低場核磁共振技術測定煙絲水分含量的參數優化

鄭松錦，張渝婕，鐘良，段海濤，劉玉斌

（河北中煙工業有限責任公司，河北 石家莊 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，在恒定磁場和交變磁場的作用下與交變磁場發生能量交換的現象，使原子核能級發生躍遷，產生核磁共振信號[1]。目前，以氫核為研究對象的核磁共振技術應用得比較廣泛。低場核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）一般指恒定磁場強度低于0.5 T 的核磁共振現象[2]。LF-NMR 技術具有快速、無損、環保、樣品制備簡單等優勢，已廣泛應用于農學、食品科學等領域[3～7]，但在煙草領域的應用研究還處于起步階段[8]。LF-NMR 的弛豫時間可以反映樣品氫質子的物理化學性質，包括縱向弛豫時間（T1）和橫向弛豫時間（T2），其中T2變化范圍較大、對多相態水分更加敏感[9]。我國科技工作者應用LF-NMR技術對煙絲的含水率[10～13]、水分分布狀態[14，15]、水分遷移干燥特性[16，17]等進行了研究，發現應用LF-NMR技術研究煙草制品的水分分布與變化情況具有快速、精確、穩定性較好的優勢。但對文獻進行分析時發現，不同人員在研究過程中選用的LF-NMR 檢測參數有一定區別。如，梁國海等[11]在研究中煙絲樣品用量為0.5 g，重復掃描次數為128 次；韓李鋒等[12]選擇的檢測參數為煙草制品用量1.200 g，壓實高度1.5～2.0 cm，重復掃描次數320 次；也有研究者采用的重復掃描次數是16 次[15～17]和32 次[8]等。適宜的參數設置不僅是獲得樣品內部信息的必要前提，也是發現樣品內在屬性，提高研究效率的重要條件。目前，關于煙絲裝樣量、裝樣密度、樣品溫度、重復掃描次數等對核磁檢測結果的影響鮮有報道。基于以上分析，以煙絲為研究對象，采用單因素試驗設計對LF-NMR 檢測過程中的樣品弛豫時間、峰面積、峰面積比例等進行測定，篩選適宜的檢測參數，為應用LF-NMR 技術快速檢測煙草水分含量提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 煙絲 煙絲樣品為鉆石（荷花）烤煙型烘后絲，由河北中煙工業有限責任公司提供。將煙絲放置在符合GB/T 16447要求的恒溫恒濕箱內平衡48 h，備用。

1.1.2 儀器 核磁共振成像分析儀：型號NMI20-040V-I，共振頻率20.73 MHz，磁體強度（0.52±0.05）T，線圈直徑40 mm，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產；Ohaus AR2140 電子天平：感量0.000 1 g，奧豪斯儀器（上海）有限公司生產；聚四氟乙烯核磁管：外徑40 mm，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產；KBF240 恒溫恒濕箱：德國Binder 公司生產。

1.2 試驗方法

1.2.1 LF-NMR 檢測參數 測試選用CPMG 序列。序列參數為：主頻20 MHz，接收帶寬200 kHz，偏移頻率731 574.3 Hz，90°脈沖時間12 μs，重復采樣等待時間1 000 ms，采樣點數40 004 個，回波個數2 000個，回波時間0.1 ms，180°脈沖時間23.52 μs，射頻時延0.025 ms，模擬增益20 db，數字增益3，重復掃描次數16 次。

1.2.2 試驗設計 采用單因素試驗設計，分別考察了不同裝樣量、裝樣密度、樣品溫度、重復掃描次數對LF-NMR 弛豫時間、弛豫峰面積和峰面積比例的影響。

基于對儀器磁場均勻性等要求，樣品的填裝高度必須小于所設定的視野值（40 mm）。為了保證檢測結果準確，煙絲的裝樣高度均≤40 mm。在稱取煙絲樣品時，精確均為0.000 1 g。測試環境溫度為（22±2）℃，相對濕度為60%±5%。每個處理均進行3次重復，每個重復均進行3 次平行測試。

1.2.2.1 裝樣量對LF-NMR 測定結果的影響。分別稱取2、3、4、5、6、7、8、9、10 g 質量梯度的煙絲樣品，裝樣高度為38 mm，重復掃描次數為16 次，在裝樣后5 min 之內立刻置于核磁分析設備中進行T2弛豫圖譜信息采集。

