Изучение физических методов количественного анализа, основанных на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

Автор: Ксенафонтов Андрей 31 взвод

Евсюгин Данил 21 взвод

Военно-технический кадетский корпус

Научный руководитель: Мудревская Д.И.

г.Тольятти

План.

1. Введение.

2. Теоретическая часть.

Изучение физических методов количественного анализа, основанных на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

2.1 Классификация оптических методов.

2.1.1 Рефрактометрия.

2.1.2 Поляриметрия.

2.1.3 Абсорбционные оптические методы.

2.2 Рефрактометрический метод анализа лекарственной формы.

2.3 Принцип действия рефрактометра.

3. Практическая часть.

Количественное определение хлорида кальция рефрактометрическим способом.

3.1 Экспериментальное определение зависимости показателя преломления

раствора от концентрации анализируемого вещества.

3.2 Определение концентрации лекарственной формы по рефрактометрическому

фактору.

3.3 Оценка результатов.

4. Вывод.

5. Литература.

1.Введение.

Лекарства как химические вещества, способные купировать всевозможные патологические состояния организма, приобретают все большее значение в жизни общества. Сейчас известно уже более 12 тысяч таких препаратов. Уже в глубокой древности люди пытались спасти свою жизнь, используя различные природные лекарственные вещества. Чаще всего это были растительные экстракты, но применялись и препараты, которые получали из сырого мяса, дрожжей и отходов животных. Первые ученые инстинктивно чувствовали, что во многих живых организмах находятся вещества, которые могут помочь в борьбе с болезнями, но лишь по мере развития химии люди убедились, что лечебный эффект таких веществ заключается в избирательном воздействии на организм определенных химических соединений. Прошло еще какое-то время, и такие соединения стали получать в лабораториях путем синтеза. Все возрастающее число лекарственных средств требует новых подходов к контролю качества лекарств. Фармацевтический анализ на современном этапе должен удовлетворять следующим требованиям:

• время, затрачиваемое на анализ, должно быть минимальным;

• точность анализа должна соответствовать требованиям ГФ РФ;

• анализ должен проводиться с затратой минимального количества исследуемого вещества и реактивов[7].

Цель нашей работы: изучить физические методы количественного анализа, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, оценить их универсальность, то есть возможность их широкого применения для анализа органических соединений с разнообразной химической структурой. Исходя из цели, мы определили для себя следующие задачи:

1. Изучить оптические методы количественного анализа вещества.

2. Оценить значение рефрактометрии в фармации.

3. Овладеть рефрактометрическим методом анализа вещества.

4. Овладеть методом расчета концентрации лекарственной формы по рефрактометрическому фактору.

5. Установить зависимость показателя преломления раствора от концентрации анализируемого вещества.

2. Теоретическая часть.

Изучение физических методов количественного анализа, основанных на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

2.1 Классификация оптических методов.

К оптическим методам анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Свет - электромагнитная волна, излучаемая атомами вещества. Электромагнитная волна представляет собой совокупность переменных электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве. Изменение электрического и магнитного поля волны происходят в одинаковой фазе. Электрические и магнитные поля перпендикулярны друг другу.

Свет, как электромагнитное излучение, попадая на вещество, начинает взаимодействовать с ним. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения[4]. Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа. К оптическим методам относятся рефрактометрия, поляриметрия, абсорбционные оптические методы.

2.1.1 Рефрактометрия основана на измерении угла преломления светового луча при переходе из одной среды в другую. Переход светового луча из одной среды в другую, предположим из стекла в воду, сопровождается изменением направления луча[8]. Преломление светового луча измеряют с помощью показателя преломления n, представляющего собой отношение синуса угла падения d к синусу угла преломления В :

sin d .

n = sin В

Для измерения угла преломления служат специальные приборы - рефрактометры.

Величина показателя преломления зависит от природы и плотности вещества, температуры и давления среды, длины волны падающего света. При постоянных условиях, когда исследуется одно и то же вещество, находящееся в растворе, температура, давление и длина волны света постоянны, угол преломления зависит от концентрации вещества.

