超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪校准规范解读

廖鹏，张伟，黄挺

(1.江西省计量测试研究院，南昌 330000；2.中国计量科学研究院化学计量与分析科学研究所，北京 100013)

核磁共振波谱法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR)又称核磁共振波谱，是将核磁共振现象应用于测定分子结构的一种谱学技术，目前，核磁共振波谱的研究主要集中在1H（氢谱）和13C（碳谱）两类原子核的波谱。核磁共振波谱法是近几十年发展起来的新技术，由于核磁共振波谱仪在化学分析中应用范围越来越广泛，对于仪器的校准显得异常紧迫，国家质量监督检验检疫总局在2014年2月14日发布了《超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪校准规范》［1］(以下简称规范)，并于2014年5月14日实施。在JJF 1448-2014校准方法中，乙基苯溶液标准物质、氯仿溶液标准物质、氘代苯／p-二氧六环溶液标准物质各具特点，3种溶液标准物质作为校准方法标样具有不同的优势。

1 校准规范中的技术指标类型

JJF 1448-2014适用于300 MHz及以上超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪的校准，规范中主要用1H和13C核磁共振信号对仪器进行校准。1H质子的磁旋比较大，其天然丰度比接近99.985%，其绝对灵敏度是所有磁核中最大的；1H是有机化合物中最常见的同位素。13C的特点在于可以研究C骨架，结构信息丰富；化学位移范围大(0～250)；13C -13C耦合几率比较小；13C-1H耦合可以消除，谱图可以简化［3］。综上所述，对于傅里叶变换核磁共振谱仪采取代表性好的1H，13C核磁共振信号作为校准方案是合理的。

规范表1列出了傅里叶变换核磁共振谱仪主要技术指标。从表中可发现，高场核磁共振波谱仪的灵敏度、分辨率、线型指标优于低场核磁共振波谱仪指标。规范中表1给出的指标不用于合格性判别，仅供参考。

规范对仪器本身主要的技术指标都做了相应的规定，但没有对化学位移作相关规定。因为影响化学位移的因素有很多，如诱导效应、共轭效应、磁各向异性效应、氢键效应、溶剂效应、样品的温度、核磁样品管大小及转速的不同都会对化学位移产生影响。只要化学位移在规定值附近，就可以根据峰的结构、大小、峰组数来判定是否为被测量的标准物质，所以并不将其作为一个量化指标进行分析。

2 乙基苯溶液标准物质的特点及优势

在规范6.2.1中，采用了乙基苯溶液作为1H谱灵敏度校准标准物质(体积分数为0.1%)：乙基苯溶于氘代氯仿，除氧后密封，乙基苯溶液的相对扩展不确定度优于5%(k=2)。图1为乙基苯溶液标准物质氢谱图。

图1 乙基苯溶液标准物质氢谱图

用乙基苯溶液标准物质校准傅里叶变换核磁共振谱仪的灵敏度有以下优势：

(1)满足标准物质的基本要求，其稳定性、均匀性、量值准确性均符合要求［2］；

(2)化合物简单，在1H谱中只出现3个峰组，容易判定出甲基峰、亚甲基峰及苯环峰；

(3)容易区分出杂质峰、溶剂峰、旋转边带；

(4)溶剂峰对需要测量的灵敏度没有影响［5］；

(5)1H—13C耦合常数一般为12～15 Hz，亚甲基四重峰的图谱中能够分辨出各个峰；

(6)不用加入基准物质四甲基硅烷(TMS)，不对化学位移进行校准；

(7)加入氘代氯仿不但可以消除活泼H的影响，而且可以锁场；

(8)乙基苯溶液标准物质易制备，价格低廉。

3 氯仿溶液标准物质的特点及优势

在规范7.3，7.5，7.7中，采用了1%氯仿溶液标准物质：氯仿溶于氘代丙酮，除氧后密封，相对扩展不确定度优于5%(k=2)。氯仿溶液标准物质作为1H谱分辨力、线型、定量重复性校准物质，其特点及优势如下：

(1)满足标准物质的基本要求，其稳定性、均匀性、量值准确性都符合要求；

(2)化合物简单，在1H谱中只出现2个峰组，容易判定出氯仿峰，相对位移为8.05；溶剂峰(氘代丙酮)相对位移为2.05，图谱简单，只有氯仿溶液主峰、其卫星峰及溶剂峰；

(3)1%氯仿溶液标准物质的信号相对较大，可以满足200～800 MHz主流工作频率性能要求；

(4)相同条件下，可以作为规范7.5的谱图，得到1H谱线型结果，在8.02主峰两侧各有一个13C的卫星峰，这是13C对1H的耦合峰。因为13C丰度低，所以需要1H谱丰度很大时才能看到13C谱，其卫星峰高度大约为主峰的0.55%；

