Geum.ru

Методическая разработка к лекции по теме: «Физико-химические (инструментальные) методы анализа лекарственных средств»

Вид материалаМетодическая разработка

Содержание


Общим принципом всех методов разделения и концентрирования является использование процессов распределения вещества между двумя ф
Подобный материал:
Методическая разработка к лекции по теме:


«Физико-химические (инструментальные) методы анализа лекарственных средств»


Физико-химические и физические методы, главным образом в зарубежной литературе, называют « инструментальными», так как они обычно требуют применения приборов, измерительных инструментов. На первый взгляд, разные методы химического анализа не имеют между собой ничего общего, настолько различны их приемы, аппаратура и применение. На самом же деле принцип определения химического состава любыми методами один и тот же: состав вещества определяется по его свойствам. Дело в том, что каждое вещество, отличающееся от других веществ своим составом и строением, обладает некоторыми индивидуальными, только ему одному присущими свойствами. Например, спектры испускания, поглощения и отражения веществом излучений имеют характерный для каждого вещества вид. По растворимости и форме кристаллов также можно узнать данное вещество.

Определив свойства неизвестного вещества, можно отожествить его с одним из известных веществ, т.е.опознать, определить неизвестное вещество. Для такого качественного анализа достаточно исследовать несколько характерных аналитических свойств данного вещества или продуктов некоторых его реакций. Очень важно то, что свойства веществ могут быть легко использованы для получения сигналов, обнаруживающих эти вещества среди других веществ. Так, при нагревании вещество испускает лучи, т.е.дает сигнал. Вещество также поглощает излучения и благодаря этому можно заметить уменьшение интенсивности падающего на него светового сигнала. Но каждое вещество всегда находиться в некоторой совокупности с другими веществами. Часто это смесь веществ, например, смесь газов или растворов, обычно жидких, но нередко и твердых. Даже если это так называемое чистое вещество, то в нем присутствуют хоть в каких-то количествах многие «посторонние» химические элементы. Понятно, что сигналы интересующего нас вещества сливаются с сигналами сопутствующих и окружающих веществ, на фоне которых они (сигналы этого вещества) могут и не выделяться.

Таким образом, мы всегда принимаем суммарный сигнал: Х + Хф (где Х- значение сигнала анализируемого вещества; Хф- значение общего сигнала всех сопутствующих и окружающих веществ, т.е.фон, создаваемый этими веществами для того сигнала (свойства), который мы измеряем ).

Когда количество определяемого вещества в анализируемом образце достаточно велико, все другие вещества данной совокупности веществ мы считаем примесями. Если же оно мало, то само данное вещество рассматривается как примесь, а при содержании его <10 -3 %-как следы.

И в том, и в другом случае нас интересует концентрация анализируемого вещества, т.е.его содержание в единице объема исследуемого раствора, смеси газов и т.п.

Концентрацию веществ определяют, пользуясь тем, что между ней и величиной исходящих от веществ(или поглощаемых им) сигналов всегда существует зависимость. Зная эту зависимость, можно находить концентрацию данного вещества по величине того или иного сигнала, указывающего на его присутствие. Например, по зависимости интенсивности излучения атомов щелочных, щелочноземельных и редкоземельных элементов в пламени газовой горелки от концентрации их в растворе, распыляемом в этом пламени, определяют содержание данных элементов в растворе.

Соотношение между составом и одним из аналитических свойств вещества устанавливают опытным путем и, обычно выражают графически в виде калибровочного графика. Угол наклона калибровочной прямой  указывает на чувствительность определения: чем больше tg , тем чувствительнее метод определения; tg =Х/С ( где С- концентрация).

Главными критериями для оценки методов анализа служат чувствительность и точность определений. При выборе метода анализа принимают в расчет также производительность, простоту выполнения определений, стоимость оборудования и т.п.

Чувствительность определяется наименьшим сигналом, который может быть принят данным методом. Чувствительность метода тем выше, чем меньше то количество вещества, от которого удается принять сигнал. При этом, как мы отмечали выше, данный сигнал приходится отличать на фоне сигналов окружающих веществ. Другими словами, сигнал Х, отвечающий наличному количеству вещества, определяют из разности:

Х=( Х+Хф)-Хф

Значение Хф складывается из сигналов сопутствующих и окружающих веществ.

При использовании измерительных приборов, усилителей и другой аппаратуры в них возникают так называемые шумы - сигналы, не имеющие отношения к изучаемому веществу, но накладывающиеся на его собственные сигналы. Эти шумы увеличивают значение Хф, т.е.величину фона, на котором производится измерение сигнала Х.

