ISO 24583:2022
(Main)Quantitative nuclear magnetic resonance spectroscopy — Purity determination of organic compounds used for foods and food products — General requirements for 1H NMR internal standard method
Quantitative nuclear magnetic resonance spectroscopy — Purity determination of organic compounds used for foods and food products — General requirements for 1H NMR internal standard method
This document specifies general requirements and performance criteria for the determination of purity of organic compounds through the application of solution state proton (1H) quantitative nuclear magnetic resonance (qNMR) spectroscopy using an internal standard method. This document is applicable to bioactive compounds in functional foods, natural toxins, food additives and pesticides. This document is applicable to the users pursuing metrological traceability of the measurement results.
Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire quantitative — Détermination de la pureté des composés organiques utilisés dans les aliments et les produits alimentaires — Exigences générales pour la méthode de l’étalon interne par RMN 1H
Le présent document spécifie des exigences générales et des critères de performance pour la détermination de la pureté des composés organiques par spectroscopie par résonance magnétique nucléaire quantitative (qRMN) du proton en solution (1H) utilisant une méthode à étalon interne. Le présent document est applicable à des composés bioactifs dans des aliments fonctionnels, à des toxines naturelles, à des additifs alimentaires ainsi qu’à des pesticides. Le présent document est destiné aux utilisateurs qui cherchent à garantir la traçabilité métrologique des résultats de mesure.
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 24583
First edition
2022-12
Quantitative nuclear magnetic
resonance spectroscopy — Purity
determination of organic compounds
used for foods and food products —
1
General requirements for H NMR
internal standard method
Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire quantitative —
Détermination de la pureté des composés organiques utilisés dans les
aliments et les produits alimentaires — Exigences générales pour la
1
méthode de l’étalon interne par RMN H
Reference number
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Published in Switzerland
ii
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principles . 5
4.1 General . 5
4.2 Conventions on the sample solutions for the qNMR procedure. 6
1 1
4.3 H quantitative NMR ( H qNMR) . 7
5 Technical requirements for the qNMR measurements . 8
5.1 General requirements . 8
5.2 qNMR study design . 8
5.3 Analytical target profile . . 9
5.4 Feasibility study . 10
5.5 qNMR sample solution preparation . 11
5.6 qNMR data acquisitions . 11
5.6.1 Acquisition parameters . 11
5.6.2 qNMR data acquisition .13
5.7 Data processing. 13
5.7.1 Data processing parameters . 13
5.7.2 Purity calculation . 14
5.8 Evaluation of measurement uncertainty . 15
5.9 Establishment of metrological traceability . 15
6 Validation of the qNMR procedure .15
7 NMR instrument qualification .16
8 Test report .17
Annex A (informative) Weighing of sample and internal standard .18
Annex B (informative) Internal standards and solvents .23
Annex C (informative) Determining the measurement uncertainty.30
Bibliography .34
iii
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ISO 24583:2022(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 34, Food products.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
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ISO 24583:2022(E)
Introduction
Reliable quantification of food components is important for food safety and can be used as a
measurement tool for food authenticity. Presently, chromatography such as gas chromatography (GC)
and liquid chromatography (LC) is used in the majority of regulatory work associated with foods
and food products. To obtain reliable quantification results with these methods, the use of certified
reference materials (CRMs) is required, for which metrological traceability of the certified value, as
measurement standards, is essential. However, obtaining such CRMs to fulfil these requirements is
almost impossible in many cases as conventional methods that can establish metrological traceability,
such as the mass balance, have limited applications. Therefore, the establishment of a simple, rapid,
widely applicable and reliable purity quantification method, with a focus on the establishment of
metrological traceability, for the characterization of measurement standards for food analyses is an
essential. Quantitative nuclear magnetic resonance (qNMR) spectroscopy has been recognized as a
quick and simple characterization method. The method is also recognized as metrologically traceable,
and uses the purity from a CRM to determine the purity of other analytes. When a certified value of a
CRM, whose value is stated as metrological traceable to the International System of Units (SI), is used
as a measurement standard for qNMR, the determined purity value of the sample by qNMR can also be
traceable to the SI through the CRM. qNMR, therefore, has the potential to provide the SI traceability to
[10][17][36]
measurement standards relevant to food components.
v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 24583:2022(E)
Quantitative nuclear magnetic resonance spectroscopy —
Purity determination of organic compounds used for foods
1
and food products — General requirements for H NMR
internal standard method
1 Scope
This document specifies general requirements and performance criteria for the determination of
1
purity of organic compounds through the application of solution state proton ( H) quantitative nuclear
magnetic resonance (qNMR) spectroscopy using an internal standard method.
This document is applicable to bioactive compounds in functional foods, natural toxins, food additives
and pesticides.
