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第19章

19-01
磁共振在化学领域内的应用

概述
石油、煤分析
管道中的流体分析
分析钻探岩芯
塑料、聚合物分析
液晶材料分析
制药领域
水泥、混凝土分析
木浆造纸领域
易爆物质分析
皮革、橡胶材料分析
固态物质成像分析
19-02
磁共振在生物学中的应用

食品领域
农业、林业、环境领域
19-03
蛋白质和蛋白质工程

19-04
计算机应用及模式识别技术

19-05
无损检测


第19章
磁共振在非医学领域中的应用

核磁共振波谱和核磁共振成像在工业中的应用非常广泛,分析对象包括无机化合物和有机化合物。最为常见的用途是对化合物进行常规分析,由于核磁共振波谱技术的灵活性,它还可用于分析食物中水与脂肪的比例、或者监测管道中腐蚀性流体的流动、或者研究分子的复杂结构,比如催化剂。



图19-01
1974年10月22日Nottingham晚报:Waldo Hinshaw、Peter Mansfield、Bill Derbyshire和他们的核磁共振谱仪。Derbyshire测量鱼肌肉的弛豫时间、残暴被杀之后三文鱼风味的变化。随后磁共振在食品科学领域内的应用迅速扩展。

磁共振的工业应用主要集中在化学、生物学、医学(蛋白质)、数据处理、和非破坏性测试这几个方面。本综述不打算面面俱,而是聚焦在一些典型应用的介绍。本文还指出了磁共振在应用过程中遇到的困难和挑战、及科际研究和教学的可能性。

19-01 磁共振在化学领域内的应用

19-01-01 概述

氢核(1H)和碳核(13C)的液体核磁共振波谱是有机化学家确认反应产物必不可少的工具。核磁共振分析快捷、简单且无须特别纯净的样品。这种分析已经是且今后若干年仍将是全世界核磁共振最为普遍的用途。但是,这并未使功能强大的核磁共振技术及其所提供信息依据所用磁共振系统的不同而呈现的多样性黯然失色。

19-01-02 石油、煤分析

石油中低分子量组分的分析可借助核磁共振技术,当然采用其他技术也可以完成这种分析。而对于石油中粘度大甚至是固态的高分子量组分,与其他技术相比,使用固态核磁共振技术来分析就要容易很多。

碳核(13C)的固体核磁共振可用于分析油页岩(一种原煤)。与其他技术所得信息相结合即可推断油页岩气田还是油田。这些信息对设计开采和钻探方案是非常有用的。煤油工业中可能出现的新应用就是开发便携式MRI/MRS仪器,以便对潜在的钻探区域进行实地分析检测。

在石油工业中,沸石类催化剂被广泛用于将高分子量组分转化为低分子量组分,这种低分子量组分可以用作小汽车和重型交通工具的燃料。构成沸石的分子结构都很复杂且多含有硅和铝。

为探索沸石工作原理,常使用硅核(29Si)和铝核(27Al)的固体核磁共振来研究这些分子的结构,以便选择或者设计更高效的催化剂。

19-01-03 管道中的流体分析

多数工业中,精确测量管道中的流体是一个难题。管道或者输送管道中的石油、流化煤、腐蚀性流体等等,都是用核磁共振技术进行测量的。1968年就有商业化的NMR流动仪。核磁共振技术的无损伤性使其特别适合于测量刺激性化学品或者高压体系。尽管磁共振技术在少数几个关键实例中已经取得了很好的结果,但是,就监测流动而言,磁共振技术还有很大的提升空间,比如,可以增加NMR流动仪的定量分析功能,以便实时对管道中输送的石油进行定量分析。

19-01-04 分析钻探岩芯

近年来有很多人致力于钻探岩芯的波谱、成像研究。波谱研究揭示核磁共振结果与矿物含量、钻孔几何构型、岩石的表面化学等的相关性。希望这些研究有助于岩石地质学的新发现,或者使磁共振成为能获得类似信息的更快捷、更简单、或者更便宜的技术。

磁共振成像能得到岩芯中油和水的三维分布信息,因而能监测油和水在岩芯中的流动。这些信息对设计从油田中开采石油的模型非常关键,通常1%的修改代表的是数百万美元的收入或者损失。

磁共振成像还可用于从冰川和极地冻土地区采集的冰芯的成像。

19-01-05 塑料、聚合物分析

有些样品只有在固态时才有研究意义。譬如聚合物科学,聚焦的是整个固态物质的特性而不是组建它的结构单元。可用固体核磁共振研究塑料是怎么聚集在一起的,并将他们的化学特点与已知的物理特性联系起来。利用这些信息来改善塑料的性能并开发新品种。在聚合物这个领域内,NMR技术几乎是不可替代的。

19-01-06 液晶材料分析

手表、计算器、电视和电脑的屏幕都要用到液晶。除了核磁共振技术之外,很难找到其他方法对液晶材料进行分析。与塑料有相同之处,分子的聚集方式能揭示化学结构与液晶材料性能之间的相关性,这些信息有利于新产品的开发。

19-01-07 制药领域

在确认和表征新药分子及其结合特性时,高分辨核磁共振是一种宝贵的工具。在固态时,分子可能存在两种或多种不同的构型或多形体。固体核磁共振可以检测多形体。多形体可能有不同的生物活性,制药商可能需要分离出某一种构型。如果存在的多形体没有被精确地记入档案,制药商的竞争对手就可绕开专利而获利。

磁共振还可以研究药物与蛋白质的相互作用特性、完成药物毒理研究、确定药物浓度。

19-01-08 水泥、混凝土分析

工业上,研究水泥的水合过程是非常有意义的。增加水合速度和水合程度都是非常重要的需求,因为这会增加混凝土灌注速度和强度。

水泥的固体硅谱清晰地显示这两种过程非常难以定量。混凝土中的变化可以持续90天或者更长时间,随后才能表征不同添加剂对混凝土养护过程的影响。

19-01-09 木浆造纸领域

木浆造纸工业使用来自木浆中高分子量化合物的复杂混合物作为原料。可用固体核磁共振对木浆进行分析,以确定不同机理或者对不同类型的木浆进行不同的化学处理。在工厂里,有可能直接用固体磁共振技术来监测木浆生产过程。

19-01-10 易爆物质分析

直接检查爆炸性物质是不可能的、至少是不安全的。但是,可以通过研究爆炸物的类似物来了解这类物质的化学结构,如乙酰纤维素。依据其化学结构与其功能特性的相关性来设计更安全更有效的爆炸物。

19-01-11 皮革、橡胶材料分析

在制革工业中,大家正在尝试使用环境友好的铝盐代替铬盐。固体核磁共振铝谱可能被用来分析鞣革。同理,核磁共振也可用来研究轮胎橡胶。

19-01-12 固态物质成像分析

对固态物质的成像并不常见。与医学成像类似的是都是观测氢核;与医学成像不同的是,医学成像中信号相对较尖锐且持续时间长,固态物质中,氢核信号通常很宽且持续时间较短而较难以被检测到。有越来越多的现代化工厂使用磁共振成像技术来实现对塑料和聚合物的无损伤检测。

当前报道的许多成像通常都是对一块有不同孔径的固态物质成像,以展示成像技术的分辨率。

使用磁共振成像研究固态物质的实例是:对燃烧之前的固态火箭燃料进行成像观察。填料对固态燃料的燃烧性能有很大影响。传统的分析技术要么破坏填料要么防止样品被用于燃烧实验。使用固体磁共振成像技术可以在燃烧检测之前成像,因此可以直接得到填料与燃烧性能之间的相关性。

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