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土壤核磁共振無損檢測-水分與孔隙

土壤是位于地球陸地表面和淺水域底部的具有生命力和生產力的積聚層,是地球系統的 重要組成部分和調控環境質量的中心要素。土壤水作為土壤資源的重要組成部分,是一切 陸生資源賴以生存的基礎。土壤孔隙結構是土壤的基本屬性,土壤孔隙的數量、大小分布、 形狀和三維空間構型決定了土壤通氣供水的能力,土壤孔隙也是土壤生物運動的通道和生活 的重要場所。因此,研究土壤水分狀態與孔隙分布對認識土壤基本屬性具有重要意義。

核磁共振技術飛速發展,按照場強大小可分為低場、中 場和高場。低場核磁是指場強低于 0.5 T 的核磁技術,其造價低廉,可以實現快速無損檢測 水分含量以及水分在多孔介質中的交互作用[9],應用遍及食品、農業、生命科學、地質研究、 能源勘探和高分子材料等[10-14]領域,在及端條件下的凍融土壤也展開了相應研究。

紐邁MesoMR系列低場核磁共振系統

核磁共振是一種快速、無損的測量技術,可以微 觀地揭示樣品中水分的變化規律。在核磁共振技術中,原子核受射頻場作用撤除后以非 輻射的方式逐步恢復到平衡狀態,這一過程稱為弛豫過程。弛豫過程所需要的時間稱作弛豫時間。水分子周圍不同的物理化學環境均會影響到氫質子的馳豫特性,因此處于不同狀態條 件下水就表現出不同的馳豫時間(自旋-晶格弛豫時間 T1 和自旋-自旋弛豫時間 T2)。利用低 場核磁共振技術測定能反映水分子流動性的氫核的自旋-晶格馳豫時間 T1 和自旋-自旋馳豫 時間 T2,就可描述樣品中水分子的運動情況及其存在的狀態。

目前認為分布在土壤中的水主要存在兩種狀態:束縛水(包括吸濕水和膜狀水)和自由 水(包括毛管水、重力水和地下水) ,低場核磁共振技術主要通過測量土壤孔隙中水的 T2 弛豫時間來確定土壤孔隙結構中小孔隙和大孔隙的分布情況。本研究對土壤進行 CPMG自旋回波脈沖序列下的測試,得到自旋回波串的衰減信號,其 信號是不同大小孔隙內水中氫質子信號的疊加,再經過傅里葉變換擬合得到核磁共振 T2 譜。 因此, T2 譜分布反應了孔隙大小,大孔隙對應長 T2 值,小孔隙對應短 T2 值。