This document is applicable to the users pursuing metrological traceability of the measurement results.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
quantitative NMR
qNMR
quantitative analysis using NMR spectroscopy
3.2
proton quantitative NMR
1
H quantitative NMR
1
H qNMR
1
quantitative NMR (3.1) spectroscopy using proton ( H) as the observed nucleus
3.3
qNMR procedure
predetermined workflow of quantitative analysis using qNMR (3.1) including sample solution
preparation, data acquisition and data processing parameters that have been optimized and validated
for a specific analyte
3.4
equilibrium magnetization
magnitude of the nuclear magnetization vector that is polarized in the sample after it has be placed into
a static magnetic field
1
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ISO 24583:2022(E)
3.5
spin-lattice relaxation time
T
1
time needed for a set of spins of magnetically equivalent nuclei to attain macroscopic z-magnetisation,
M , equilibrium in a magnetic field or to return to this equilibrium after excitation (by a radio frequency
z
(RF) pulse)
Note 1 to entry: The recovery of M magnetisation is an exponential saturation process described by the Bloch-
z
equation for M :
z
M (t) = M (t ) – [M (t ) – M (0)] × exp(-t/T )
z z eq z eq z 1
where
M (t) is the time function of M ;
z z
0 is the time zero;
t is the time equilibrium has been achieved;
eq
t can be any time between 0 and t .
eq
Note 2 to entry: Following a 90° pulse, 63 % of an ensemble of magnetically equivalent spins have relaxed after
1 × T , over 99 % of spins have relaxed after 5 × T .
1 1
3.6
free induction decay
FID
time-domain NMR signal that results from the precession of the nuclear magnetization vector inside
the probe coil after application of an excitation RF pulse to a sample in a static magnetic field
3.7
shimming
process that is carried out to correct any inhomogeneities in the applied magnetic field during an NMR
experiment
3.8
spectral width
SW
width of the spectrum after Fourier transformation
1)
Note 1 to entry: It is given in Hz or ppm .
Note 2 to entry: The axis for SW (x-axis) of an NMR spectrum is usually expressed as chemical shift in ppm
scale. Resonance frequency of an NMR signal depends on the external magnetic field of the NMR instrument.
Relationship between the resonance frequency in Hz and chemical shift, δ, in ppm is as follows:
νν −
sr
δ =
ν
r
where
δ is the NMR “chemical shift” of an individual signal, typically expressed in ppm scale;
1
ν is the absolute resonance frequency of the H NMR signal for a sample measured in an NMR
s
instrument, given in Hz;
1
ν is the absolute resonance frequency of the H NMR signal for a chemical shift’s reference compound
r
signal measured in the instrument, given in Hz.
Since the difference in the numerator is usually in Hz and the denominator in MHz, δ is expressed in ppm.
1) ppm = parts per million.
2
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ISO 24583:2022(E)
3.9
full width at half maximum
FWHM
width of a line shape at half the maximum signal intensity
Note 1 to entry: It is expressed in Hz.
Note 2 to entry: Figure 1 illustrates FWHM. The example signal is from 1,4-bis(trimethylsilyl)(D )benzene (see
4
Table B.1).
Key
X chemical shift (ppm)
Z chemical shift (ppm)
29
1 Si satellite signal
2 half height of signal
3 full signal width at half maximum height
Figure 1 — Illustration of FWHM
3.10
flip angle
pulse angle
pulse flip angle
tilt angle of the bulk nuclear magnetization vector, relative to the static magnetic field after applying an
RF pulse of specific duration and amplitude in a static magnetic field at thermal equilibrium
Note 1 to entry: This non-equilibrium magnetization can be induced by applying an RF pulse of sufficient
excitation bandwidth and carrier frequency near the Larmor frequency of the nuclear spins.
3
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ISO 24583:2022(E)
3.11
repetition time
T
r
time period from the application of the first RF pulse of a pulse sequence until the same pulse is applied
again in the subsequent transient
3.12
number of transients
NT
number of scans
number of times that a Fourier transformation-NMR experiment is repeated with the resulting FIDs
(3.6) accumulated/summed to improve the signal-to-noise ratio of the NMR spectrum
3.13
decoupling
NMR experimental technique to eliminate spin-spin coupling
1 13
Note 1 to entry: In this document, only heteronuclear decoupling, e.g. decoupling of H- C spin-spin coupling, is
considered.
3.14
dummy scan
steady state scan
transient that is performed to establish a steady state of the magnetization, all parts of the NMR
experiment are carried out (e.g. RF pulses, delays, pulsed field gradients), but no data is recorded
3.15
satellite signal
signals arising from fraction of sample containing another NMR active nucleus showing the coupling to
this nucleus
3.16
zero filling
insertion of zero values at the end of an FID (3.6) signal prior to Fourier transformation, a means to
increase the frequency domain resolution of an NMR spectrum
3.17
phase correction
mathematical procedure used to restore a pure absorption lineshape over the whole NMR spectrum
3.18
baseline correction
mathematical procedure used to correct distortions in the baseline of an NMR spectrum
3.19
spectral resolution
degree of distinction and separation of signals used in quantitative analysis
3.20
integrated area
signal area
peak area
integration value of the signal interval between the baseline of the signal and the resonance signal
3.21
minimum weight
smallest sample quantity required for a weighment to just achieve a specified relative accuracy of
weighing
[9]
[SOURCE: EURAMET Calibration Guide No.18 Version 4.0 ]
4
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3.22
repeatability
measurement precision under a set of repeatability conditions of measurement
[5]
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007 , 2.21]
3.23
calibration
operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity
values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding
indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to
establish a relation for obtaining a measurement result from an indication
[5]
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007 , 2.39, modified — The notes to entry have been deleted.]
