【直播入口】变场核磁共振技术研究分子运动及相关时间

FFC NMR 是 Fast Field Cycling NMR 的简称，它是一项重要的NMR分析技术和材料表征手段，在科研单位和工业市场中都得到了广泛的应用，也属于时域核磁。

在FFC NMR工作过程中，根据不同的应用需求，场强可从10 KHz （几高斯）变换到120 MHz（3T），测试样品T1随着磁场强度的变化，从而绘制一条横坐标是磁场强度，纵坐标是1/T1的曲线，也叫弛豫散步曲线（NMRD）。

变场核磁是世界上唯一一种能够在同一台仪器上获取不同场强的低场NMR技术。也是唯一一种可以在1 MHz以下场强工作的仪器。

我们知道，核磁共振波谱、低场核磁一般都是指H谱，尤其是低场核磁基本上能做的也只有H谱和F谱。而FFC测试对象涵盖1H、13C、7Li、19F、23Na等。

研究对象涵盖固体，液体，胶体或复杂混合物等。

我们知道，低场核磁共振是在固定的磁场下测试氢核的T1和T2弛豫。

而FFC-NMR是在变化的磁场下测试样品的T1弛豫率随磁场的变化曲线。

▲图1 低场核磁（左）与变场核磁（右）的测试结果比较

打个比方：假如我们在测试一辆汽车的各个性能指标，低场核磁共振就好比是汽车在匀速行驶时测试其平稳效果，舒适效果。而FFC就好比是汽车在加速行驶过程中测试汽车实际的加速性能、综合性能等。那些在匀速行驶时没能发现的缺陷和问题，很容易在加速中暴露。所以，LF-NMR和FFC-NMR某种程度可以互补。

NMR家族中的各个仪器非常适合研究分子的运动性，从探测的时空范围也极为广泛：从埃米到厘米、从飞秒到秒。

然而对于较为慢速的分子运动，如纳秒、甚至飞秒的动力尺度，就需要用到FFC。

▲图2 NMR探测的核磁作用尺度、以及相应NMR实验示意图

我们知道，在恒定磁场强度的低场核磁中，弛豫时间反应分子运动的快慢，往往取决于其交联密度。（例如自由链所受束缚最小，分子运动快；交联链所受束缚最大，分子运动慢，悬尾链介于二者之间。以上三种的分子运动性差异较大，T2或者T1弛豫能完全识别出）

▲图3 相似聚合物的FFC NMRD指纹识别

但是对于差异较小的聚合物（如不同分子量的同种材料），或者未聚合的单体（不同物质），在恒定磁场下（例如在0.1MHZ到100MHZ之间）分子运动性彼此差别不大，弛豫没有明显差异。然而在变场核磁中（尤其是超低场强下），这些细微的差别则能明显测试出来，且对慢速分子运动尤为敏感。

 这种弛豫率（1/T1)随磁场强度变化的色散曲线(NMRD)相当于物质的指纹图谱，利用这个性质可以用于聚合物生产中的品质控制。

此外NMRD曲线还能反映聚合物的流变学性质。具体的以及更多的应用我们会在直播中一一讲解。

FFC-NMR测量的弛豫率（R1）随场强变化的色散曲线（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）

FFC 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4）、识别探针分子在不同孔隙间的交换（图5）等作用。

▲图4 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5 水分子在水泥内不同微孔之间的交换作用（二维交叉峰）

当然，关于FFC的应用这里不能一一列举，更多的内容请一定进入我们直播间观看，工程师会进行详细的讲解，并进行在线答疑交流。