低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定煙絲水分含量的參數(shù)優(yōu)化

鄭松錦，張渝婕，鐘良，段海濤，劉玉斌

（河北中煙工業(yè)有限責(zé)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(chǎng)和交變磁場(chǎng)的作用下與交變磁場(chǎng)發(fā)生能量交換的現(xiàn)象，使原子核能級(jí)發(fā)生躍遷，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)[1]。目前，以氫核為研究對(duì)象的核磁共振技術(shù)應(yīng)用得比較廣泛。低場(chǎng)核磁共振（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）一般指恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度低于0.5 T 的核磁共振現(xiàn)象[2]。LF-NMR 技術(shù)具有快速、無(wú)損、環(huán)保、樣品制備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)學(xué)、食品科學(xué)等領(lǐng)域[3～7]，但在煙草領(lǐng)域的應(yīng)用研究還處于起步階段[8]。LF-NMR 的弛豫時(shí)間可以反映樣品氫質(zhì)子的物理化學(xué)性質(zhì)，包括縱向弛豫時(shí)間（T1）和橫向弛豫時(shí)間（T2），其中T2變化范圍較大、對(duì)多相態(tài)水分更加敏感[9]。我國(guó)科技工作者應(yīng)用LF-NMR技術(shù)對(duì)煙絲的含水率[10～13]、水分分布狀態(tài)[14，15]、水分遷移干燥特性[16，17]等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用LF-NMR技術(shù)研究煙草制品的水分分布與變化情況具有快速、精確、穩(wěn)定性較好的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同人員在研究過(guò)程中選用的LF-NMR 檢測(cè)參數(shù)有一定區(qū)別。如，梁國(guó)海等[11]在研究中煙絲樣品用量為0.5 g，重復(fù)掃描次數(shù)為128 次；韓李鋒等[12]選擇的檢測(cè)參數(shù)為煙草制品用量1.200 g，壓實(shí)高度1.5～2.0 cm，重復(fù)掃描次數(shù)320 次；也有研究者采用的重復(fù)掃描次數(shù)是16 次[15～17]和32 次[8]等。適宜的參數(shù)設(shè)置不僅是獲得樣品內(nèi)部信息的必要前提，也是發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)在屬性，提高研究效率的重要條件。目前，關(guān)于煙絲裝樣量、裝樣密度、樣品溫度、重復(fù)掃描次數(shù)等對(duì)核磁檢測(cè)結(jié)果的影響鮮有報(bào)道?；谝陨戏治?，以煙絲為研究對(duì)象，采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)LF-NMR 檢測(cè)過(guò)程中的樣品弛豫時(shí)間、峰面積、峰面積比例等進(jìn)行測(cè)定，篩選適宜的檢測(cè)參數(shù)，為應(yīng)用LF-NMR 技術(shù)快速檢測(cè)煙草水分含量提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(yè)有限責(zé)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(nèi)平衡48 h，備用。

1.1.2 儀器 核磁共振成像分析儀：型號(hào)NMI20-040V-I，共振頻率20.73 MHz，磁體強(qiáng)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(chǎn)；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(chǎn)；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(chǎn)；KBF240 恒溫恒濕箱：德國(guó)Binder 公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 LF-NMR 檢測(cè)參數(shù) 測(cè)試選用CPMG 序列。序列參數(shù)為：主頻20 MHz，接收帶寬200 kHz，偏移頻率731 574.3 Hz，90°脈沖時(shí)間12 μs，重復(fù)采樣等待時(shí)間1 000 ms，采樣點(diǎn)數(shù)40 004 個(gè)，回波個(gè)數(shù)2 000個(gè)，回波時(shí)間0.1 ms，180°脈沖時(shí)間23.52 μs，射頻時(shí)延0.025 ms，模擬增益20 db，數(shù)字增益3，重復(fù)掃描次數(shù)16 次。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別考察了不同裝樣量、裝樣密度、樣品溫度、重復(fù)掃描次數(shù)對(duì)LF-NMR 弛豫時(shí)間、弛豫峰面積和峰面積比例的影響。

基于對(duì)儀器磁場(chǎng)均勻性等要求，樣品的填裝高度必須小于所設(shè)定的視野值（40 mm）。為了保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，煙絲的裝樣高度均≤40 mm。在稱取煙絲樣品時(shí)，精確均為0.000 1 g。測(cè)試環(huán)境溫度為（22±2）℃，相對(duì)濕度為60%±5%。每個(gè)處理均進(jìn)行3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)均進(jìn)行3 次平行測(cè)試。

1.2.2.1 裝樣量對(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響。分別稱取2、3、4、5、6、7、8、9、10 g 質(zhì)量梯度的煙絲樣品，裝樣高度為38 mm，重復(fù)掃描次數(shù)為16 次，在裝樣后5 min 之內(nèi)立刻置于核磁分析設(shè)備中進(jìn)行T2弛豫圖譜信息采集。

