基于低场核磁共振技术的烟草含水率检测方法

郑松锦，张渝婕*，钟 良，段海涛，王丹利，牛丽娜，王海涛，刘玉斌，杨 翼

1. 河北中烟工业有限责任公司，石家庄市维明南大街1 号 050051

2. 苏州纽迈分析仪器股份有限公司，江苏省苏州市青花路98 号3 号 215151

含水率在烟草加工过程中是一个关键质量控制参数，它直接影响加工物料的物理性能、感官质量等［1］。目前烟草行业内测定烟草含水率的方法主要有烘箱法［2］、卡尔费休滴定法［3］、气相色谱法［4］、红外法、微波法［5］、近红外光谱法［6］等。卡尔费休滴定法、气相色谱法前处理时间长，且对操作人员、仪器设备以及检测试剂的要求也比较高，操作繁琐，不能满足常规使用要求［7］；红外法与微波法易受物料的颜色、密度、温度等影响［8］，检测结果误差较大。而烘箱法检测采用的是100 ℃、2 h的检测参数，还需冷却至室温［2］，检测耗时长，不能满足生产过程实时反馈、即时调整的要求。

核磁共振作为一种实时、无损、无侵入的定量测量技术，能够从微观的角度反映农产品的含水率、水分赋存状态等指标，在食品科学研究领域受到国内外学者广泛关注，已应用到农产品的含水率、水分分布等的测定中［9］。目前基于低场核磁共振技术在烟草含水率检测方面的研究已逐渐开展［8-12］，且建立了基于低场核磁共振技术的含水率检测方法，但并未对核磁共振法检测参数进行深入考察。因此，利用低场核磁共振技术对烟草含水率的检测参数进行分析和优化，旨在建立一种规范、快速、便于操作的基于低场核磁共振检测烟草含水率的方法，为烟草生产加工过程的参数设定、优化提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器及设备

钻石（荷花）烤烟型烘后叶丝（河北中烟工业有限责任公司提供）。

NMI20-040V-I 核磁共振成像分析仪［共振频率20.73 MHz，磁体强度（0.52±0.05）T，线圈直径40 mm］，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）；Ohaus AR2140 电子天平［感量0.000 1 g，奥豪斯仪器（上海）有限公司］；KBF240 恒温恒湿箱（德国Binder 公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

扫描次数的样品制备：将烘后叶丝通过烘烤及加水平衡的方式制备成不同含水率梯度（0～18%）的6 个样品，密封平衡备用。

其余的待测叶丝在GB/T 16447—2004［13］规定调节环境的恒温恒湿箱中平衡48 h 后，装入密封袋以备检测。

1.2.2 试验方法

扫描次数的确定：低场核磁共振检测仪的输出信号是数次扫描的累加结果，随着扫描次数（NS）的增加，信噪比随之降低，且信噪比的降低与扫描次数的平方根成正比。但重复扫描次数越多实验耗时越长，影响检测结果的时效性。为确定合适的扫描次数，需考察扫描次数对含水率测试结果的影响。扫描次数设置一般为2 的幂函数，选择了2、4、8、16、32、64 次共6 组实验参数进行比较。准确称取约7 g 的待测样品（精确到0.000 1 g），考察不同扫描次数对6 个不同含水率梯度（0～18%）样品的核磁检测结果信噪比影响。每个梯度样品检测3 次。

样品量的确定：考察2～13 g 叶丝样品核磁检测的首点信号值。每个取样量平行测定2 个样品，每个样品测定3 次并取平均值。

标准曲线的建立：低场核磁共振法是通过傅里叶公式把样品的磁共振信号变换成波普（频率）的一种微观分析方法。横向弛豫时间T2衰减曲线的首点信号值与样品的总含水量成正比；T2反演谱的不同波峰代表水分的不同状态，波峰所覆盖范围信号幅值代表该状态的含水量［14］。称取不同质量（3、4、5、6、7、8 g）的叶丝，利用CPMG 序列测量样品的横向弛豫谱，提取首点信号值，每个样品平行测定5 次，取平均值。用YC/T 31—1996 烘箱法［2］测定样品的含水量，以含水量为横坐标，首点信号值为纵坐标，绘制关系曲线或计算线性回归方程，拟合首点信号值和含水量得到一条标准曲线y=ax+b。

