Współczesna analityka chemiczna nie uznaje kompromisów w zakresie precyzji. Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu Jądrowego (NMR) jest obecnie „złotym standardem” w elucidacji struktur molekularnych oraz – coraz częściej – w precyzyjnych analizach ilościowych (qNMR). Jednak nawet najbardziej zaawansowany spektrometr o częstotliwości 600 czy 900 MHz jest omylny bez wdrożonego systemu zapewnienia jakości. W tym artykule analizujemy techniczne aspekty NMR oraz kluczową rolę badań biegłości (Proficiency Testing, PT) w akredytacji laboratoriów zgodnie z normą ISO/IEC 17025.
Fizykochemiczne podstawy techniki NMR
Spektroskopia NMR opiera się na zjawisku rezonansu jąder atomowych posiadających niezerowy spin (I ≠ 0), takich jak 1H, 13C, 15N czy 31P. Umieszczenie próbki w silnym, statycznym polu magnetycznym ($B_0$) powoduje rozszczepienie poziomów energetycznych jąder (efekt Zeemana). Przejścia między tymi poziomami są wzbudzane impulsem fal radiowych o częstotliwości Larmora.
Informacja analityczna wynika z trzech głównych parametrów widma:
-
Przesunięcie chemiczne ($\delta$): Zależy od otoczenia elektronowego jądra (ekranowania) i pozwala identyfikować grupy funkcyjne.
-
Sprzężenie spin-spin ($J$): Opisuje oddziaływania między sąsiednimi jądrami, ujawniając szkielet połączeń w cząsteczce.
-
Intensywność sygnału (Całka): W odpowiednich warunkach (pełna relaksacja $T_1$) jest wprost proporcjonalna do liczby jąder, co stanowi podstawę ilościowego NMR (qNMR).
Badania biegłości (PT) a kalibracja: Rozróżnienie pojęć
Częstym błędem jest utożsamianie kalibracji sprzętu z badaniami biegłości. Są to dwa odrębne filary jakości:
-
Kalibracja i kwalifikacja (IQ/OQ/PQ): To procesy wewnętrzne lub serwisowe, mające na celu potwierdzenie, że spektrometr działa poprawnie (np. weryfikacja kształtu linii na próbce wzorcowej chloroformu, test stosunku sygnału do szumu – S/N).
-
Badania biegłości (PT / ILC): To zewnętrzna ocena kompetencji laboratorium. Organizator przesyła nieznaną próbkę, a laboratorium musi ją zidentyfikować lub określić jej czystość. Wynik jest porównywany z wartością odniesienia oraz wynikami innych laboratoriów.
Metodyka oceny w badaniach biegłości
Zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17043, wyniki laboratoriów w programach PT są najczęściej oceniane za pomocą wskaźnika z-score. Pozwala on na standaryzację wyników niezależnie od badanej metody.
Wzór na z-score:
$$ z = \frac{x – X}{\sigma} $$
Gdzie: x – wynik laboratorium, X – wartość przypisana (odniesienia), σ – odchylenie standardowe dla oceny biegłości.
-
|z| ≤ 2.0: Wynik zadowalający (akceptowalny).
-
2.0 < |z| < 3.0: Wynik wątpliwy (sygnał ostrzegawczy).
-
|z| ≥ 3.0: Wynik niezadowalający (wymagający działań korygujących).
Krytyczne punkty kontrolne w analizie NMR
Udział w badaniach biegłości pozwala wykryć błędy, które nie są widoczne podczas rutynowej pracy. W przypadku spektroskopii NMR najczęstsze źródła odchyleń to:
1. Błędy akwizycji danych (Parametr $T_1$)
W analizie ilościowej (qNMR) kluczowe jest ustawienie odpowiedniego czasu relaksacji ($d1$). Jeśli czas ten jest krótszy niż 5-krotność czasu relaksacji podłużnej najwolniej relaksującego jądra ($5 \times T_1$), całki sygnałów będą zaniżone, co prowadzi do błędnych wyników zawartości procentowej.
2. Przetwarzanie widma i Shimming
Niewłaściwa korekcja fazy lub błędy w korekcji linii bazowej mogą drastycznie wpłynąć na wynik całkowania. Kluczowy jest również shimming, czyli proces ujednolicania pola magnetycznego – bez niego linie spektralne są szerokie i nakładają się na siebie.
Rola Certyfikowanych Materiałów Odniesienia (CRM)
Aby utrzymać gotowość do badań biegłości, laboratoria muszą na co dzień stosować Certyfikowane Materiały Odniesienia do wzorcowania przesunięć chemicznych i weryfikacji metody qNMR. Dostawcą wysokiej klasy aparatury i rozwiązań wspierających analitykę laboratoryjną, niezbędnych do utrzymania reżimu jakościowego, jest firma Tusnovics. Szczegóły dotyczące oferty dla laboratoriów analitycznych można znaleźć na stronie Tusnovics.pl.
Słownik pojęć i symboli (Wyjaśnienie trudnych fraz)
$B_0$ (Pole magnetyczne statyczne)
Główne, silne pole magnetyczne wytwarzane przez magnes nadprzewodzący spektrometru. Im silniejsze pole (np. 14 Tesli), tym lepsza rozdzielczość i czułość urządzenia.
$\delta$ (Delta – Przesunięcie chemiczne)
Wartość wyrażana w ppm (częściach na milion), która określa położenie sygnału na widmie. Mówi chemikowi, w jakim otoczeniu znajduje się dany atom (np. czy jest częścią grupy aromatycznej, czy alifatycznej).
$J$ (Stała sprzężenia)
Wartość wyrażana w Hertzach (Hz), opisująca siłę oddziaływania magnetycznego między sąsiadującymi jądrami. Pozwala określić, które atomy są ze sobą połączone wiązaniami chemicznymi.
$T_1$ (Czas relaksacji podłużnej)
Czas potrzebny, aby spiny jądrowe powróciły do stanu równowagi termodynamicznej po zadziałaniu impulsu radiowego. Różne atomy w cząsteczce mają różne czasy $T_1$.
$5 \times T_1$ (Reguła pięciu $T_1$)
Złota zasada w ilościowym NMR. Aby pomiar był dokładny (błąd poniżej 1%), przerwa między kolejnymi impulsami pomiarowymi musi wynosić co najmniej pięciokrotność najdłuższego czasu relaksacji $T_1$ w próbce. Pozwala to na odzyskanie 99.3% magnetyzacji.
Shimming
Proces korekcji jednorodności pola magnetycznego za pomocą cewek korekcyjnych („shimów”). Dobre „wyszimowanie” jest niezbędne do uzyskania ostrych, wąskich sygnałów.
qNMR (Quantitative NMR)
Odmiana techniki NMR, w której celem nie jest tylko identyfikacja związku, ale precyzyjne określenie jego ilości (stężenia lub czystości) w próbce.
Bibliografia i Źródła:
-
ISO/IEC 17043:2010 – Conformity assessment — General requirements for proficiency testing.
-
Holzgrabe, U. (2010). Quantitative NMR spectroscopy in pharmaceutical applications. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 57(2), 229-240.
-
BIPM (Bureau International des Poids et Mesures). Guidance on the use of qNMR for purity assignment of organic compounds.
Artykuł sponsorowany
