土壤核磁共振無(wú)損檢測(cè)-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(chǎn)力的積聚層,是地球系統(tǒng)的 重要組成部分和調(diào)控環(huán)境質(zhì)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(chǔ)。土壤孔隙結(jié)構(gòu)是土壤的基本屬性,土壤孔隙的數(shù)量、大小分布、 形狀和三維空間構(gòu)型決定了土壤通氣供水的能力,土壤孔隙也是土壤生物運(yùn)動(dòng)的通道和生活 的重要場(chǎng)所。因此,研究土壤水分狀態(tài)與孔隙分布對(duì)認(rèn)識(shí)土壤基本屬性具有重要意義。

核磁共振技術(shù)飛速發(fā)展,按照?qǐng)鰪?qiáng)大小可分為低場(chǎng)、中 場(chǎng)和高場(chǎng)。低場(chǎng)核磁是指場(chǎng)強(qiáng)低于 0.5 T 的核磁技術(shù),其造價(jià)低廉,可以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè) 水分含量以及水分在多孔介質(zhì)中的交互作用[9],應(yīng)用遍及食品、農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)、地質(zhì)研究、 能源勘探和高分子材料等[10-14]領(lǐng)域,在及端條件下的凍融土壤也展開(kāi)了相應(yīng)研究。

紐邁MesoMR系列低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)

核磁共振是一種快速、無(wú)損的測(cè)量技術(shù),可以微 觀地揭示樣品中水分的變化規(guī)律。在核磁共振技術(shù)中,原子核受射頻場(chǎng)作用撤除后以非 輻射的方式逐步恢復(fù)到平衡狀態(tài),這一過(guò)程稱為弛豫過(guò)程。弛豫過(guò)程所需要的時(shí)間稱作弛豫時(shí)間。水分子周圍不同的物理化學(xué)環(huán)境均會(huì)影響到氫質(zhì)子的馳豫特性,因此處于不同狀態(tài)條 件下水就表現(xiàn)出不同的馳豫時(shí)間(自旋-晶格弛豫時(shí)間 T1 和自旋-自旋弛豫時(shí)間 T2)。利用低 場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定能反映水分子流動(dòng)性的氫核的自旋-晶格馳豫時(shí)間 T1 和自旋-自旋馳豫 時(shí)間 T2,就可描述樣品中水分子的運(yùn)動(dòng)情況及其存在的狀態(tài)。

目前認(rèn)為分布在土壤中的水主要存在兩種狀態(tài):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(chǎng)核磁共振技術(shù)主要通過(guò)測(cè)量土壤孔隙中水的 T2 弛豫時(shí)間來(lái)確定土壤孔隙結(jié)構(gòu)中小孔隙和大孔隙的分布情況。本研究對(duì)土壤進(jìn)行 CPMG自旋回波脈沖序列下的測(cè)試,得到自旋回波串的衰減信號(hào),其 信號(hào)是不同大小孔隙內(nèi)水中氫質(zhì)子信號(hào)的疊加,再經(jīng)過(guò)傅里葉變換擬合得到核磁共振 T2 譜。 因此, T2 譜分布反應(yīng)了孔隙大小,大孔隙對(duì)應(yīng)長(zhǎng) T2 值,小孔隙對(duì)應(yīng)短 T2 值。