CPMG 序列采集样品T2信号，序列参数：SW=200 KHz，SF=20 MHz，O1=731 574.3 Hz，P1=12 ms，TD=40 004，RFD=0.025 ms，RG1=10.0 db，DRG1=3，Tw=1 000 ms，P2=23.52 us，TE=0.1 ms，NECH=2 000，PRG=3，NS=16。

FID 序列采集参数：SW=200 kHz，SF=20 MHz，O1=731 574.3 Hz，P1=12 ms，TD=1 024，RFD=0.025 ms，RG1=10.0 db，DRG1=3，Tw=1 000 ms，NS=16。

2 结果与分析

2.1 核磁管规格及装样高度的确定

试验所用NMI20-040V-I 型低场核磁共振检测仪加样口直径为40 mm，限制了核磁管的外径大小，适用的核磁管规格主要有5、10、20、25、30、40 mm 等几种。为了充分满足样品量对样品的代表性要求，确定实验所用核磁管外径为40 mm（内径约38 mm）。

基于对仪器磁场均匀性等要求，样品的高度必须小于所设定的视野Fov（40 mm）值。为保证样品检测结果的准确性，确定样品装样高度为≤38 mm。

2.2 核磁序列的确定

目前利用核磁共振分析物料含水率的序列主要有两种：FID 和CPMG。选取不同梯度含水率的叶丝为检测样品，考察两种核磁序列对测试结果的影响，每个样品测试5 次求其平均值和标准偏差，结果见表1。由表1 可以看出，在检测范围内，FID和CPMG两种序列的检测结果变异系数均小于2%，其中CPMG 序列的变异系数均小于1%，优于FID 序列。CPMG 脉冲序列以自旋回波脉冲序列为基础，在（90°）x 脉冲之后连续施加一系列等间隔偶数个（180°）y 脉冲，该序列是由Carr·Purcell·Meiboom·Gill 在Hahn 回波测量序列的基础上发展起来的，不仅消除了磁场不均匀性对横向弛豫时间T2的影响，并且可以在信号的回波峰点处采集到不受磁场均匀性影响的数据［15］，因此，确定烟草含水率核磁共振法的测试序列为CPMG 序列。

表1 两种核磁序列的叶丝样品测试结果均值、标准偏差及变异系数Tab.1 Mean value, standard deviation and variation coefficient of test results of cut tobacco using two types of LF-NMR sequences

2.3 扫描次数的确定

扫描次数对不同含水率样品核磁信号信噪比的影响结果见表2。从表2 可以看出：随着扫描次数的增加，信噪比随之增加；随着物料含水率的增加，核磁信号量也会增加，信噪比也随之增大。一般情况下，以提高信噪比为设置原则，低场核磁共振检测含水率时信噪比宜在80 以上，在含水率较低时易出现信噪比较低的情况，因此综合考虑测试结果的准确性和测试时间，结合生产实际的含水率范围，确定扫描次数为16 次。

表2 扫描次数对不同含水率样品核磁信号信噪比的影响Tab.2 Effects of scanning number on SNR of nuclear magnetic signals from tobacco samples of different moisture contents

2.4 样品量的确定

2～13 g 取样范围内样品核磁检测的首点信号值测试结果见表3。由表3 可以看出，随着样品量的增大，所测试样品的CPMG 首点信号值变异系数均有所下降。在实际测试过程中发现梗丝、膨胀烟丝等具有较高的填充值，在样品量高于8 g时不易压到检测高度，因此综合考虑样品的代表性及测试结果的稳定性，确定样品量为7 g。

