2016, Vol. 33文章信息
- 苗志英, 汪红志, 陈珊珊, 张凯威
- MIAO Zhi-ying, WANG Hong-zhi, CHEN Shan-shan, ZHANG Kai-wei
- 全开放式单边核磁共振探测器及其应用
- Fully-Opened Unilateral Nuclear Magnetic Resonance and Its Applications
- 波谱学杂志, 2016, 33(2): 305-326
- Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2016, 33(2): 305-326
- http://dx.doi.org/10.11938/cjmr20160213
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文章历史
收稿日期: 2015-08-21
修订日期: 2016-04-12
DOI:10.11938/cjmr20160213
2. 华东师范大学, 上海 200062;
3. 上海健康医学院, 上海 200093
2. East China Normal University, Shanghai 200062, China;
3. Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200093, China
常规核磁共振仪器（nuclear magnetic resonance，NMR）仪器（包括NMR波谱仪、成像仪和分析仪）依赖于高度均匀的磁场，均采用磁体包围样品（outside-in）的检测模式，在大磁体（永磁体或超导线圈）产生的高度均匀的磁场中进行小样品的检测或成像，其系统价格昂贵、体积庞大、笨重不便移动，而且半封闭或全封闭的磁体结构严格限制了样品的形状及尺寸．
非常规NMR指被测物可放于磁体一侧或包围磁体，它打破了磁体包围样品的传统NMR检测模式．非常规NMR包括单边NMR和测井NMR．单边NMR测量时，被测物可直接放于磁体的表面，因样品位于磁体的一侧，故被称为单边NMR；测井NMR是将磁体探入井眼中，被测物包围磁体，并对磁体周围环状或柱壳状区域的样品进行检测．
单边NMR有两种基本磁体形式（如图 1所示）：U型磁体和条型磁体．U型磁体又被称为马蹄型磁体，磁感线从N极发出沿磁极面的上方终止于S极，主磁场B0平行于磁体表面；条型磁体的两个磁极端类似于磁偶极子，磁感线从磁极面的一端发出终止于另一端，主磁场B0垂直于磁体表面．无论何种形式的磁体，适配相应的射频（radio frequency，RF）线圈、谱仪、RF功放和前置放大器等电子部件即可组成一套单边NMR系统．与常规NMR系统相比，单边NMR系统简单、成本低，样品可直接放于磁体表面（side-by-side模式），可实现小磁体大样品的检测．开放的磁体结构，为具有幽闭恐惧症的患者提供了便利，使肥胖病人不再受到检查限制，还可用于介入治疗．另外单边磁体可产生高达数T/m的天然恒定梯度磁场，可轻易实现扩散系数（diffusion coefficient，D）以及扩散系数-横向弛豫时间（D-T2）的测量，彻底避免了常规NMR测量扩散系数所需的大电流（以产生脉冲梯度磁场）以及由此产生的涡流效应．
从高场NMR波谱仪、到医用中低场NMR成像仪、再到低场NMR测井仪和单边NMR探测器，随着磁场强度的降低，磁体的几何结构越来越开放，磁场均匀性逐渐变差．在单边磁体产生的杂散场（磁场强度和磁场方向在空间上都是变化的）中，结合回波技术，可实现NMR检测，用于物性分析；在水平方向经过磁场校正，可实现二维成像[2, 3]；还可通过各种匀场手段，如机械匀场（通过添加小磁铁块调整主磁场B0），在磁体一侧实现磁场高度均匀的微小区域，如甜点式（sweet spot），用于全开放式波谱研究．
本文简述了单边NMR技术的发展，并以德国亚琛工业大学Blumich教授团队研发的NMR-MOUSE（mobile universal surface exploer）探测器为例，详细介绍了全开放式单边NMR探测器的硬件结构及非均匀场中的NMR测量方法，最后讨论了单边NMR探测器在波谱分析和生物医学等领域中的应用．
1 非常规NMR技术的发展非常规NMR技术思想（inside-out模式）于1978年由美国Los Alamos国家实验室的Jackson博士提出，其思路是在井眼中布置永磁体，在柱壳状的地层中构建主磁场，以满足NMR检测的基本条件，并基于这种思想设计了第一台NMR测井仪[4]．此后，Halliburton，Schlumberger和Atlas等石油公司均投入巨资研发，于20世纪90年代中期实现了石油测井仪的商品化．图 2(a)为Halliburton NMR测井探测器的结构图，图 2(b)是其探头横剖面图．它采用Halbach的环形永磁体[5]，主磁场B0垂直于探头轴向，RF线圈产生的射频场B1与主磁场B0垂直，在探头周围形成环状的敏感区域，并形成一定的梯度，通过调节RF中心频率可选择激发不同的深度层．