Чтобы определить значение Хф, измеряют сигнал в холостом опыте, который проводят точно так же , как определение концентрации вещества принятым методом, но без этого вещества. В методах, основанных на измерении уменьшения сигнала( например, при поглощении веществом излучения, посылаемого от какого-нибудь источника), холостой опыт служит для измерения в нем уменьшения сигнала, не зависящего от анализируемого вещества. Это необходимо для определения величины Х.

Полезный сигнал можно измерить обычными методами, например визуально, если он по крайне мере на 2 % интенсивнее фона. Так, окрашенное пятно на бумаге различимо на глаз только тогда, когда оно поглощает на 2 % больше света, чем сама бумага. Заметим, что пока глаз чувствительнее многих приборов.

В ряде случаев целесообразно проводить дифференциальные определения,т.е.измерять одновременно или последовательно сигналы от двух близких по составу проб и брать разность: (Х1+ Хф) -(Х2+ Хф) = Х1-Х2(где Х1 и Х2- разные количества одного и того же вещества, находящегося в двух пробах). Иногда, вообще, достаточно знать разность концентраций анализируемого вещества в последовательных пробах. Если же необходимо определять концентрацию в отдельных образцах, тогда в качестве одной из проб берут этанол (стандарт), например раствор вещества, состав которого как можно ближе приводят к среднему составу анализируемых проб.

Чувствительность определения выражают величиной той наименьшей концентрации ( в мкг/г или мкг/мл), которую еще удается измерить данным методом. При этом следует обязательно указывать вес или объем пробы, подвергавшейся анализу. Умножив значение чувствительности на вес или объем пробы, получаем абсолютную чувствительность (в мкг). Например, если чувствительность определения цинка в пробах объемом 10 мл составляет 0.2 мкг/мл, то абсолютная чувствительность равнв 0.2х10=2 мкг.

Надо выбирать методы определения, чувствительность которых по крайней мере в 10-15 раз превышает измеряемые концентрации. Если чувствительность метода недостаточно высока, прибегают к концентрированию. Наметив подходящие по чувствительности методы, следует остановить свой выбор на методе приемлемой точности. Определение последней производят путем калибровки с применением проб точно установленного состава (стандартов) или статистическими методами. Если систематические ошибки отсутствуют, то точность(правильность) метода определяют воспроизводимостью.

Наибольшее распространение получили фотоколориметрия и спектрофотометрия, спектральный анализ, электрохимические методы, радиометрические, масс-спектрометрические и хроматографические методы.

Эти и некоторые другие физические и физико-химические методы анализа широко применяют для контроля производства и управления производственными процессами, а также при выполнении научно-исследовательских работ. Их значение резко возрастает в связи с автоматизацией промышленности.

К недостаткам многих физико-химических методов относится сравнительно невысокая точность определения.

Не следует думать, что химические методы анализа утратили значение. Они по- прежнему остаются основными методами в системе химического анализа благодаря тому, что позволяют с большой точностью проводить определения содержания веществ; именно на таких определениях и основываются физические и физико-химические методы анализа.

Во многих анализах целесообразно предварительно маскировать мешающие определению элементы.

Маскировка производится прибавлением в исследуемую смесь некоторых реактивов, которые не позволяют мешающим элементам проявлять себя в процессе определения анализируемых элементов. Эти реактивы связывают их в прочные растворимые комплексные соединения, иногда окисляют или восстанавливают или же действуют на них как отрицательные катализаторы. Маскировка выполняется практически без затрат времени. Поэтому там, где возможно, применяют не разделение элементов, а маскировку.

В качестве маскирователей используют аминополикарбоновые кислоты(комплексоны), полиамины, оксикислоты, полифосфаты и другие реагенты. Наиболее известный комплексон-этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА)- в слабокислых и щелочных растворах маскирует ионы очень многих металлов. Полиамины- трен, триен, тетрен, и пентен- более избирательные маскирователи ионов металлов, чем комплексоны. Маскирователями часто служат такие оксикислоты, как лимонная кислота и винная, причем последняя дает в кислой среде для многих металлов менее устойчивые комплексы, чем лимонная кислота. Полифосфаты применяют в технике для умягчения воды, так как они связывают ионы щелочных и щелочноземельных металлов. Триполифосфат натрия Na5P3O10 в нейтральной и щелочной средах дает растворимые комплексы с ионами лития, бериллия, магния , кальция, стронция, бария, цинка, железа, кобальта, никеля, марганца, меди, свинца, ванадия, алюминия, индия и др. Это мешает образованию гидроокисей, фосфатов, карбонатов и боратов этих элементов, но не сульфидов цинка, ртути, меди и свинца.

Следует обратить особое внимание на то, что, пользуясь маскировкой, можно получать холостую пробу сразу после выполнения с данной пробой аналитического определения, добавив в эту анализируемую пробу подходящий маскирователь. Такая холостая проба естественно наиболее близка по составу или даже почти идентична анализируемой.

