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岩石孔隙流体的核磁共振弛豫机制

自由弛豫、表面弛豫和扩散弛豫3种不同的弛豫机制存在于岩石孔隙流体的核磁共振弛豫中，一般三种弛豫行为同时存在的。

1、自由弛豫

自由弛豫，即流体特有的体弛豫现象，其弛豫时间由流体物理特性（粘度、化学成分等）及流体所处的环境（温度、压力等）决定。

在石油工业核磁研究过程中，由于岩石表面为固体，通常岩石孔隙内的流体表面弛豫比体弛豫强。然而当亲水岩石孔隙中油气属于非润湿相，岩石中存在裂缝导致流体与固体表面接触较少，以及稠油等流体粘度较大的情况下，流体与岩石孔隙之间自由弛豫现象不可忽视，此时需要同时考虑自由弛豫和表面弛豫的影响。

2、表面弛豫

岩石孔隙表面的弛豫机制即为表面弛豫，具体表现为孔隙流体与岩石固体表面之间的弛豫现象。

3、扩散弛豫

分子处于布朗运动过程中会进行自扩散运动，扩散弛豫即为质子在梯度磁场中，由于分子扩散引起的弛豫特性。

岩石中孔隙流体的类型、孔隙尺寸、孔隙发育结构、孔隙表面岩石物理性质以及岩石颗粒表面润湿性等条件决定了3种弛豫机制对于孔隙内流体是否起作用。

通常对于亲水岩石来说，孔隙中水的T2弛豫时间主要由表面弛豫决定；对于稠油来说，其T2弛豫主要由自由弛豫决定；而轻质油的T2弛豫时间则由自由弛豫和扩散弛豫共同决定，并与油的粘度有关；天然气由于气体分子的扩散特性，其T2弛豫时间主要受控于扩散弛豫。

一、核磁共振测定食品水分分布的原理

低场磁共振（NMR）技术可以用于非破坏性地测定食品中的水分分布。其原理基于食品中的水分分子和固体分子在磁场中的不同行为，即水分子和固体分子对磁场的响应不同。

当食品样品放入核磁共振仪中时，样品中的氢原子会受到外加磁场的影响，并产生共振信号。水分子中的氢原子（即水分子中的两个氢原子）具有不同的磁共振频率，因此可以通过测定氢原子的磁共振信号来确定水分子的存在和数量。

核磁共振蘑菇干燥过程水分迁移图谱

利用核磁共振技术可以在食品样品中制作磁共振图像，该图像可以显示水分分布情况。通过分析这些图像，可同时获取样品在时域和空间上的信息，可获得样品整体的不同状态水分的弛豫时间分布及内部任意层面的图像，方便食品样品的内部结构特性。

核磁共振蘑菇干燥过程水分迁移伪彩图

二、核磁共振测定食品水分分布的方法的优势

1.非破坏性：核磁共振技术可以在不破坏食品样品的情况下获取水分分布信息，因此不会影响样品的质量和口感，也不需要对食品样品进行预处理。

2.精确性高：核磁共振技术可以精确测定食品中水分的分布情况和含量，相对于传统的重量法和干燥法等方法，更加准确。

3.高效性：核磁共振技术可以快速制作磁共振图像，从而快速获取食品样品中水分分布信息，大大提高了分析效率。

4.可重复性好：核磁共振技术具有良好的可重复性，可以保证在不同的实验条件下获得相似的结果。

核磁共振测定食品水分分布的方法广泛应用于食品中的水分含量测定、水分分布及流动性变化情况研究，并与其食用品质、加工贮藏特性间的进行了相关性研究，可实现快速、动态地预测和控制食品的质量品质。随着国产化低场核磁共振设备日趋成熟和快速发展，国内同行使用仪器成本大大降低，低场核磁共振技术将在食品水分分析中起着越来越重要的作用。

推荐仪器：核磁共振成像分析仪NMI20-040V-I

背景简介：

许多食品在加工过程中需要频繁的测量原料和产品的水分含量。为了使原料或产品的水分含量符合要求，水分分析方法必须能够在流程和质量控制计划规定的时间内得出正确的分析结果。
测定食品含水量的方法很多。其中核磁共振法有很多自身的优势。