1979年，美国学者Halbach独创性地提出了多极性磁体环形排列结构，随后他又将环形排列结构扩展到平面式排列[7]，基于这种思想陆续出现了Halbach系列的便携式磁体．图 3(a)是一个环形Halbach磁体，图 3(b)是其磁体结构图．它由六块六边形条形磁体构成，只有拳头大小，磁场强度约为1 T，内部产生垂直于轴线方向的主磁场，外部磁场为0．此外，国内重庆大学徐征课题组研发设计出了一种半环Halbach磁体，其实物如图 3(c)所示，图 3(d)是其结构图，它由七块条形磁体组成半环Halbach磁体，在磁体上方形成单边逸散磁场，调节磁棒中心点所在曲线的曲率可以调节磁场的均匀度．主磁场方向与磁体表面平行，配以平面螺线管射频线圈，集成新西兰magritek公司的电子学部件，已开展了绝缘子伞群老化状态的无损检测[8]．
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| 图3 Halbach磁体设计．(a) 横截面为六边形的条形磁体面组成的环形Halbach磁体实物[1]；(b) 图(a)中每块磁体的磁场方向[1]；(c) 条形磁体组成的半环Halbach磁体实物；(d) 图(c)中半环Halbach磁体内部结构[8] Fig.3 Halbach magnets. (a) Halbach magnet built from identical bar magnets with hexagonal cross-section[1]; (b) Orientation of the magnets to produce a homogeneous field inside the halbach array transverse to the main axis[1]; (c) Halbach magnet built from half ring; (d) Internal structure of half ring Halbach magnet in (c)[8] |
受测井NMR思想的启发，美国和欧洲的科学家于十九世纪末提出了新的磁体构型，即单边磁体构型．1995年，德国亚琛工业大学Blumich教授团队研制了第一台单边NMR探测器，命名为NMR-MOUSE，其磁场强度为0.4 T，探头约重2.5 kg[9]．之后推出了NMR-MOUSE系列，最小磁体大小仅为2.8 cm×2.8 cm×3.1 cm，重0.8 kg，可实现0.2 mm的检测厚度．Blumich教授因此被尊称为“单边NMR系统之父”．随着NMR-MOUSE的出现，其测量方法也得到迅速发展，目前不仅可以测量纵向弛豫时间（T1）、T2、D和量子相干弛豫，还可实现T1-T2、D-T2、T1-D-T2等多维测量．图 4(a)为一个基于条型磁体的NMR-MOUSE探头实物，探头死时间小于10 μs，最小回波时间为20 μs．它不仅可用于橡胶产品的检测，还可用于半晶体聚合物如聚乙烯管和纤维素等的测量[10]．图 4(b)是一个基于U型磁体的NMR-MOUSE[11]，匹配8字型平面RF线圈，调谐匹配电路位于RF线圈下方的屏蔽盒中，整个RF探头恰好可放于两磁极间的沟槽中．无论是哪一种单边磁体构型，匹配相应的RF线圈（螺线管线圈、鞍型线圈或平面RF线圈）、谱仪和功放等即可进行NMR检测．测量时样品无需复杂的预处理，甚至无需损坏产品包装，可将样品直接放于线圈表面进行测量，还可将单边NMR探测器携带至现场进行实时检测．
在国内，除重庆大学外，中国石油大学肖立志教授团队也应用单边NMR系统实现了三维T1-D-T2的测量[12]；中国科学院电工研究所夏平畴教授和他的博士研究生车文华于2000年提出“薄片型医用非常规核磁共振成像仪磁体”（相关博士论文于2002年完成），开启了单边NMR技术在生物医学方面的探索[13-15]；此外，浙江大学姚缨英老师指导的谢俊鹏研究生于2006年完成了《完全开放方式磁共振成像磁体的设计》的硕士论文，对单边成像磁体的设计进行了详细论述[16]．
2 单边NMR探测器硬件结构一般情况下，NMR-MOUSE系列探测器探测深度越大，磁体体积也越大，而且不同的磁体（体积、场强等不同）适配不同的RF线圈．但是它们的基本电路结构相同．由于诸多文献报道的主要是基于U型磁体的单边探测器，因此下面以基于U型磁体的NMR-MOUSE为例，介绍NMR-MOUSE探测器的探头和电路结构．
