Оптические методы анализа

Содержание

1. Введение
2. Теоретические основы оптического анализа
3. Колориметрия
4. Визуальная колориметрия
5. Поляриметрия
6. Рефрактометрия
7. Применение оптического метода  для анализа лекарственных препаратов
8. Колориметрия
9. Нефелометрия
10. Рефрактометрия
11. Заключение
12. Литература

Введение

   Способы фармацевтического анализа нуждаются в систематическом совершенствовании в связи с непрерывным повышением требований к качеству лекарственных средств, причем растут требования как к степени чистоты лекарственных веществ, так и к количественному содержанию. Поэтому необходимо широкое использование не только химических, но и более чувствительных физико-химических методов для оценки качества лекарств.В настоящее время широкое распространение получили оптические методы анализа лекарственных препаратов, которые будут рассмотрены в курсовой работе.

Теоретические  основы оптического методов анализа

   К оптическим методам анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа. Рассмотрим наиболее распространенные виды оптических методов анализа.

Колориметрия.

   Колориметрией называют методы анализа, основанные на измерении поглощения света окрашенными растворами в видимой части спектра. Стандартным или образцовым раствором называют растворы с точной концентрацией, применяемые для сравнения с исследуемым раствором. В колориметрии используют химические реагенты, которые образуют окрашенные соединения с определяемым веществом. Сравнивая полученную окраску с окраской стандартного раствора: того же вещества, определяют содержание окрашенного вещества в исследуемом растворе. Интенсивность окраски раствора находится в прямой зависимости от концентрации растворенного окрашенного вещества и от толщины рассматриваемого слоя раствора.

   Эта зависимость выражается основным законом колориметрии: законом Бугера -- Ламберта--Бера. Если пучок лучей белого света пропустить через стеклянную кювету, наполненную окрашенным прозрачным раствором, то интенсивность света будет ослабевать в результате отражения На границах фаз (воздух--стекло, стекло--жидкость), рассеивания от неизбежно присутствующих в растворе взвешенных частиц и главным образом в результате поглощения лучистой энергии окрашенными частицами. Поэтому интенсивность излучения, прошедшего через кювету с окрашенным раствором и попадающего на сетчатку глаза человека или на чувствительный физический прибор (фотоэлемент), будет меньше интенсивности пучка света, входящего в кювету. Степень поглощения окрашенными растворами волн падающего света различной длины неодинакова Поглощение лучистой энергии раствором в видимой и ультрафиолетовой областях спектра избирательно и зависит от свойства поглощающих молекул или ионов. Закон Бугера--Ламберта--Бера можно выразить уравнением характеристики, позволяющей судить о чувствительности метода. Так, если один и тот же ион образует окрашенные соединения с различными реактивами, используемыми в колориметрии, то наибольшей чувствительностью будет обладать тот колориметрический метод, в котором будет использован окрашенный продукт реакции с максимальным молярным коэффициентом поглощения.

Визуальная  колориметрия

   Интенсивность окраски растворов можно измерять визуальным и фотоколориметрическим методом. Визуальные методы в значительной степени субъективны, так как сравнение интенсивности окрашивания растворов проводят невооруженным глазом. Приборы, предназначенные для измерения интенсивности окраски визуальным методом, называют колориметрами. К визуальным колориметрическим методам относят: 1) метод стандартных серий; 2) метод колориметрического титрования; 3) метод уравнивания; 4) метод разбавления.

   Метод стандартных серий (метод цветной шкалы). Приготавливают ряд стандартных растворов какого-либо вещества с постепенно изменяющимися концентрациями в определенном объеме растворителя, например 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 мг и т. д. до ~ 10 шт. Помещают определенный объем каждого стандартного и такой же объем анализируемого раствора в пробирку, добавляют равные объемы необходимых реактивов. Сравнивают интенсивность полученной окраски исследуемого и стандартных растворов. Если окраска анализируемого раствора по интенсивности совпадает с цветом стандартного раствора, содержащего 0,4 мг данного вещества, то содержание его в исследуемом растворе равно 0,4 мг. Если окраска исследуемого раствора соответствует промежуточной концентрации, например между 0,4 и 0,5 мг, то концентрацию анализируемого раствора берут средней между соседними концентрациями стандартных растворов (приблизительно 0,45 мг). Рекомендуется для получения более точных результатов приготовить промежуточные серии стандартных растворов. Метод дает приближенные результаты и во время работы необходимо часто возобновлять шкалу из-за неустойчивости окраски некоторых стандартных растворов. При выполнении анализа методом стандартных серий не требуется соблюдения основного закона колориметрии.