1.2.2.2 裝樣密度對(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響。分別采用相同質(zhì)量不同裝填高度、不同質(zhì)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(duì)CPMG序列的影響。其中，相同質(zhì)量不同裝填高度裝樣方式的試驗(yàn)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(shí)器中，旋扭壓實(shí)器形成不同的裝樣高度，即裝樣高度設(shè)計(jì)3.0、3.3、3.5、3.7、4.0 cm計(jì)5 個(gè)處理，重復(fù)掃描次數(shù)為16 次，在裝樣后5 min之內(nèi)放入核磁分析設(shè)備中進(jìn)行測(cè)試；不同質(zhì)量同一裝填高度裝樣方式的試驗(yàn)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(shí)器中，旋扭壓實(shí)器使裝樣高度均為38 mm，重復(fù)掃描次數(shù)為16 次，在裝樣后5 min 之內(nèi)放入核磁分析設(shè)備中進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2.3 樣品溫度對(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響。煙草水分檢測(cè)環(huán)境要求物料溫度為室溫，而核磁共振分析儀的檢測(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。即通過(guò)物料在高于物料溫度的腔體環(huán)境中放置時(shí)間的增加導(dǎo)致物料逐漸升溫，間接考察被測(cè)物料溫度變化對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

稱取7 g 煙絲樣品，裝樣高度為38 mm，重復(fù)掃描次數(shù)為16 次，將室溫的待測(cè)樣品置于核磁分析設(shè)備中，分別檢測(cè)放置0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70 和80 min 時(shí)的煙絲CPMG 信號(hào)值。

1.2.2.4 重復(fù)掃描次數(shù)對(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響。重復(fù)掃描次數(shù)是儀器相對(duì)獨(dú)立采樣過(guò)程中進(jìn)行的重復(fù)采樣次數(shù)，其影響采樣信號(hào)的信號(hào)和噪聲比以及采集信號(hào)的總時(shí)間。重復(fù)掃描次數(shù)越大，信號(hào)的信噪比越大，采樣的時(shí)間也越長(zhǎng)。重復(fù)掃描次數(shù)的大小應(yīng)該根據(jù)樣品信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行調(diào)整。

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

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 利用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與作圖，利用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 裝樣量對(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響

LF-NMR 的T2可以反映水分的分布狀態(tài)。煙絲的T2弛豫圖譜呈現(xiàn)3 個(gè)明顯的波峰（圖1），按照煙絲的弛豫時(shí)間由短到長(zhǎng)將波峰依次標(biāo)記為T(mén)21、T22和T23。T21、T22、T23分別代表煙絲橫向弛豫圖譜中3 個(gè)波峰的弛豫時(shí)間，P21、P22、P23代表3 個(gè)波峰各峰面積占總面積的比例。

弛豫時(shí)間在0.01～1 ms 范圍內(nèi)，T21峰的峰面積占總面積的比例為86.70%～88.63%，且信號(hào)幅值隨著裝樣量的增加呈逐漸遞增趨勢(shì)（圖1），可確定該組分為煙絲中水分氫質(zhì)子的弛豫信號(hào)，所占比例最大。弛豫時(shí)間在1～100 ms 范圍內(nèi)，T22和T23峰的峰面積比例共占11.38%～13.30%，信號(hào)幅值隨著裝樣量的增加而略有增加，可歸結(jié)為煙絲中油分物質(zhì)氫質(zhì)子的信號(hào)[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(duì)弛豫時(shí)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(shí)未發(fā)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(shí)無(wú)顯著差異，其中裝樣量為7～10 g 時(shí)指標(biāo)值（5.34～5.60 ms）差異更??；T23隨裝樣量的增加呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，裝樣量為2～10 g 時(shí)無(wú)顯著差異，其中裝樣量為7～10 g 時(shí)指標(biāo)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(shí)無(wú)顯著差異，裝樣量為7g時(shí)指標(biāo)值最大；P22呈波動(dòng)降低趨勢(shì)，其中裝樣量為2～9 g時(shí)無(wú)顯著差異；P23變化規(guī)律不明顯，但均無(wú)顯著差異，其中裝樣量為5～8 g 時(shí)差異更小。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，裝樣量與T21、T22和T23均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)（r）分別達(dá)到了0.709、0.701、0.575；與P22呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.468），與P23呈顯著正相關(guān)（r=0.419）。

研究顯示，T2峰面積與煙絲水分含量呈線性關(guān)系[12，14]。對(duì)不同裝樣量的T2弛豫峰面積均值進(jìn)行歸一化分析發(fā)現(xiàn)，其差異不明顯，變異系數(shù)均＜2%（表2），有較好的穩(wěn)定性。其中，裝樣量為7～10 g 時(shí)，變異系數(shù)均＜1%，差異甚小。綜上分析認(rèn)為，裝樣量為7 g 比較適宜，不僅測(cè)得的T2弛豫圖譜相關(guān)指標(biāo)較好，且具有適用性。

