小型核磁共振

核磁共振（NMR）是一项复杂的技术。初学时，核磁共振专家告诉我们那些漂亮的实验都很简单，而我们对它着迷的同时也面临着堆积成山的信息，包括脉冲、扳转角、旋转坐标系、密度矩阵等。为什么不能像操作DVD播放器或其他复杂设备（例如手机）那样开展核磁共振实验呢？核磁共振谱仪肯定比咖啡机要复杂得多，所以谱仪的使用不会特别简单。但核磁共振谱仪真的比手机更复杂吗？答案恐怕是否定的！我们使用移动电话时并不了解其功能实现和内部电路的技术细节。那么为什么核磁共振谱仪不能像手机那样便捷地得到漂亮的实验结果呢？

目前，专用化和个性化的小型核磁共振仪器是核磁共振领域挑战的课题之一。小型核磁共振仪器技术相对新颖，也越来越受欢迎。本书作为小型化核磁共振仪器与应用的指南，通过讲解基础知识和操作方法让读者能成功地完成核磁共振实验。本书主要介绍在用于材料和过程分析方面的小型和移动型核磁共振仪器，不掌握、了解核磁共振知识的研究人员可能需要这些技术。第1章是核磁共振和移动式核磁共振的基本介绍。第2章讨论核磁共振实验仪器。第3章讲述核磁共振实验的基本类型。第4～8章为核磁共振实验在流体、聚合物、生物组织、多孔介质和文化遗产领域的代表性应用。每个应用都会根据先前章节中的原理给出测量和数据评价方法，内容包括目标、理论背景、脉冲序列和参数、初级测量、高级测量以及数据处理。希望本书能够帮助核磁共振初学者在小型核磁共振设备上成功开展测量实验，即便现在使用核磁共振设备还达不到像使用手机那样的简便程度。

本书得益于许多朋友和亚琛核磁共振研究组成员的帮助。他们贡献了本书中某些章节的早期版本，核对了脉冲序列和相位列表，重要的是提供了文中许多实例的实验数据。感谢下列人士对本书内容的科学贡献：Alina Adams、Sophia Anferova、Vladimir Anferov、Stephan Appelt、Juliane Arnold、Maria Baias、Peter Blümler、Federico Casanova、Ernesto Danieli、Vasiliki Demas、Dan Demco、Gunnar Eidmann、Ralf Eymael、Stefan Glggler、Nicolae Goga、Andreas Guthausen、Gisela Guthausen、Agnes Haber、Rolf Haken、Song-I Han、Christian Hedesiu、Volker Herrmann、Jürgen Kolz、Kidist Hailu、Bharatam Jagadeesh、Martin Klein、Kai Kremer、Rance Kwamen、Maxime Van Landeghem、Dirk Oligschlger、Eva Paciok、Josefina Perlo、Juan Perlo、Pablo Prado、Gabriel Rata Doru、Ralf Savelsberg、Udo Schmitz、Andrea Schweiger、Shatrughan Sharma、Siegfried Stapf、Oscar Sucre、Yadoallah Teimouri、Jochen Vieβ、Alexandra Voda、Anette Wiesmath、Eiichi Fukushima、Tia Ishi。Eva Paciok和Lutz Weihermüller校对了本书早期版本。Gisela Guthausen、Burkhard Luy、Antonio Marchi、Peter McDonald和Frank Rühli提供了独特的插图。Bernhard特别感谢Joanie接纳一个总是心不在焉的丈夫，Sabina特别感谢Andreas在早餐前进行的讨论，Wasif特别感谢母亲Rifqua Ejaz的倾听以及Aroosa Ijaz的支持。

Bernhard Blümich

Sabina Haber-Pohlmeier

Wasif Zia

2013年8月31日

亚琛

本书作为小型化核磁共振仪器与应用的指南，通过讲解基础知识和操作方法让读者能成功地开展核磁共振实验。本书的内容集中在用于材料和过程分析方面的小型和移动型核磁共振仪器，几乎没有核磁共振知识的研究人员*可能需要这些技术。第1章是核磁共振和小型核磁共振的基本介绍。第2章讨论核磁共振实验仪器。第3章讲述核磁共振实验的基本类型。第4～8章为核磁共振实验在流体、聚合物、生物组织、多孔介质和文化遗产领域的代表性应用。每个应用都会根据先前章节中的原理给出测量和数据评价方法，内容包括：目标、理论背景、脉冲序列和参数、初级测量、高级测量以及数据处理。