   Метод колориметрического титрования (метод дублирования). Определенный объем анализируемого окрашенного раствора неизвестной концентрации сравнивают с таким же объемом воды, к которой добавляют из бюретки окрашенный стандартный раствор того же вещества определенной концентрации до уравнивания интенсивности окрасок. По совпадению интенсивности окрасок стандартного и исследуемого растворов определяют содержание вещества в растворе неизвестной концентрации. Концентрацию вещества в анализируемом растворе сх (в г/мл) находят по формуле

   где Г--титр стандартного раствора, г/мл; V--объем стандартного раствора, мл; V1--объем анализируемого раствора, взятый для колориметрирования, мл. Метод неприменим при реакциях, протекающих медленно, и при необходимости дополнительных обработок  кипячение, фильтрование. Метод уравнивания. Сравнение интенсивности окрасок анализируемого и стандартного растворов проводят в колориметрах. Метод основан на том, что, изменяя толщину слоя двух растворов с различной концентрацией одного и того же вещества, добиваются такого состояния, при котором интенсивность светового потока, прошедшего через оба раствора, будет одинакова - наступает оптическое равновесие. Оптическая плотность каждого раствора соответственно равна. Метод уравнивания является наиболее точным методом колориметрирования. Метод разбавления. Одинаковую интенсивность окраски анализируемого и стандартного растворов получают путем постепенного разбавления водой или соответствующим растворителем того раствора, который более окрашен. Разбавление проводят в одинаковых узких цилиндрах с делениями на миллилитры и десятые доли. Два одинаковых по размерам и формам цилиндра с анализируемым и стандартными растворами помещают рядом в специальный штатив с экраном из матового стекла. В более интенсивно окрашенный раствор вливают воду или растворитель до тех пор, пока окраска обоих растворов не станет одинаковой. После совпадения окрасок растворов измеряют объемы растворов в цилиндрах и рассчитывают содержание веществ в растворе неизвестной концентрации.