3.24
internal standard
material used as a measurement standard for the purity evaluation for a qNMR procedure (3.3) in
solution together with a sample
Note 1 to entry: A schematic illustration is given in Figure 2.
3.25
qNMR standard
component of an internal standard (3.24) used as the measurement standard for a qNMR procedure (3.3)
Note 1 to entry: A schematic illustration is given in Figure 2.
3.26
receiver gain
RG
amplification ratio of the signal by the receiver
3.27
line-broadening
mathematical processing technique by which the FID (3.6) is manipulated by exponential function in
order to improve the signal-to-noise ratio at the expense of resolution
4 Principles
4.1 General
NMR is one of the most useful techniques for the structure elucidation of organic compounds due to
three important features:
a) chemical shifts of resonance signals;
b) spin-spin couplings by neighbouring non-equivalent NMR active nuclei;
1
c) the proportionality between the integrated area and the number of corresponding H nuclei.
The first and third features play an important role in comparing different integrated areas quantitatively.
1
The integrated area is directly proportional to the size of the population of H nuclei causing this
resonance signal, if the experimental conditions are optimized correctly. Since the integrated areas of
two distinct resonances are usually well separated due to their respective chemical shifts it becomes
possible to determine the molar ratios of chemical substances or structural moieties giving rise to the
signals. In other words, all signals in the spectrum can be assigned to chemical (sub-)structures of
the analyte and the qNMR standard. Therefore, if an internal standard, with a certified purity value
of identified structure, is added to the sample solution that contains an analyte of known structure,
5
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the purity of the analyte in sample can be determined from the relationship derived in Formulae (3)
and (4).
th 1
For the i signal in the H NMR spectrum of a single analyte compound in a sample, a integrated area I
i
can be expressed as Formula (1):
−TT/
r 1i
m 1−e
IN∝ P sin β Mt (1)
()
ii zeq
−TT/
r 1i
VM
1−e cos β
()
where
th
I is the integrated area of the i signal of the compound;
i
th
N is the number of resonating protons for the integrated area of the i signal (I );
i i
V is the volume of the sample solution;
m is the mass of the sample;
M is the molar mass of the compound;
P is the purity (mass fraction) of the compound;
β is the excitation flip angle;
th 1
T is the spin-lattice relaxation time of the i H signal of the compound;
1i
T is the repetition time;
r
M (t ) is the equilibrium magnetization.
z eq
1
The relaxation times T can be different for the H nuclei of different signals.
1i
This formula suggests that N andT are the only terms that depend on different signals. When T >> T
i 1i r 1i
is met, 1-exp(–T /T ) becomes unity. Therefore, when T for an experimental parameter is set to
r 1i r
sufficiently longer than the longest T among signals of interest, the ratio of integrated areas can be
1
proportional to N . When this relationship is applied to one compound, all parameters except I and N
i
are common factors. Therefore, the I and N should only be considered. This is the basic principle for the
proportionality of integrated areas for one compound that can be summarized in the Formula (2):
I N
1 1
= (2)
I N
2 2
where
I is the first integrated area of the compound;
1
I is the second integrated area of the compound;
2
N is the number of resonating protons for the integrated area of the first signal (I );
1 1
N is the number of resonating protons for the integrated area of the second signal (I ).
2 2
4.2 Conventions on the sample solutions for the qNMR procedure
In this document, the following conventions are used:
— A sample solution for the qNMR procedure is a mixture of a sample and an internal standard
dissolved in a solvent or mixture of solvents.
6
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ISO 24583:2022(E)
— The sample (S) consists of a main component, which is the target component for the purity
determination, and other components; in this context these are impurities. Hereafter, analyte (A) is
referred to as the main component of the sample.
— The internal standard (IS) is a material used as a standard of the qNMR method. The internal standard
also consists of a main component for the qNMR method, and other components (impurities).
Hereafter, qNMR standard (Q) is referred to as the main component of the internal standard.
Figure 2 is a schematic illustration of the conventions.
Figure 2 — Schematic illustration of the sample solution
1 1
4.3 H quantitative NMR ( H qNMR)
Formula (2) can also be applied to signals derived from two compounds in a sample solution. When the
purity is determined by qNMR, the two compounds in the sample solution correspond to an analyte
in the sample and the qNMR standard in an internal standard. Figure 2 is a schematic illustration of
the sample solution for such a case. The sample (S) and the internal standard (IS) both consist of main
components and impurities. Since the analyte and the qNMR standard (Q) are the main components,
the purities can be expressed by percentages of mass fraction (kg/kg) of the sample and the internal
standard.
