Тема: Физико-химические методы в фармации. Введение. Методы, основанные на поглощении электромагнитного излучения.
Цель: формирование у обучающихся знаний о физико-химических методах, возможностях применения их для решения практических задач, связанных с анализом лекарственных препаратов.
План лекции:
1. ФХМ в фармации. Преимущества и недостатки методов.
2. Классификация ФХМ.
3. Методы, основанные на поглощении электромагнитного излучения. Общие принципы. Возможности и ограничения методов при применении в фармации.
Теория физико-химических методов анализа опирается на фундамен-
тальные законы физики и химии, на использовании зависимости физических свойств от химического состава, природы вещества и его содержания в пробе. Использование в фармацевтической практике физико-химических методов анализа продиктовано тем, что химические методы не всегда удовлетворяют запросы практики, особенно возросшие с прогрессом фармацевтической науки и практики. Высокие требования к качеству лекарственных средств, предъявляемые международными стандартами качества GMP, GLP, GCP, GDP обуславливают использование наиболее объективных и достоверных методов анализа.
Физико-химические методы отличаются быстротой выполнения, избирательностью, высокой чувствительностью, возможностью унификации и автоматизации. Данная группа методов приобретает все большее значение для объективной оценки качества лекарственных средств, в том числе для испытания на подлинность, испытания на чистоту и для количественного определения.
Учебная программа элективного курса «Физико-химические методы в фармации» включает изучение физико-химических методов анализа, имеющих наибольшее практическое значение в анализе лекарственных средств: спектральные и другие оптические методы, электрохимические методы, хроматографические методы.
Программа предусматривает формирование у обучающихся аналитического мышления, необходимого для решения профессиональных задач в области контроля качества лекарственных средств, приобретение практических навыков использования физико-химических методов, рекомендованных Государственной фармакопеей РК для анализа лекарственных средств.
Классификация ФХМ
Оптические методы:
1. рефрактометрия,
2. поляриметрия
Основанные на поглощении электромагнитного излучения:
1. спектрофотометрия в УФ-области,
2. спектрофотометрия в видимой области,
3. фотоколориметрия,
4. дифференциальная спектрофотометрия,
5. производная УФ-спектрофотометрия,
6. спектрофотометрия в ИК-области,
7. фототурбидиметрия,
8. фотонефелометрия
основанные на испускании излучения:
1. атомно-адсорбционная спектрометрия
2. флуориметрия
основанные на использовании магнитного поля:
1. спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР),
2. спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР),
3. масс-спектроскопия
Электрохимические методы:
1. потенциометрия,
2. полярография
Термические методы анализа:
1. термография,
2. дериватография
Методы разделения:
1. экстракция,
2. хроматографические методы,
3. электрофорез
Хроматографические методы:
1. хроматография на бумаге,
2. хроматография в тонком слое сорбента (ТСХ),
3. газожидкостная хроматография (ГЖХ),
4. высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)
Физико-химические методы, рекомендованные ГФ РК:
1. рефрактометрия
2. полярография
3. флюориметрия
4. нефелометрия
5. эмисионная спектрометрия
6. атомно-абсорбционная спектрометрия
7. абсорбционная спектрофотометрия в ИК области
8. абсорбционная спектрофотометрия в УФ и видимой
областях
9. хроматография на бумаге
10. тонкослойная хроматография
11. газовая хроматография
12. жидкостная хроматография
13. электрофорез
Методы, основанные на поглощении
электромагнитного излучения
Впервые сведения о спектрах были описаны И. Ньютоном в 1666 г. Он показал, что при прохождении света через призму, происходит разложение света на семь основных участков спектров. В 1802 г. английский ученый Волластон отметил наличие темных линий в спектре солнца, а в 1814 г известный немецкий физик Фраунгофер подтвердил наличие спектров в солнце и в честь его они были названы его именем. Учения всех этих ученых были положены в основу учения спектрального анализа.
