李新，中國石化石油工程技術研究院，副主任 高工，2012 年畢業於中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室地質

資源與地質工程專業，獲工學博士學位。同年進入中國石油大學和中國石油化

工集團聯合博士後工作站，研究方向為地球探測與信息技術，重點從事在線高

精度核磁共振檢測繫統和井下極  端環境核磁共振科學儀器與理論方法的研究

工作。2014 年晉升高級工程師（副高級職稱），擔任多項國家自然科學基金重

大科研儀器項目及國家十三五重大專項專題技術首席。

榮獲北京市科學技術一等獎（2015）、中國石油化工和化學工業聯合會技

術發明一等獎（2015）、中國石油和化工自動化應用協會技術發明一等獎

（2014）。

先後主持和參與多項國 家自然科學基金項目、國 家重大專項、科技部和中

國化工集團重點攻關項目。近年來，申請美國發明專利申請4 項，申請中國發

明專利申請30 餘項，其中已獲授權6 項，出版《天然氣水合物的地球物理特

征與測井評價》專著1 部發表高水平學術論文30 餘篇。

第1章核磁共振簡介/ 1

1.1核磁共振2

1.2移動式核磁共振5

1.3測量方法8

1.4硬件14

1.5總結15

1.6延伸閱讀16



第2章硬件和操作/ 17

2.1譜儀連接17

2.2測試樣品18

2.3軟件啟動19

2.4噪聲水平20

2.5調諧和匹配21

2.6刻度脈衝扳轉角22

2.7脈衝序列和參數24

2.8數據處理29

2.9總結30

2.10延伸閱讀31



第3章測量的類型/ 32

3.1自旋密度32

3.2弛豫和擴散42

3.3成像61

3.4波譜73



第4章溶液、乳狀液和懸浮液/ 88

4.1溶液89

4.2乳狀液98

4.3懸浮液105



第5章聚合物和彈性體/ 112

5.1彈性體114

5.2非晶態聚合物127

5.3半晶態聚合物131



第6章生物組織/ 142

6.1皮膚深度維剖面143

6.2肌腱各向異性151

6.3植物和水果157



第7章多孔介質/ 167

7.1岩石和沉積物168

7.2土壤179

7.3水泥和混凝土191



第8章文化遺產/ 203

8.1壁畫和石畫203

8.2架上繪畫212

8.3木材219

8.4紙張和羊皮紙225

8.5木乃伊和骨骼230



第9章結束語/ 236

9.1未來發展236

9.2延伸閱讀239

9.3參考文獻240

核磁共振（NMR）是一項復雜的技術。初學時，核磁共振專家告訴我們那些漂亮的實驗都很簡單，而我們對它著迷的同時也面臨著堆積成山的信息，包括脈衝、扳轉角、旋轉坐標繫、密度矩陣等。為什麼不能像操作DVD播放器或其他復雜設備（例如手機）那樣開展核磁共振實驗呢？核磁共振譜儀肯定比咖啡機要復雜得多，所以譜儀的使用不會特別簡單。但核磁共振譜儀真的比手機更復雜嗎？答案恐怕是否定的！我們使用移動電話時並不了解其功能實現和內部電路的技術細節。那麼為什麼核磁共振譜儀不能像手機那樣便捷地得到漂亮的實驗結果呢？

目前，專用化和個性化的小型核磁共振儀器是核磁共振領域挑戰的課題之一。小型核磁共振儀器技術相對新穎，也越來越受歡迎。本書作為小型化核磁共振儀器與應用的指南，通過講解基礎知識和操作方法讓讀者能成功地完成核磁共振實驗。本書主要介紹在用於材料和過程分析方面的小型和移動型核磁共振儀器，不掌握、了解核磁共振知識的研究人員可能需要這些技術。第1章是核磁共振和移動式核磁共振的基本介紹。第2章討論核磁共振實驗儀器。第3章講述核磁共振實驗的基本類型。第4～8章為核磁共振實驗在流體、聚合物、生物組織、多孔介質和文化遺產領域的代表性應用。每個應用都會根據先前章節中的原理給出測量和數據評價方法，內容包括目標、理論背景、脈衝序列和參數、初級測量、高級測量以及數據處理。希望本書能夠幫助核磁共振初學者在小型核磁共振設備上成功開展測量實驗，即便現在使用核磁共振設備還達不到像使用手機那樣的簡便程度。

