。发射线圈的功能是向检测样品发射射频脉冲，使质子的纵向磁化强度矢量发生翻转。接收线圈的功能是接收样品的核磁共振信号。

自由感性衰减信号（FID）

　　这里以π/2脉冲为例，在x轴方向通过发射线圈发射π/2脉冲，在旋转坐标系内，脉冲结束时，纵向磁化强度矢量M0翻转到xOy平面内并位于y‘轴方向。这样在π/2脉冲以后，可以得到一个横向磁化强度矢量。Mxy ，在xOy平面的运动是螺旋形衰减，见图1。若把发射线圈作为接受线圈，依据法拉第电磁感应定律可知，当旋转的 Mxy穿过xOy平面内位于x轴上的接收线圈，引起拖过线圈磁通量的变化时，就可在接收线圈内产生一感应电动势（或感应电流），这个感应电动势或感应电流称为核磁共振信号。

图1.横向磁化螺旋式衰减

由于Mxy是一个按正弦规律振荡、按指数规律衰减，所以接受的信号也是按正弦规律振荡，按指数规律衰减。信号变化如图2（a）。因此，这种按正弦规律振荡、按指数规律衰减的核磁共振信号习惯被称为自由感应衰减信号（free induction decay）

图2. FID信号波形

　　需要特别注意的是：由于Mxy以角频率ω0绕外磁场转动，接收到信号的角频率也是ω0，即信号的频率与射频脉冲相等，也就是产生核磁共振的频率。当一个较小的纵向磁化强度矢量M0在π/2脉冲作用下翻转到xOy平面内，其产生的FID信号见图2（b），这说明FID信号的大小与π/2脉冲停止后，Mxy初始大小或π/2脉冲作用前纵向磁化强度大小有关，Mxy越大，同一时刻产生的FID信号越强。

　　FID信号是强度随时间的变化波形，经傅立叶变换后偶可得到核磁共振信号强度随频率ν变化的波形，即核磁共振谱，如图3，图中ν0为共振频率。

核磁共振实验教学案例展示：硬脉冲FID 序列测量拉莫尔频率

图4.偏振状态下的FID信号

图5.接近共振状态下的FID信号

图6.共振状态下的FID信号

（来源：苏州纽迈分析仪器股份有限公司）

一、什么是便携式核磁仪？

便携式核磁仪（Portable Nuclear Magnetic Resonance，PNMR）是一种小型、轻便、易携带的核磁共振仪器。它的核心部分是一个低场强磁铁，通常在0.1T-1.5T之间。

二、便携式核磁仪有哪些特点？

1. 便携性强：体积小、重量轻、易于携带，可在实验室、野外和工业现场进行非破坏性的材料表征和分析。

2. 成本较低：相较于传统核磁共振仪，需要的设备和材料成本较低，因此价格更为合理。

3. 实时检测：可以进行实时检测，可以在很短的时间内提供有关样品的信息。

4. 操作简单：操作简单，使用便捷，只需要将样品放置在仪器中，并按照操作说明进行相应的设置和操作即可。

5. 非破坏性：是一种非破坏性的检测手段，可以在不破坏样品的情况下获取样品的信息。

6. 适用于小样品：样品室通常较小，可以容纳约1毫升的样品。因此，它适用于需要分析小样品的应用。

7. 多功能性：可以用于各种应用，包括油气勘探和开发、化学分析、生物医学研究、材料表征、食品和药品分析等领域。

低场核磁共振用于木材纤维饱和点(FSP)的测试-低温核磁技术

纤维饱和点(fiber saturation point,FSP)指的是木质纤维素材料细胞壁中吸着水处于饱和状态，而细胞腔和细胞间隙中没有自由水的特定含水率状态。纤维饱和点是木材物理力学性能发生变化的转折点，纤维饱和点可以采用多种方法测量，比如电学法、干缩法、差示扫描量热法和力学法等。以上几种实测法目前普遍存在操作过程复杂、限制条件多、耗时长等缺点，而且不同方法的测量结果之间存在一定差异，准确度也存在争议。