Первая в мире работа, посвященная идентификации веществ по спектрам испускания была опубликована в 1861 г. немецкими учеными: физиком Кирхгофом Г. Р. и химиком Бунзеном Р. В. С помощью спектрального анализа они открыли два химических элемента – цезий и рубидий. Свое название элементы чаще получали в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно–красные, рубиновые линии, а слово «цезий» означает «небесно–голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.
В России метод спектрального анализа был разработан известным естествоиспытателем (химик, физик, минералог и кристаллограф) В. И. Вернадским. Он изучал алюмосиликаты при помощи метода спектрального анализа, а также с помощью этого метода им были обнаружены в минеральных водах и земной коре рубидий, цезий и таллий.
Значительный вклад в учение спектрального анализа внес Д. С. Рождественский, по его инициативе был создан в С.-Петербурге оптический институт, где были выполнены многие спектральные исследования под руководством таких ученых как: Л. Д. Ландау, С. И. Прокопьева и др. Там были разработаны методы анализа для многих элементов, в частности благородных газов (аргона, гелия, неона, криптона, ксенона и др.).
Спектры поглощения используются для качественного и количественного определения химических соединений в основном органической природы. В зависимости от цели анализа, методы, основанные на светопоглощении, подразделяются на спектроскопию и спектрофотометрию. Если спектры поглощения используются для идентификации веществ, то метод называется спектроскопией, если же они используются для количественного определения, то спектрофотометрией. Спектр поглощения – это кривая зависимости светопоглощения от длины волны.
Внешний вид спектров показан на рис. 1.
Спектры характеризуются полосами поглощения. Полосы поглощения – это видимые участки на спектральной кривой, а каждая полоса имеет максимум поглощения.
Максимумы бывают размытые и острые, многие вещества имеют несколько максимумов. У некоторых веществ бывают и две полосы поглощения, реже три и еще реже четыре. Для работы берут тот максимум, где выше величина оптической плотности.
Светопоглощение (поглощение, экстинкция, оптическая плотность) веществами является избирательным процессом. Одни вещества поглощают свет с определенной длиной волны, а другие нет. Это свойство веществ широко используется в данном анализе. Спектры поглощения довольно сложные, характер их зависит от энергетических изменений, которые происходят в молекуле веществ под влиянием падающего света. Эти изменения могут быть различными. Они могут быть связаны с переходом электронов из нижних уровней на верхние энергетические уровни. Такие спектры называются электронными. К ним относятся спектры в УФ – и видимой области. ИК – спектры связаны с колебательными и вращательными движениями молекул и атомов.
Поглощение света в видимой и в УФ-областях обычно связывают с хромофорами. Хромофором является та часть молекулы, которая ответственна за характеристический спектр. Поглощение чаще всего обусловлено за счет наличия сопряженных кратных связей. Примерами хромофорных групп являются функциональные группы приведенные в таблице 1.
Рис. 1. Спектры поглощения в этаноле: слева (1 – цис – стильбен и 2 – транс – стильбен), справа (1 – цис – азобензол; 2 – транс – азобензол)
 |
На поглощение оказывают влияние не только хромофорные группы, но и ауксохромные группы. Ауксохромами называют те группы атомов в молекуле, которые при присоеденении к хромофору вызывают изменение положения и интенсивности полосы поглощения. Смещение полосы поглощения в длинноволновую сторону называют батохромным эффектом, в коротковолновую – гипсохромным; увеличение показателя поглощения – гиперхромным, его уменьшение – гипохромным эффектом. Типичными ауксохромами являются следующие группы: – ОН спиртовые, ─ NH2 любого ряда, ─ N(СН3)2 , ≡С─Cl, ─ ОСН3 и другие.
Если взять спектральный метод как единый метод, то его можно разделить на три типа:
а) спектроскопия (спектрофотометрия) в ультрафиолетовой (УФ) – области;
б) спектроскопия (спектрофотометрия) в видимой области;
в) спектроскопия (спектрофотометрия) в инфракрасной (ИК) – области.
