低场核磁共振技术测定烟丝水分含量的参数优化

郑松锦，张渝婕，钟良，段海涛，刘玉斌

（河北中烟工业有限责任公司，河北 石家庄 050051）

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是指具有固定磁矩的原子核如1H、13C、31P、9F、15N、129Xe 等，在恒定磁场和交变磁场的作用下与交变磁场发生能量交换的现象，使原子核能级发生跃迁，产生核磁共振信号[1]。目前，以氢核为研究对象的核磁共振技术应用得比较广泛。低场核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）一般指恒定磁场强度低于0.5 T 的核磁共振现象[2]。LF-NMR 技术具有快速、无损、环保、样品制备简单等优势，已广泛应用于农学、食品科学等领域[3～7]，但在烟草领域的应用研究还处于起步阶段[8]。LF-NMR 的弛豫时间可以反映样品氢质子的物理化学性质，包括纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2），其中T2变化范围较大、对多相态水分更加敏感[9]。我国科技工作者应用LF-NMR技术对烟丝的含水率[10～13]、水分分布状态[14，15]、水分迁移干燥特性[16，17]等进行了研究，发现应用LF-NMR技术研究烟草制品的水分分布与变化情况具有快速、精确、稳定性较好的优势。但对文献进行分析时发现，不同人员在研究过程中选用的LF-NMR 检测参数有一定区别。如，梁国海等[11]在研究中烟丝样品用量为0.5 g，重复扫描次数为128 次；韩李锋等[12]选择的检测参数为烟草制品用量1.200 g，压实高度1.5～2.0 cm，重复扫描次数320 次；也有研究者采用的重复扫描次数是16 次[15～17]和32 次[8]等。适宜的参数设置不仅是获得样品内部信息的必要前提，也是发现样品内在属性，提高研究效率的重要条件。目前，关于烟丝装样量、装样密度、样品温度、重复扫描次数等对核磁检测结果的影响鲜有报道。基于以上分析，以烟丝为研究对象，采用单因素试验设计对LF-NMR 检测过程中的样品弛豫时间、峰面积、峰面积比例等进行测定，筛选适宜的检测参数，为应用LF-NMR 技术快速检测烟草水分含量提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 烟丝 烟丝样品为钻石（荷花）烤烟型烘后丝，由河北中烟工业有限责任公司提供。将烟丝放置在符合GB/T 16447要求的恒温恒湿箱内平衡48 h，备用。

1.1.2 仪器 核磁共振成像分析仪：型号NMI20-040V-I，共振频率20.73 MHz，磁体强度（0.52±0.05）T，线圈直径40 mm，苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产；Ohaus AR2140 电子天平：感量0.000 1 g，奥豪斯仪器（上海）有限公司生产；聚四氟乙烯核磁管：外径40 mm，苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产；KBF240 恒温恒湿箱：德国Binder 公司生产。

1.2 试验方法

1.2.1 LF-NMR 检测参数 测试选用CPMG 序列。序列参数为：主频20 MHz，接收带宽200 kHz，偏移频率731 574.3 Hz，90°脉冲时间12 μs，重复采样等待时间1 000 ms，采样点数40 004 个，回波个数2 000个，回波时间0.1 ms，180°脉冲时间23.52 μs，射频时延0.025 ms，模拟增益20 db，数字增益3，重复扫描次数16 次。

1.2.2 试验设计 采用单因素试验设计，分别考察了不同装样量、装样密度、样品温度、重复扫描次数对LF-NMR 弛豫时间、弛豫峰面积和峰面积比例的影响。

基于对仪器磁场均匀性等要求，样品的填装高度必须小于所设定的视野值（40 mm）。为了保证检测结果准确，烟丝的装样高度均≤40 mm。在称取烟丝样品时，精确均为0.000 1 g。测试环境温度为（22±2）℃，相对湿度为60%±5%。每个处理均进行3次重复，每个重复均进行3 次平行测试。

1.2.2.1 装样量对LF-NMR 测定结果的影响。分别称取2、3、4、5、6、7、8、9、10 g 质量梯度的烟丝样品，装样高度为38 mm，重复扫描次数为16 次，在装样后5 min 之内立刻置于核磁分析设备中进行T2弛豫图谱信息采集。