1.2.2.2 裝樣密度對LF-NMR 測定結果的影響。分別采用相同質量不同裝填高度、不同質量同一裝填高度2種裝樣方式，研究不同裝樣密度及其均勻性對CPMG序列的影響。其中，相同質量不同裝填高度裝樣方式的試驗操作方法是，稱取7 g 煙絲樣品，裝填入以聚四氟乙烯材料制作的壓實器中，旋扭壓實器形成不同的裝樣高度，即裝樣高度設計3.0、3.3、3.5、3.7、4.0 cm計5 個處理，重復掃描次數為16 次，在裝樣后5 min之內放入核磁分析設備中進行測試；不同質量同一裝填高度裝樣方式的試驗操作方法是，分別稱取4、5、6、7 和8 g 煙絲樣品，裝填入以聚四氟乙烯材料制作的壓實器中，旋扭壓實器使裝樣高度均為38 mm，重復掃描次數為16 次，在裝樣后5 min 之內放入核磁分析設備中進行測試。

1.2.2.3 樣品溫度對LF-NMR 測定結果的影響。煙草水分檢測環境要求物料溫度為室溫，而核磁共振分析儀的檢測腔體工作溫度為（32±0.1）℃，且煙草物料的水分易受溫度影響，因此采用間接法考察物料溫度對測試結果的影響。即通過物料在高于物料溫度的腔體環境中放置時間的增加導致物料逐漸升溫，間接考察被測物料溫度變化對測定結果的影響。

稱取7 g 煙絲樣品，裝樣高度為38 mm，重復掃描次數為16 次，將室溫的待測樣品置于核磁分析設備中，分別檢測放置0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70 和80 min 時的煙絲CPMG 信號值。

1.2.2.4 重復掃描次數對LF-NMR 測定結果的影響。重復掃描次數是儀器相對獨立采樣過程中進行的重復采樣次數，其影響采樣信號的信號和噪聲比以及采集信號的總時間。重復掃描次數越大，信號的信噪比越大，采樣的時間也越長。重復掃描次數的大小應該根據樣品信號的強弱進行調整。

稱取7 g 煙絲樣品，裝樣高度為38 mm，分別設置重復掃描次數2、4、8、16、32 和64 次。在裝樣后5 min 之內置于核磁分析設備中累加采集信號，得到CPMG 序列弛豫信息，分析T2弛豫圖譜。

1.2.3 數據統計分析 利用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據統計與作圖，利用SPSS 20.0 軟件進行相關性分析和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 裝樣量對LF-NMR 測定結果的影響

LF-NMR 的T2可以反映水分的分布狀態。煙絲的T2弛豫圖譜呈現3 個明顯的波峰（圖1），按照煙絲的弛豫時間由短到長將波峰依次標記為T21、T22和T23。T21、T22、T23分別代表煙絲橫向弛豫圖譜中3 個波峰的弛豫時間，P21、P22、P23代表3 個波峰各峰面積占總面積的比例。

弛豫時間在0.01～1 ms 范圍內，T21峰的峰面積占總面積的比例為86.70%～88.63%，且信號幅值隨著裝樣量的增加呈逐漸遞增趨勢（圖1），可確定該組分為煙絲中水分氫質子的弛豫信號，所占比例最大。弛豫時間在1～100 ms 范圍內，T22和T23峰的峰面積比例共占11.38%～13.30%，信號幅值隨著裝樣量的增加而略有增加，可歸結為煙絲中油分物質氫質子的信號[12]（表1）。

圖1 煙絲的T2弛豫圖譜Fig.1 T2relaxation spectra of cut tobacco

表1 裝樣量對弛豫時間和峰面積比例的影響Table 1 Effects of sample weight on transverse relaxation time and peak area ratio

T21在裝樣量為2～8 g 時未發生變化，裝樣量＞8 g后隨著裝樣量的增加而增大；T22基本隨裝樣量的增加而增大，裝樣量為3～9 g 時無顯著差異，其中裝樣量為7～10 g 時指標值（5.34～5.60 ms）差異更小；T23隨裝樣量的增加呈波動上升趨勢，裝樣量為2～10 g 時無顯著差異，其中裝樣量為7～10 g 時指標值（32.75～32.96 ms）差異更小。隨著裝樣量的增加，P21呈先增后減的變化，其中裝樣量為6～8 g 時無顯著差異，裝樣量為7g時指標值最大；P22呈波動降低趨勢，其中裝樣量為2～9 g時無顯著差異；P23變化規律不明顯，但均無顯著差異，其中裝樣量為5～8 g 時差異更小。相關性分析結果顯示，裝樣量與T21、T22和T23均呈極顯著正相關，相關系數（r）分別達到了0.709、0.701、0.575；與P22呈極顯著負相關（r=-0.468），與P23呈顯著正相關（r=0.419）。

研究顯示，T2峰面積與煙絲水分含量呈線性關系[12，14]。對不同裝樣量的T2弛豫峰面積均值進行歸一化分析發現，其差異不明顯，變異系數均＜2%（表2），有較好的穩定性。其中，裝樣量為7～10 g 時，變異系數均＜1%，差異甚小。綜上分析認為，裝樣量為7 g 比較適宜，不僅測得的T2弛豫圖譜相關指標較好，且具有適用性。

