基于低場核磁共振技術(shù)的煙草含水率檢測方法

鄭松錦，張渝婕*，鐘 良，段海濤，王丹利，牛麗娜，王海濤，劉玉斌，楊 翼

1. 河北中煙工業(yè)有限責任公司，石家莊市維明南大街1 號 050051

2. 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇省蘇州市青花路98 號3 號 215151

含水率在煙草加工過程中是一個關(guān)鍵質(zhì)量控制參數(shù)，它直接影響加工物料的物理性能、感官質(zhì)量等［1］。目前煙草行業(yè)內(nèi)測定煙草含水率的方法主要有烘箱法［2］、卡爾費休滴定法［3］、氣相色譜法［4］、紅外法、微波法［5］、近紅外光譜法［6］等。卡爾費休滴定法、氣相色譜法前處理時間長，且對操作人員、儀器設(shè)備以及檢測試劑的要求也比較高，操作繁瑣，不能滿足常規(guī)使用要求［7］；紅外法與微波法易受物料的顏色、密度、溫度等影響［8］，檢測結(jié)果誤差較大。而烘箱法檢測采用的是100 ℃、2 h的檢測參數(shù)，還需冷卻至室溫［2］，檢測耗時長，不能滿足生產(chǎn)過程實時反饋、即時調(diào)整的要求。

核磁共振作為一種實時、無損、無侵入的定量測量技術(shù)，能夠從微觀的角度反映農(nóng)產(chǎn)品的含水率、水分賦存狀態(tài)等指標，在食品科學研究領(lǐng)域受到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注，已應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的含水率、水分分布等的測定中［9］。目前基于低場核磁共振技術(shù)在煙草含水率檢測方面的研究已逐漸開展［8-12］，且建立了基于低場核磁共振技術(shù)的含水率檢測方法，但并未對核磁共振法檢測參數(shù)進行深入考察。因此，利用低場核磁共振技術(shù)對煙草含水率的檢測參數(shù)進行分析和優(yōu)化，旨在建立一種規(guī)范、快速、便于操作的基于低場核磁共振檢測煙草含水率的方法，為煙草生產(chǎn)加工過程的參數(shù)設(shè)定、優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器及設(shè)備

鉆石（荷花）烤煙型烘后葉絲（河北中煙工業(yè)有限責任公司提供）。

NMI20-040V-I 核磁共振成像分析儀［共振頻率20.73 MHz，磁體強度（0.52±0.05）T，線圈直徑40 mm］，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）；Ohaus AR2140 電子天平［感量0.000 1 g，奧豪斯儀器（上海）有限公司］；KBF240 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

掃描次數(shù)的樣品制備：將烘后葉絲通過烘烤及加水平衡的方式制備成不同含水率梯度（0～18%）的6 個樣品，密封平衡備用。

其余的待測葉絲在GB/T 16447—2004［13］規(guī)定調(diào)節(jié)環(huán)境的恒溫恒濕箱中平衡48 h 后，裝入密封袋以備檢測。

1.2.2 試驗方法

掃描次數(shù)的確定：低場核磁共振檢測儀的輸出信號是數(shù)次掃描的累加結(jié)果，隨著掃描次數(shù)（NS）的增加，信噪比隨之降低，且信噪比的降低與掃描次數(shù)的平方根成正比。但重復(fù)掃描次數(shù)越多實驗耗時越長，影響檢測結(jié)果的時效性。為確定合適的掃描次數(shù)，需考察掃描次數(shù)對含水率測試結(jié)果的影響。掃描次數(shù)設(shè)置一般為2 的冪函數(shù)，選擇了2、4、8、16、32、64 次共6 組實驗參數(shù)進行比較。準確稱取約7 g 的待測樣品（精確到0.000 1 g），考察不同掃描次數(shù)對6 個不同含水率梯度（0～18%）樣品的核磁檢測結(jié)果信噪比影響。每個梯度樣品檢測3 次。