核磁共振技术应用于各种原料的水分含量测定，包括食物、种子、木头等。当脉冲核磁共振技术得到越来越广泛的应用时，一系列以脉冲核磁共振技术作为基础的水分测量方法发展起来了。核磁共振技术与其他方法比较，有下面几个优点：

1.迅速。

2.核磁共振技术是无破坏性和非入侵性检测方法。

3.样品需要量少。

4.可以实现自动化，因为它可以实时获得数据。

5.能够根据水流动性的差异测定各不同部分水的含量。

6.可同时测定水和油脂的含量。

食品和生物材料中水分的移动或者称为重分布可能会在食品原料的加工、贮藏和运输等过程中发生，这是导致原料稳定性下降、品质变差的原因之一，另一方面，许多操作过程需要了解有多少水分发生了移动，那么我们就可以采取恰当的方法来控制水分移动，而且关于品质与稳定性之间联系的研究将会使预测产品货架期和稳定性成为可能
大部分食物和生物材料在许多方面是非均匀性的。了解一个样品的平均水分含量并不意味着知道了那些和样品中水分空间分布有关的信息。核磁共振技术可以利用自身的特点对食品内部的水分分布及迁移情况进行研究。

核磁共振技术测试食品中的水分-海参涨发过程中的水分迁移[1]

结论：在一定温度下，随着海参复水时间的延长（P1~P3，ZF1~ZF2），自由水含量不断增大，峰不断右移，水分流动性增大。

（来源：苏州纽迈分析仪器股份有限公司）

低场核磁共振研究草莓水分分布

1、实验目的

通过低场核磁共振技术获得四个干燥草莓样品水分分布信息。

2、实验材料

客户提供4个干燥草莓样品，分别编号为空白、80℃-1.5h、80℃-3h 、80℃-4.5h 。

3、实验仪器

纽迈低场核磁共振成像分析仪，磁体强度0.5T，线圈直径为60mm，磁体温度为32.00℃

4、样品制备

将样品放入核磁仪器线圈中，进行测试。称量得到样品的质量如下表所示。

5、实验参数

采用CPMG序列进行T2弛豫分析，参数（略）。

6、实验方法

采用CPMG序列及sirt反演得到样品水分分布曲线。

7、分析及结果

T2弛豫分析

使用迭代寻优的方法将采集到的T2衰减曲线代入弛豫模型中拟合并反演得到样品的T2弛豫信息，包括弛豫时间及其对应的弛豫信号分量，横坐标为范围从10-2 ms到10000 ms对数分布的200个横向弛豫时间分量T2，纵坐标为各弛豫时间对应的信号分量A2i（为便于定量分析，该信号分量经质量的归一化处理），已知信号量与其组分含量成正比关系，积分面积A即为样品的信号量。

T2弛豫时间反映了样品内部氢质子所处的化学环境，与氢质子所受的束缚力及其自由度有关，而氢质子的束缚程度又与样品的内部结构有密不可分的关系。氢质子受束缚越大或自由度越小，T2弛豫时间越短，在T2谱上峰位置较靠左；反之则T2弛豫时间越长，在T2谱上峰位置较靠右。