Показатели преломления определяют на рефрактометрах, работа которых основана на принципе измерения предельного угла преломления. Если увеличить угол падения света, то в определенный момент угол преломления становится равным 90⁰(рис.1) и луч света, не попадая в другую среду, идет вдоль границы раздела фаз. Дальнейшее увеличение угла падения луча света приводит к полному внутреннему отражению света. Угол преломления 90⁰ называют предельным углом преломления, так как при дальнейшем увеличении угла падения преломление исчезает, появляется полное внутреннее отражение света.

Когда луч света падает из одной среды в другую, между углом падения и углом преломления существует зависимость:

n2 sin d = n1 sin В.

В момент появления предельного угла преломления sin В = sin 90⁰ =1 и зависимость принимает вид:

n1= sin90 = n2= sin d ;

n1=1 = n2= sin d.

Если для одной среды известен показатель преломления (n2), то показатель второй среды легко определить, измерив предельный угол d. Величину предельного угла определяют по границе света и тени, наблюдаемой в рефрактометре[1].

2.1.2 Поляриметрией называют определение оптического вращения. Оптическое вращение- вращение плоскости поляризации света раствором оптически активного вещества. Оптическому вращению подвергается поляризованный свет, который отличается от обычного, неполяризованного света, тем, что колебания в нем световых волн происходят только в одной плоскости[4]. Поляриметрический метод основан на свойстве некоторых веществ изменять направление световых колебаний. Вещества, обладающие свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически активными. Особенности строения молекул Сахаров обусловливают проявление оптической активности в растворах. У поляризованного луча, пропущенного через слой раствора оптически активного вещества, меняется направление колебаний, а плоскость поляризации оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации, который зависит от поворота плоскости поляризации, концентрации и толщины слоя раствора, длины волны поляризованного луча и температуры[1,5] Угол вращения плоскости поляризации определяют по формуле

где l -длина трубки, дм;

С -концентрация вещества, г/100 мл.

Из этой формулы легко вычислить концентрацию С, если известен угол вращения:

2.1.3 Оптические абсорбционные методы - это методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами. При поглощении света атомы и молекулы поглощающих веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих веществ и способа трансформирования поглощенной энергии различают атомно-абсорбционный, молекулярно-абсорбционный анализ, нефелометрию и люминесцентный анализ.

Атомно-абсорбционный анализ основан на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ[3,6].

Молекулярный абсорбционный анализ основан на поглощении света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия).Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

Нефелометрия основана на поглощении и рассеянии световой энергии взвешенными частицами анализируемого ве-щества.

Люминесцентный (флуорометрический) анализ основан на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества[3]. Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц вещества, которое возникает в результате перехода в них электронов при возвращении из возбужденного в нормальное состояния[4]. Чтобы вещество стало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Частицы вещества поглощают энергию, переходят в возбужденное состояние, пребывая в нем некоторое время. Затем они возвращаются в состояние покоя, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции. В зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем различают флуоресценцию и фосфоресценцию[4].

2.2 Рефрактометрический метод анализа лекарственной формы.

В практике фармацевтического анализа рефрактометрию широко применяют для экспресс-анализа медицинских лекарств. Для рефрактометрического анализа растворов в широких диапазонах концентраций пользуются таблицами для определения концентрации лекарственных средств, изготовленных весовым или весо-объемным методом (см таб.3.Приложение III), в которых приведены коэффициенты преломления и соответствующие им концентрации веществ. В некоторых таблицах приведены коэффициенты преломления с точностью до третьего знака. В этом случае концентрация, соответствующая значению показателя преломления, взятому с четвертым знаком, определяется интерполированием. Таблицы утверждаются международными соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции, фармации[7].

Зависимость показателя преломления водных растворов
некоторых веществ от концентрации

Обычно показатель преломления (n) жидких и твердых тел определяют с точностью до 0,0001 на рефрактометрах, в которых измеряют предельные углы полного внутреннего отражения. Наиболее распространены рефрактометры Аббе с призменными блоками и компенсаторами дисперсии, позволяющие определять n_D в "белом" свете по шкале или цифровому индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10 ^-10) достигается на гониометрах с помощью методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения показателя преломления n газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также для точного (до 10 ^-7) определения разностей показателей преломления n растворов[8]. Для этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении лучей системой двух-трех полых призм.

2.3 Принцип действия рефрактометров.

