低磁场核磁共振分子动力学及食用油链长度

文 | 云上乌托邦

编辑 | 云上乌托邦

前言

脂肪在人类饮食中起着不可替代的作用，它赋予食物一种独特的味道和颜色。食用油的质量也是一个与世界各地消费者饮食健康相关的大问题，也可能危及消费者的健康。因此,评价食用油在使用和贮存过程中的质量变化具有重要意义。

用传统的物理和化学方法来评价食用油的质量既费时又费力，而且有很大的错误。与传统的检测方法相比，核磁共振是一种能够保持样品完整性的无损检测方法。核磁共振是有机和无机物质定性和定量分析的有力工具。

低场磁共振技术是近年来逐步发展起来的一种观察和分析样品物理参数的新技术手段。同时，它标志着医学检测技术的研究方向，复杂的高端分子和化学材料正被开发用于更广泛的工农业领域。

核磁共振分子的应用

核磁共振技术具有快速、准确、无创、无污染、无辐射等优点，可以在不损害样品的情况下观察和分析材料的特性。高场核磁共振设备灵敏度高，分辨率高,信噪比高，但对样品均匀性要求高。液体需要去离子化，固体需要粉状。此外,仪器昂贵,随后维修设备的费用极高。

然而,lf-nmr设备使用永久的磁铁,使它们小而便宜。因此,他们是理想的在线过程检验,工业质量控制和质量检验。与高磁场核磁共振相比，LF-NMR价格低廉,速度快。低场核磁共振仪器可以是便携式的。测试可在现场而非在固定化验室进行低场核磁共振仪器可便携式。

测试可在现场而非在固定化验室进行低场核磁共振仪器可便携式。测试可在现场而非在固定化验室进行。

大多数食品材料均含有水、油混合多孔介质,而样品的松弛率受孔隙尺寸的影响。因此,可以利用LF-NMR方法来确定和分析孔隙分布的测量方法和油与水的区别。

这在食物安全(例如食用油)的品质管制方面亦可起重要作用，LF-NMR的横向松弛衰变曲线不仅可用于根据物理化学指标(如粘度、酸值和碳基值)的预测来监测煎油的质量，但也要阐明纯净水的生物物理状态与干燥发酵肉类制品的结构特性之间的关系。

此外,横向松弛衰变曲线的分析也在食品质量控制中发挥着重要作用。它已广泛应用于食用油组合、人造制品检测等食品的分析检测，大豆品种歧视及肉类品质分析。

核磁共振光谱法已广泛用于石油分析,以确定植物油的生物来源及植物油脂肪酸分布。以1H核磁共振光谱法为基础的技术已得到广泛发展，以确定生物油的成分，监测生物油的生产过程,并评价生物油及其混合物中的生物油浓度。确定碳链长度对液体燃料至关重要,因为碳链长度是决定其质量和性能的关键参数之一。此外,它还对液体燃料的粘度、热值和六烷值等其他质量参数有很大影响。

实验得到的相关性T2在大多数研究中，经验上描述了不同植物油和其他油的粘度和其他物理参数的松弛时间。核磁共振松弛是用来解释T2考虑到球形分子的形状，取决于烷的粘度。

核磁共振理论

分子运动决定了松弛时间和分子组分的可用信息.流体的旋转动力学的特征是纵向松弛时间 T 1 横向松弛时间T2以及整个分子的扩散系数D。在相对复杂的流体混合物中，小分子因其分子体积而比大分子扩散更快。

因此,特定碳氢化合物分子的扩散系数与其大小或链长有关,整体流体环境会影响分子扩散。对于任何相对复杂的化合物分子，松弛时间是由分子内核偶极子相互作用决定的，这受分子运动的影响。

纵向松弛时间T1它与溶液中整体分子旋转的滚动有关，因为滚动的频率必须与旋转晶格能量转移所需的滚动转变频率相匹配。横向松弛解释了XY磁化速度为1/1的快速相散。T2由环氧平面上的分子内动力学过程引起的。