樣品量的確定：考察2～13 g 葉絲樣品核磁檢測的首點信號值。每個取樣量平行測定2 個樣品，每個樣品測定3 次并取平均值。

標準曲線的建立：低場核磁共振法是通過傅里葉公式把樣品的磁共振信號變換成波普（頻率）的一種微觀分析方法。橫向弛豫時間T2衰減曲線的首點信號值與樣品的總含水量成正比；T2反演譜的不同波峰代表水分的不同狀態(tài)，波峰所覆蓋范圍信號幅值代表該狀態(tài)的含水量［14］。稱取不同質(zhì)量（3、4、5、6、7、8 g）的葉絲，利用CPMG 序列測量樣品的橫向弛豫譜，提取首點信號值，每個樣品平行測定5 次，取平均值。用YC/T 31—1996 烘箱法［2］測定樣品的含水量，以含水量為橫坐標，首點信號值為縱坐標，繪制關(guān)系曲線或計算線性回歸方程，擬合首點信號值和含水量得到一條標準曲線y=ax+b。

CPMG 序列采集樣品T2信號，序列參數(shù)：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 序列采集參數(shù)：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 結(jié)果與分析

2.1 核磁管規(guī)格及裝樣高度的確定

試驗所用NMI20-040V-I 型低場核磁共振檢測儀加樣口直徑為40 mm，限制了核磁管的外徑大小，適用的核磁管規(guī)格主要有5、10、20、25、30、40 mm 等幾種。為了充分滿足樣品量對樣品的代表性要求，確定實驗所用核磁管外徑為40 mm（內(nèi)徑約38 mm）。

基于對儀器磁場均勻性等要求，樣品的高度必須小于所設(shè)定的視野Fov（40 mm）值。為保證樣品檢測結(jié)果的準確性，確定樣品裝樣高度為≤38 mm。

2.2 核磁序列的確定

目前利用核磁共振分析物料含水率的序列主要有兩種：FID 和CPMG。選取不同梯度含水率的葉絲為檢測樣品，考察兩種核磁序列對測試結(jié)果的影響，每個樣品測試5 次求其平均值和標準偏差，結(jié)果見表1。由表1 可以看出，在檢測范圍內(nèi)，F(xiàn)ID和CPMG兩種序列的檢測結(jié)果變異系數(shù)均小于2%，其中CPMG 序列的變異系數(shù)均小于1%，優(yōu)于FID 序列。CPMG 脈沖序列以自旋回波脈沖序列為基礎(chǔ)，在（90°）x 脈沖之后連續(xù)施加一系列等間隔偶數(shù)個（180°）y 脈沖，該序列是由Carr·Purcell·Meiboom·Gill 在Hahn 回波測量序列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅消除了磁場不均勻性對橫向弛豫時間T2的影響，并且可以在信號的回波峰點處采集到不受磁場均勻性影響的數(shù)據(jù)［15］，因此，確定煙草含水率核磁共振法的測試序列為CPMG 序列。

表1 兩種核磁序列的葉絲樣品測試結(jié)果均值、標準偏差及變異系數(shù)Tab.1 Mean value, standard deviation and variation coefficient of test results of cut tobacco using two types of LF-NMR sequences

2.3 掃描次數(shù)的確定

掃描次數(shù)對不同含水率樣品核磁信號信噪比的影響結(jié)果見表2。從表2 可以看出：隨著掃描次數(shù)的增加，信噪比隨之增加；隨著物料含水率的增加，核磁信號量也會增加，信噪比也隨之增大。一般情況下，以提高信噪比為設(shè)置原則，低場核磁共振檢測含水率時信噪比宜在80 以上，在含水率較低時易出現(xiàn)信噪比較低的情況，因此綜合考慮測試結(jié)果的準確性和測試時間，結(jié)合生產(chǎn)實際的含水率范圍，確定掃描次數(shù)為16 次。

表2 掃描次數(shù)對不同含水率樣品核磁信號信噪比的影響Tab.2 Effects of scanning number on SNR of nuclear magnetic signals from tobacco samples of different moisture contents

2.4 樣品量的確定

2～13 g 取樣范圍內(nèi)樣品核磁檢測的首點信號值測試結(jié)果見表3。由表3 可以看出，隨著樣品量的增大，所測試樣品的CPMG 首點信號值變異系數(shù)均有所下降。在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)梗絲、膨脹煙絲等具有較高的填充值，在樣品量高于8 g時不易壓到檢測高度，因此綜合考慮樣品的代表性及測試結(jié)果的穩(wěn)定性，確定樣品量為7 g。

