内标把面积比例变成物质的量
内标纯度和目标贡献氢数都进入换算,不能在最后补猜。
读图时保留这项条件:面积比例只是测量输入,原样质量分数还依赖称量与摩尔质量。
把内标面积一步步换成目标质量
拖动目标积分与内标纯度,依次看氢数校正、物质量和原样质量分数。
7.2.1 定量标准要提供已知的物质的量
上一节的面积比可以消去同一实验中的共同响应,结果仍需要一个可靠参照量才能转为绝对含量。内标(internal standard)与待测物共同存在于同一溶液中;外标(external standard)在独立溶液或隔离空间中提供校准。两者的区别涉及样品制备与响应传递,不能仅按是否在同一张谱上出现分类。
展开说明与推导
定量标准首先需要身份、含量和不确定度的依据。标为分析纯的试剂,其标签范围不一定适合目标定量任务;一张只有相对峰面积的谱,也不能独立证明其质量纯度。有证标准物质(certified reference material, CRM)提供指定特性的赋值及相关计量信息,使用时仍要检查证书中的量定义、有效条件和样品处理要求。
BIPM 的 qNMR 内部标准资料按化合物讨论适用条件和限制。Nelson 等(2018)报道 NIST PS1 苯甲酸标准的建立,说明结构身份、同位素组成、不同测量程序和不确定度共同支撑赋值。引用这类工作不等于任何一瓶同名化合物都有相同纯度;实际使用的批次应有自己的证书或已建立的校准链。
位移参照用于确定谱轴,例如令某个信号对应规定的位移。定量参照还必须给出已知物质的量或浓度,以及与目标可比的响应。只知道残留溶剂峰的位移,无法由此知道它在样品中的准确含量。
展开说明与推导
一个合适内标应与样品和溶剂相容,能够完全溶解,在制备与测量时间内稳定,并有可可靠积分的报告信号。应检查其是否与待测物反应、改变酸碱状态、缔合或引起沉淀。没有明显的新峰不一定排除所有相互作用,加入前后位移、线宽和时间变化也可帮助判断。标准本身的光谱简单,只是选择条件中的一项。
称量便利和谱学便利可能不在同一个化合物上同时实现。易吸湿或挥发物的有效量会随操作变化,长弛豫的报告核会增加实验时间,位置合适的峰也可能与真实基质杂质重叠。应结合任务选标准并记录理由,保留标准证书、批号与储存条件,避免把别人某一溶剂中的经验直接当作当前样品的验证。
7.2.2 内标质量分数公式逐项建立
设称取的总样品质量为 \(m_X\),加入标准材料质量为 \(m_S\),标准中有效参照组分的质量分数为 \(w_S\),其摩尔质量为 \(M_S\)。标准物质的量为 \(n_S=m_Sw_S/M_S\)。这里的质量都使用相容单位,\(w_S\) 为无量纲数;例如 99.5% 在计算中使用 0.995。标准材料中的水或其他杂质已由所用量定义处理,不能重复扣除。
展开说明与推导
待测组分 A 的摩尔质量为 \(M_A\),其报告峰与标准的积分及氢数分别为 \(I_A,N_A\) 和 \(I_S,N_S\)。由面积归一比得到 \(n_A\),再乘 \(M_A\) 得到待测组分质量。最后除以原来称取的总样品质量,得到该样品中 A 的质量分数:
公式成立需要两组报告核具有经验证的可比响应,制样过程对样品与标准的相应量关系没有引入未校正改变。\(m_X\) 包含原样品中所有组分,不只是 NMR 可见有机物。若目的为干基质量分数,则需要定义并测量干基分母;不能先采用原样质量,再在结果接近预期时把它称为干基纯度。
教学例:称样 50.00 mg,标准材料 5.000 mg,\(w_S=0.9950\),\(M_S=100.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),\(M_A=150.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。待测三氢信号积分 18.0,标准四氢信号积分 4.0,归一比为 \((18.0/3)/(4.0/4)=6.00\)。标准有效质量 4.975 mg,对应 0.04975 mmol;待测量为 0.2985 mmol,质量为 44.775 mg,故 \(w_A=0.8955=89.55\%\)。所有数值为教学设定,摩尔质量的小数位用于演示计算。
展开说明与推导
若省略标准纯度修正,把 5.000 mg 全当成有效标准,则本例得到 90.00%,高出 0.45 个百分点。若遗漏摩尔质量比,则会错误地把摩尔比例换成质量比例。逐步写出 \(n_S\)、\(n_A\)、\(m_A\) 和 \(w_A\),比把一串数字直接输进软件更容易发现单位与定义错误。有效位数则应由最终不确定度决定,不由计算器显示长度决定。
习题 7.2-1 · 标准纯度为何不能省略
沿用算例,把标准质量分数误用为一,计算结果与 89.55% 相差多少?这表示相对误差还是百分点差?