(5)由于自旋-自旋耦合的存在，会引起多重峰出现的情况。在多重峰中峰线间的频率差(峰间隔)为耦合常数，单位为Hz。与化学位移不同的是，外磁场强度的大小不能对耦合常数产生影响，其大小仅与化学键的种类和数目相关。规范7.5的校准项目考查的就是仪器的线型能力。当峰组中存在多重峰时，希望出现的峰形是越窄越好。越窄表明其线型好，在多重峰出现的情况下，不至于出现峰-峰底部重叠，影响积分面积的计算，从而影响定量结果［6］；

(6)信噪比越高表明其灵敏度越高，越有利于准确积分和定量分析；

(7)对于1H谱定量重复性校准，规范7.7中采用氯仿与丙酮的峰面积比值进行相对标准偏差计算，用相对标准偏差作为定量重复性结果。核磁共振谱仪做定量分析时，可用内标法测定，即分别测定内标物和待测组分的峰面积及相对校正因子，计算出被测样品的含量。规范7.7中采用了相对的方式，而不是仅仅对氯仿峰面积做6次相对标准偏差计算，因为峰面积比值的结果更符合仪器实际使用情况，即通过内标的含量大小来确定样品的含量大小［7］。

4 氘代苯／p-二氧六环溶液标准物质的特点及优势

13C的天然丰度只有1.108%，所以13C的NMR信号很弱，脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪的出现才使13C-NMR成为了可实用的测试手段。脉冲傅里叶变换NMR采用了脉冲发射，可同时使不同的原子核发生跃迁，让它们同时被激发，在接收机中得到一张随时间逐步衰减的信号，并且使各种原子核的FID信号进行叠加。从而解决13C天然丰度过低的问题，得到良好的灵敏度。13C的特点在于灵敏度低，分辨力高；谱图容易解析；可直接观测不含氢的官能团［8］。

规范7.2，7.4，7.6中采用了氘代苯／p-二氧六环溶液[氘代苯／p-二氧六环以6∶4的体积混合，相对扩展不确定度优于5%(k=2)]作为13C灵敏度、分辨率、线型校准时使用的标准溶液。

13C谱灵敏度的计算采用了标准溶液中氘代苯的信号强度与氘代苯至p-二氧六环谱线间的噪声峰峰值之比，测量6次，取其平均值为最终结果。氘代苯作为标准溶液不但满足标准物质的基本要求，同时结构简单，作为溶剂可以很好地溶解p-二氧六环，并且可以锁场。氘代苯在13C-NMR中的位移约为128.06，有三重峰出现，取三重峰里最高强度为Hs，计算信噪比平均值，得到灵敏度结果。p-二氧六环在去耦的条件下，具有较强信号；去耦的单峰可以用来测定半高宽定义的分辨率、线型和旋转边带；在耦合条件下，采样时间较长时可提供带远程耦合信息的耦合谱等等［4］。

13C谱分辨力与线型分别取p-二氧六环信号峰的50%，0.55%，0.11%峰高处的峰宽作为结果。需要注意的是，在测定p-二氧六环碳谱时，需要设置去耦方法，原因是13C-1H之间会有耦合，而1H的天然丰度比13C要高很多。去耦后，p-二氧六环信号峰出现在化学位移67处。测得50%，0.55%，0.11%峰高处的峰宽作为13C谱分辨力与线型结果。其测量意义跟1H谱线型是相同的。

［1］JJF 1448-2014 超导脉冲傅里叶变换核磁共振谱仪校准规范［S］.

［2］于德泉，杨峻山.化学分析手册：第七分册 核磁共振波谱分析［M］.北京：化学工业出版社，1999: 1-57.

［3］李红梅，孟凡敏，卢晓华，等.标准物质质量控制及不确定度评定［M］.北京：中国质检出版社，中国标准出版社，2014: 4-5.

［4］钟彩娇，陈志伟，陈忠.核磁共振谱自动基线校正新方法［J］.波谱学杂志，2014，31(4): 523-534.

［5］王乃兴.核磁共振谱学：在有机化学中的应用［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［6］张伟，黄挺，徐蓓，等.苏丹红Ⅰ、Ⅱ标准物质纯度的核磁共振法测定［J］.分析测试学报，2010，29(2): 194-198.

［7］韦英亮，莫建光，潘艳坤.磺胺类标准物质期间核查NMR定量方法研究［J］.波谱学杂志，2013，30(3): 371-378.

［8］候明山，陆兴军.高分辨率核磁共振(NMR)波谱学数据表征的实施标准［J］.光谱实验室，1993，10(6): 34-45.