超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀校準(zhǔn)規(guī)范解讀

廖鵬，張偉，黃挺

(1.江西省計(jì)量測試研究院，南昌 330000；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院化學(xué)計(jì)量與分析科學(xué)研究所，北京 100013)

核磁共振波譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR)又稱核磁共振波譜，是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于測定分子結(jié)構(gòu)的一種譜學(xué)技術(shù)，目前，核磁共振波譜的研究主要集中在1H（氫譜）和13C（碳譜）兩類原子核的波譜。核磁共振波譜法是近幾十年發(fā)展起來的新技術(shù)，由于核磁共振波譜儀在化學(xué)分析中應(yīng)用范圍越來越廣泛，對(duì)于儀器的校準(zhǔn)顯得異常緊迫，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局在2014年2月14日發(fā)布了《超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀校準(zhǔn)規(guī)范》［1］(以下簡稱規(guī)范)，并于2014年5月14日實(shí)施。在JJF 1448-2014校準(zhǔn)方法中，乙基苯溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、氯仿溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、氘代苯／p-二氧六環(huán)溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各具特點(diǎn)，3種溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為校準(zhǔn)方法標(biāo)樣具有不同的優(yōu)勢。

1 校準(zhǔn)規(guī)范中的技術(shù)指標(biāo)類型

JJF 1448-2014適用于300 MHz及以上超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀的校準(zhǔn)，規(guī)范中主要用1H和13C核磁共振信號(hào)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。1H質(zhì)子的磁旋比較大，其天然豐度比接近99.985%，其絕對(duì)靈敏度是所有磁核中最大的；1H是有機(jī)化合物中最常見的同位素。13C的特點(diǎn)在于可以研究C骨架，結(jié)構(gòu)信息豐富；化學(xué)位移范圍大(0～250)；13C -13C耦合幾率比較??；13C-1H耦合可以消除，譜圖可以簡化［3］。綜上所述，對(duì)于傅里葉變換核磁共振譜儀采取代表性好的1H，13C核磁共振信號(hào)作為校準(zhǔn)方案是合理的。

規(guī)范表1列出了傅里葉變換核磁共振譜儀主要技術(shù)指標(biāo)。從表中可發(fā)現(xiàn)，高場核磁共振波譜儀的靈敏度、分辨率、線型指標(biāo)優(yōu)于低場核磁共振波譜儀指標(biāo)。規(guī)范中表1給出的指標(biāo)不用于合格性判別，僅供參考。

規(guī)范對(duì)儀器本身主要的技術(shù)指標(biāo)都做了相應(yīng)的規(guī)定，但沒有對(duì)化學(xué)位移作相關(guān)規(guī)定。因?yàn)橛绊懟瘜W(xué)位移的因素有很多，如誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、磁各向異性效應(yīng)、氫鍵效應(yīng)、溶劑效應(yīng)、樣品的溫度、核磁樣品管大小及轉(zhuǎn)速的不同都會(huì)對(duì)化學(xué)位移產(chǎn)生影響。只要化學(xué)位移在規(guī)定值附近，就可以根據(jù)峰的結(jié)構(gòu)、大小、峰組數(shù)來判定是否為被測量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，所以并不將其作為一個(gè)量化指標(biāo)進(jìn)行分析。

2 乙基苯溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

在規(guī)范6.2.1中，采用了乙基苯溶液作為1H譜靈敏度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(體積分?jǐn)?shù)為0.1%)：乙基苯溶于氘代氯仿，除氧后密封，乙基苯溶液的相對(duì)擴(kuò)展不確定度優(yōu)于5%(k=2)。圖1為乙基苯溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)氫譜圖。

圖1 乙基苯溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)氫譜圖

用乙基苯溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)傅里葉變換核磁共振譜儀的靈敏度有以下優(yōu)勢：

(1)滿足標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基本要求，其穩(wěn)定性、均勻性、量值準(zhǔn)確性均符合要求［2］；