本书适合化学、医学、生物、地学、材料、农林、食品和考古领域的相关人员阅读。

李新，中国石化石油工程技术研究院，副主任 高工，2012 年毕业于中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室地质

资源与地质工程专业，获工学博士学位。同年进入中国石油大学和中国石油化

工集团联合博士后工作站，研究方向为地球探测与信息技术，重点从事在线高

精度核磁共振检测系统和井下极  端环境核磁共振科学仪器与理论方法的研究

工作。2014 年晋升高级工程师（副高级职称），担任多项国家自然科学基金重

大科研仪器项目及国家十三五重大专项专题技术首席。

荣获北京市科学技术一等奖（2015）、中国石油化工和化学工业联合会技

术发明一等奖（2015）、中国石油和化工自动化应用协会技术发明一等奖

（2014）。

先后主持和参与多项国 家自然科学基金项目、国 家重大专项、科技部和中

国化工集团重点攻关项目。近年来，申请美国发明专利申请4 项，申请中国发

明专利申请30 余项，其中已获授权6 项，出版《天然气水合物的地球物理特

征与测井评价》专著1 部发表高水平学术论文30 余篇。

第1章核磁共振简介/ 1

1.1核磁共振2

1.2移动式核磁共振5

1.3测量方法8

1.4硬件14

1.5总结15

1.6延伸阅读16

第2章硬件和操作/ 17

2.1谱仪连接17

2.2测试样品18

2.3软件启动19

2.4噪声水平20

2.5调谐和匹配21

2.6刻度脉冲扳转角22

2.7脉冲序列和参数24

2.8数据处理29

2.9总结30

2.10延伸阅读31

第3章测量的类型/ 32

3.1自旋密度32

3.2弛豫和扩散42

3.3成像61

3.4波谱73

第4章溶液、乳状液和悬浮液/ 88

4.1溶液89

4.2乳状液98

4.3悬浮液105

第5章聚合物和弹性体/ 112

5.1弹性体114

5.2非晶态聚合物127

5.3半晶态聚合物131

第6章生物组织/ 142

6.1皮肤深度维剖面143

6.2肌腱各向异性151

6.3植物和水果157

第7章多孔介质/ 167

7.1岩石和沉积物168

7.2土壤179

7.3水泥和混凝土191

第8章文化遗产/ 203

8.1壁画和石画203

8.2架上绘画212

8.3木材219

8.4纸张和羊皮纸225

8.5木乃伊和骨骼230

第9章结束语/ 236

9.1未来发展236

9.2延伸阅读239

9.3参考文献240

本书作为小型化核磁共振仪器与应用的指南，通过讲解基础知识和操作方法让读者能成功地开展核磁共振实验。本书的内容集中在用于材料和过程分析方面的小型和移动型核磁共振仪器，几乎没有核磁共振知识的研究人员*可能需要这些技术。第1章是核磁共振和小型核磁共振的基本介绍。第2章讨论核磁共振实验仪器。第3章讲述核磁共振实验的基本类型。第4～8章为核磁共振实验在流体、聚合物、生物组织、多孔介质和文化遗产领域的代表性应用。每个应用都会根据先前章节中的原理给出测量和数据评价方法，内容包括：目标、理论背景、脉冲序列和参数、初级测量、高级测量以及数据处理。

本书适合化学、医学、生物、地学、材料、农林、食品和考古领域的相关人员阅读。

李新，中国石化石油工程技术研究院，副主任 高工，2012 年毕业于中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室地质