1.2.2.2 装样密度对LF-NMR 测定结果的影响。分别采用相同质量不同装填高度、不同质量同一装填高度2种装样方式，研究不同装样密度及其均匀性对CPMG序列的影响。其中，相同质量不同装填高度装样方式的试验操作方法是，称取7 g 烟丝样品，装填入以聚四氟乙烯材料制作的压实器中，旋扭压实器形成不同的装样高度，即装样高度设计3.0、3.3、3.5、3.7、4.0 cm计5 个处理，重复扫描次数为16 次，在装样后5 min之内放入核磁分析设备中进行测试；不同质量同一装填高度装样方式的试验操作方法是，分别称取4、5、6、7 和8 g 烟丝样品，装填入以聚四氟乙烯材料制作的压实器中，旋扭压实器使装样高度均为38 mm，重复扫描次数为16 次，在装样后5 min 之内放入核磁分析设备中进行测试。

1.2.2.3 样品温度对LF-NMR 测定结果的影响。烟草水分检测环境要求物料温度为室温，而核磁共振分析仪的检测腔体工作温度为（32±0.1）℃，且烟草物料的水分易受温度影响，因此采用间接法考察物料温度对测试结果的影响。即通过物料在高于物料温度的腔体环境中放置时间的增加导致物料逐渐升温，间接考察被测物料温度变化对测定结果的影响。

称取7 g 烟丝样品，装样高度为38 mm，重复扫描次数为16 次，将室温的待测样品置于核磁分析设备中，分别检测放置0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70 和80 min 时的烟丝CPMG 信号值。

1.2.2.4 重复扫描次数对LF-NMR 测定结果的影响。重复扫描次数是仪器相对独立采样过程中进行的重复采样次数，其影响采样信号的信号和噪声比以及采集信号的总时间。重复扫描次数越大，信号的信噪比越大，采样的时间也越长。重复扫描次数的大小应该根据样品信号的强弱进行调整。

称取7 g 烟丝样品，装样高度为38 mm，分别设置重复扫描次数2、4、8、16、32 和64 次。在装样后5 min 之内置于核磁分析设备中累加采集信号，得到CPMG 序列弛豫信息，分析T2弛豫图谱。

1.2.3 数据统计分析 利用Microsoft Excel 2010 软件进行数据统计与作图，利用SPSS 20.0 软件进行相关性分析和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 装样量对LF-NMR 测定结果的影响

LF-NMR 的T2可以反映水分的分布状态。烟丝的T2弛豫图谱呈现3 个明显的波峰（图1），按照烟丝的弛豫时间由短到长将波峰依次标记为T21、T22和T23。T21、T22、T23分别代表烟丝横向弛豫图谱中3 个波峰的弛豫时间，P21、P22、P23代表3 个波峰各峰面积占总面积的比例。

弛豫时间在0.01～1 ms 范围内，T21峰的峰面积占总面积的比例为86.70%～88.63%，且信号幅值随着装样量的增加呈逐渐递增趋势（图1），可确定该组分为烟丝中水分氢质子的弛豫信号，所占比例最大。弛豫时间在1～100 ms 范围内，T22和T23峰的峰面积比例共占11.38%～13.30%，信号幅值随着装样量的增加而略有增加，可归结为烟丝中油分物质氢质子的信号[12]（表1）。

图1 烟丝的T2弛豫图谱Fig.1 T2relaxation spectra of cut tobacco

表1 装样量对弛豫时间和峰面积比例的影响Table 1 Effects of sample weight on transverse relaxation time and peak area ratio

T21在装样量为2～8 g 时未发生变化，装样量＞8 g后随着装样量的增加而增大；T22基本随装样量的增加而增大，装样量为3～9 g 时无显著差异，其中装样量为7～10 g 时指标值（5.34～5.60 ms）差异更小；T23随装样量的增加呈波动上升趋势，装样量为2～10 g 时无显著差异，其中装样量为7～10 g 时指标值（32.75～32.96 ms）差异更小。随着装样量的增加，P21呈先增后减的变化，其中装样量为6～8 g 时无显著差异，装样量为7g时指标值最大；P22呈波动降低趋势，其中装样量为2～9 g时无显著差异；P23变化规律不明显，但均无显著差异，其中装样量为5～8 g 时差异更小。相关性分析结果显示，装样量与T21、T22和T23均呈极显著正相关，相关系数（r）分别达到了0.709、0.701、0.575；与P22呈极显著负相关（r=-0.468），与P23呈显著正相关（r=0.419）。

研究显示，T2峰面积与烟丝水分含量呈线性关系[12，14]。对不同装样量的T2弛豫峰面积均值进行归一化分析发现，其差异不明显，变异系数均＜2%（表2），有较好的稳定性。其中，装样量为7～10 g 时，变异系数均＜1%，差异甚小。综上分析认为，装样量为7 g 比较适宜，不仅测得的T2弛豫图谱相关指标较好，且具有适用性。