(2)化合物簡單，在1H譜中只出現(xiàn)3個(gè)峰組，容易判定出甲基峰、亞甲基峰及苯環(huán)峰；

(3)容易區(qū)分出雜質(zhì)峰、溶劑峰、旋轉(zhuǎn)邊帶；

(4)溶劑峰對(duì)需要測量的靈敏度沒有影響［5］；

(5)1H—13C耦合常數(shù)一般為12～15 Hz，亞甲基四重峰的圖譜中能夠分辨出各個(gè)峰；

(6)不用加入基準(zhǔn)物質(zhì)四甲基硅烷(TMS)，不對(duì)化學(xué)位移進(jìn)行校準(zhǔn)；

(7)加入氘代氯仿不但可以消除活潑H的影響，而且可以鎖場；

(8)乙基苯溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)易制備，價(jià)格低廉。

3 氯仿溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

在規(guī)范7.3，7.5，7.7中，采用了1%氯仿溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：氯仿溶于氘代丙酮，除氧后密封，相對(duì)擴(kuò)展不確定度優(yōu)于5%(k=2)。氯仿溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為1H譜分辨力、線型、定量重復(fù)性校準(zhǔn)物質(zhì)，其特點(diǎn)及優(yōu)勢如下：

(1)滿足標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基本要求，其穩(wěn)定性、均勻性、量值準(zhǔn)確性都符合要求；

(2)化合物簡單，在1H譜中只出現(xiàn)2個(gè)峰組，容易判定出氯仿峰，相對(duì)位移為8.05；溶劑峰(氘代丙酮)相對(duì)位移為2.05，圖譜簡單，只有氯仿溶液主峰、其衛(wèi)星峰及溶劑峰；

(3)1%氯仿溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的信號(hào)相對(duì)較大，可以滿足200～800 MHz主流工作頻率性能要求；

(4)相同條件下，可以作為規(guī)范7.5的譜圖，得到1H譜線型結(jié)果，在8.02主峰兩側(cè)各有一個(gè)13C的衛(wèi)星峰，這是13C對(duì)1H的耦合峰。因?yàn)?3C豐度低，所以需要1H譜豐度很大時(shí)才能看到13C譜，其衛(wèi)星峰高度大約為主峰的0.55%；

(5)由于自旋-自旋耦合的存在，會(huì)引起多重峰出現(xiàn)的情況。在多重峰中峰線間的頻率差(峰間隔)為耦合常數(shù)，單位為Hz。與化學(xué)位移不同的是，外磁場強(qiáng)度的大小不能對(duì)耦合常數(shù)產(chǎn)生影響，其大小僅與化學(xué)鍵的種類和數(shù)目相關(guān)。規(guī)范7.5的校準(zhǔn)項(xiàng)目考查的就是儀器的線型能力。當(dāng)峰組中存在多重峰時(shí)，希望出現(xiàn)的峰形是越窄越好。越窄表明其線型好，在多重峰出現(xiàn)的情況下，不至于出現(xiàn)峰-峰底部重疊，影響積分面積的計(jì)算，從而影響定量結(jié)果［6］；

(6)信噪比越高表明其靈敏度越高，越有利于準(zhǔn)確積分和定量分析；

(7)對(duì)于1H譜定量重復(fù)性校準(zhǔn)，規(guī)范7.7中采用氯仿與丙酮的峰面積比值進(jìn)行相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算，用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為定量重復(fù)性結(jié)果。核磁共振譜儀做定量分析時(shí)，可用內(nèi)標(biāo)法測定，即分別測定內(nèi)標(biāo)物和待測組分的峰面積及相對(duì)校正因子，計(jì)算出被測樣品的含量。規(guī)范7.7中采用了相對(duì)的方式，而不是僅僅對(duì)氯仿峰面積做6次相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算，因?yàn)榉迕娣e比值的結(jié)果更符合儀器實(shí)際使用情況，即通過內(nèi)標(biāo)的含量大小來確定樣品的含量大?。?］。