2.1 探头结构图 5(a)为NMR-MOUSE探头结构图，图 5(b)为其横截面图．磁体为永磁体（NdFeB材质）；呈半圆柱状，高33 mm，直径为55 mm；磁体被轴向磁化，两块磁体磁极反向平行放置，并保留一定间隙，螺线管RF线圈固定在两磁体的间隙中．磁体表面最强磁场强度约为0.5 T，磁场最均匀区域位于距磁体表面2 mm高度范围内，该区域磁场强度约为0.4 T．两块磁体的柱状表面覆盖一层1 mm厚的聚四氟乙烯，对永磁体起保护作用，再外一层是10 mm厚的扼铁，磁体用铝板固定在扼铁上面，下端安装有平行的滑轨，可以调节磁体间的间隙，可调范围为6~20 mm，底座是10 mm厚的铁板，底座和环形磁铁构成磁轭，磁体嵌套在磁轭里面．磁轭的作用有两个：（1）使磁场集中在某个区域，防止漏磁；（2）使磁路导通形成一个闭合的回路．
RF线圈是由铜线绕制的螺线管线圈，其调谐匹配电路单独做在一个屏蔽盒里，安装在底座下方．主磁场方向平行于磁体表面，螺线管线圈产生垂直于磁体表面的射频场．
2.2 电路结构适配2.1节中所述探头的电路结构如图 6所示：工作频率为17 MHz，A是英国Witney公司生产的低场NMR波谱仪，共振频率为1~64 MHz，用于产生射频信号及接收NMR信号，它由一台台式PC机控制，通过程序控制射频发射和信号接收；B是AMT公司的功率放大器，带宽为1 kW，常用功率范围是100~300 W，频率源合成的射频信号很微弱，需要经过RF功放进行功率放大；C是Bruker公司的双工RF开关，RF发射时，RF开关使发射通路导通，接收通路关闭，信号接收时则反之，其工作时序是通过脉冲编程控制的；D是单边NMR探测器探头．NMR信号检测过程如下所述：谱仪中的直接数字频率合成器（direct digital synthesizer，DDS）模块合成RF信号，经功率放大后进入探头激发样品产生NMR信号，NMR信号经RF开关进入波谱仪，在波谱仪中完成滤波、放大和数字模拟（analog-digital，AD）采样等，最后数字化后的数据被送入PC机进行数字信号处理．
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| 图6 电路结构系统 Fig.6 The system of circuit structure |
在非均匀场中一般应用CPMG（car-purcell-meiboom-gill）序列实现信号采集和分析．使用CPMG序列的原因有三点：一是为了利用回波技术克服磁场不均匀性对信号的影响；二是相位相同回波的叠加会增强信号强度，提高信噪比；三是通过回波链衰减曲线可以获得一些其它信息，如根据CPMG衰减曲线的积分比例，可区分不同特性的材料[17]．
CPMG序列如图 7所示，将回波峰值形成的曲线进行一维拉普拉斯逆变换得到有效弛豫时间T2eff[1]，经弛豫校正即可得到T2．
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| 图7 用于测量T2的CPMG序列 Fig.7 CPMG sequence used for T2 measurement |
多孔介质中扩散-弛豫机制遵循Bloch-Torrey方程，但其弛豫和扩散间的相互作用复杂（如不同孔径的孔处于闭合状态时，孔间扩散会影响到孔内弛豫），单纯对孔径分布的研究并不能对多孔介质内弛豫-扩散机制作出科学分析．自2002年起，陆续出现了多维NMR测量序列及其相应的应用研究[18]．
3.2.1 D及D-T2的测量在均匀场中常用脉冲梯度场自旋回波序列（pulsed gradient spin echo，PGSE）或恒定梯度场自旋回波序列（static gradient spin echo，SGSE）测量D值．D-T2测量可由PGSE-CPMG或SGSE-CPMG脉冲序列实现．PGSE-CPMG序列如图 8(a)所示，需要人为施加巨大的梯度电流以实现强梯度场．常规NMR检测时，快速的梯度场切换不仅需要配有高精度的梯度系统，还不可避免地受到涡流效应的影响，而单边磁体具有强大恒定的静态梯度场，可轻易实现D值测量，并且不会有任何涡流现象．SGSE-CPMG序列如图 8(b)和(c)所示．
与脉冲梯度场不同，单边磁体产生的恒定梯度场的磁场梯度一直存在，扩散弛豫导致的信号幅值衰减效应也一直存在．恒定梯度场下，CPMG回波串的衰减遵循以下规律：
(1)
(1)式中$\frac{1}{{{T}_{2S}}}$为样品的表面弛豫率，决定于比表面积（S/V），反映了孔隙尺寸和孔隙结构；$\frac{1}{{{T}_{2B}}}$为本征弛豫率，反映了分子所在的流体粘度（η）和温度（T）；$\frac{1}{{{T}_{2D}}}$为扩散弛豫率，其与D（m2/s）、恒定梯度G（T/m）和回波时间TE（s）相关．对于容积型样品不考虑表面弛豫，(1)式可简化为：
(2)
因G和TE已知，若已知样品T2B（即均匀场下测得的T2），即可求得D值．
