文档介绍：核磁共振成像技术在
液-固-液界面接触角测量中的应用
沈元俞熹*作者简介:沈元(1988/3),男,浙江嘉兴人,复旦大学物理系2006级本科生。
指导教师:俞熹(1978/1),男,浙江东阳人,博士,毕业于英国诺丁汉大学,现任复旦大学物理系实验中心副主任。负责近代物理实验教学。研究方向为低温扫描显微镜(Scanning probe microscopy at low temperature)与核磁共振及成像技术(NMR & MRI)。
基金项目:国家基础科学人才培养基金资助(J0730310)
( 复旦大学物理系, 上海 200433)
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;
中文分类号:O59 文献标识码: 文章编号:1000-0712(2010)
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优点。然而光学成像的方法无法测量两种互不相溶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。
1 实验原理与基本概念
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,气液和固液界面的夹角称为接触角(contact angle)1。如图1接触角θc是三种表面张力γSG、γSL与γLG的相对大小的度量,并在平衡时成立γSG=γSL+γLGcosθc。
图1:一般接触角定义的示意图其中θc为接触角图2:水油界面上固体颗粒形成的三种不同大小的接触角
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接触角。如图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大154o。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。
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5。借助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T1加权成像,自旋-自旋弛豫时间T2加权成像等6。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7。
2 自旋回波序列与水油界面
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。我们首先将玻璃试管与玻璃片洗净后高温烘干