When the longest T satisfies with T >> T for the two compounds, Formula (3) can be derived from
1i r 1i
Formula (1):
I N
Q Q
m M P
j j
IS A IS
=× ×× (3)
I N m M P
A A S Q S
i i
where
A is the analyte in the sample;
Q is the qNMR standard in the internal standard;
S is the sample;
IS is the internal standard;
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ISO 24583:2022(E)
I is the integrated area of the analyte in the sample (A);
A
I is the integrated area of the qNMR standard in the internal standard (Q);
Q
N is the number of resonating protons for signals originating the analyte in the sample
A
(A);
N is the number of resonating protons for signals originating the qNMR standard in the
Q
internal standard (Q);
m is the mass of the sample (S);
S
m is the mass of the internal standard (IS);
IS
M is the molar mass of the analyte in the sample (A);
A
M is the molar mass of the qNMR standard in the internal standard (Q);
Q
P is the purity (mass fraction) of the sample (S);
S
P is the purity (mass fraction) of the internal standard (IS);
IS
th
subscript i is the i signal from the analyte in the sample (A);
th
subscript j is the j signals from the qNMR standard in the internal standard (Q).
1
Formula (3) theoretically indicates that H qNMR has the ability to determine the purity of the sample
(P ) through the purity of the internal standard (P ).
S IS
See References [21] and [26] for further information.
5 Technical requirements for the qNMR measurements
5.1 General requirements
When metrological traceability is to be established for the purity values of the qNMR procedures, even
if the qNMR results are only for internal use, the laboratory operating the qNMR procedure shall be a
competent laboratory.
[3]
NOTE 1 Laboratories operating in accordance with ISO/IEC 17025 are considered to be competent.
NOTE 2 The qNMR procedure can be used as part of the production process of reference materials, including
stability studies and characterization of property values. Reference material producers operating in accordance
[1]
with ISO 17034 are considered to be competent.
5.2 qNMR study design
With the internal standard method, Formula (4) can be derived from Formula (3), which can be used for
purity determination:
N
I m
Q
M
A j IS
ikl A k
P =× ×× ×P (4)
S IS
ijkl
I N M m
Q A Q S
jkl i k
where subscripts
i and j are the selected analyte (A) signal and the qNMR standard (Q) signal numbers,
respectively, from one qNMR acquired data set;
8
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ISO 24583:2022(E)
k and l are the numbers of the independent qNMR sample solution preparations and the
independent qNMR data acquisitions for each sample, respectively.
The internal standard method requires at least each one isolated signal derived from the analyte (A)
(i = 1) and the qNMR standard (Q) ( j = 1). If possible, selection and evaluation of two or more signals
from each substance can improve the reliability of the purity value. When two or more independent
qNMR data sets (l ≥ 2) for each of two or more independent qNMR sample solutions prepared (k ≥ 2) are
acquired, the measurement quality can be determined using statistical uncertainty evaluation.
For the establishment of metrological traceability of the purity value, uncertainty associated with
qNMR procedure shall be evaluated. To provide a reasonable estimate of uncertainty in the purity value
evaluated by this method, three or more preparations of sample solutions (k ≥ 3) shall be prepared
and at least three independent qNMR measurements (l ≥ 3) for each sample shall be conducted for the
evaluation of qNMR measurement uncertainty.
NOTE 1 Repeating spectroscopic analysis of a single sample over a short period of time is not necessarily going
to provide that number of independent observations.
The following parameters should be considered for obtaining an accurate purity value P of the sample:
S
— determination of accurate mass values (m and m );
S IS
NOTE 2 The mass or volume of solvent added does not need to be precisely known to calculate purity via
Formula (4).
— determination of accurate integrated areas (I and I );
A Q
1
NOTE 3 Signals generated by H involved in exchange reactions or molecular dynamics in the NMR
timescale (resulting in the broadening of the signal) cannot be used for the purity determination.
— identification of chemical structures to obtain molar mass (M and M ), and the number of resonating
A Q
1
Hs for target signals (N and N );
A Q
i j
— the uncertainty and metrological traceability of the purity value of the internal standard (P ), as
IS
well as the methods used to determine this value.
NOTE 4 Measured purity values are metrologically traceable to a reference through the purity value of the
internal standard (P ). The metrological traceability of the purity value of the internal standard (P ) is an
IS IS
important consideration for determining whether it is suitable for the purposes of the measurement.
[1]
NOTE 5 Certified purity values of CRMs fulfilling the requirements of ISO 17034 are considered to be
metrologically traceable to a higher reference.