表3 样品量对首点信号值的影响Tab.3 Effects of sample volume on the first point signal value

2.5 低场核磁共振法检测烟草含水率标准曲线的建立

不同含水量的低场核磁T2衰减曲线及T2弛豫谱如图1 所示。由图1 可以看出，低场核磁共振T2衰减曲线的首点信号值或弛豫谱的总峰面积与样品中氢质子的数量成正比，用信号首点值或者总峰面积可以表示样品的含水量；对标样的含水量和衰减曲线的首点信号值或横向弛豫谱的峰面积进行拟合，建立标准曲线，再通过测量待测样品的核磁信号可以迅速计算待测烟草样品的含水量。

图1 低场核磁T2衰减曲线及T2弛豫谱Fig.1 T2 decay curves and relaxation map in low-field nuclear magnetism

利用CPMG 序列测量样品的横向弛豫谱，提取首点信号值，每个样品平行测定5 次，以平均值计；用烘箱法测定样品的含水量，以含水量为横坐标，首点信号值为纵坐标，绘制关系曲线或计算线性回归方程，拟合首点信号值和含水量得到一条标准曲线，如图2 所示。由图2 可以看出，样品的含水量与首点信号值呈显著的线性正相关，通过线性回归分析，可得回归方程为：

y=15 388x-353.61（R2=0.996）

图2 叶丝首点信号值与含水量的关系Fig.2 Relationship between the first point signal value and moisture content in cut tobacco

式中：x 为被检测样品中含水量（g）；y 为T2弛豫谱首点信号值（a.u.）

2.6 低场核磁共振法检测烟草含水率方法的精密度

按照上述建立的方法，选取10 个平衡后的叶丝样品，在3 天内以相同的测试条件进行含水率核磁CPMG 首点信号值分析，对测得的数据求日内、日间标准偏差、平均值、变异系数，结果如表4所示。由表4 可以看出，日内精密度和日间精密度结果的变异系数均在2%以内，说明所建立的测试方法具有较好的精密度。

2.7 低场核磁共振法检测烟草含水率方法的准确性

按所建立的低场核磁共振法进行15 个待测样品的含水率检测，每个样品平行检测2 次，以2 次的CPMG 首点信号值均值计；并与15 个样品的烘箱法测定结果进行对比，结果见表5。由表5 可以看出，低场核磁共振法与烘箱法测得的结果差异均小于0.5 百分点，说明所建立的低场核磁共振法具有较好的稳定性和准确性。

2.8 低场核磁共振检法与烘箱法的检测时间对比

按所建立的低场核磁共振法与烘箱法对待测样品的含水率检测耗时进行比较，结果见表6。由表6 可以看出，低场核磁共振法与烘箱法在样品称量及数据处理方面耗时大致相同，但低场核磁共振法的检测时间仅需2 min，而烘箱法烘箱需时120 min，冷却需时30 min。

表4 精密度实验结果Tab.4 Results of experimental precision

表5 低场核磁共振法与烘箱法测定含水率对比Tab.5 Comparison between moisture contents determined by LF-NMR method and oven method

表6 低场核磁共振法与烘箱法测定含水率检测时间对比Tab.6 Comparison of test time for moisture content between LF-NMR method and oven method

3 结论

（1）建立了一种基于低场核磁共振技术检测烟草含水率的检测方法，对核磁序列、装样高度、样品量、扫描次数等检测参数进行优化，确定核磁序列CPMG，装样高度≤38 mm，样品量为7 g，扫描次数为16 次。

（2）利用CPMG 序列测量样品的横向弛豫谱，提取首点信号值，通过线性回归分析，建立首点信号值与含水量的标准曲线（R2=0.996），曲线呈显著线性正相关；试验验证了所建立的方法具有较好的精密度，日内精密度和日间精密度结果的变异系数均在2%以内。

（3）通过低场核磁共振法和烘箱法对15 个叶丝样品含水率的检测对比分析，检测结果具有较好的稳定性和准确性，但低场核磁共振法检测时间（2 min）远低于烘箱法（150 min），即所建立的低场核磁共振法适用于烟草含水率的快速、准确检测。