Поляриметрия

   Кристаллические решетки некоторых веществ обладают способностью пропускать свет только с определенным направлением колебаний. Свет, прошедший через такую среду, называют поляризованным; он способен колебаться только в какой-либо одной плоскости, называемой плоскостью колебаний. Плоскость, перпендикулярную плоскости колебаний, называют плоскостью поляризации. Среди известных веществ насчитывают несколько тысяч так называемых оптически активных, способных изменять (вращать) плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Когда через слой оптически актив поляризованный свет, то плоскость поляризации его оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом вращения плоскости поляризации. В основе метода поляриметрического анализа лежит измерение угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через оптически активную среду. Если оптически активное вещество находится в растворенном состоянии, то угол поворота плоскости поляризации зависит от числа молекул вещества, встречающихся на пути поляризованного луча. Чем больше число молекул, тем больше угол поворота плоскости поляризации. Таким образом, угол поворота плоскости поляризации зависит от концентрации оптически активного вещества в растворе. При поляриметрических определениях расстояние по линии распространения светового луча не должно изменяться. Это означает, что расстояние от одной стенки сосуда, в котором находится оптически активное вещество, до другой во всех определениях остается неизменным. При соблюдении этих условий угол вращения плоскости поляризации будет в прямой пропорциональной зависимости от концентрации. Поляриметрический метод широко используют для изучения структуры и свойств различных веществ: с его помощью проводят исследования кристаллических веществ в минералогии и кристаллохимии, изучают кинетику процессов, протекающих с участием оптически активных веществ, изучают некоторые параметры космических объектов. Метод поляриметрического анализа широко применяют в аналитических целях при количественных определениях различных веществ. В пищевой промышленности его успешно используют для количественных определений жиров, масел, сахаристых и других веществ. Основными частями любого поляриметра являются источник поляризованных лучей (поляризатор) и прибор для их исследования (анализатор). Призмы Николя выполнены из кристаллов шпата и являются дорогостоящей частью поляриметра. Поэтому в некоторых устройствах вместо николей в качестве поляризатора и анализатора применяют поляроиды--пленки из герапатита (органическое соединение иода), которые помещают между двумя защитными стеклышками. Эффект измерения угла вращения плоскости поляризации не ухудшается от такой замены. Если поляризатор и анализатор установлены так, что их плоскости поляризации взаимно параллельны, то лучи света проходят через них. При повороте анализатора на 90° плоскости поляризации оказываются взаимно перпендикулярными и лучи света не проходят через анализатор. Это происходит потому, что лучи, прошедшие через поляризатор, имеют плоскость колебаний, перпендикулярную плоскости пропусканий лучей анализатором. Такое положение называют установкой николей на «темноту». Если между поляризатором и анализатором в положении на «темноту» поместить раствор оптически активного вещества, то за анализатором появится свет. Его появление объясняется тем, что луч, вышедший из раствора, колеблется уже не в плоскости, перпендикулярной плоскости анализатора, а в плоскости PQ. Он может быть разложен по правилу параллелограмма на два луча: OR и OS. Луч OR колеблется в плоскости пропускания лучей анализатора и, следовательно, может пройти через него. Для того чтобы вновь поставить поляризатор и анализатор «на темноту», следует анализатор повернуть так, чтобы его плоскость стала перпендикулярной плоскости PQ, т. е. на угол ос. Светофильтр и поляроиды оптически сочетаются таким образом, что в свете, вышедшем из поляризационного блока, максимум интенсивности соответствует жёлтой линии D в спектре натрия. Далее поляризованный свет проходит через диафрагму с кварцевой пластиной, которая отклоняет плоскость поляризации света на 5--7°. При скрещении поляризатора и анализатора фотометрическое поле будет заметно только в крайних частях, средняя часть поля будет в определенной степени освещена. Ослабить освещенность средней части и усилить освещенность крайних частей фотометрического поля можно соответствующим поворотом анализатора, поле окажется равномерно затемненным. Равномерная затемненность фиксируется по лимбу сначала в отсутствии трубки с исследуемым раствором или с трубкой, наполненной водой (нулевая точка). Затем в прибор помещают трубку с исследуемым раствором и вновь восстанавливают равномерную затемненность, поворачивая анализатор на некоторый угол. Этот угол равен углу поворота плоскости поляризации. Угол отсчитывают по делениям круговой шкалы, нанесенным на лимб. Работу на поляриметре начинают с включения лампы и передвижения муфты в такое положение, при котором фотометрическое поле отчетливо разделено на три части. Затем устанавливают анализатор, меняют положение осветителя до такой позиции, при которой поле затемнено наиболее равномерно. Далее проверяют нулевое положение прибора. Для этого наполняют трубку дистиллированной водой, предварительно промыв ее сначала водой, а затем с помощью ватного тампона-- спиртом. Помещают трубку в ложе прибора, закрывают шторку, устанавливают анализатор на равномерную затемненность и фиксируют положение нониуса. Если нуль нониуса совпадает с нулем лимба, то поправка равна нулю. Поворачивая анализатор попеременно в разные стороны, добиваются положения равномерной затемненное™ поля и фиксируют угол вращения плоскости поляризации. Отсчеты берут несколько раз, и потом их усредняют. Затем в поляриметр помещают трубку, заполненную исследуемым раствором, и наводят на резкость. Находят положение равномерного затемнения. Отсчитывают по лимбу число целых градусов от нуля неподвижной шкалы до нуля нониуса. По нониусу определяют десятые и сотые доли градуса угла поворота.

Рефрактометрия

   Преломление световых лучей на границе раздела двух различных оптических сред называют рефракцией, она характеризуется показателем преломления. Рефрактометрический метод анализа (рефрактометрия) основан на зависимости показателя преломления света от состава системы. Такую зависимость устанавливают путем определения показателя преломления для ряда стандартных смесей растворов. Предварительно по экспериментальным данным строят градуировочный график в координатах: состав смеси--показатель преломления; затем по градуировочному графику определяют показатель преломления раствора неизвестного состава. Метод рефрактометрии применяют для количественного анализа бинарных, тройных и разнообразных сложных систем растворов. Примером бинарных систем являются водные растворы спиртов, сахаров, глицерина, кислот, оснований, солей и др. Для водного раствора сахара и метанола градуировочный график имеет вид. На оси ординат откладывают показатель преломления и, который определяют с помощью рефрактометра, на оси абсцисс--содержание сахара и метанола (в %).