5.3 Analytical target profile
To obtain purity values appropriate for the application, the following attributes and target values shall
be determined and documented prior to starting the qNMR procedure:
— intended use of the purity value;
— intended level of target measurement uncertainty (u ) of the purity value;
t
— necessity for the establishment of metrological traceabili
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 24583
Première édition
2022-12
Spectroscopie par résonance
magnétique nucléaire quantitative —
Détermination de la pureté des
composés organiques utilisés dans les
aliments et les produits alimentaires
— Exigences générales pour la
méthode de l’étalon interne par RMN
1
H
Quantitative nuclear magnetic resonance spectroscopy — Purity
determination of organic compounds used for foods and food
1
products — General requirements for H NMR internal standard
method
Numéro de référence
ISO 24583:2022(F)
© ISO 2022
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes . 6
4.1 Généralités . 6
4.2 Conventions relatives aux solutions échantillons pour le mode opératoire qRMN . 7
1 1
4.3 RMN quantitative H (qRMN H) . 8
5 Exigences techniques pour les mesurages par qRMN . 9
5.1 Exigences générales . 9
5.2 Plan d’expériences qRMN . 9
5.3 Profil analytique cible . 10
5.4 Étude de faisabilité . 10
5.5 Préparation des solutions échantillons pour la qRMN . 11
5.6 Acquisition des données de qRMN .12
5.6.1 Paramètres d’acquisition .12
5.6.2 Acquisition des données de qRMN . 14
5.7 Traitement des données . 14
5.7.1 Paramètres de traitement des données . 14
5.7.2 Calcul de la pureté . .15
5.8 Évaluation de l’incertitude de mesure . 16
5.9 Établissement de la traçabilité métrologique . 16
6 Validation du mode opératoire qRMN .16
7 Qualification de l’instrument de RMN .17
8 Rapport d’essai .18
Annexe A (informative) Pesage de l’échantillon et de l’étalon interne .19
Annexe B (informative) Étalons internes et solvants .24
Annexe C (informative) Détermination de l’incertitude de mesure .32
Bibliographie .36
iii
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ISO 24583:2022(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 34, Produits alimentaires.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
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ISO 24583:2022(F)
Introduction
La quantification fiable des composants des aliments joue un rôle essentiel en matière de sécurité
alimentaire et peut faire office d’outil de mesure pour garantir l’authenticité des aliments. À l’heure
actuelle, la chromatographie, comme la chromatographie en phase gazeuse (CPG ou GC) et la
chromatographie en phase liquide (CPL ou LC), est utilisée dans la majorité des travaux réglementaires
associés aux aliments et aux produits alimentaires. Afin d’obtenir des résultats de quantification
fiables à l’aide de ces méthodes, il est nécessaire de recourir à des matériaux de référence certifiés
(MRC), pour lesquels la traçabilité métrologique de la valeur certifiée, comme les étalons de mesure,
est essentielle. Cependant, dans la plupart des cas, il est presque impossible que ces MRC respectent ces
exigences, car les méthodes conventionnelles pouvant établir la traçabilité métrologique, telles que la
balance de masse, ont des applications limitées. Par conséquent, il est crucial de définir une méthode de
quantification de la pureté simple, rapide, fiable et applicable à grande échelle, axée sur l’établissement
de la traçabilité métrologique pour la caractérisation d’étalons de mesure destinés aux analyses
alimentaires. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire quantitative (qRMN) est reconnue
comme une méthode de caractérisation simple et rapide. Cette méthode, dont la traçabilité métrologique
est également reconnue, s’appuie sur la pureté d’un MRC pour déterminer la pureté d’autres analytes.
Lorsqu’une valeur certifiée d’un MRC, dont la valeur est indiquée comme étant métrologiquement
traçable par rapport au Système international d’unités (SI), est utilisée comme étalon de mesure pour
la qRMN, la valeur de pureté de l’échantillon déterminée par qRMN peut aussi être reliée au SI par
l’intermédiaire du MRC. De ce fait, la qRMN offre la possibilité de garantir la traçabilité des étalons de
[10][17][36]
mesure associés à des composants des aliments par rapport au SI.
v
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NORME INTERNATIONALE ISO 24583:2022(F)
Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire
quantitative — Détermination de la pureté des composés
organiques utilisés dans les aliments et les produits
alimentaires — Exigences générales pour la méthode de
l’étalon interne par RMN 1H
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie des exigences générales et des critères de performance pour la
détermination de la pureté des composés organiques par spectroscopie par résonance magnétique
1
nucléaire quantitative (qRMN) du proton en solution ( H) utilisant une méthode à étalon interne.
Le présent document est applicable à des composés bioactifs dans des aliments fonctionnels, à des
toxines naturelles, à des additifs alimentaires ainsi qu’à des pesticides.
Le présent document est destiné aux utilisateurs qui cherchent à garantir la traçabilité métrologique
des résultats de mesure.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
RMN quantitative
qRMN
analyse quantitative par spectroscopie RMN
3.2
RMN quantitative du proton
1
RMN quantitative H
1
qRMN H
1
spectroscopie RMN quantitative (3.1) utilisant le proton ( H) comme noyau observé
3.3
mode opératoire qRMN
séquence prédéterminée d’opérations d’analyse quantitative par qRMN (3.1), comprenant la préparation
de la solution échantillon, l’acquisition des données et les paramètres de traitement des données, qui
ont été optimisés et validés pour un analyte spécifique
1
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3.4
aimantation à l’équilibre
grandeur du vecteur d’aimantation nucléaire qui est polarisé dans l’échantillon après avoir été placé
dans un champ magnétique statique
3.5
temps de relaxation longitudinale
T
1
temps nécessaire à un ensemble de spins de noyaux magnétiquement équivalents pour atteindre
l’aimantation macroscopique z, l’équilibre M dans un champ magnétique ou pour revenir à cet équilibre
z
après excitation (par une impulsion radiofréquence [RF])
Note 1 à l'article: La relaxation de l’aimantation M est un processus de saturation exponentiel décrit par
z
l’équation de Bloch pour M :
z
M (t) = M (t ) – [M (t ) – M (0)] × exp(-t/T )
z z eq z eq z 1
où
M (t) est la fonction temporelle de M ;
z z
0 est le temps zéro;
t est le temps nécessaire pour atteindre l’équilibre;
eq
t peut être n’importe quel moment entre 0 et t .
eq
Note 2 à l'article: Après une impulsion à 90°, 63 % d’un ensemble de spins magnétiquement équivalents retournent
à l’équilibre après 1 × T , plus de 99 % des spins retournent à l’équilibre après 5 × T .
