南京大学博士为您全面解读快速循环变场磁共振技术（FFC-NMR）

通过丰富的实验设备和方法，NMR能够探测的时空范围也极为广泛：从埃米到厘米、从飞秒到秒（图1）。

▲图1 NMR探测的核磁作用尺度、以及相应NMR实验示意图

高场的Fast Field Cycling（FFC）NMR通常研究纳秒、甚至飞秒的动力尺度，而且，高场FFC NMR通常也不便于变场（如“shuttle”法）。因此，低场FFC不仅大大延伸了动力研究范围、而且变场极为方便。

这里主要介绍与孔隙介质样品关系密切的FFC基本原理，其本质就是表面作用，这也是低场FFC的优美之处。而关键就是充分利用样品纵向弛豫时间（T1）因场强改变而变化的特性，尤其是应用表面弛豫特性。由于核磁共振的条件由如下的式（1）所决定：

所以，在τc的时间尺度内，如图2所示，孔隙内核磁探针分子探索空间能够达到的半径（lD）就由式（2）所确定（其中D为扩散系数、dpore为孔径）：

显然地，通过改变场强（也即ω0）就可以探测到所希望尺寸的孔隙、尤其是探测这种孔隙的特征（如孔径、活化能、表面润湿性、扩散系数等）。

▲图2 孔隙内NMR探针分子能够有效探测的空间范围

纽迈分析与意大利Stelar联合公司（NiuStel）是仅有的FFC NMR设备制造、研发与应用的专业公司，典型设备如图3所示：

▲图3 配有１T窄口径和0.5 T宽口径的FFC谱仪，可以测试不同规格岩心等样品

典型而独有的FFC实验结果就是NMR色散曲线（NMRD），也即样品纵向弛豫率（R=1/T1）随场强改变的曲线（如图4）。

▲图4 不同赋值状态Gd3+的NMRD色散分布曲线

相比于其它NMR动力学研究，FFC测量的弛豫率（R1）随场强变化的色散曲线（FFC NMRD）不仅具指纹识别功能，而且还能够给出独特但关键的表面动力学参数，如介质纳米孔隙表面微观润湿性、孔隙流体扩散系数、表面活化能等（Zhou et al. 2019）。

因此，FFC NMR是研究多相体系、孔隙介质动力学特征的强大工具，从而FFC NMRD在页岩、水泥、致密砂岩的纳米孔径分布和孔隙表面动力学表征中有着巨大潜力（Korb 2018；Zhou et al. 2019）。此外，FFC NMRD也用可用于高分子聚合物、食品、环境等重要领域的研究。

▲图5 鄂尔多斯盆地延长组含油气致密砂岩的FFC研究

（a: 理论模型； b: 致密砂岩中的孔径分布（尤其是纳米孔隙；c: 取决于孔径的微观润湿性）

如图5所示， FFC NMRD图谱不仅给出致密砂岩的孔隙分布特征（尤其是纳米孔隙），而且，通过模型拟合（如式（3））还给出不同孔径孔隙的表面微观润湿性（A）等参数，这些信息与参数不仅对油气藏评价开发有重要意义，且独一无二、只能由FFC NMR方法来提供。

FFC NMR在水泥有着重要应用，如表征水泥纳米孔隙特征、监测水化动力学过程、测定比表面积和扩散系数（图6）、识别探针分子在不同孔隙间的交换（图7）等作用。

▲图6 白水泥（上左）、波特兰水泥（上右）微孔中扩散系数的FFC NMRD（下图）测量

▲图7 水分子在水泥内不同微孔之间的交换作用（二维交叉峰）

▲图8 相似聚合物的FFC NMRD指纹识别

FFC NMRD色散曲线不仅可以识别不同聚合物、高分子、蛋白物及其水和特征（图8），而且可以鉴别聚合物交联特性、流变特征、对温压的响应等，从而可用于质量控制等。

FFC NMRD能够测出离子液扩散系数（图9），以及输运特性如转动/平动、相关时间（τc）等，从而能测出电池、电极的关键动力学参数。

▲图9 离子液扩散系数的FFC NMRD和PFG NMR测定

FFC NMRD的指纹特性可以鉴别食品的加工过程、食品是否变质（图10）等，从而用于食品质量监控等。

▲图10 牛奶加工过程（左）、存放时间（右）的FFC NMRD识别

FFC NMRD也用于环境科技的研究，如图11所示，FFC NMRD分别特征可以识别不同生物炭的来源。类似地，FFC NMR还用于落叶层降解过程、土壤孔径分布、土壤污染等研究。

▲图11 不同种类生物炭孔隙润湿性的FFC NMRD识别与测量（A：针叶树生物炭； B：杨木生物炭；C：marc生物炭）

纽迈首次公开全面解读快速循环变场核磁共振技术（FFC）！