图 8(b)所示是将梯度导致的分子散相效果作用于直接回波，TE1是可调参数，通过调节TE1来控制恒定梯度作用于扩散的时间．TE2设为最小回波时间（以减小扩散作用对回波的衰减，提高信噪比），并固定不变，设定几组不同的TE1进行循环测量．在强静态梯度场下，施加RF激励，磁化矢量会产生不同的相干路径，通过设计合理的脉冲序列相位循环，可选择需要的相干路径，滤除不需要的相干路径．图 8(c)所示的序列前段部分是受激回波序列（stimulated-echo，STE sequence），δ为可调参数，Δ是恒定梯度作用于扩散的时间（Δ设为恒定值），后段是CPMG序列检测信号．序列中三个90°脉冲和180°脉冲以一定的相位循环测量（每次循环中，δ以一定的步进变化）．研究表明施加16步相位循环，可选择出受激波对检测信号的贡献[19]．无论是哪一种测量方法，将采集的数据进行二维拉普拉斯逆变换可得到D-T2谱图（如图 9所示），根据D-T2谱可以鉴别流体类型[1]，如水和油的T2分布重叠，在一维谱中有可能不便区分，但D-T2谱中可因D值不同而明显区分．
3.2.2 D-D的测量
图 10所示为测量D-D的二维序列，序列在编码阶段施加了两个受激回波序列（分别由 τ 1、 τ 2编码），两个序列之间保持一个间隔时间texch，此时间用于磁化矢量的演化和交换，Δ是扩散时间，设为恒定值， τ 1、 τ 2、texch是可调参数．7个90°脉冲和180°脉冲（所有的180°脉冲保持同相位）以一定相位循环变化，研究表明施加128步相位循环（Δ固定为1.6 ms， τ 1、 τ 2从最小值0.5 μs增加到最大值0.75 ms，texch从1 ms逐步递增到80 ms），可选择最优D-D相干路径[20].根据D-D二维谱可对植物组织中的各向异性环境进行分析．多孔介质中D-D实验可用于评价孔的连通性，分析孔与孔间物质转移的动态特性.
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| 图10 测量D-D的脉冲序列 Fig.10 D-D measurement sequence |
T1-T2测量序列如图 11所示，首先是利用反转恢复序列进行T1编码；接着利用CPMG序列检测T2eff（弛豫校正后得到T2）．t1是恢复时间，为可调变量．设定几组不同的t1重复测量．弛豫-弛豫机制与分子链的长度及分子动态特性有关，一般T1>T2，均匀场中纯水的T2达数秒，但随着分子流动性的降低T2逐渐变小；固体的T2很短，T1较长．从液体到固体，T1/T2的比率逐渐增大．根据T1/T2可分析流体的粘度及多孔介质孔道的几何特性，相同的T1/T2比率暗示了孔弛豫机制相同．T1-T2交叉实验还可用于分析混合液体中的质子交换等信息．
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| 图11 测量T1-T2的脉冲序列 Fig.11 T1-T2 measurement sequence |
恒定梯度下三维测量序列设计如图 12所示，其中t1、t2、t3是三个可调参数．序列可分为三个阶段：第一阶段运用饱和恢复序列进行T1编码，通过施加若干90°脉冲以消除纵向磁化矢量．t1是纵向磁化矢量的恢复时间，90°脉冲间的时间间隔以一定步进递增，以增加纵向磁化矢量的恢复、增大检测信号量、提高信噪比，经t2恢复时间后，施加一个90°脉冲将已经恢复的纵向磁化矢量翻转到横向平面．第二个阶段是进行D编码，t3用于调节恒定梯度作用于分子扩散的时间．第三个阶段是运用传统的CPMG序列测量T2eff（经弛豫校正后得到T2），回波时间TE设为最短，以减小扩散对检测信号的影响．调节t1、t2、t3三个可控参数，循环测量，将测量的数据经三维拉普拉斯逆变换，就可得到三维T1-D-T2谱图．
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| 图12 三维T1-D-T2脉冲序列设计 Fig.12 Design of 3D T1-D-T2 pulse sequence |
中国石油大学肖立志教授课题组利用单边磁体在恒定梯度场下对重油样品实现了三维检测（图 13）[12]．图 13(a)~(c)中，三个重油样品的粘度逐渐增大，其中横向平面是D为10-12 m2/s的参考平面，纵向平面是T1=T2的参考平面．从图中可看到：随着样品粘度的增加，D逐渐减小．图 13(c)中样品的粘度最大，其样品主要分布在D值为10-11 m2/s和10-9 m2/s两个区域．D值在10-11 m2/s周围、T1/T2比率较大的部分预示着大分子链的存在．根据三维T1-D-T2谱图可以更直观地对复杂混合物进行物性分析，它可作为鉴别流体类型的一种新方法．