参考解答错误结果为 90.00%,差 0.45 个百分点。相对偏差为 \(90.00/89.55-1\approx0.5025\%\)。百分点差与相对百分比采用不同分母,报告时应说明。标准含量的修正和不确定度均应进入测量模型。
7.2.3 样品制备把称量关系落实到溶液
称量应使用适合目标质量和误差的天平,并检查校准、重复性与环境影响。对少量标准,直接称取极小质量可能带来较大的相对误差;可采用经过赋值的标准储备液,再以经过验证的质量或体积方式加入。储备液需要记录制备、有效浓度、容器及稳定性,不能把一次理论配方永久当成真实浓度。
展开说明与推导
定量转移不仅是把可见固体倒入管中。容器壁残留、溶解不完全、过滤吸附和沉淀会改变目标量。应观察溶液是否均匀,并根据方法确认必要的冲洗、平衡时间和温度。若取样前已有不溶物,NMR 只测上清液中的含量;是否能代表原称样组成,需要另有依据。峰形良好不能证明全部样品已经进入溶液。
内标与待测物在同一均匀溶液中时,求物质的量比通常不需要独立知道最终溶液体积;共同体积可约去。这一便利不消除差异性损失。混合后等比例取一份均匀溶液保留组成比,而标准或待测物选择性吸附、析出或挥发会改变比例。若先分别转移再混合,两者的转移完整性也需要检查。
对容易吸湿的原样,称量到溶解之间的时间可能改变总质量和有效含量。对挥发物,开口时间和容器密封同样重要。处理策略应服从被测量定义:测原样含量时保留原样状态,测干基含量时须采用适当干燥与水分测定,并检查干燥不会使目标分解或挥发。不能用未经验证的烘干步骤来使结果接近一百。
标准加入可能改变离子强度、酸碱状态、总体积和组分相互作用。检查加入前后谱图及随时间的稳定性;若目标与标准反应或发生选择性沉淀,面积比公式中的共同量关系已改变。
展开说明与推导
标准选择还应考虑报告信号的总强度,使其与待测信号处于合适范围。标准过量可能占用接收动态范围,量太少则可能使标准积分成为主要噪声来源。选择两个以上待测报告核可交叉检查,但它们共享同一称量和标准含量,不能把同一次制备的多个峰当成多份独立样品。
制样记录应把每一次添加与每一个分母对应起来:原样质量、标准质量或加入量、溶剂与体积定义、稀释倍数、最终取样份数、观察到的沉淀和等待时间。后来更换一条积分信号时,这些数据仍保持可用。若只有最终计算表没有制样链,得到一个小数很多的结果也难以追溯。
7.2.4 外标需要传递仪器响应
外标避免向待测样品加入参照化合物,适合需要保留样品或缺少相容内标的任务。分开测量时,标准与待测物不再自动共享全部响应常数。管径、液面高度、有效检测区域、温度、接收增益、扫描累加尺度、脉冲与探头状态,都可能影响跨谱面积比较。把两张谱分别归一化到最高峰后再比较面积,会丢掉所需的绝对尺度。
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在简化外标模型中,标准谱建立面积归一与已知浓度之间的比例,未知谱使用同一或已校正响应换算浓度。两次测量的尺度、激发、充分弛豫及几何条件须相容。浓度转为原样总量时还需结合制样体积或相应质量模型。与内标相比,更多实验量需要在两次测量之间传递,方法必须用已知样品进行检验。
Wider 与 Dreier(2006)提出 PULCON,把不同溶液条件的绝对谱强度通过相关校准联系起来。其脉冲长度等信息参与响应传递,不能简化成任意外标面积直接相除。实际实施要按相应方法校准并验证;软件中的方法名字只说明采用了某种流程,不证明当前样品几何、弛豫与接收设置都满足其要求。
展开说明与推导
另一种做法把标准放在同轴管等隔离空间中,与样品同时检测。标准不与待测物混合,但两个空间的有效检测体积和接收权重仍不同,还可能受到磁化率差和几何偏差影响。应建立相应校准,不能仅因两个峰出现在同一张谱上,就把它们当作共溶液内标使用式(7.2-1)。
电子参照也需要可靠校准链。一个合成信号可以提供响应标尺,却没有由其名称自动给出样品物质的量;应说明它如何与已知标准联系,以及稳定性和应用范围如何验证。对外标方法,标准与未知之间穿插已知样品的检查可以揭示响应漂移,使跨谱量关系更易追踪。
习题 7.2-2 · 同谱但不同空间
标准在同轴细管中,待测物在外层管中,两峰同时采集。能否直接使用共溶液内标面积比公式?