表2 裝樣量對(duì)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(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響

相同裝樣方式下，T21未發(fā)生變化，其他指標(biāo)差異也均不明顯（表3 和4）。對(duì)相同裝樣方式的T2弛豫峰面積進(jìn)行歸一化分析發(fā)現(xiàn)，其差異不明顯，變異系數(shù)均＜2%（表5）。說(shuō)明裝樣密度對(duì)LF-NMR 測(cè)試結(jié)果無(wú)明顯影響。

表3 相同質(zhì)量不同裝樣高度對(duì)弛豫時(shí)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(zhì)量相同裝樣高度對(duì)弛豫時(shí)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(duì)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(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響

隨著樣品溫度的升高，T21整體呈上升趨勢(shì)，但T22和T23均無(wú)顯著變化；橫向弛豫T2反演譜的各峰面積比例均無(wú)顯著差異（表6）。將不同樣品溫度的T2弛豫峰面積進(jìn)行歸一化分析發(fā)現(xiàn)，其差異不明顯，變異系數(shù)均＜2%。橫向弛豫時(shí)間T2表征的是樣品的物理化學(xué)性質(zhì)，反映的是水分的賦存狀態(tài)；而峰面積表征的是待測(cè)樣品的水分含量。綜上分析認(rèn)為，樣品溫度對(duì)LF-NMR 測(cè)試煙絲水分無(wú)明顯影響。

2.4 重復(fù)掃描次數(shù)對(duì)LF-NMR 測(cè)定結(jié)果的影響

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

表6 樣品溫度對(duì)弛豫時(shí)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(duì)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(fù)掃描次數(shù)的T2弛豫峰面積進(jìn)行歸一化分析發(fā)現(xiàn)，隨著重復(fù)掃描次數(shù)的增加，其變異系數(shù)有逐漸變小的趨勢(shì)，其中重復(fù)掃描次數(shù)≥16 時(shí)變異系數(shù)均＜1%（表9），即重復(fù)掃描次數(shù)≥16 時(shí)檢測(cè)結(jié)果變化甚小。

隨著掃描次數(shù)的增加，檢測(cè)等待時(shí)間增加，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)效率降低。綜合考慮認(rèn)為，適宜的重復(fù)掃描次數(shù)為16 次。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)試驗(yàn)研究了煙絲裝樣量、裝樣密度、樣品溫度和重復(fù)掃描次數(shù)對(duì)LF-NMR 檢測(cè)煙絲水分T2弛豫圖譜相關(guān)指標(biāo)的影響。結(jié)果顯示，裝樣量與T2弛豫圖譜3 個(gè)波峰的弛豫時(shí)間均呈極顯著正相關(guān)，與T22峰面積比例呈極顯著負(fù)相關(guān)，與T23峰面積比例呈顯著正相關(guān)，弛豫時(shí)間和峰面積比例在裝樣量為7 g 時(shí)均處于數(shù)值穩(wěn)定范圍內(nèi)。峰面積在裝樣量為7 g 時(shí)變異系數(shù)較小，這是由于核磁檢測(cè)結(jié)果峰面積隨著裝樣量的增加而增大，變異系數(shù)隨著裝樣量的增加有逐漸變小的趨勢(shì)，即增大裝樣量可以減小檢測(cè)結(jié)果的系統(tǒng)誤差，但增大裝樣量會(huì)造成樣品裝填困難。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定裝樣量7 g 較為合適。

表8 重復(fù)掃描次數(shù)對(duì)弛豫時(shí)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(duì)檢測(cè)結(jié)果均無(wú)顯著影響，核磁檢測(cè)結(jié)果僅與樣品中水分含量的大小有關(guān)，與樣品溫度和裝樣密度相關(guān)不顯著。核磁輸出信號(hào)是數(shù)次掃描的累加結(jié)果，隨著掃描次數(shù)的增加，信噪比增加，即隨著掃描次數(shù)的增加，核磁信號(hào)橫向弛豫T2峰面積變異系數(shù)有逐漸變小的趨勢(shì)；但掃描次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)等待時(shí)間增加，影響檢測(cè)結(jié)果的時(shí)效性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定適宜的重復(fù)掃描次數(shù)為16 次。

表9 重復(fù)掃描次數(shù)對(duì)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(cè)條件對(duì)于保障數(shù)據(jù)的可靠性具有重要意義，根據(jù)試驗(yàn)研究及分析結(jié)果確定煙絲水分檢測(cè)的核磁共振檢測(cè)參數(shù)，可保證檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、可靠，為應(yīng)用LF-NMR 技術(shù)進(jìn)行煙絲水分檢測(cè)提供適宜的檢測(cè)條件。