В каждой области имеется определенный диапазон длин волн, которые были определены физиками. УФ-область спектра занимает диапазон длин волн от 200 (220) – 400 нм; видимая область от 400 до 760 (780) нм и ИК – область свыше 780 нм. Обычно ИК – область не характеризуют в нм, поскольку графически трудно представить спектр, поэтому пользуются не нм, а см-1 . Область спектра ниже 200 нм называется вакуумной.
Установлено, что область ниже 200 нм до 160 нм поглощает не только вещество, но и кислород (О2) воздуха, а от 160 нм и ниже поглощает и азот (N2). Поэтому, чтобы снять спектр ниже 200 нм необходимо проводить измерения в вакууме. На некоторых приборах (СФ – 8 и СФ – 9) для создания вакуума прилагаются вакуумные приставки.
Таблица 1
Соответствие максимумов поглощения некоторым функциональным группам
210 нм
260 нм
218,346 нм
270 нм
239 нм
─N=N─ 347 нм
─N=O 300,665 нм
Качественный анализ по электронным спектрам поглощения
Качественный анализ любого вещества предполагает, во-первых, молекулярный анализ – обнаружение в веществе определенных молекул, во-вторых, структурный анализ – обнаружение отдельных структурных фрагментов и определение их взаимного расположения. Идентификацию исследуемого вещества по электронному спектру в УФ – и видимой областях целесообразно проводить только при наличии в нем хромофорных групп.
Анализ исследуемого соединения и стандартного образца проводят в одних и тех же условиях. Для этого готовят не более 10 мл раствора с содержанием вещества 10-4 г. Вначале спектр поглощения снимают через 5 нм, а вблизи максимумов поглощения через 2 нм. Полученный спектр исследуемого вещества сравнивают со спектром стандартного образца или же со спектром, приведенном в литературе. Совпадение контура спектра исследуемого вещества с контуром спектра стандартного образца, а также совпадение максимумов поглощение данного вещества на обоих спектрах, является одним из доказательств идентичности этих веществ.
Признаками, несущими информацию о структуре исследуемого вещества, являются характеристики спектральной кривой: число максимумов и минимумов поглощения, их расположение (т. е. соответствующие им длины волн) и интенсивность поглощения в каждом из максимумов при известной концентрации вещества (удельный и молярный показатель поглощения).
Удельный показатель поглощения – это поглощение 1 % раствора с толщиной слоя в 1 см.
Молярный показатель поглощения – это поглощение 1 молярного раствора с толщиной в 1 см.
Для того, чтобы полнее использовать возможности УФ-спектроскопии, необходимо сравнивать спектры в широкой спектральной области и записывать спектры растворов различной концентрации. Характеристика УФ-спектров основных классов органических соединений в области 200-400 нм представлена в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики УФ-спектров основных классов органических соединений в области 200-400 нм
Число максимумов | Длина волны, нм | ε | Выводы о структуре вещества |
1 | 2 | 3 | 4 |
0 | – | – | Отсутствие хромофорных групп (сопряженных систем из кратных связей, а также ароматических систем и групп С=О и NO2 ) |
1 | 200 – 225 | 10 000 – 15 000 | α, β – непредельная карбоновая кислота или ее производные |
1 | 215 – 235 | 10 000 – 20 000 | Ациклический диен или циклический диен с закрепленной цисоидной конфигурацией двойных связей |
1 | 240 – 270 | 3 000 – 8 000 | Цисоидный циклический диен |
1 | 275 – 290 | 15 – 25 | Предельный альдегид или кетон |
1 | 270 – 370 | 50 000 | Полиен с 3–6 сопряженными двойными связями |
2 | 400 – 470 | 150 000 – 80 000 | Полиен с 7–12 сопряженными двойными связями |
2 | 200 – 230 260 – 280 | 7 000 – 9 000 200 | Одноядерные производные бензола |
2 | 200 276 – 280 | 500 20 | α, β – непредельный альдегид или кетон |
2 | 200 – 230 320 – 340 | 12 000 – 20 000 20 – 40 | Нитросоединения |
Иллюстративный материал:
- таблицы;
- презентация Microsoft Power Point.
