牛法富，赵继飞，孟军华，周丽霞

（中国石油大学（华东）理学院，山东 东营257061）

1 引 言

乙醇汽油是一种由乙醇和普通汽油按一定比例混配形成的新型替代能源，它在不影响汽车行驶性能的前提下，可以有效改善油品的性能和质量，降低车辆一氧化碳、碳氢化合物和有毒物等污染物排放．同时，发展乙醇汽油对缓解石油资源短缺，解决粮食过剩，调节农业结构，促进国民经济的发展都有重要的意义［1－3］．然而由于乙醇具有一定的腐蚀作用，按照国家标准，车用乙醇汽油只允许加入10%±0．5%（V／V）的燃料乙醇［4］．乙醇的含量一旦超标将在很大程度上影响汽车零部件的使用寿命以及发动机的性能，因此对乙醇汽油中乙醇与汽油的配比进行严格的检测具有重要的研究意义与价值［5－6］．

核磁共振技术（nuclear magnetic resonance，NMR）是研究物质结构的重要手段，由于它是一种无损测量技术，可深入物质内部获取丰富的物质内部结构信息而不破坏物质本身，能够迅速、准确、高分辨地对样品物质进行诊断．在有机化学、生物化学、药物化学和化学工业、石油工业、橡胶工业、食品工业、医药工业等方面得到了广泛的应用［7］．

本文采用核磁共振的方法，通过测量不同体积浓度下的乙醇汽油溶液，研究了乙醇汽油的核磁共振横向弛豫时间以及共振信号强度随汽油浓度的变化规律．______

2 实验原理

式中γ为旋磁比，代表核磁的强度，不同的原子核，其γ值不同，对于氢核γ／2π＝42．58 MHz／T．当在垂直于B0的磁场上加一旋转频率等于其拉莫尔频率的旋转磁场B1时，μ除了绕B0进动外，也绕B1进动，结果使得μ与B0的夹角θ变大．μ与B0的相互作用能为

显然当θ变大时，E增大，表示粒子从B1中获得了能量，这就是核磁共振现象的理论解释［8］．

由于共振吸收，系统处于非平衡态，系统由非平衡态过渡到平衡态的过程称为弛豫过程，按机理可 分 为 “自 旋－晶 格 弛 豫”（spin－lattice relaxation，也称纵向弛豫）和“自旋－自旋弛豫”（spinspin relaxation，也称横向弛豫）两类，相应的弛豫时间分别用T1和T2表示．弛豫时间是描述原子核与周围介质以及原子核之间相互作用的重要参量，因此准确测量弛豫时间对研究物质有重要意义［9－10］．

原子核具有一定的磁矩μ，对于磁性核，当对其施加静磁场B0时，磁场会对该核产生力矩，使μ的旋转轴绕垂直于力矩的方向运动，这种现象称为进动，进动的频率称为拉莫尔频率，其大小为

对于粒子体系，研究的对象是由大量单粒子的元磁矩μi组成的系统，实验测得的核磁共振信号就是这些粒子元磁矩叠加的结果，其核磁共振信号强度与所测样品内所含核的数目成正比［11］．

3 实验方法

3．1 实验仪器

实验仪器采用NMI20－Analyst核磁共振成像分析仪，该仪器为纽迈公司研发的一款用于科研的现代化核磁共振仪器，其主要由工控机、谱仪系统、模拟系统以及磁体系统等部分组成．其结构示意图如图1所示．

图1 核磁共振仪器示意图

3．2 实验样品

使用纯乙醇和93＃汽油定量配制出汽油体积浓度为10%～90%（间隔10%）的乙醇汽油溶液作为实验样品，并将纯乙醇和纯汽油视为浓度为0%和100%的乙醇汽油溶液．取相同体积各浓度的溶液样品分别装入试剂瓶内等待测量．

3．3 实验测量

将样品分别置于射频线圈的中心，利用自由感应衰减信号（free induction decay，FID）调节共振中心频率，然后进行 CPMG（carr－purcell－meiboom－gill）脉冲序列扫描实验．实验参量：主磁场0．51 T，磁体温度32℃，重复扫描次数8，重复采样时间间隔12 s．

