核磁共振技术在 液-固-液界面接触角测量中的应用研究
- 上海纽迈电子科技有限公司2011年12月5日 11:32 点击：2065
摘 要 本文介绍了利用核磁共振成像的办法获得一般光学方法难以得到的水-玻璃-油界
面、水-玻璃-苯界面影像的实验工作，并利用得到的图像拟合计算了其界面接触角的值。实
验开创性得将核磁共振断面成像的办法应用到接触角影像分析中去，提供了从气-固-液接触
角测量到液-固-液接触角测量的有益尝试。
关键词 核磁共振；液-固-液；加权成像；接触角
1 引言
通常透明液体接触角的测量都是以光源背光后摄取液滴形态并处理边缘信息得到的，
其方法有简单且测量不确定度小的有点。然而光学成像的方法无法测量两种互不相容的透明
液体与固体形成的三相接触角，于是我们考虑使用自旋密度的图像信息来代替光学图像信息。
2 实验原理与基本概念
2.1 接触角与接触角滞后现象
接触角的概念源自气、液、固三相界面，气-液界面和固液界面的夹角称为接触角（contact
angle）1。如图2-1-1，接触角θ是三种表面张力γ??????、γ??????、γ??????的相对大小的度量，并在
平衡时成立γ????????γ????????γ??????cosθ。
图2-1-1 图2-1-2
当上述定义中的气体换为另一种不相容液体的时候，就形成了液1-固-液2三相接触角。如
图2-1-2 表示了油水界面上的固体颗粒形成的接触角，其大小决定了可能形成乳状液的种类
与稳定性并在油气开采运输方面有着重要的作用2。
然而由于实际物体表面粗糙或被污染，接触角的大小与其形成的方式有关，这称为接触
角的滞后现象3。例如，Hg在钢表面上前进时比后退时的接触角154°大。在这里我们约定液
体1在固体表面前进并取代液体2 时形成的接触角为前进角，反之则为后退角。
2.2 核磁共振成像技术与接触角的测量
不同磁场梯度（Gx，Gy，Gz）下的核磁共振信号可以反映核自旋的密度信息，这是核
磁共振成像的基本原理，其数学基础是Radon 在1917 年创立的投影重建理论4。我们在实验
中使用了上海纽迈电子科技有限公司生产的NMI20-Analyst 脉冲核磁共振成像分析仪。利用
其中的自旋回波脉冲序列与反转恢复脉冲序列可以实现对小体积液体样品的自旋密度成像，
自旋-晶格弛豫时间T??加权成像，自旋-自旋弛豫时间T??加权成像5等。借助这些成像序列，我
们可以区分不同种类的核磁共振信号，从而实现两种含氢液体在图像灰度上的分离并获得接
触角的清晰影像6。
3 自旋回波序列与水油界面
3.1 实验设置
注意到水和油的质子密度有较大的差别，我们选择了自旋回波序列来对水-玻璃-油的界
面进行质子密度成像。如图3-1-1 中，将玻璃试管与玻璃片洗净后高温烘干，用移液枪将葵
花籽油滴入玻璃试管的底部再使水沿着玻璃试管均匀淌下（葵花籽油的密度与水相当故试管
中水可以浮在油层上），于是在试管壁上的三相界面形成了水对于油在玻璃上的前进角。再
将玻璃片经过水相竖直地插入到油层中，玻璃片端的三相界面形成了水对于油在玻璃上的后
退角。制备好的样品如图3-1-2 所示。
图3-1-1 图3-1-2
我们阐述自旋回波序列的工作方式，并给出与最后结果空间分辨率相关参数意义的说明。
在图3-1-1 中，样品是放置于均匀主磁场B??中（Gx，Gy，Gz）是人为造成的线性磁场梯度。
梯度场施加的时间与采样时间的关系如图3-1-3 所示。其中的选层梯度Gx使得中延该梯度方
向质子的Larmor 频率产生差异，于是只有图3-1-1 中深色薄片层的质子得以对激励脉冲产
生响应。在相位编码梯度与频率编码梯度的作用下，被激发片层中质子的空间位置通过梯度
场与其共振频率发生了联系。关于自旋回波序列成像的分析学原理与图中各参数的作用和意
义，请读者参看相关著作7。
如图3-1-3 在我们的实验中，相位编码共进行Ne 次每次编码时长为D1，采样点数为
TD 采集频率为SW，每次编码一共累加次数为Ns，成像时进行4Ne??TD步离散Fourier 变
换。上述参数是决定所成图像空间分辨率与信噪比最关键的因素，其取值我们列在表3-1-1
中，其中梯度场的大小是用最大值的百分比来表示的。如果设三个梯度的最大值均为1Gs/cm，。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
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