在这个过程中,纵向松弛时间T1比横向松弛时间长或等于T2 ，旋转相关时间代表粒子在溶液中完成一个旋转弧所需的时间。它是由微粒的大小和形状决定的，分子触发率是用斯托克斯-爱因斯坦方程估计的。

根据这一公式，1τC 是触发率，rg是旋转半径，η是溶剂的粘度，K波兹曼常数和T是开尔文的温度。这一理论模型是在布罗本根理论的基础上建立的，它是一个考虑分子布朗运动和核磁共振松弛时间的模型。样本中质子的松弛速率与分子的旋转相关时间的函数τC 如下所示:

在这些公式中， h合理化的普朗克常数，它是普朗克常数除以2π. γ磁导率是磁导介质中磁感应强度B与磁场强度H的比率。 M 0 是自由空间上的渗透性，其中F是1h的装甲进动频率，表明ω0=2π f.l是位于同一化合物分子上的两个相邻氢核之间的距离。

根据方程(3)和(4)，下场核磁共振松弛时间， T 1 和 T 2 ，如果油含有大分子结构则不同。对于快速移动的分子，两者 T 1 和 T 2 放松时间随T的增加而减少。对于缓慢移动的分子， T 2 松弛时间随著增加而减少τC ， T 1 松弛时间随著增加而增加τC和 T 1 松弛时间超过 T 2 休息时间。分子聚集体和大分子的尺寸比孤立分子大。

为什么T1松弛时间超过T2松弛时间可能是这些结构的触发旋转率较低。两个放松时间 T 1 或放松时间T2是由旋转相关时间决定的。因此，核磁共振松弛反应分子运动：小分子扩散比大分子更快。因此，在类似溶剂中对同一分子旋转有类似的松弛时间。

流体样品的粘度是由流体中所有成分共同决定的考虑到低粘度流体的纵向松弛时间等于低磁场强度时的横向松弛时间，可以根据方程(2)和(3)进行分析。

如果T1放松时间不等于T2松弛时间，这表明与分子尺寸相关的运动相比，有较慢的运动，通常发生在液体中有较大的聚合物分子。图1 演示分子运动是加速的(因为原子的LAMAR频率) ω0τC而对于给定值，两者都是T1缓解时间和T2放松时间减少τC增加。

然而，当分子运动速度逐渐减缓时，T2 松弛时间会持续减少，而T1放松时间将开始增加。这很可能是由超分子结构或分子内聚集引起的。

图1 理论上的 T 1 和 T 2 松弛时间和相关时间。

数据分析

由于油的粘度不同，油的碳链长度越长，饱和度越高，粘度越大。相反，油的碳链长度越短，油的饱和度越低，油的粘度越低。图2和图3 显示测量结果T1 - T2分配八种不同的油。

第一类油的特征是高饱和度、高粘度和较短的松弛时间，持续时间在10MS以下，如甘油、二甘油酯等。第二类是树脂。… T1含树脂油脂的松弛时间比含树脂油脂的松弛时间长。 T2 休息时间。与其他石油分子的密切相互作用减缓了麦芽烯分子的旋转。

这种反应导致了较短的松弛时间，如对松果醇的松弛时间。这些结果表明，T1 - T2与油的物理性质和化学成分有关.因此，T1 - T2 分布形状可用于识别不同的油脂特性，如图2和图3。

图2

图3

随着石油温度达到凝固所需的温度，晶体出现，样品变成固体(图3 )。凝胶形成了一个坚硬的网络，阻止了石油的流动.该网络由样品重量的一小部分组成;在分子水平上，大多数油分子仍处于流体状态。T2是不变的T1增加，表明大多数石油分子的旋转不受刚性网络形成的影响。注意，在这种情况下，油粘度不能仅仅通过松弛测量来预测。