三个峰分别代表不同弛豫时间的质子分布，峰面积代表该组分质子含量。

从上面可以看出：

1. 从峰个数来看，样品都有三个峰；而且根据峰的弛豫时间，应该归为结合水（T21a）、次结合水（T21b）和不易流动水（T22）。

2. 从峰比例来看，样品的结合水比例均较大，说明样品中水的自由程度都很低，表现出来的横线弛豫时间很小。

3. 样品之间峰的弛豫时间变化不大，峰比例的区别也较小，但是略有区别。样品80℃-1.5h的结合水比例略小于其他组样品。

8、结论

四个样品中水分都主要以结合水形式存在，水的自由程度都很低，表现出来的横线弛豫时间很小，且样品80℃-1.5h的结合水比例略小于其他组样品。

低场核磁共振与磁共振成像监测虾干过程中水分动态变化

虾是可用于水产养殖发展的受欢迎的海鲜产品之一，其中包含营养成分，例如蛋白质，钙，维生素和各种可提取的化合物。新鲜虾因其高水分含量和强大的酶活性而易腐烂。在过去的时间里，干燥已被证明是延长虾在世界上大多数地区的保存期限的有效方法。但是，干燥是一个复杂的过程，如果处理不当，将会对成品的机械，感官，功能和营养属性产生不利影响。因此，在干燥过程中监测和控制食品的关键质量参数以确保批次间的一致性和产品的均匀性是令人感兴趣的。用于质量评估的常规方法是可靠的，但具有破坏性，相对较慢，并且仅限于离线使用。因此，有必要开发一种可快速，无损检测虾干燥过程质量控制的技术。

近年来，已有一些无损质量控制技术，例如计算机视觉系统（CVS），近红外（NIR）光谱和基于激光的成像系统。在干燥过程中监控视觉纹理，分析颜色变化并预测食品的水分，包括海鲜，水果片，蔬菜和发酵香肠。但是，这些技术不能用于研究水的流动性和分布，水始终是干燥过程中食品系统中最重要的组成部分。

低场核磁共振（LF-NMR）主要基于对质子核自旋从食物成分（例如水，脂肪，碳水化合物和蛋白质）中吸收的共振射频的测量。由于它的灵敏性，快速的分析速度，无创性和低成本，它已被广泛用作表征食物中水分流动性和分布的分析技术。磁共振成像应用能够提供内部化学成分和可视化的结构信息。

本文使用NMR-T2弛豫法评估干燥过程中虾的动态水状态和分布，并使用MRI提供内部结构信息。进行了水分含量，质地特征分析（TPA）和颜色测量，以监测虾的干燥程度和质量。通过皮尔逊相关分析对NMRT2弛豫参数与水分含量，质地参数，颜色特性之间的相关性进行评估，以评估LF-NMR作为对虾的干燥度和质量测定的非破坏性方法的潜力。

核磁共振成像分析：

核磁共振成像已被证明是研究食品科学领域水分配的有效方法。下图显示了在40°C，50°C和60°C不同时间干燥的虾的T2加权图像的伪彩色图像（低-高质子密度，蓝红色）。说明了具有流动性水的分布。随着干燥时间的延长，较亮区域的大小显示出持续减小的趋势，这表明在干燥过程中失去了长弛豫信号。注意到随着在三个温度下干燥时间的增加，信号强度从外表面到内部区域减小。

【参考资料：Cheng, Shasha, Tang, et al. Approach for monitoring the dynamic states of water in shrimp during drying process with LF-NMR and MRI[J]. Drying Technology An International Journal, 2018.】

双孔通道（TPC）是位于细胞内体上的钙通道。由第二信使NAADP和磷脂磷脂磷脂酰肌醇3,5-二磷酸，PtdIns（3,5）P2）激活，孔隙主要传导Ca2+和Na+。已经证明，它们在埃博拉病毒感染中起着关键作用，并可能作为埃博拉病毒和其他丝状病毒的抗病毒研究提供研究靶点。在内质体膜中，它们负责埃博拉病毒的进入。

Key Publications

Sakurai, Y., Kolokoltsov, A.A., Chen, C-C., et al. 2015. Two-pore channels control Ebola virus host cell entry and are drug targets for disease treatment. Science

Castonguay, J., Orth, J.H.C., Müller, T., et al. 2017. The two-pore channel TPC1 is required for efcient protein processing through early and recycling endosomes. Nature Scientific Reports

Measuring Two Pore Channels

Two Pore Channels can be measured using automated patch clamp when expressed in cell lines, in lysosomes, or using the Orbit instruments when they are recombinantly expressed in bilayers.

Automated patch clamp

Parallel bilayer recordings

Cytotoxicity measurements
Publications using Instruments from Nanion
2017 - Organelle membrane derived patches: reshaping classical methods for new targets
2014 - High susceptibility to fatty liver disease in two-pore channel 2-deficient mice
2010 - Planar Patch Clamp Approach to Characterize Ionic Currents from Intact Lysosomes
2010 - Characterization of two pore channel 2 (TPCN2) -mediated Ca2+ currents in isolated lysosomes