表2 裝樣量對T2弛豫峰面積的影響Table 2 Effect of sample weight on transverse relaxation T2peak area

2.2 裝樣密度對LF-NMR 測定結果的影響

相同裝樣方式下，T21未發生變化，其他指標差異也均不明顯（表3 和4）。對相同裝樣方式的T2弛豫峰面積進行歸一化分析發現，其差異不明顯，變異系數均＜2%（表5）。說明裝樣密度對LF-NMR 測試結果無明顯影響。

表3 相同質量不同裝樣高度對弛豫時間和峰面積比例的影響Table 3 Effects of different sample loading heights with same weight on transverse relaxation time and peak area ratio

表4 不同質量相同裝樣高度對弛豫時間和峰面積比例的影響Table 4 Effects of different sample loading heights with different weight on transverse relaxation time and peak area ratio

表5 裝樣密度對T2弛豫峰面積的影響Table 5 Effects of sample loading density on transverse relaxation T2peak area

2.3 樣品溫度對LF-NMR 測定結果的影響

隨著樣品溫度的升高，T21整體呈上升趨勢，但T22和T23均無顯著變化；橫向弛豫T2反演譜的各峰面積比例均無顯著差異（表6）。將不同樣品溫度的T2弛豫峰面積進行歸一化分析發現，其差異不明顯，變異系數均＜2%。橫向弛豫時間T2表征的是樣品的物理化學性質，反映的是水分的賦存狀態；而峰面積表征的是待測樣品的水分含量。綜上分析認為，樣品溫度對LF-NMR 測試煙絲水分無明顯影響。

2.4 重復掃描次數對LF-NMR 測定結果的影響

T21在重復掃描次數為8、16、32 次時保持不變，且與重復掃描次數2、4、64 次處理均無顯著差異；T22和T23均在重復掃描次數為16 和32 次時保持不變，且與其他重復掃描次數處理均無顯著差異（表8）。重復掃描次數為16 次和32 次時，T21、T22、T23指標值均介于極大值與極小值之間，且與2 個極值均無顯著差異，具有代表性。不同重復掃描次數處理的橫向弛豫T2反演譜各峰面積比例均無顯著差異。

表6 樣品溫度對弛豫時間和峰面積比例的影響Table 6 Effects of sample temperature on transverse relaxation time and peak area ratio

表7 樣品溫度對T2弛豫峰面積的影響Table 7 Effect of sample temperature on transverse relaxation T2peak area

將不同重復掃描次數的T2弛豫峰面積進行歸一化分析發現，隨著重復掃描次數的增加，其變異系數有逐漸變小的趨勢，其中重復掃描次數≥16 時變異系數均＜1%（表9），即重復掃描次數≥16 時檢測結果變化甚小。

隨著掃描次數的增加，檢測等待時間增加，會導致檢測效率降低。綜合考慮認為，適宜的重復掃描次數為16 次。

3 結論與討論

通過試驗研究了煙絲裝樣量、裝樣密度、樣品溫度和重復掃描次數對LF-NMR 檢測煙絲水分T2弛豫圖譜相關指標的影響。結果顯示，裝樣量與T2弛豫圖譜3 個波峰的弛豫時間均呈極顯著正相關，與T22峰面積比例呈極顯著負相關，與T23峰面積比例呈顯著正相關，弛豫時間和峰面積比例在裝樣量為7 g 時均處于數值穩定范圍內。峰面積在裝樣量為7 g 時變異系數較小，這是由于核磁檢測結果峰面積隨著裝樣量的增加而增大，變異系數隨著裝樣量的增加有逐漸變小的趨勢，即增大裝樣量可以減小檢測結果的系統誤差，但增大裝樣量會造成樣品裝填困難。根據試驗結果確定裝樣量7 g 較為合適。

表8 重復掃描次數對弛豫時間和峰面積比例的影響Table 8 Effects of NS on transverse relaxation time and peak area ratio

煙絲裝樣密度和樣品溫度對檢測結果均無顯著影響，核磁檢測結果僅與樣品中水分含量的大小有關，與樣品溫度和裝樣密度相關不顯著。核磁輸出信號是數次掃描的累加結果，隨著掃描次數的增加，信噪比增加，即隨著掃描次數的增加，核磁信號橫向弛豫T2峰面積變異系數有逐漸變小的趨勢；但掃描次數的增加會導致檢測等待時間增加，影響檢測結果的時效性。根據試驗結果確定適宜的重復掃描次數為16 次。

表9 重復掃描次數對T2弛豫峰面積的影響Table 9 Effect of NS on transverse relaxation T2peak area

適宜的LF-NMR 檢測條件對于保障數據的可靠性具有重要意義，根據試驗研究及分析結果確定煙絲水分檢測的核磁共振檢測參數，可保證檢測結果穩定、可靠，為應用LF-NMR 技術進行煙絲水分檢測提供適宜的檢測條件。