分布与环境之间的理论关系T1，T2和T1 / T2 可以从方程(4)中得到。分析结果揭示了流体中不同类型和分子大小的运动差异。

分子动力学反映流体。旋转相关时间的分布也反映了所有分子的旋转相关时间，可以用来分析复杂流体的分子动力学。

因此，选择了粘度和分子结构相似的油进行数据分析和处理(表1)。

表1

在实验中，横向松弛时间速率R2取决于样品中不同油分子的组成。布洛本根-珀塞尔-庞德(bPP)法通常用于描述液体中的旋转-旋转核磁共振松弛。根据bPP理论，旋转-旋转松弛时间 T 2 或放松速率R2( R 2 = 1/ T 2 )取决于由旋转相关时间表示的分子旋转速率τC（图1）这是分子旋转速率的一个特征参数。液体样品ω0τC新一代1(核磁共振装置的共振频率)及 R 2 线性增加，相关时间增加，如下所示：

（5）

在这个方程式中， M 2 是二阶矩阵的值，它是由附近原子核之间偶极-偶极相互作用的强度决定的。在bPP方程中的旋转相关时间可以用斯托克斯-爱因斯坦-德维方程来描述:

（6）

（7）

其中V 是分子的有效体积，η是黏度， T开尔文温度， K是波兹曼常数，由实验和Cr是拟合参数。斯托克斯-爱因斯坦-德维方程通常用于修正形式的均匀流体，其分子被描述为具有流体动力学或斯托克斯半径的球体，而不是分子。

旋转相关运动对核磁共振松弛谱贡献最大，而翻译运动的频率范围贡献较少。核磁共振松弛的测量并不考虑振动可能是由于高频。不同分子运动的旋转相关时间是特定相关函数中的时间参数。需要复杂的建模来分别描述它们。另一方面，分子的旋转相关时间可以用已知的相应扩散系数来计算，这是斯托克斯-爱因斯坦方程所描述的:

（8）

（9）

其中Dr是旋转扩散系数， K是波兹曼常数， T是温度，η是黏度和R是斯托克斯分子半径。在描述分子的旋转运动时，人们通常认为分子具有球形的流体动力半径。考虑到分子的有效体积等于：

（10）

方程(5)-(7)的组合得出以下结果:

（11）

因此，旋转相关时间显然取决于相应的扩散系数(方程(10))。方程(10)是计算核磁共振松弛相关时间的常用方法，因为旋转分子运动是核磁共振松弛的主要因素。一般而言，不同形状的分子可以用流体动力半径来表征。为了将旋转扩散系数与分子量联系起来，已知的比率可以用来描述未扭聚合物链的自扩散和自我行为。对于分子，这两个参数之间有直接的依赖关系：

（12）

其中MwC是纠缠耦合分子量，和α是系数，等于1。通过将方程(6)、(10)和(12)结合起来，我们可以清楚地看到 R 2 以及分子量。

（13）

可以很容易地假设，对于具有类似化学组织的未分支碳氢化合物，分子量与分子量成正比，可以用cl来评价。考虑到R2关于分子量 M w (方程(13))，我们可以假设R2线性依赖于cl:

（14）

测测量了所有石油样品的脉冲脉冲回波序列的衰变，然后测量了旋旋松弛速率。 R 2 用单指数函数拟合确定。获得的 R 2 数值载于表1.碳链长度cl被绘制为松弛速率的函数。图4显示出线性关系。通过对数据集进行线性拟合，可以计算出以下模型:

（15）

图4

结论

利用核磁共振松弛法测量植物油，对20多种植物油和精油样品的核磁共振信号进行了采集和分析，通过推导和分析油碳链长度与横向松弛速率的关系，得到了油样品横向松弛时间和油样品速率，确定了这些分子之间的可能相互作用。

核磁共振松弛反应分子运动.小分子比大分子扩散得更远，旋转更快，表明在类似溶剂中同一分子上的所有旋转都有相当大的松弛时间。研究结果表明，旋转时间分布直接关系到油溶液中的分子尺寸分布和分子动力学。

油的旋转相关时间也反映了分子之间的相互作用和油溶液的粘度。我们得到了核磁共振结果与分子碳链长度的相关性，可以用来确定碳链长度。