1 1
3.6
signal de précession libre
FID
signal RMN du domaine temporel qui résulte de la précession du vecteur d’aimantation nucléaire à
l’intérieur de l’antenne de la sonde après application d’une impulsion radiofréquence (RF) d’excitation
sur un échantillon dans un champ magnétique statique
3.7
homogénéisation du champ magnétique
shimming
processus effectué pour corriger toute inhomogénéité dans le champ magnétique appliqué au cours
d’une expérience RMN
3.8
largeur spectrale
SW
largeur du spectre après transformée de Fourier
1)
Note 1 à l'article: Elle est donnée en Hz ou en ppm .
Note 2 à l'article: L’axe associé à la largeur spectrale d’un spectre de RMN (axe x) est donné généralement en
déplacement chimique, exprimé en ppm. La fréquence de résonance d’un signal de RMN dépend du champ
magnétique externe de l’instrument RMN. La relation entre la fréquence de résonance en Hz et le déplacement
chimique, δ, en ppm est exprimée comme suit:
νν −
sr
δ =
ν
r
où
1) ppm = parties par million.
2
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δ est, en RMN, le déplacement chimique d’un signal individuel généralement exprimé en ppm;
1
ν est la fréquence de résonance absolue du signal de RMN H pour un échantillon mesuré à l’aide
s
d’un instrument RMN, donnée en Hz;
1
ν est la fréquence de résonance absolue du signal de RMN H pour le signal du composé de réfé-
r
rence associé à un déplacement chimique mesuré à l’aide d’un instrument RMN, donnée en Hz.
Comme la différence dans le numérateur est généralement indiquée en Hz et que le dénominateur est en
MHz, δ est exprimé en ppm.
3.9
largeur à mi-hauteur
FWHM
largeur d’une forme linéaire à la moitié de l’intensité maximale du signal
Note 1 à l'article: Elle est exprimée en Hz.
Note 2 à l'article: La Figure 1 illustre cette largeur à mi-hauteur. Le signal d’exemple provient du
1,4-Bis(triméthylsilyl)(D )benzène (voir le Tableau B.1).
4
Légende
X déplacement chimique (ppm)
Z déplacement chimique (ppm)
29
1 signal satellite du Si
2 mi-hauteur du signal
3 largeur du signal à mi-hauteur
Figure 1 — Illustration de la largeur à mi-hauteur (FWHM)
3
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3.10
angle de bascule
angle d’impulsion
angle de flip
angle d’inclinaison du vecteur d’aimantation nucléaire macroscopique par rapport au champ
magnétique statique après application d’une impulsion RF d’une durée et d’une amplitude spécifiques
dans un champ magnétique statique à l’équilibre thermique
Note 1 à l'article: Cette aimantation hors d’équilibre peut être induite en appliquant une impulsion RF de bande
passante d’excitation suffisante et une fréquence porteuse proche de la fréquence de Larmor des spins nucléaires.
3.11
temps de répétition
T
r
délai entre l’application de la première impulsion RF d’une séquence d’impulsions et la nouvelle
application de la même impulsion dans le transitoire suivant
3.12
nombre de transitoires
NT
nombre de scans
nombre de fois qu’une expérience de résonance magnétique nucléaire à transformée de Fourier (FT-
RMN) est répétée, les FID (3.6) en résultant étant accumulés/additionnés pour améliorer le rapport
signal sur bruit du spectre RMN
3.13
découplage
technique RMN expérimentale visant à éliminer le couplage spin-spin
Note 1 à l'article: Le présent document étudie uniquement le découplage hétéronucléaire, par exemple le
1 13
découplage du couplage spin-spin H- C.
3.14
scan factice
scan pour l’état stationnaire
transitoire effectué pour atteindre l’état stationnaire de l’aimantation, toutes les parties de l’expérience
RMN sont réalisées (par exemple, impulsions RF, délais, gradients de champ pulsé), sans donner lieu à
un enregistrement de données
3.15
signal satellite
signal provenant d’une fraction d’un échantillon contenant un autre noyau actif en RMN et montrant le
couplage de ce noyau
3.16
remplissage par des zéros
insertion de valeurs nulles à la fin d’un signal FID (3.6) avant la transformée de Fourier afin d’augmenter
la résolution du domaine de fréquences d’un spectre RMN
3.17
correction de phase
traitement mathématique utilisé pour restaurer une forme de ligne d’absorption pure sur l’ensemble du
spectre RMN
3.18
correction de ligne de base
traitement mathématique utilisé pour corriger les distorsions de la ligne de base d’un spectre RMN
3.19
résolution spectrale
degré de distinction et de séparation des signaux utilisés dans une analyse quantitative
4
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3.20
aire intégrée
aire du signal
aire du pic
résultat de l’intégration de la surface entre la ligne de base du signal et le signal de résonance
3.21
poids minimal
plus petite quantité d’échantillon requise pour qu’une pesée atteigne au moins une exactitude relative
spécifiée de pesage
[9]
[SOURCE: EURAMET Calibration Guide No.18 Version 4.0 ]
3.22
répétabilité
fidélité de mesure selon un ensemble de conditions de répétabilité
[5]
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007, 2.21]
3.23
étalonnage
opération qui, dans des conditions spécifiées, établit en une première étape une relation entre les
valeurs et les incertitudes de mesure associées qui sont fournies par des étalons et les indications
de mesure correspondantes avec les incertitudes associées, puis utilise, en une seconde étape,
cette information pour établir une relation permettant d’obtenir un résultat de mesure à partir d’une
indication de mesure
[5]
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99:2007, 2.39, modifié — Les notes à l’article ont été supprimées.]