Автоматические рефрактометры для непрерывной регистрации n в потоках жидкостей используют на производствах при контроле технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных хроматографов. Свет от источника вводится в оптическую призму и падает на ее внутреннюю поверхность, контактирующую с исследуемым раствором. Световые лучи попадают на границу раздела призмы и раствора под различными углами. Часть лучей, угол падения которых больше критического, полностью отражаются от внутренней поверхности призмы и, выходя из нее, формируют светлую часть изображения на фотоприемнике. Часть лучей, угол падения которых меньше критического, частично преломляются и проходят в раствор, а частично отражаются и формируют темную часть изображения на фотоприемнике[7].

Положение границы раздела между светом и тенью зависит от соотношения коэффициентов преломления материала оптической призмы и исследуемого раствора, а также длины волны излучения источника света. Поскольку оптические характеристики призмы и длина волны источника постоянны, то по положению границы раздела света и тени на фотоприемнике можно однозначно определить коэффициент преломления или оптическую плотность исследуемого раствора.

Так как оптическая схема рефрактометров построена на использовании отражения и прохождения света только внутри призмы, то ни прозрачность раствора, ни наличие в нем рассеивающих свет нерастворимых включений, газовых пузырьков не влияют на результаты измерения[8]. Для компенсации влияния температуры исследуемой жидкости на результаты измерения концентрации в промышленных рефрактометрах используются тепловые датчики.

3. Практическая часть.

Количественное определение хлорида кальция рефрактометрическим способом.

3.1 Экспериментальное определение зависимости показателя преломления

раствора от концентрации анализируемого вещества.

Цель работы: используя рефрактометр определить показатели преломления раствора хлорида кальция различной концентрации, установить зависимость показателя преломления раствора от его концентрации. Решив работать по этой теме, мы посетили Тольяттинский медицинский колледж для получения данных для исследовательской работы. Огромную помощь нам оказали: заведующая кафедры «Фармации» Чеботарева Н.И. и преподаватель фармации Осянкина Н.В. До начала измерений мы проверили чистоту соприкасающихся поверхностей призм. Затем проверили нулевую точку. Для этого на поверхность измерительной призмы нанести 2-3 капли дистиллированной воды, осторожно закрыв осветительной призмой. Открыли осветительное оконце и установили в направлении наибольшей интенсивности источника света с помощью зеркала. Путем вращения винтов получили четкое, бесцветное разграничение светлого и темного поля в поле зрения окуляра. Вращая винт, навели линию света и тени точно до совпадения с точкой пересечения линии в верхнем оконце окуляра. Вертикальная линия в нижнем оконце окуляра указывала результат измерения - показатель преломления воды. Полученное значение показателя преломления мы приняли за нулевое (n₀=1,3339).Из 20% хлорида кальция приготовили серию стандартных растворов, содержащих 1,2,3 и т.д 20% хлорида кальция. Для этого мы смешали 1,2,3 и т.д мл. 20% раствора с 19,18,17…0 мл. дисцилированной воды.

После установки прибора на нулевую точку приподняли камеру осветительной призмы. Фильтровальной бумагой сняли воду. Затем нанесли 1-2 капли исследуемого раствора на плоскость измерительной призмы и закрыли камеру. Вращая винты, добились совпадения границы света и тени с точкой пересечений линий. По шкале в нижнем оконце окуляра произвели отсчет коэффициента преломления раствора. Результаты производили для 1%...20% раствора хлорида кальция. Для точности результатов начинали исследования с раствора меньшей концентрации к большей. Результаты измерений занесли в таблицу 1(см приложение I). Поскольку, быстрее всего в приборе выходят из строя призмы, мы соблюдали следующие меры предосторожности при обращении с ними:

• Перед определением показателя преломления призмы тщательно очистили от грязи и пыли.

• После каждого измерения обе камеры мы промывали водой и вытирали досуха фильтровальной бумагой, по окончании работы между камерами заложили прокладку из тонкого слоя ваты.

• Не допускали: а) вращение винта, окрашенного красной краской; б) нахождение продолжительного время между призмами раствора кальция хлорида, так как поверхность призм после этого покрывается тонким матовым слоем и измерение показателя преломления становится невозможным.