资源与地质工程专业，获工学博士学位。同年进入中国石油大学和中国石油化

工集团联合博士后工作站，研究方向为地球探测与信息技术，重点从事在线高

精度核磁共振检测系统和井下极  端环境核磁共振科学仪器与理论方法的研究

工作。2014 年晋升高级工程师（副高级职称），担任多项国家自然科学基金重

大科研仪器项目及国家十三五重大专项专题技术首席。

荣获北京市科学技术一等奖（2015）、中国石油化工和化学工业联合会技

术发明一等奖（2015）、中国石油和化工自动化应用协会技术发明一等奖

（2014）。

先后主持和参与多项国 家自然科学基金项目、国 家重大专项、科技部和中

国化工集团重点攻关项目。近年来，申请美国发明专利申请4 项，申请中国发

明专利申请30 余项，其中已获授权6 项，出版《天然气水合物的地球物理特

征与测井评价》专著1 部发表高水平学术论文30 余篇。

中文版序

小型核磁共振（Compact NMR）是核磁共振技术的一种独特实现形式，近年来凭借便捷、绿色和准确的优势，在工业、医学、农业、食品、材料等研究领域涌现出大量新方法、新应用，正快速蓬勃发展。

小型核磁共振的精华在于一个“小”字。“小”在字面上的意义主要指仪器的体积，它赋予核磁共振技术众多新特性和新生命力。这些特性包括：

，硬件轻量化。核磁共振硬件小型化包括探测器和电子系统两方面。探测器方面，磁体的缩小直接带来轻量化，线圈的缩小降低电子线路需求，促进了电子线路相应地变小变轻。核磁共振分析仪器经历了：落地式-桌面式-携带式-手持式-穿戴式的演化。硬件的轻量化使核磁共振从传统大型专用实验室转向大众化大规模应用具备了技术可行性基础。将核磁共振设备带至测量地点，开展原体原位测量的新概念极大扩展了核磁共振技术应用的想象空间，单边核磁共振甚至实现了任意大小物体的测量，这为核磁共振技术深入各个应用领域，与之结合发展提供了充沛动力。

第二，成本经济化。核磁共振硬件的小型化直接降低制造成本，这是实现规模化应用的第二个优势因素。小型核磁共振通常采用成本较低的永磁体作构建主磁场，硬件本身降低的同时，维护、屏蔽和场地成本也大大降低。随着经济性的提升，科研机构逐步流行配置小型核磁共振仪器开展基础教学和科学研究的选项。核磁共振技术逐渐普及和为大众了解，培育了较大规模的应用群体和专业人才。针对不断出现的特殊应用需求，促成厂商与使用者共同研究的灵活开发方式，产学研良性循环趋势显现。

第三，磁场简单化。小型（甚至开放式磁体）核磁共振仪器实现了波谱、成像和弛豫测量，能够从频率维度、空间维度和时间维度信息表征物体特性。由于大众化应用中更多面临的是多组分的非均质复杂系统的问题，成像和弛豫作为天然选择的主要方法。尤其是时域测量方法不但方法简便，十分适于多组分材料的快速评价，而且对磁场分布要求极低（基于单个条形磁体就能测量），非常适合低成本应用，发展出许多标志性方法。

“小”为核磁共振带来的主要问题就是磁场强度变“小”，波谱和成像分辨率相应降低。而由于易于实现，发展出了多种场强、多种梯度的小型核磁共振磁体，加上正则化逆拉普拉斯变换反演的多解性，小型核磁共振较难实现计量的标准化、操作的标准化。

《小型核磁共振》一书的目的就是解决操作的复杂性问题，争取让使用者能够像使用手机那样便捷地完成实验。这部著作详细阐述了小型核磁共振的概念、方法和硬件操作，通过大量新颖的实例，以教学的方式给出在不同领域测量复杂多组分系统的标准化序列、参数和流程，相信对于核磁共振技术研发人员和使用者都大有裨益。

核磁共振小仪器，新应用，大舞台！核磁共振小型化的过程就是其大众化、普及化的过程。小型核磁共振的灵活性和成本优势，加上低场-时域技术组合，形成了良好的竞争力。未来，小型核磁共振的潜力还将不断被挖掘和发现！ 

由于作者水平有限，书中不免有纰漏之处，恳请批评指正！

                                                        李   新