3.24
étalon interne
matériau utilisé comme étalon de mesure en solution conjointement avec un échantillon pour évaluer la
pureté dans le cadre d’un mode opératoire qRMN (3.3)
Note 1 à l'article: Une illustration schématisée est fournie à la Figure 2.
3.25
étalon qRMN
composant d’un étalon interne (3.24) utilisé comme étalon de mesure dans le cadre d’un mode opératoire
qRMN (3.3)
Note 1 à l'article: Une illustration schématisée est fournie à la Figure 2.
3.26
gain du récepteur
RG
taux d’amplification du signal par le récepteur
3.27
élargissement de raie
technique de traitement mathématique visant à soumettre le FID (3.6) à une fonction exponentielle afin
d’améliorer le rapport signal sur bruit au détriment de la résolution
5
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4 Principes
4.1 Généralités
La RMN est l’une des techniques les plus utiles pour l’élucidation des structures de composés organiques
grâce à trois caractéristiques essentielles:
a) les déplacements chimiques des signaux de résonance;
b) les couplages spin-spin de noyaux voisins, actifs en RMN et non équivalents;
1
c) la proportionnalité entre l’aire intégrée et le nombre de noyaux H correspondants.
La première et la troisième caractéristiques jouent un rôle déterminant dans la comparaison
quantitative de différentes aires intégrées. L’aire intégrée est directement proportionnelle à la taille
1
de la population de noyaux H provoquant ce signal de résonance, si les conditions expérimentales
sont correctement optimisées. Comme les aires intégrées de deux résonances distinctes sont, en
général, clairement séparées en raison de leurs déplacements chimiques respectifs, il est possible de
déterminer les rapports molaires des substances chimiques ou des motifs structuraux provoquant les
signaux. En d’autres termes, tous les signaux du spectre peuvent être attribués à des (sous-)structures
chimiques de l’analyte et de l’étalon qRMN. Par conséquent, si un étalon interne avec une structure
identifiée de valeur de pureté certifiée est ajouté à la solution échantillon qui contient un analyte de
structure connue, la pureté de l’analyte dans l’échantillon peut être déterminée à partir de la relation
déduite des Formules (1) et (2).
nième 1
Pour le i signal du spectre RMN H d’un seul analyte dans un échantillon, une aire intégrée I
i
peut être exprimée selon la Formule (1):
−TT/
r 1i
m 1−e
IN∝ P sin β Mt (1)
()
ii zeq
−TT/
VM r 1i
1−e ()cos β
où
nième
I est l’aire intégrée du i signal de l’analyte;
i
nième
N est le nombre de protons en résonance pour l’aire intégrée de l’i signal (I );
i i
V est le volume de la solution échantillon;
m est la masse de l’échantillon;
M est la masse molaire de l’analyte;
P est la pureté (fraction massique) de l’analyte;
β est l’angle de bascule de l’excitation;
nième 1
T est le temps de relaxation longitudinale du i signal H de l’analyte;
1i
T est le temps de répétition;
r
M (t ) est l’aimantation à l’équilibre.
z eq
1
Les temps de relaxation T peuvent être différents pour les noyaux H de différents signaux.
1i
Cette formule laisse entendre que N et T sont les seuls termes qui dépendent de différents signaux.
i 1i
Lorsque la condition T >> T est remplie, 1-exp(–T /T ) tend vers un. Par conséquent, lorsque le
r 1i r 1i
paramètre expérimental T est défini pour être suffisamment plus long que le plus long T parmi les
r 1
signaux étudiés, le rapport des aires intégrées peut être proportionnel à N . Lorsque cette relation est
i
appliquée à un composé, tous les paramètres, à l’exception de I et de N, sont des facteurs communs.
6
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Par conséquent, il convient de tenir compte uniquement de I et N. Il s’agit du principe de base de la
proportionnalité des aires intégrées pour un composé et il peut être résumé à l’aide de la Formule (2):
I N
1 1
= (2)
I N
2 2
où
I est la première aire intégrée du composé;
1
I est la seconde aire intégrée du composé;
2
N est le nombre de protons en résonance pour l’aire intégrée du premier signal (I );
1 1
N est le nombre de protons en résonance pour l’aire intégrée du second signal (I ).