自旋间偶极耦合相互作用是指核周围的磁偶极场通过空间传递，与空间位置有关．由于偶极耦合的存在，谱线会增宽或者裂分，通过谱峰的裂分情况，可测得偶极耦合常数，进而可确定原子间距及原子间的相对位置，从而为物质结构研究提供重要信息．当被测样品呈各向同性或是样品成球对称分布时，偶极耦合通常被平均为0，但是当静磁场B0呈空间不均匀分布时，核自旋的进动频率随空间位置而改变，此时偶极相互作用就不会被平均掉[21]．因此在单边磁体的杂散场下，很适合测量样品中偶极耦合产生的谱线裂分．
通常用多量子相干（multiple quantum coherence,MQC）技术来研究偶极耦合产生的谱线裂分信息．要想检测到常规分子中的MQC，至少需要三个90°射频脉冲，最基本的脉冲序列是(90°)τ(90°)tMQ(90°)t2(acquire)．第一个90°脉冲将纵向磁化矢量转化成横向单量子（single quantum coherence，SQC），SQC受到标量耦合和化学位移等作用而演化；然后第二个90°脉冲将其转化为各种阶的相干，其中包括MQC；随后MQC在演化时间tMQ时间内演化；经过tMQ演化时间后，一个90°脉冲将不可观测的MQC转化为可观测的SQC．上述过程称为z-滤波．将z-滤波与适当脉冲相位循环相结合，可选择某一特定排列的自旋量子[22, 23]．厦门大学陈忠老师课题组利用分子间MQC理论及相应的脉冲序列，在非均匀场中获得了高分辨率的1H NMR谱图[24,25]．目前，已实现在单边磁体下运用MQC技术评价传输线绝缘子的老化程度[26]．
3.5 其他参数的测量质子的自旋状态可反应物质的结构信息及分子的动态信息．几赫兹（Hz）的谱线裂分，即可为物质结构分析提供非常有价值的信息．但是质子自旋间微弱的相互作用不能使用CPMG序列直接检测，需要采用间接的测量方法．即在信号检测之前，加入准备脉冲，来筛选不同自旋状态的质子，这个过程称为滤波．上节所述测量MQC就属这种方法，除了测量MQC，还可测量偶极编码纵向磁化（dipolar encoded longitudinal magnetization，DELM）、偶极排列（dipolar order，DO）及双量子衰减（double-quantum decay signal，DQD）等．其基本测量步骤相同，都包括磁化矢量过滤、磁化矢量演化和交换、及信号检测三个阶段．间接测量常常是一个动态的检测过程，改变过滤参数不断循环测量，可获得不同的量子信号（如DO和DELM等）．混合时间（mixing time）为一固定值，该时间用于磁化矢量的演化和交换．间接测量法中常用CPMG序列检测信号（测量流程如图 14所示）．
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| 图14 间接测量方法 Fig.14 Indirect measurement method |
运用NMR-MOUSE已测量了具有不同交联密度和不同张力的天然橡胶带，得到DQ、DQD、DELM及DO曲线，这些结果表明根据多量子曲线可以很好的鉴别不同张力的橡胶样品[22, 27]．
3.6 成像扫描单边磁体沿垂直磁体表面方向具有天然的恒定梯度场，水平方向配以合适的梯度线圈，即可实现二维和三维成像．图 15(a)是一个U型磁体，沿y方向的磁场梯度为2.5 T/m，探测深度可达30 mm．RF线圈为方形平面RF线圈，大小为40×40 mm，匝数为4匝．梯度线圈位于RF线圈下方两磁极间的沟槽中，沿x方向梯度线圈是一对直径34 mm、长54 mm的螺线管线圈，它们反向平行，对称地位于x方向正、负半轴．z方向的梯度线圈是一对矩形线圈，其保持中心对齐，对称地分布在z方向正、负半轴．图 15(b)是在单边磁体的逸散场中进行成像的序列．可分为位置编码和信号采集两个阶段：编码阶段在第一个RF脉冲后同时施加x和z两个方向的梯度脉冲，以缩短编码时间，提高信噪比；信号检测阶段采用多回波的方法，以缩短成像时间．
图 16(a)是用天然橡胶裁剪成的字母样品，样品高10 mm，共5个字母形成词语“MOUSE”字样[图 16(b)]，每个字母厚2 mm．用图 15(b)所示序列进行成像，每次激发1 mm的厚度，每幅图像梯度脉冲步进17步，图像空间分辨率约为1.6 mm．约用时15 s可得到M字样的图像，改变发射RF的中心频率，激发不同的高度，分别得到其它字样的图像[图 16(c)]．单边磁体用于二维和三维成像的可行性，为其在医学成像领域的应用奠定了基础．
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| 图16 单边磁体用于橡胶字母样品成像[28]. (a) 10 mm高的橡胶样品，共5层，每层厚2 mm，零间隔叠放；(b) 5个字母构成MOUSE字样；(c) 每个字母的MRI图像 Fig.16 Unilateral magnets used in rubber letters sample imaging[28]. (a) Object made by stacking the letters of the word MOUSE,and each layer was cut from a rubber sheet of 2 mm thick; (b) Five letters constitute the word of MOUSE; (c) Images of each letter |