4 氘代苯／p-二氧六環(huán)溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的特點(diǎn)及優(yōu)勢

13C的天然豐度只有1.108%，所以13C的NMR信號(hào)很弱，脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀的出現(xiàn)才使13C-NMR成為了可實(shí)用的測試手段。脈沖傅里葉變換NMR采用了脈沖發(fā)射，可同時(shí)使不同的原子核發(fā)生躍遷，讓它們同時(shí)被激發(fā)，在接收機(jī)中得到一張隨時(shí)間逐步衰減的信號(hào)，并且使各種原子核的FID信號(hào)進(jìn)行疊加。從而解決13C天然豐度過低的問題，得到良好的靈敏度。13C的特點(diǎn)在于靈敏度低，分辨力高；譜圖容易解析；可直接觀測不含氫的官能團(tuán)［8］。

規(guī)范7.2，7.4，7.6中采用了氘代苯／p-二氧六環(huán)溶液[氘代苯／p-二氧六環(huán)以6∶4的體積混合，相對(duì)擴(kuò)展不確定度優(yōu)于5%(k=2)]作為13C靈敏度、分辨率、線型校準(zhǔn)時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

13C譜靈敏度的計(jì)算采用了標(biāo)準(zhǔn)溶液中氘代苯的信號(hào)強(qiáng)度與氘代苯至p-二氧六環(huán)譜線間的噪聲峰峰值之比，測量6次，取其平均值為最終結(jié)果。氘代苯作為標(biāo)準(zhǔn)溶液不但滿足標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基本要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單，作為溶劑可以很好地溶解p-二氧六環(huán)，并且可以鎖場。氘代苯在13C-NMR中的位移約為128.06，有三重峰出現(xiàn)，取三重峰里最高強(qiáng)度為Hs，計(jì)算信噪比平均值，得到靈敏度結(jié)果。p-二氧六環(huán)在去耦的條件下，具有較強(qiáng)信號(hào)；去耦的單峰可以用來測定半高寬定義的分辨率、線型和旋轉(zhuǎn)邊帶；在耦合條件下，采樣時(shí)間較長時(shí)可提供帶遠(yuǎn)程耦合信息的耦合譜等等［4］。

13C譜分辨力與線型分別取p-二氧六環(huán)信號(hào)峰的50%，0.55%，0.11%峰高處的峰寬作為結(jié)果。需要注意的是，在測定p-二氧六環(huán)碳譜時(shí)，需要設(shè)置去耦方法，原因是13C-1H之間會(huì)有耦合，而1H的天然豐度比13C要高很多。去耦后，p-二氧六環(huán)信號(hào)峰出現(xiàn)在化學(xué)位移67處。測得50%，0.55%，0.11%峰高處的峰寬作為13C譜分辨力與線型結(jié)果。其測量意義跟1H譜線型是相同的。

［1］JJF 1448-2014 超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀校準(zhǔn)規(guī)范［S］.

［2］于德泉，楊峻山.化學(xué)分析手冊(cè)：第七分冊(cè) 核磁共振波譜分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999: 1-57.

［3］李紅梅，孟凡敏，盧曉華，等.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)量控制及不確定度評(píng)定［M］.北京：中國質(zhì)檢出版社，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014: 4-5.

［4］鐘彩嬌，陳志偉，陳忠.核磁共振譜自動(dòng)基線校正新方法［J］.波譜學(xué)雜志，2014，31(4): 523-534.

［5］王乃興.核磁共振譜學(xué)：在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［6］張偉，黃挺，徐蓓，等.蘇丹紅Ⅰ、Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度的核磁共振法測定［J］.分析測試學(xué)報(bào)，2010，29(2): 194-198.

［7］韋英亮，莫建光，潘艷坤.磺胺類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)期間核查NMR定量方法研究［J］.波譜學(xué)雜志，2013，30(3): 371-378.

［8］候明山，陸興軍.高分辨率核磁共振(NMR)波譜學(xué)數(shù)據(jù)表征的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，1993，10(6): 34-45.