По результатам измерений мы построили колибровочный график зависимости показателя преломления от концентрации анализируемого раствора (см приложение).

3.2 Определение концентрации лекарственной формы по рефрактометрическому фактору.

Цель работы: используя формулу расчета рефрактометрического фактора, вычислить концентрации анализируемых веществ.

Формула расчета рефрактометрического фактора имеет вид:

F= (n-n₀)/C (1),

где n -показатель преломления анализируемого вещества

n₀-показатель точности ( показатель преломления

дисцилированной воды)

C- концентрация раствора.

Из формулы (1) мы вывели формулу для расчета концентрации

C= (n-n₀)/F.

Из рефрактометрической таблицы 3 лекарственных веществ

(приложение III) нашли значения рефрактометрического

фактора и используя значения n, n₀ , полученные

экспериментальным путем (п.3.1, приложение I), произвели

расчет концентрации 5% хлорида кальция.

С= (1,3395-1,3339)/ 0,00118=4,8

Аналогично вычислили концентрацию других растворов хлорида кальция. Результаты вычислений отражены в таблице 2(приложениеII).

3.3 Оценка результатов.

1.Мы сравнили значения показателей преломления, полученные в процессе проведения эксперимента, с табличными значениями допустимых отклонений показателей преломления для раствора хлорида кальция концентрациями 5%, 10% и 20% (таб3. приложение III ). Все полученные нами данные принадлежат указанным диапазонам значений показателя преломления, это указывает на точность проведение эксперимента, грамотное использование нами рефрактометра.

2.Значения концентрации растворов хлорида кальция, полученные путем математических вычислений также соответствуют табличным данным. Это свидетельствует о том, что мы, верно, вывели формулу для расчета концентрации, правильно определили показатель точности, правильно измерили показатели преломления анализируемых растворов.

Точность результатов указывает на то, что рефрактометрический метод, используемый в нашей работе, способствует проведению качественного анализа жидких растворов.

4. Вывод.

Качество лекарственных средств в России контролирует Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения и социального развития. В большинстве крупных городов России работают Центры контроля качества лекарственных средств. Их основная задача - проверка торгующих лекарствами организаций (соблюдение многочисленных норм хранения и продажи лекарственных средств), а так же выборочный (а в некоторых регионах и тотальный) контроль лекарств. На основании данных региональных центров Росздравнадзор принимет решения о забраковке того или иного лекарственного средства. Так должно быть в идеале. На практике все выглядит несколько иначе. Подавляющее большинство центров контроля качества лекарств оборудовано более чем бедно, и провести сложный химический анализ современного лекарственного средства они не в состоянии. В результате зачастую все, так сказать, исследования ограничиваются оценкой внешнего вида лекарства (нет ли недопустимого осадка, изменился ли цвет раствора, правильно ли оформлена упаковка, кривая этикетка и т. п.). Поэтому в целях дальнейшего повышения качества лекарственного обеспечения населения возникает необходимость систематического контроля качества лекарственных средств. По результатам наших исследований можно сделать вывод, что одним из путей решения этой проблемы является использование рефрактометрического метода, который имеет свои преимущества:

• анализ проводится с затратой минимального количества исследуемого вещества;

• время, затрачиваемое на анализ минимально;

• точность анализа, как показали результаты нашей работы, соответствуют ГФ РФ.

Достоинством рефрактометрического метода также является его универсальность, то есть возможность широкого применения для анализа органических соединений с разнообразной химической структурой.

5. Литература.

1. Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973.

2. Иоффе Б. В., Рефрактометрические методы химии, 2 изд., Л., 1974.

3. Дорохова Е.Н. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа/ Е.Н. Дорохова, Г.В. Прохорова. - М.: Высшая школа, 1991.

4. Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд.. М., 1957 (Общий курс физики, т. 3).

5. Лурье Ю.Ю. справочник по аналитической химии/ Ю.Ю. Лурье.

6. Ляликов Ю.С. Задачник по физико-химическим методам анализа/ Ю.С. Ляликов, М.И.

7. Толанский С., Удивительные свойства света, пер. с англ., М., 1969.

8. Шишловский А. А., Прикладная физическая оптика, М., 1961.

9. Булатов, В.И. Бодю, С.В. Крачун. - М.: Химия, 1972.