   Рефрактометрический метод анализа имеет ряд достоинств: простота и быстрота определений, высокая точность анализа (до сотых долей процента). Метод применяют для анализа разнообразных сложных систем: горючих и смазочных материалов, биологических и пищевых продуктов, лекарственных пpeпаратов и др. При анализе многокомпонентных систем часть компонентов может находиться в постоянном соотношении, что упрощает анализ, так как дает возможность рассматривать систему как двойную. В связи с тем, что показатель преломления является индивидуальной характеристикой вещества и присутствие в исследуемой системе примесей влияет на его значение, определение его используют для установления степени чистоты вещества. С помощью рефрактометрических измерений проводят идентификацию веществ путем определения величин преломления и их физических характеристик (плотности, температуры кипения . Полученные экспериментальные величины сравнивают с табличными и, таким образом, устанавливают природу веществ. В настоящее время имеются различные типы рефрактометров для измерения показателей преломления. Для более точных измерений применяют рефрактометры Аббе и Пульфриха. В качестве источника света используют натриевую горелку, натриевую лампу или газоразрядную трубку, которая дает линейчатые спектры. Наиболее распространенным является рефрактометр Аббе. Принцип работы рефрактометра основан на определении угла полного внутреннего отражения. Рефрактометр предназначен для измерения показателей преломления жидкостей в пределах от 1,330 до 1,700.

Применение  оптического метода  для анализа  лекарственных препаратов

   Оптические методы находят все более широкое применение в практике внутриаптечного контроля ввиду экспрессности, минимального расхода анализируемых лекарств. Рефрактометрия использована для испытания подлинности лекарственных веществ, представляющих собой жидкости (диэтиламид никотиновой кислоты, метилсалицилат, токоферола ацетат), а во внутриаптечном контроле -- для анализа лекарственных форм, в том числе двойных и тройных смесей. Применяют также объемно-рефрактометрический анализ и рефрактометрический анализ методом полной и неполной экстракции. Разработаны различные варианты методик анализа интерферометрическим методом лекарственных препаратов, титрованных растворов, дистиллированной воды. Поляриметрию применяют для испытания подлинности лекарственных веществ, в молекулах которых имеется асимметрический атом углерода. Среди них большинство препаратов из групп алкалоидов, гормонов, витаминов, антибиотиков, терпенов. В аналитической химии и фармацевтическом анализе используются рентгенорефрактометрия порошков, спектрополяриметрический анализ, лазерная интерферометрия, дисперсия вращения и круговой дихроизм. Помимо указанных оптических методов для идентификации индивидуальных лекарственных веществ в фармацевтическом и токсикологическом анализе не теряет своего значения химическая микроскопия. Перспективно применение электронной микроскопии, особенно в фитохимическом анализе. В отличие от оптической микроскопии объект подвергается воздействию пучка электронов высоких энергий. Изображение, образованное рассеянными электронами, наблюдают на флуоресцирующем экране. Одним из перспективных экспрессных физических методов является рентгенографический анализ. Он позволяет идентифицировать лекарственные вещества в кристаллической форме и различать при этом их полиморфное состояние. Для анализа кристаллических лекарственных веществ могут быть также применены различные виды микроскопии и такие методы, как ожеспектрометрия, фотоакустическая спектроскопия, компьютерная томография, измерения радиоактивности. Эффективным недеструктивным методом является отражательная инфракрасная спектроскопия, которая используется для определения примесей различных продуктов разложения и воды, а также в анализе многокомпонентных смесей.

Колориметрия

   Колориметрический метод основан на визуально сравнении интенсивности окраски анализируемого и эталонного растворов. Концентрацию анализируемого раствора определяют чаще всего методом стандартных серий, который заключается в следующем: в несколько про бирок с притертыми пробками, изготовленных из одного и того же стекла, одинакового цвета и диаметра, внося стандартный раствор определяемого вещества в различных, постепенно возрастающих количествах, прибавляют одинаковом количестве реактивы и доводят водой до определенного объема. Аналогично готовят окрашенный анализируемый раствор и сравнивают интенсивность его окраски с интенсивностью окраски серии эталонных растворов, рассматривая жидкости по оси пробирок сверху вниз на белом фоне. Выбирают пробирку, в которой окраски эталонного раствора наиболее близка к таковой анализируемого раствора. Концентрацию последнего принимаю равной концентрации вещества в этой пробирке эталонной серии. Если интенсивность окраски анализируемого раствора является промежуточной между окрасками двух соседних пробирок эталонной серии, то концентрацию анализируемого раствора определяют как среднюю между концентрациями в этих двух пробирках. Относительная ошибка колориметрического метода не превышает ±5%.