Литература:
основная:
1. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа: / А. Ф.Жуков, И. Ф.Колосова, В. В.Кузнецов и др.; Под ред. О. М.Петрухина.-М.: Химия», 2001.-496с.
2. П. Аналитическая химия, ч. 2 Физико-химические методы анализа.-М., 1989
3. Государственная фармакопея Республики Казахстан.-Алматы: Издательский дом «Жибек жолы».-2008.-Том 1.-592 с.
4. Государственная фармакопея Республики Казахстан.- Алматы: Издательский дом «Жибек жолы».-2009.-Том 2.-804 с.
5. Я. Аналитическая химия в 2 кн. Кн. 2. Количественный анализ. Физико-химические методы анализа: учебник для Вузов.-М.: Высш. шк., 2001.-359 с.
дополнительная:
1. Практикум по физико-химическим методам анализа, под ред. О. М. Петрухина.-М., 1986
2. Т., В. Аналитическая химия.-М., 1990
3. Физико-химические методы анализа под ред. Алесковского.-М., 1988
4. Инструментальные методы химического анализа, пер. с англ..-М., 1989
Контроль:
1. Какое явление лежит в основе фотоколориметрнческого анализа?
2. Какие величины связывает между собой закон Бугера-Ламберта-Бера?
3. Что такое оптическая плотность?
4. Перечислите основные узлы фотоэлектроколориметра и укажите их назначение.
5. Для чего используются фотометрические реагенты? Каким требованиям они должны отвечать?
6. Что такое светофильтры? Каково их назначение?
7. В чем заключается выбор светофильтра?
8. Какими требованиями руководствуются при выборе кюветы для анализа?
9. В каких координатах строят калибровочный график? Каково его назначение?
10. В чем заключается принципиальное отличие спектрофотометров от фотоэлектроколориметров?
11. Устройство спектрофотометра и принцип его работы.
12. Как получают в спектрофотометре монохроматический световой поток?
13. Для чего нужны светофильтры?
14. Как правильно выбрать рабочий светофильтр?
15. Из какого материала используют кюветы при работе в ультрафиолетовой и видимой областях спектра? Почему?
16. Основные правила работы с кюветами.
17. Какое устройство в спектрофотометре преображает световую энергию в электрическую?
18. Последовательность операций при измерении оптической плотности на спектрофотометре в видимой и ультрафиолетовой области спектра.
19. Как осуществляется выбор рабочего светофильтра и кюветы?
20. Чем обусловлено избирательное поглощение света молекулами?
21. Единица измерения длины волны в УФ - и ИК-областях спектра.
22. Определение следующих терминов: пропускание, коэффициент пропускания, оптическая плотность, молярный коэффициент светопоглощения.
23. Дайте формулировку законов: закон Бера, Бугера-Ламберта и Бугера-Ламберта-Бера. Какой из них лежит в основе фотометрических методов анализа?
24. Чему равна оптическая плотность раствора при соблюдении основного закона светопоглощения?
25. Что такое спектр поглощения вещества?
26. Определение следующих понятий: хромофор, батохромный, гипсохромный, гиперхромный, гипохромный эффекты.
27. На чем основано определение концентрации растворов с помощью фотометрических методов анализа?
28. Основные этапы определения концентрации исследуемого раствора с помощью метода градуированного графика.
29. Преимущества метода градуировочного графика в сравнении с другими фотометрическими методами анализа?
30. На чем основано определение концентрации с помощью метода сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов? Преимущества и недостатки этого метода.
31. Как наиболее быстро подобрать светофильтр в фотоколориметрии для окрашенных жидкостей?
32. Можно ли использовать жёлтый светофильтр в фотометрическом определении рибофлавина по естественной окраске?
33. Для целей фотометрирования используется область длин волн:
а) соответствующая максимуму поглощения;
б) соответствующая минимуму поглощения;
в) соответствующая максимальной полуширине пика поглощения;
г) соответствующая минимальной полуширине пика поглощения.
Основные порталы (построено редакторами)