在非均匀场下进行速度测量类似于测量扩散引起的位移．图 17(a)为恒定梯度场下进行速度测量的脉冲序列：g1为速度编码梯度，其幅值大小决定了扩散速度，gy用来编码y方向的位置信息；在编码阶段加入2qy脉冲使静态磁场仅在编码阶段d时间内起作用；在演化阶段D时间内由于2qy脉冲的加入会使静态磁场引起的扩散作用相互抵消．图 17(b)是用17(a)图所示的序列测得的6 mm直径的圆形管子中水流的速度分布，图 17(c)是在水平面内沿v(y,0)和v(0,z)方向的速度分布曲线．运用单边磁体进行速度成像，若在临床上得到应用，对于病变组织（如肿瘤）的早期诊断具有重要意义．
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| 图17 单边NMR用于测量速度[29]. (a) 恒定梯度场下测量速度序的脉冲列；(b) 圆形管子中水平方向(y0z平面内)水流的速度分布图；(c) 沿v(y,0)(■)和v(0,z)(□)方向的速度分布曲线 Fig.17 Speed measurement by unilateral NMR[29]. (a) The sequence of measuring speed in constant gradient field; (b) Flow velocity profile in a circular pipe; (c) The velocity distribution in the direction of v(y,0)(■) and v(0,z)(□) |
20世纪末，随着NMR测井仪的商业化和NMR-MOUSE的出现，非常规NMR测量方法迅速发展．非常规NMR，特别是单边NMR，已应用于多个领域，如波谱学、生物医学、食品、橡胶材料及固体聚合物、文化遗产保护等．
4.1 波谱学Blumich教授团队于2007年运用NMR-MOUSE进行了化学位移测量[31]．该工作是在主磁体两磁极的间隙里添加了四对匀场小磁体，用于补偿主磁场的不均匀性，在距磁体上表面5 mm的高度，形成5×5×0.5 mm3的甜点区．此外匀场单元还施加了三组线圈，分别产生x、y、z三个方向上的梯度场来微调磁场均匀度．机械匀场（起主要匀场作用）加匀场线圈匀场后，甜点区域内磁场均匀度可达到δ0.25．图 18(a)是测得乙酸的化学位移，中心频率为8.33 MHz，甲基和羧基的质子化学位移分别为δ2.3和δ11.3，信号强度约为3:1．图 18(b)是测得水和原油混合物的1H NMR谱，根据峰的积分面积可以量化水/油比例，这对石油测井有重要意义．
单边磁体沿着垂直于磁体表面方向存在着天然恒定的梯度场，利用这个自然梯度很适合进行层面分析，如对人类皮肤进行测量分析．皮肤从表及里主要分为表皮层、真皮层和皮下组织，其中真皮层又主要分为乳头层和网状层．目前利用单边NMR探测器已实现了关于人的皮肤老化的研究．如图 19(d)所示，对受检者的前臂皮肤进行测量：将单边磁体安装在步进电机上，通过步进电机来调节磁体表面距皮肤的距离，以此来控制敏感区位于皮肤中不同的深度层，所用单边磁场梯度为8 T/m，沿深度方向的空间分辨率为50 μm[31]．图 19(a)是单边磁体测得不同深度皮肤的NMR信号强度，图 19(b)是其对应的T2，图 19(c)是前臂皮肤的组织切片．根据信号强度及T2 ，可将皮肤分为5层：（1）表皮层；（2）乳头真皮层；（3）上层网状真皮层，其主要成分是胶原纤维和弹性纤维，自由水很少，因此这个区域信号强度最低、T2最短；（4）下层网状真皮层，由于该层与皮下组织有交叉，会含有一些脂肪，因此该段信号强度及T2都逐渐升高；（5）皮下组织，该层脂肪含量较多，因此此段信号强度较大、T2较长．
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| 图19 单边NMR用于皮肤分层分析[31]. (a)和(b)是NMR信号强度及相应的T2，据此可将皮肤分为五层：1表皮、2乳头真皮层、3上网状真皮层、4下网状真皮层、5皮下组织；(c) 皮肤组织切片；(d) 单边NMR现场进行皮肤检测 Fig.19 Skin layer analysis by unilateral NMR[31]. (a) and (b) are the NMR signal strength and T2 respectively,and skin can be divided into five layers: 1 the epidermis,2 papillary dermis,3 upper reticular dermis,4 lower reticular dermis and 5 subcutaneous tissue accordingly; (c) Skin biopsy; (d) In vivo assessment of skin with a unilateral NMR scanner |
