长弛豫LF-NMR仪器系统构建与应用方法研究

论文摘要

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。依据背景磁场强度不同,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）分析是一种正在兴起的测量技术,由于其无损、快速、测量结果一致性好等优点,具有广阔的发展前景。目前低场脉冲核磁共振技术的应用主要集中在石油、食品等具有短弛豫特性的低水领域,而在以长弛豫时间为特点的高水体系中还未见相关报道。其主要原因是由于长弛豫检测对LF-NMR硬件的高要求以及相关仪器系统和方法学尚未构建。LF-NMR技术在长弛豫体系检测的空白,阻碍了其在水溶液、食品饮料等领域的应用研究。为弥补LF-NMR技术在长弛豫体系研究与应用的空缺,本课题组与上海纽迈科技电子有限公司共同合作,致力于构建一套适用于长弛豫体系检测的低场脉冲核磁共振谱仪。本论文主要从以下几个方面展开了一些工作：1长弛豫LF-NMR系统的构建及技术条件的优化在硬件上,本研究针对长弛豫体系的特点主要在磁体柜恒温系统、射频放大器和数据采集器上做了相应优化；为了满足变温测定的需求,自主研发了一套可拆卸的LF-NMR变温附件,变温范围可达-5℃-100℃。软件上,本研究选用了离散式指数非线性拟合算法与分布式指数拟合算法作为处理CPMG弛豫曲线原始数据的主要反演算法,并对相应参数做了优化；研究了不同采样参数下对长弛豫体系实验结果的影响,认为当半回波时间设为500-800μs,TR取10s-15s,重复采样次数设为8,采用等间距取峰点的方式进行操作时,得到的结果最优。为了验证数据的可信度,本研究还建立了一套采样结果可靠性的验证标准。2应用长弛豫LF-NMR对水溶液弛豫特性的研究研究结果表明,非质子溶液表现出单组分弛豫行为,并且溶液浓度的升高能小幅度加快溶液弛豫速率。此外,随着温度的升高,非质子溶液的T2随温度单调增加,这是由于溶液内分子热运动加快,分子间平均距离逐渐增大,从而分子间偶极-偶极作用的减弱,导致了横向弛豫时间的增加。质子溶液则表现出快慢两种弛豫行为,本研究结合化学交换理论,得出了快弛豫组分由溶质分子中不可交换的质子构成,而慢弛豫组分由水氢质子、溶质分子中可交换质子以及部分不可交换质子构成的结论。同时随着浓度增加,质子溶液弛豫速率较非质子溶液有更明显的加快趋势。3新型PGSE-CPMG序列应用的初步研究本实验运用PGSE-CPMG序列对长弛豫水-油混合体系的检测进行了探索性研究。研究表明,长弛豫LF-NMR系统结合PGSE-CPMG序列可以良好的分离水-油信号,避免了传统一维T2分布谱对峰信号认定不清的情况,并有向定量检测发展的潜力。4食品饮料体系中的应用初探本实验对长弛豫LF-NMR系统在食品饮料辨识区分和货架期研究中的应用做了积极探索。结合PCA多元分析统计技术,LF-NMR可有效辨识五大类食品饮料体系,并且对同一类型不同品牌或产地的食品饮料的区分辨识也有良好的效果。同时对绿茶饮料货架期的研究表明,该技术能有效区分不同储藏时间的未开瓶与开瓶绿茶饮料,利用偏最小二乘法建立的预测模型,相关系数分别达到了0.996和0.987,自预测误差分别为3.5%和18.26%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 核磁共振原理及其发展简介
• 1.1.1 核磁共振原理
• 1.1.2 核磁共振发展概述
• 1.1.3 核磁共振技术的分类
• 1.2 低场脉冲核磁共振系统概述
• 1.2.1 低场脉冲核磁共振系统结构
• 1.2.2 低场核磁共振技术国内国外研究现状
• 1.3 低场脉冲核磁共振系统基本测量序列
• 1.3.1 自由感应衰减
• 1.3.2 自旋回波
• 1.3.3 CPMG序列
• 1.4 低场脉冲核磁共振技术在食品中的应用
• 1.4.1 食品中水分的研究
• 1.4.2 研究食品中的油脂
• 1.4.3 测量玻璃化转变温度
• 1.5 目前LF-NMR技术研究中存在的问题
• 1.6 研究目标和内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 长弛豫LF-NMR系统的构建
• 2.1 长弛豫LF-NMR系统主体硬件的构建
• 2.1.1 结构框架及工作原理
• 2.1.2 针对长弛豫体系的主要硬件选择与优化
• 2.2 附加变温系统的构建
• 2.2.1 变温系统的结构框架
• 2.2.2 变温系统技术中的几个关键问题
• 2.3 数据反演算法
• 2.3.1 离散式指数非线性拟合与分布式指数拟合
• 2.3.2 数据反演参数的优化
• 2.4 长弛豫LF-NMR系统采样参数的优化
• 2.4.1 半回波时间
• 2.4.2 重复时间
• 2.4.3 重复采样次数
• 2.4.4 90°与180°硬脉冲脉宽
• 2.4.5 回波峰点取点方式
• 2.5 磁场不均一性的测定
• 2.6 采样结果可靠性标准
• 2.7 小结
• 第3章 水溶液体系弛豫特性的表征
• 3.1 CPMG序列对水溶液体系弛豫特性的表征
• 3.1.1 实验试剂
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.4 数据处理与绘图
• 3.1.5 结果与分析
• 3.2 PGSE-CPMG序列对水溶液自扩散和弛豫特性的综合表征
• 3.2.1 二维PGSE-CPMG序列概述
• 3.2.2 实验部分
• 3.2.3 结果与讨论
• 3.3 小结
• 第4章 LF-NMR在食品饮料体系中的应用研究
• 4.1 食品饮料概述
• 4.2 在食品饮料辨识区分中的应用研究
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 在茶饮料货架期研究中的应用研究
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 研究生期间发表与待发表论文
• 致谢