表2 装样量对T2弛豫峰面积的影响Table 2 Effect of sample weight on transverse relaxation T2peak area

2.2 装样密度对LF-NMR 测定结果的影响

相同装样方式下，T21未发生变化，其他指标差异也均不明显（表3 和4）。对相同装样方式的T2弛豫峰面积进行归一化分析发现，其差异不明显，变异系数均＜2%（表5）。说明装样密度对LF-NMR 测试结果无明显影响。

表3 相同质量不同装样高度对弛豫时间和峰面积比例的影响Table 3 Effects of different sample loading heights with same weight on transverse relaxation time and peak area ratio

表4 不同质量相同装样高度对弛豫时间和峰面积比例的影响Table 4 Effects of different sample loading heights with different weight on transverse relaxation time and peak area ratio

表5 装样密度对T2弛豫峰面积的影响Table 5 Effects of sample loading density on transverse relaxation T2peak area

2.3 样品温度对LF-NMR 测定结果的影响

随着样品温度的升高，T21整体呈上升趋势，但T22和T23均无显著变化；横向弛豫T2反演谱的各峰面积比例均无显著差异（表6）。将不同样品温度的T2弛豫峰面积进行归一化分析发现，其差异不明显，变异系数均＜2%。横向弛豫时间T2表征的是样品的物理化学性质，反映的是水分的赋存状态；而峰面积表征的是待测样品的水分含量。综上分析认为，样品温度对LF-NMR 测试烟丝水分无明显影响。

2.4 重复扫描次数对LF-NMR 测定结果的影响

T21在重复扫描次数为8、16、32 次时保持不变，且与重复扫描次数2、4、64 次处理均无显著差异；T22和T23均在重复扫描次数为16 和32 次时保持不变，且与其他重复扫描次数处理均无显著差异（表8）。重复扫描次数为16 次和32 次时，T21、T22、T23指标值均介于极大值与极小值之间，且与2 个极值均无显著差异，具有代表性。不同重复扫描次数处理的横向弛豫T2反演谱各峰面积比例均无显著差异。

表6 样品温度对弛豫时间和峰面积比例的影响Table 6 Effects of sample temperature on transverse relaxation time and peak area ratio

表7 样品温度对T2弛豫峰面积的影响Table 7 Effect of sample temperature on transverse relaxation T2peak area

将不同重复扫描次数的T2弛豫峰面积进行归一化分析发现，随着重复扫描次数的增加，其变异系数有逐渐变小的趋势，其中重复扫描次数≥16 时变异系数均＜1%（表9），即重复扫描次数≥16 时检测结果变化甚小。

随着扫描次数的增加，检测等待时间增加，会导致检测效率降低。综合考虑认为，适宜的重复扫描次数为16 次。

3 结论与讨论

通过试验研究了烟丝装样量、装样密度、样品温度和重复扫描次数对LF-NMR 检测烟丝水分T2弛豫图谱相关指标的影响。结果显示，装样量与T2弛豫图谱3 个波峰的弛豫时间均呈极显著正相关，与T22峰面积比例呈极显著负相关，与T23峰面积比例呈显著正相关，弛豫时间和峰面积比例在装样量为7 g 时均处于数值稳定范围内。峰面积在装样量为7 g 时变异系数较小，这是由于核磁检测结果峰面积随着装样量的增加而增大，变异系数随着装样量的增加有逐渐变小的趋势，即增大装样量可以减小检测结果的系统误差，但增大装样量会造成样品装填困难。根据试验结果确定装样量7 g 较为合适。

表8 重复扫描次数对弛豫时间和峰面积比例的影响Table 8 Effects of NS on transverse relaxation time and peak area ratio

烟丝装样密度和样品温度对检测结果均无显著影响，核磁检测结果仅与样品中水分含量的大小有关，与样品温度和装样密度相关不显著。核磁输出信号是数次扫描的累加结果，随着扫描次数的增加，信噪比增加，即随着扫描次数的增加，核磁信号横向弛豫T2峰面积变异系数有逐渐变小的趋势；但扫描次数的增加会导致检测等待时间增加，影响检测结果的时效性。根据试验结果确定适宜的重复扫描次数为16 次。

表9 重复扫描次数对T2弛豫峰面积的影响Table 9 Effect of NS on transverse relaxation T2peak area

适宜的LF-NMR 检测条件对于保障数据的可靠性具有重要意义，根据试验研究及分析结果确定烟丝水分检测的核磁共振检测参数，可保证检测结果稳定、可靠，为应用LF-NMR 技术进行烟丝水分检测提供适宜的检测条件。