表3 樣品量對首點信號值的影響Tab.3 Effects of sample volume on the first point signal value

2.5 低場核磁共振法檢測煙草含水率標準曲線的建立

不同含水量的低場核磁T2衰減曲線及T2弛豫譜如圖1 所示。由圖1 可以看出，低場核磁共振T2衰減曲線的首點信號值或弛豫譜的總峰面積與樣品中氫質(zhì)子的數(shù)量成正比，用信號首點值或者總峰面積可以表示樣品的含水量；對標樣的含水量和衰減曲線的首點信號值或橫向弛豫譜的峰面積進行擬合，建立標準曲線，再通過測量待測樣品的核磁信號可以迅速計算待測煙草樣品的含水量。

圖1 低場核磁T2衰減曲線及T2弛豫譜Fig.1 T2 decay curves and relaxation map in low-field nuclear magnetism

利用CPMG 序列測量樣品的橫向弛豫譜，提取首點信號值，每個樣品平行測定5 次，以平均值計；用烘箱法測定樣品的含水量，以含水量為橫坐標，首點信號值為縱坐標，繪制關(guān)系曲線或計算線性回歸方程，擬合首點信號值和含水量得到一條標準曲線，如圖2 所示。由圖2 可以看出，樣品的含水量與首點信號值呈顯著的線性正相關(guān)，通過線性回歸分析，可得回歸方程為：

y=15 388x-353.61（R2=0.996）

圖2 葉絲首點信號值與含水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between the first point signal value and moisture content in cut tobacco

式中：x 為被檢測樣品中含水量（g）；y 為T2弛豫譜首點信號值（a.u.）

2.6 低場核磁共振法檢測煙草含水率方法的精密度

按照上述建立的方法，選取10 個平衡后的葉絲樣品，在3 天內(nèi)以相同的測試條件進行含水率核磁CPMG 首點信號值分析，對測得的數(shù)據(jù)求日內(nèi)、日間標準偏差、平均值、變異系數(shù)，結(jié)果如表4所示。由表4 可以看出，日內(nèi)精密度和日間精密度結(jié)果的變異系數(shù)均在2%以內(nèi)，說明所建立的測試方法具有較好的精密度。

2.7 低場核磁共振法檢測煙草含水率方法的準確性

按所建立的低場核磁共振法進行15 個待測樣品的含水率檢測，每個樣品平行檢測2 次，以2 次的CPMG 首點信號值均值計；并與15 個樣品的烘箱法測定結(jié)果進行對比，結(jié)果見表5。由表5 可以看出，低場核磁共振法與烘箱法測得的結(jié)果差異均小于0.5 百分點，說明所建立的低場核磁共振法具有較好的穩(wěn)定性和準確性。

2.8 低場核磁共振檢法與烘箱法的檢測時間對比

按所建立的低場核磁共振法與烘箱法對待測樣品的含水率檢測耗時進行比較，結(jié)果見表6。由表6 可以看出，低場核磁共振法與烘箱法在樣品稱量及數(shù)據(jù)處理方面耗時大致相同，但低場核磁共振法的檢測時間僅需2 min，而烘箱法烘箱需時120 min，冷卻需時30 min。

表4 精密度實驗結(jié)果Tab.4 Results of experimental precision

表5 低場核磁共振法與烘箱法測定含水率對比Tab.5 Comparison between moisture contents determined by LF-NMR method and oven method

表6 低場核磁共振法與烘箱法測定含水率檢測時間對比Tab.6 Comparison of test time for moisture content between LF-NMR method and oven method

3 結(jié)論

（1）建立了一種基于低場核磁共振技術(shù)檢測煙草含水率的檢測方法，對核磁序列、裝樣高度、樣品量、掃描次數(shù)等檢測參數(shù)進行優(yōu)化，確定核磁序列CPMG，裝樣高度≤38 mm，樣品量為7 g，掃描次數(shù)為16 次。

（2）利用CPMG 序列測量樣品的橫向弛豫譜，提取首點信號值，通過線性回歸分析，建立首點信號值與含水量的標準曲線（R2=0.996），曲線呈顯著線性正相關(guān)；試驗驗證了所建立的方法具有較好的精密度，日內(nèi)精密度和日間精密度結(jié)果的變異系數(shù)均在2%以內(nèi)。

（3）通過低場核磁共振法和烘箱法對15 個葉絲樣品含水率的檢測對比分析，檢測結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和準確性，但低場核磁共振法檢測時間（2 min）遠低于烘箱法（150 min），即所建立的低場核磁共振法適用于煙草含水率的快速、準確檢測。