4 实验结果与分析

采用CPMG脉冲序列扫描后，得到的自旋回波串数据，利用多指数反演软件对其进行反演，得到横向弛豫时间分布，反演后得到的不同浓度乙醇汽油溶液样品的T2谱如图2所示．图2中横坐标代表横向弛豫时间T2，纵坐标代表核磁共振信号幅度．由图2可见，任一浓度下乙醇汽油溶液T2谱主要有2个峰，且2个峰之间有明显的界限，这表明在乙醇汽油溶液中氢原子存在2种主要的结合状态．对比不同浓度下乙醇汽油溶液的信号，第一个信号峰（100 ms左右）中横向弛豫时间T2随汽油浓度的升高呈减小的趋势，第二个信号峰（1000 ms左右）中横向弛豫时间T2随汽油浓度的升高不断增大．

图2 不同浓度下乙醇汽油的T 2谱

实验测量的核磁共振信号主要是氢核产生的，由实验原理可知，T2谱中各信号峰的强度与对应的乙醇汽油溶液中氢核的含量有关，又因为实验时所测量的不同浓度的样品是等体积的，样品中的氢核的数目与汽油的浓度呈线性关系．进而可得，T2谱中信号峰的强度应与溶液的浓度呈线性关系．

经反演软件反演得到的信号峰都由多个点组成，此处定义峰的面积作为信号峰的总强度．由于第一个信号峰的总强度较小，相对变化较为明显，因此选取第一个信号峰（图3），对每个浓度下乙醇汽油溶液的信号峰求其面积，得到信号强度与乙醇汽油溶液浓度的关系，如图4所示．

图3 第一个信号峰的放大图像

图4 信号强度与乙醇汽油浓度的关系曲线

由图4可以看出，实验测得的第一个信号峰的强度与乙醇汽油溶液中汽油的浓度呈线性关系．对实验数据进行拟合，得到乙醇汽油溶液核磁共振信号T2谱信号峰强度Y随汽油浓度X变化的关系为

I＝－764．85c＋985．77． （3）因此，通过测量等体积的任意浓度的乙醇汽油溶液的T2谱，求得T2谱信号峰强度，就可以根据（3）式求出乙醇汽油溶液的浓度．

5 结束语

本文利用核磁共振方法测量了不同浓度下的乙醇汽油溶液的横向驰豫时间信号，探究了核磁共振T2谱信号峰的强度随乙醇汽油浓度的变化规律，给出了一种利用核磁共振T2谱来测量乙醇汽油溶液浓度的方法，该方法对工业上检测车用乙醇汽油是否符合国家标准有参考价值．

［1］ 赵玉梅．对乙醇汽油发展前景的探讨［J］．化工技术经济，2003，21（8）：15－16．

［2］ 杨俊清．乙醇汽油调合付油控制器的研发［D］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2006：1－2．

［3］ 娄毅，陈士伟，牛法富，等．利用光栅光谱仪研究乙醇汽油溶液的吸收特性［J］．物理实验，2010，30（1）：43－45．

［4］ 中华人民共和国国家标准GB1835122001，车用乙醇汽油［S］．

［5］ 朱荣福，孙远涛，王慧文，等．乙醇汽油发动机研究现状分析［J］．黑龙江科技信息，2010（33）：29．

［6］ 廖红波，张仲秋，方旭强，等．核磁共振实验教学内容的重组与优化［J］．物理实验，2010，30（7）：40－43．

［7］ 王逗．核磁共振原理及其应用［J］．现代物理知识，2005，17（5）：50－51．

［8］ 黄柳宾，王军．物理实验教程［M］．1版．东营：中国石油大学出版社，2006：171－172．

［9］ 赵平华，于涛．核磁共振弛豫时间和磁场均匀性的研究［J］．长春师范学院学报（自然科学版）．2007，26（1）：36－38．

［10］ 臧充之，张洁天，彭培芝．核磁共振弛豫时间与溶液浓度关系的实验研究［J］．物理通报，2005，（10）：30－33．

［11］ 戴乐山，戴道宣．近代物理实验［M］．上海：复旦大学出版社，1995：155－179．