随着年龄的增长，受自然老化及光照（紫外线照射）的影响，人体皮肤内胶原纤维含量逐渐降低，从而导致快弛豫部分的含量随年龄的增加而降低[图 20(a)和20(b)]．而随着胶原纤维强度降低，结合水减少，自由水增多，因此快弛豫时间和慢弛豫时间均增长[图 20(c)和20(d)]．
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| 图20 单边NMR检测不同年龄段（19~86岁）志愿者的皮肤变化情况[31]. (a)快弛豫部分含量与胶原纤维含量间的关系，老年人(●)，年轻人(■)；(b)快弛豫部分含量与年龄的关系；(c)快弛豫时间T2f和(d)慢弛豫时间T2s随年龄增长的变化 Fig.20 Unilateral NMR detection of skin changes in different age volunteers (19~86 years old)[31]. (a) The relationship between the fast relaxation part fraction and the collagen fiber content,elderly(●),young (■); (b) The relationship between the fast relaxation part fraction and the age; (c) and (d) The changes of fast relaxation time (T2f) and slow relaxation time (T2s) with age increasing |
在生物医学方面还有研究者对移植皮肤和健康皮肤做过对比研究[32]，对人类跟腱结构及健康状况进行过研究[1]等，所有这些研究开启了单边NMR在医学方面的应用探索，意义重大．
4.3 食品在均匀磁场中，油的FID信号比水衰减更快[图 21(a)]，但是在强梯度场中，水的CPMG包络线要比油衰减快[图 21(b)]，原因就是油对磁场均匀性不敏感，在同一梯度场下油的扩散作用较小，而水扩散作用大．利用扩散权重可以量化油/水比，运用NMR-MOUSE可轻易实现这一点[图 21(c)][33, 34]．另外利用扩散也可分析植物组织的健康状态，如对完整土豆及擦伤土豆进行研究，结果表明受损细胞比正常细胞的回波衰减快[图 21(d)]，原因是受损植物组织中细胞膜、细胞壁等对水扩散的限制被破坏了[35]．利用单边NMR还可测定食物中的脂肪含量，如测定活鱼的脂肪含量，这对于育种的筛选有一定意义[36]．NMR-MOUSE也可安装在生产线上用于质量控制[37]．未来随着非常规NMR硬件及测量方法的发展，在增加探测深度的基础上，单边NMR有望用于各种包装食品的分析．
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| 图21 单边NMR在食品领域的应用．(a) 均匀场中油比水衰减快[33]；(b) 非均匀场中水比油衰减快[33]；(c) 非均匀场中测定油/水比[33]; (d) NMR-MOUSE测定植物细胞受损情况[35] Fig.21 Applications of unilateral NMR in food research. (a) In a homogeneous field,oil signal decays faster than water[33]; (b) In an inhomogeneous field,water signal decays faster than oil[33]; (c) In an inhomogeneous field,unilateral NMR used a tool to quantify water/oil emulsions[33]; (d) Damage to the cell structures in plant material can be identified by unilateral NMR[35] |