Разделение обычно сопровождается концентрированием анализируемых элементов, что особенно важно при определении очень малых количеств примесей. Применяя концентрирование, можно определять исчезающе малые количества прмесей при помощи не очень чувствительных методов. Для этого следует извлечь примеси из достаточно большого объема анализируемого вещества и перевести в малый объем раствора. Соотношение объемов, при котором содержание примесей в концентрате будет соответствовать чувствительности данного метода анализа, можно, конечно, установить заранее. Например, содержание ионов некоторых металлов в природных водах составляет 1 мкг/л. Допустим, что колориметрически эти ионы можно определять лишь при содержании 100 мкг/л и выше. Следовательно, необходимо перевести определяемые ионы из 1л исходного раствора в раствор объемом не более 100 мл. Таким образом, при недостаточной чувствительности метода анализа следует прибегать к обогащению, т.е.предварительно извлекать и концентрировать анализируемые элементы, попутно отделяя их от основных элементов анализируемого вещества. Таким путем, в принципе, беспредельно повышать чувствительность определения.

Для разделения и концентрирования элементов предложено много различных методов, среди которых одно из первых мест занимают уже упомянутые хроматографические методы. Необходимо также указать на осаждение из водных и неводных растворов органическими и неорганическими осадителями, на электоролитическое осаждение, цементацию, соосаждение, экстрагирование и отгонку летучих веществ.

Общим принципом всех методов разделения и концентрирования является использование процессов распределения вещества между двумя фазами, причем анализируемое вещество сосредотачивается в одной из фаз: жидкой, твердой или газообразной.

Для разделения и концентрирования малых количеств одних элементов (микроэлементов) из не слишком концентрированных растворов других элементов часто применяют соосаждение микроэлементов с некоторыми карбонатами, сульфидами и гидроокисями. Однако при некоторых, более высоких концентрациях растворов соосаждение делается неэффективным.

При анализе очень разбавленных растворов часто применяют сорбционные методы концентрирования. Сорбентом может служить активированный уголь. При анализе слабо минерализованных природных вод используют иониты. Например, так называемым методом тонйщих частиц можно в течение 15 мин извлечь катионитом из 1 л анализируемой воды ряд катионитов и увеличить их концентрацию в 50 раз.

Из сравнительно более концентрированных растворов, в частности из морской воды ( 3г/л солей), иониты, однако, уже не могут извлекать микроэлементы. В подобных случаях следует воспользоваться экстрагированием. Так, при помощи диэтилдитиокарбамината натрия и четыреххлористого углерода можно экстрагировать из морской воды ионы тяжелых металлов и тем самым сделать возможным их колориметрическое определение. При еще более высоких концентрациях солей и кислот ионы микроэлементов можно концентрировать методом цементации, т.е.вытеснением из растворенных соединений менее активных металлов более активными, например, железом, магнием, цинком и некоторыми другими.

Группу металлов: железо, цинк, медь, кобальт и ряд других-можно извлекать и концентрировать даже из сильно минерализованных растворов при помощи силикагеля, предварительно «заряженного» ионами щелочных или щелочноземельных металлов. Активным неорганическим ионитом является Са-силикагель.

Если можно перевести анализируемые элементы в летучие соединения, то концентрирование во многих случаях целесообразно выполнять отгонкой из раствора или соответствующей обработкой твердого вещества.

Из растворов отгоняют следы бора, азота, кремния, серы, германия, мышьяка, селена, олова, сурьмы, галогенов и некоторых других элементов в виде летучих соединений. Например, азот отгоняют из щелочных растворов в виде аммиака. Из расплавленных металлов отгоняют в вакууме водород, углерод, азот, кислород и серу.

Практическая ценность результатов анализа, прежде всего, зависит от правильности отбора средней пробы, особенно, если анализируется неоднородное веществ: какой-нибудь сплав, горная порода, технический материал. При пользовании малыми навесками (2-4 мг) нужно так тонко измельчать анализируемое вещество, чтобы размер частиц не превышал 0.02 мм.

При выборе метода анализа следует исходить из требуемой в данном случае чувствительности, точности и производительности определений. Наметив подходящие по чувствительности методы, следует, конечно, отдать предпочтение более простым, не требующим сложного оборудования и при прочих равных условиях более производительным методам.

Еще раз обратим внимание на то, что химический анализ основан на двух- трех общих простых подходах. Так, при всем многообразии методов анализа все они основаны на использовании зависимости свойств веществ от его состава.

Таким образом, определение данного вещества всегда производиться на фоне, создаваемым веществами анализируемой среды, основы. Поэтому речь идет о достаточно избирательных способах определения, которые позволяют отличить данное вещество в присутствии некоторых других веществ, т.е.принимать и измерять его сигналы на фоне сигналов, зависящих от присутствия других веществ и устройств.