低场核磁共振技术可用于测定木材纤维饱和点，该方法能够较为快速地测定木材纤维饱和点，测试过程简便快捷，并且是无损与非侵入式的。

低温核磁技术测试木材纤维饱和点(FSP)原理

固态冰与液态水的核磁共振T2弛豫时间相差很大,冰的T2弛豫时间仅约6us,木材内吸着水的T2弛豫时间一般为毫秒级,很容易区分。核磁共振分析仪是以质子为探针,能够准确表达多孔介质内水分含量。通过选择适当的温度使木材细胞腔内自由水产生冻结,此时吸着仍然处于液态,从而可以准确获得细胞壁内吸着水的信号总量。

低温核磁技术检测对象

1、木材原料

2、木材制品

3、竹材

低温核磁技术应用案例

不同温度热处理后,花旗松试样的 T2 分布

参考文献：周凡丁, 高鑫, 蔡家斌, 庄寿增和周洪杰. 《利用低温NMR技术测定木材及其热处理材纤维饱和点》. 波谱学杂志 34, 期 1 (2017年): 7.

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波谱分析主要是以光学理论为基础，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互关系，从而进行物质分子几何异构、立体异构、构象异构和分子结构分析和鉴定的方法。

低场核磁共振是一种物理测试技术，它利用外部磁场和磁化技术，对生物样品中的氢原子进行测量。LFMR技术的原理基于核自旋磁矩和外磁场之间的相互作用。

当施加外磁场时，生物分子会产生核自旋磁矩，并在外磁场中排列成一定的结构。在这个过程中，一些能量较高的核自旋会被外磁场激发，形成核自旋磁矩。这些自旋磁矩在外磁场中会产生一定的磁场强度，我们称之为磁化强度。

当外磁场发生变化时，生物分子的磁化强度也会随之变化。这种变化会导致磁共振信号的产生。通过测量这些磁共振信号，我们可以了解生物分子的结构和磁化强度的变化，从而对生物样品进行分析和研究。

波谱分析与核磁的区别是什么呢？

波谱分析主要包括红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱，简称为四谱。

自1945年F.Bloch和E.M.Purcell为首的两个研究小组同时独立发现核磁共振现象以来，1H核磁共振在化学中的应用已有50年了。特别是近20年来，随着超导磁体和脉冲傅里叶变换法的普及，核磁共振的新方法、新技术不断涌现，如低场核磁共振技术的发展，是核磁共振的分析方法和技术不断完善，应用范围日趋扩大，样品用量减少，灵敏度大大提高。

低场核磁共振技术的应用方向：

【食品农业】

在众多应用领域之中，食品农业应该是低场核磁共振技术应用较广泛的领域了，从国家标准的油料种子含油含水率的测定及固体脂肪含量SFC测定，再到农产品、果蔬、畜肉、海产品、乳制品等等，低场核磁共振技术都有应用。如果问低场核磁共振技术是用来研究什么的，用一个词来总结就是“水分相态"，水分相态将之前大家对水分的研究（之前主要是含水率、水分活度等）扩展到了水分存在状态。

【高分子材料】

这里所说的高分子材料主要包括：弹性体材料（如橡胶）、非金属复合材料（如玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等）、功能膜材料、纳米颗粒、凝胶等多孔材料。检测范围主要分为定量和定性研究。

其中定量包括：交联密度、橡胶及增塑剂含量、软硬段比例、氟含量等。

定性包括：硫化、固化、老化过程、降解过程、吸湿过程等。此外还有性能研究：颗粒聚合物相容性、颗粒表面改性、材料吸附性能、聚合物竞争性吸附、亲疏水表征等、分散性能等。

【岩石土壤】、【生命科学】、【石油勘探开发领域】等领域的应用，可查阅以往发布的文章了解。

（来源：苏州纽迈分析仪器股份有限公司）