交联密度是表征弹性体材料特征的重要参数，传统测量交联密度是用机械法或溶剂溶解法．实验[38]表明运用单边NMR可测定材料交联密度和密度，因为交联密度与材料弛豫时间有关，而材料的密度和NMR信号幅值有关．单边NMR开放的特性，可实现对材料的无损检测，因此NMR-MOUSE是一种很好的测量材料特性的工具，目前其在材料检测方面已有很多应用．包括对汽车轮胎及聚乙烯管子质量的评价，对橡胶材料老化程度的评价[39, 40]等．
4.5 文化遗产文物古迹珍贵且不便移动，只能采取无损的检测方法对其进行评价．因此单边NMR越来越受到历史学家及文物保管者的关注．运用CPMG序列，在单边磁体的杂散场中，可无损检测1H NMR信号，根据1H信号及T2弛豫时间可分析物质的含水量及物质密度等信息．
研究者运用单边NMR探测器分别对木乃伊及活体人的头颅骨进行测量，结果显示活体人头颅的1H NMR信号强度明显高于木乃伊[41]，此方法可以间接测定骨密度，对木乃伊的保存状态进行评价．
湿度是壁画和木板画保存的重要环境因素，湿度会触发墙壁（建筑材料）中盐分的析出，盐分在墙壁表层的沉积和风化会导致壁画的剥落及瓦解，同时潮湿的环境也会加速木质材料的腐蚀．单边NMR探测器具有一定的探测深度，可对某一特定深度层进行测量分析，非常适合用于壁画和木板画的研究．将探测器固定在精密步进电机上，通过计算机控制探头与被测物的距离，来调节敏感区域在被测物中的位置[图 22(a)]．为了防止或减缓壁画脱落，一般会在壁画表面涂一层有机涂层进行保护（防水或抑制盐分析出凝结）．对同一面墙壁经涂层加固处理和未经保护处理的两个区域进行检测，结果显示[图 22(b)]未经处理的区域比经保护处理区域的1H NMR信号强，原因可能是未受保护区域吸收空气中的水分较多．图 22(c)显示经草酸铵处理的区域与未处理区域的检测结果相近，经氢氧化钡涂层处理的区域检测到较强的1H NMR信号．同时用X射线光谱和傅里叶变换红外光谱技术对上述区域进行检测，测量结果与单边NMR探测器检测结果一致[42]．
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| 图22 单边NMR探测器用于检测壁画．(a) 单边NMR探测器现场检测壁画[43]；(b) 经加固处理和未经处理区域的质子含量[42]；(c) 同一面墙经草酸铵和氢氧化钡涂层处理与未处理的三个区域质子含量[42] Fig.22 Unilateral NMR detector used in the detection of mural. (a) Murals were in-field measured by unilateral NMR detector[43]; (b) 1H content of reinforcement treatment and untreated areas[42]; (c) 1H content of three regions by ammonium oxalate,barium hydroxide coating treatment and untreated respectively at the same wall[42] |
图 23(a)上图是用光学显微镜对一幅蛋彩画样本沿深度断面进行的成像，下图是运用单边NMR探测器对这幅蛋彩画样本沿其深度方向上的测量数据，根据测得信号强度可将蛋彩画划分为四个层面：绘画层（0.4 mm厚）、底漆层（石膏层，1.2 mm厚）、粘合层（帆布和胶，0.8 mm厚）和木板层，这个结果与用光学显微镜测得的结果相吻合．图 23(b)为一幅肖像的两个不同区域P1区和P2区域的测量数据，从图中可看到在绘画层，P2区域的信号强度明显低于P1区，原因是P2区表面受到了一定的损坏[44]．
另外根据质子的信号强度和T2，还可以鉴别建筑的年代[42]，有助于辨别不同的建筑技术．利用单边NMR技术还可以评价文物保护方法的优劣性，对于制定合适的文物保存策略非常有益．
此外，单边NMR用于湿度检测的应用已有很多，例如用于评价混凝水泥的固化过程[44]、测量土壤的湿度和水分运输[45]等．
5 总结与展望与常规NMR相比，单边NMR存在灵敏度低和信噪比弱的不足，目前这种非常规NMR系统还未实现商品化，制约其发展的因素诸多，包括仪器硬件和测量方法等．但单边NMR系统以其设备简单、成本低、可便携和可实现实时无损检测等优势有着广阔的应用前景．本文概述了非常规NMR的起源发展、并以单边NMR-MOUSE探测器为例概述了单边NMR技术的测量方法及应用情况．未来单边NMR的发展方向主要包括以下四个方面：一是仪器的微型化，近年来便携式谱仪的发展[46]正逐步推动者单边NMR系统的小型化；二是仪器专业化；三是增加探测深度和扩大灵敏区域的体积；四是提高测量速度和提高灵敏度．单边NMR硬件和方法的发展，不断扩展着其新的应用领域；而其在各个领域的新应用，也推动着单边NMR硬件和方法的发展．
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