本書得益於許多朋友和亞琛核磁共振研究組成員的幫助。他們貢獻了本書中某些章節的早期版本，核對了脈衝序列和相位列表，重要的是提供了文中許多實例的實驗數據。感謝下列人士對本書內容的科學貢獻：Alina Adams、Sophia Anferova、Vladimir Anferov、Stephan Appelt、Juliane Arnold、Maria Baias、Peter Blümler、Federico Casanova、Ernesto Danieli、Vasiliki Demas、Dan Demco、Gunnar Eidmann、Ralf Eymael、Stefan Glggler、Nicolae Goga、Andreas Guthausen、Gisela Guthausen、Agnes Haber、Rolf Haken、Song-I Han、Christian Hedesiu、Volker Herrmann、Jürgen Kolz、Kidist Hailu、Bharatam Jagadeesh、Martin Klein、Kai Kremer、Rance Kwamen、Maxime Van Landeghem、Dirk Oligschlger、Eva Paciok、Josefina Perlo、Juan Perlo、Pablo Prado、Gabriel Rata Doru、Ralf Savelsberg、Udo Schmitz、Andrea Schweiger、Shatrughan Sharma、Siegfried Stapf、Oscar Sucre、Yadoallah Teimouri、Jochen Vieβ、Alexandra Voda、Anette Wiesmath、Eiichi Fukushima、Tia Ishi。Eva Paciok和Lutz Weihermüller校對了本書早期版本。Gisela Guthausen、Burkhard Luy、Antonio Marchi、Peter McDonald和Frank Rühli提供了獨特的插圖。Bernhard特別感謝Joanie接納一個總是心不在焉的丈夫，Sabina特別感謝Andreas在早餐前進行的討論，Wasif特別感謝母親Rifqua Ejaz的傾聽以及Aroosa Ijaz的支持。



Bernhard Blümich

Sabina Haber-Pohlmeier

Wasif Zia

2013年8月31日

亞琛

中文版序

小型核磁共振（Compact NMR）是核磁共振技術的一種獨特實現形式，近年來憑借便捷、綠色和準確的優勢，在工業、醫學、農業、食品、材料等研究領域湧現出大量新方法、新應用，正快速蓬勃發展。

小型核磁共振的精華在於一個“小”字。“小”在字面上的意義主要指儀器的體積，它賦予核磁共振技術眾多新特性和新生命力。這些特性包括：

，硬件輕量化。核磁共振硬件小型化包括探測器和電子繫統兩方面。探測器方面，磁體的縮小直接帶來輕量化，線圈的縮小降低電子線路需求，促進了電子線路相應地變小變輕。核磁共振分析儀器經歷了：落地式-桌面式-攜帶式-手持式-穿戴式的演化。硬件的輕量化使核磁共振從傳統大型專用實驗室轉向大眾化大規模應用具備了技術可行性基礎。將核磁共振設備帶至測量地點，開展原體原位測量的新概念極大擴展了核磁共振技術應用的想像空間，單邊核磁共振甚至實現了任意大小物體的測量，這為核磁共振技術深入各個應用領域，與之結合發展提供了充沛動力。

第二，成本經濟化。核磁共振硬件的小型化直接降低制造成本，這是實現規模化應用的第二個優勢因素。小型核磁共振通常采用成本較低的永磁體作構建主磁場，硬件本身降低的同時，維護、屏蔽和場地成本也大大降低。隨著經濟性的提升，科研機構逐步流行配置小型核磁共振儀器開展基礎教學和科學研究的選項。核磁共振技術逐漸普及和為大眾了解，培育了較大規模的應用群體和專業人纔。針對不斷出現的特殊應用需求，促成廠商與使用者共同研究的靈活開發方式，產學研良性循環趨勢顯現。

第三，磁場簡單化。小型（甚至開放式磁體）核磁共振儀器實現了波譜、成像和弛豫測量，能夠從頻率維度、空間維度和時間維度信息表征物體特性。由於大眾化應用中更多面臨的是多組分的非均質復雜繫統的問題，成像和弛豫作為天然選擇的主要方法。尤其是時域測量方法不但方法簡便，十分適於多組分材料的快速評價，而且對磁場分布要求極低（基於單個條形磁體就能測量），非常適合低成本應用，發展出許多標志性方法。

“小”為核磁共振帶來的主要問題就是磁場強度變“小”，波譜和成像分辨率相應降低。而由於易於實現，發展出了多種場強、多種梯度的小型核磁共振磁體，加上正則化逆拉普拉斯變換反演的多解性，小型核磁共振較難實現計量的標準化、操作的標準化。

《小型核磁共振》一書的目的就是解決操作的復雜性問題，爭取讓使用者能夠像使用手機那樣便捷地完成實驗。這部著作詳細闡述了小型核磁共振的概念、方法和硬件操作，通過大量新穎的實例，以教學的方式給出在不同領域測量復雜多組分繫統的標準化序列、參數和流程，相信對於核磁共振技術研發人員和使用者都大有裨益。

核磁共振小儀器，新應用，大舞臺！核磁共振小型化的過程就是其大眾化、普及化的過程。小型核磁共振的靈活性和成本優勢，加上低場-時域技術組合，形成了良好的競爭力。未來，小型核磁共振的潛力還將不斷被挖掘和發現！

由於作者水平有限，書中不免有紕漏之處，懇請批評指正！





                                                        李   新