土壤核磁共振无损检测-水分与孔隙

土壤是位于地球陆地表面和浅水域底部的具有生命力和生产力的积聚层,是地球系统的 重要组成部分和调控环境质量的中心要素。土壤水作为土壤资源的重要组成部分,是一切 陆生资源赖以生存的基础。土壤孔隙结构是土壤的基本属性,土壤孔隙的数量、大小分布、 形状和三维空间构型决定了土壤通气供水的能力,土壤孔隙也是土壤生物运动的通道和生活 的重要场所。因此,研究土壤水分状态与孔隙分布对认识土壤基本属性具有重要意义。

核磁共振技术飞速发展,按照场强大小可分为低场、中 场和高场。低场核磁是指场强低于 0.5 T 的核磁技术,其造价低廉,可以实现快速无损检测 水分含量以及水分在多孔介质中的交互作用[9],应用遍及食品、农业、生命科学、地质研究、 能源勘探和高分子材料等[10-14]领域,在及端条件下的冻融土壤也展开了相应研究。

纽迈MesoMR系列低场核磁共振系统

核磁共振是一种快速、无损的测量技术,可以微 观地揭示样品中水分的变化规律。在核磁共振技术中,原子核受射频场作用撤除后以非 辐射的方式逐步恢复到平衡状态,这一过程称为弛豫过程。弛豫过程所需要的时间称作弛豫时间。水分子周围不同的物理化学环境均会影响到氢质子的驰豫特性,因此处于不同状态条 件下水就表现出不同的驰豫时间(自旋-晶格弛豫时间 T1 和自旋-自旋弛豫时间 T2)。利用低 场核磁共振技术测定能反映水分子流动性的氢核的自旋-晶格驰豫时间 T1 和自旋-自旋驰豫 时间 T2,就可描述样品中水分子的运动情况及其存在的状态。

目前认为分布在土壤中的水主要存在两种状态:束缚水(包括吸湿水和膜状水)和自由 水(包括毛管水、重力水和地下水) ,低场核磁共振技术主要通过测量土壤孔隙中水的 T2 弛豫时间来确定土壤孔隙结构中小孔隙和大孔隙的分布情况。本研究对土壤进行 CPMG自旋回波脉冲序列下的测试,得到自旋回波串的衰减信号,其 信号是不同大小孔隙内水中氢质子信号的叠加,再经过傅里叶变换拟合得到核磁共振 T2 谱。 因此, T2 谱分布反应了孔隙大小,大孔隙对应长 T2 值,小孔隙对应短 T2 值。