2 2
4.2 Conventions relatives aux solutions échantillons pour le mode opératoire qRMN
Dans le présent document, les conventions suivantes sont utilisées:
— la solution échantillon utilisée pour le mode opératoire qRMN est un mélange d’un échantillon et
d’un étalon interne dissous dans un solvant ou un mélange de solvants;
— l’échantillon (S) est constitué d’un composant principal, qui est le composant cible pour la
détermination de la pureté, et d’autres composants qui, dans ce contexte, sont des impuretés.
L’analyte (A) est désigné ci-après comme le composant principal de l’échantillon (S);
— l’étalon interne (IS) est un matériau utilisé comme étalon dans la méthode qRMN. L’étalon
interne (IS) est également constitué d’un composant principal pour la méthode qRMN et d’autres
composants (impuretés). L’étalon qRMN (Q) est désigné ci-après comme le composant principal de
l’étalon interne (IS).
La Figure 2 est une représentation schématique de ces conventions.
Figure 2 — Représentation schématique de la solution échantillon
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1 1
4.3 RMN quantitative H (qRMN H)
La Formule (2) peut aussi être appliquée aux signaux issus de deux composés dans une solution
échantillon. Lorsque la pureté est déterminée par qRMN, les deux composants de la solution
échantillon correspondent à un analyte de l’échantillon et à l’étalon qRMN d’un étalon interne. La
Figure 2 est une représentation schématique de la solution échantillon correspondant à ce cas de
figure. L’échantillon (S) et l’étalon interne (IS) sont tous deux constitués d’un composant principal et
d’impuretés. Comme l’analyte (A) et l’étalon qRMN (Q) sont les composants principaux, les puretés
peuvent être exprimées en pourcentage de fraction massique (kg/kg) d’échantillon et d’étalon interne.
Si le plus long T équivaut à T >> T pour les deux composés, la Formule (3) peut être déduite de la
1i r 1i
Formule (1):
I N
Q Q
m M P
j j
IS A IS
=× ×× (3)
I N m M P
A A S Q S
i i
où
A est l’analyte dans l’échantillon;
Q est l’étalon qRMN de l’étalon interne;
S est l’échantillon;
IS est l’étalon interne;
I est l’aire intégrée de l’analyte (A) dans l’échantillon;
A
I est l’aire intégrée de l’étalon qRMN (Q) dans l’étalon interne;
Q
N est le nombre de protons en résonance pour les signaux provoqués par l’analyte (A)
A
dans l’échantillon;
N est le nombre de protons en résonance pour les signaux provoqués par l’étalon
Q
qRMN (Q) dans l’étalon interne;
m est la masse de l’échantillon (S);
S
m est la masse de l’étalon interne (IS);
EI
M est la masse molaire de l’analyte (A) dans l’échantillon;
A
M est la masse molaire de l’étalon qRMN (Q) dans l’étalon interne;
Q
P est la pureté (fraction massique) de l’échantillon (S);
S
P est la pureté (fraction massique) de l’étalon interne (IS);
IS
nième
indice i est l’i signal de l’analyte (A) dans l’échantillon;
nième
indices j sont les i signaux de l’étalon qRMN (Q) dans l’étalon interne.
1
La Formule (3) indique en théorie que la qRMN H est capable de déterminer la pureté de l’échantillon
(P ) par l’intermédiaire de la pureté de l’étalon interne (P ).
S IS
Voir les Références [21] et [26] pour obtenir de plus amples informations.
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5 Exigences techniques pour les mesurages par qRMN
5.1 Exigences générales
Lorsque la traçabilité métrologique doit être établie pour les valeurs de pureté des modes opératoires
qRMN, le laboratoire mettant en œuvre le mode opératoire qRMN doit être compétent même si les
résultats de la qRMN sont à usage interne uniquement.
[3]
NOTE 1 Les laboratoires qui travaillent conformément à l’ISO/IEC 17025 sont considérés comme étant
compétents.
NOTE 2 Le mode opératoire qRMN peut être utilisé dans le cadre du processus de production des matériaux
de référence, y compris les études de stabilité et la caractérisation des valeurs de propriété. Les fabricants de
[1]
matériaux de référence qui travaillent conformément à l’ISO 17034 sont considérés comme étant compétents.
5.2 Plan d’expériences qRMN
La méthode de l’étalon interne permet de déduire la Formule (4) de la Formule (3) et de l’utiliser pour la
détermination de la pureté:
N
I m
Q
A M IS
j
ikl A k
P =× ×× ×P (4)
S IS
ijkl
I N M m
Q A Q S
jkl i k
où les indices
i et j correspondent, respectivement, aux nombres de signaux de l’analyte (A) sélectionné et de
l’étalon qRMN (Q) dans un ensemble de données acquises par qRMN;
k et l sont respectivement les nombres de préparations indépendantes de solution échantillon
pour la qRMN et d’acquisitions indépendantes de données de qRMN pour chaque
échantillon.
La méthode de l’étalon interne nécessite au moins un signal isolé pour l’analyte (A) (i = 1) et l’étalon
qRMN (Q) ( j = 1). Si possible, la sélection et l’évaluation de deux signaux ou plus de chaque substance
peuvent améliorer la fiabilité de la valeur de pureté. En présence de deux
...
Questions, Comments and Discussion
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