参考解答不能直接使用。两个空间的有效检测体积与接收权重不同,可能还有磁化率和几何影响。需建立相应响应校准并验证,再将面积换为各空间中定义的浓度或量。同一谱图不等于共同溶液与共同响应常数。
7.2.5 把校准方案与任务条件对应
选择校准方式时,先检查样品能否加入标准、是否需要回收、目标信号是否有空余区域,以及跨谱条件能否稳定控制。内标常能约去部分共同因素,仍可能改变样品;外标保留独立样品,仍需传递响应。不存在脱离样品与目标误差的固定优劣排名。方法适用性应由当前基质和范围的验证支持。
展开说明与推导
对质量分数,记录原样总质量和标准有效量;对溶液浓度,记录定义的体积或质量浓度基准;对反应收率,明确基于哪一个起始物的理论量。几种结果可能由同一面积比推得,却使用不同辅助输入。将计算公式逐项映射到制样记录,可以提前发现缺少的体积、纯度或转移信息。
采用已知组成样品或合适加标,按完整流程独立制样并测量。检查不同报告核、标准加入量及目标范围内的比例是否相容。重复读取同一积分不反映称量、溶解和跨谱响应的变化。
展开说明与推导
报告保留校准方式、参照身份和赋值来源、样品与标准加入量、报告峰及氢数、适用条件和计算结果。标准证书的不确定度、称量变化、面积比和响应校正都可能限制最终精度。下一节将补充所需统计基础,把这些输入统一到测量不确定度与方法验证中,解释为何重复性良好的数字仍可能存在偏差。
习题 7.2-3 · 小质量称量
标准信号很好积分,但所需称量远小于天平可靠范围。可否因为谱图漂亮就忽略称量问题?提出一种可检验的改进。
参考解答不能,标准物质的量由称量和有效含量决定。可制备较大量、经过赋值且稳定的标准储备液,再用已验证的质量或体积方式加入合适份额,记录稀释及加入量的不确定度,并以已知组成样品检验完整流程。储备液并非自动无误差。
关键术语
- 内标 (internal standard)
- 与待测物共存于同一溶液的定量参照。
- 外标 (external standard)
- 在独立溶液或空间中提供校准的参照。
- 有证标准物质 (CRM)
- 附有指定特性赋值及计量信息的标准物质。
- 有效标准量 (effective standard amount)
- 按标准含量及量定义修正后的参照组分量。
- 质量分数 (mass fraction)
- 目标组分质量占所定义总样质量的比例。
- 定量转移 (quantitative transfer)
- 按方法要求保存物质量关系的转移操作。
- 响应传递 (response transfer)
- 将标准测量的响应标尺用于另一测量。
- 校准链 (calibration chain)
- 将结果逐步联系到规定参照的校准关系。
参考文献与延伸阅读
- BIPM. Quantitative NMR (qNMR). 标准选择与内部参照资料。
- BIPM. 2018. Internal Standard Reference Data for qNMR: Dimethyl sulfone. Rapport BIPM-2018/04. 标准使用条件与制样。
- Nelson MA, Waters JF, Toman B, et al. 2018. A new realization of SI for organic chemical measurement: NIST PS1 Primary Standard for quantitative NMR (Benzoic Acid). Analytical Chemistry. 标准赋值的原始研究。
- Wider G, Dreier L. 2006. Measuring protein concentrations by NMR spectroscopy. Journal of the American Chemical Society, 128: 2571–2576. PULCON 原始研究。
- Duewer DL, Lippa KA, et al. 2023. Methods for the SI Value Assignment of the Purity of Organic Compounds (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 纯度定义与赋值。