Материал: Инфракрасная спектроскопия и ее практическое применение в фармацевтическом анализе

Общая конструкция ИК-спектрометра включает: источник излучения, диспергирующую систему (монохроматор) и регистрирующий элемент (детектор). Специфика ИК-излучения приводит к особенностям в устройстве каждого элемента.

Область спектра	ν, см-1	λ, мкм	Применение
Ближняя	12500-4000	0,8-2,5	Качественный и количественный анализ на Н-содержащие функциональные группы, множество сорбентов основных частот из средней ИК-области.
Средняя	4000-625	2,5-16,7	Колебательная или основная ИК-область. Типичные линии поглощения функциональных групп, главным образом в диапазоне 1400-4000 см-1, а диапазон 600-1400 называют область "отпечатков пальцев".
Дальняя	625-30	16,7-330	Область колебаний с малой энергией, в особенности у неорганических и металлорганических соединений. Исследование скелетных и крутильных колебаний, а также колебаний решетки твердых тел.

Источник излучения в ИК-спектрометре должны перекрывать большой интервал длин волн. Из них наиболее распространены стержни из карбида кремния (глобар) или из оксидов редкоземельных элементов (штифт Нернста), нагреваемые током до 1500 и 800 С. Кривая интенсивности излучения этих источников имеет вид кривой излучения абсолютно черного тела. Они дают мощное ИК-излучение, но преимущественно в ближней ИК-области и быстро падающее с увеличением длины волны (это изменение мощности компенсируется программированным раскрытием входной щели прибора). В длинноволновой части ИК-спектра применяют ртутно-кварцевые лампы высокого давления.

Рис. 12. Стержень из карбида кремния (а) (глобар) и Штифт Нернст

Рис. 13. Ртутно-кварцевые лампы высокого давления

В монохроматоре диспергирующими элементами могут служить призмы в ИК-области материалов с подходящей дисперсией или дифракционные решетки. Призмы из стекла или кварца неприменимы, поскольку не пропускают ИК-излучение, и обычно используют призмы, изготовленные из некоторых солей. От призм требуется достаточно большая диспергирующая способность, но она падает с уменьшением длины волны. Так призма из NaCl обеспечивает точность около 2 см^-1 в области 650 см^-1 и около 30 см^-1 в области 3000 см^-1. Поэтому обычно используют 3-4 сменных призмы из монокристаллов LiF, NaCl, KBr. Дисперсия материала призмы обычно сильно меняется с температурой, поэтому необходимо термостатирование прибора. Солевую оптику следует беречь от повышенной влажности.

В настоящее время все чаще в качестве диспергирующих элементов применяют дифракционные решетки. У них больше дисперсия, которая мало зависит от длины волны и почти не зависит от температуры, но решетки могут давать наложение спектров высших порядков, что требует использования в приборе хороших спектральных фильтров.

Рис. 14. Дифракционная решетка

Детектирование ИК-излучения основано преимущественно на тепловом его действии. Для средней ИК-области в качестве приемников излучения применяют чувствительные термопары (термостолбики) и термометры сопротивления (болометры), покрытые чернью. Используют также пневматические приемники (ячейка Голея), в которых газ в зачерненной камере с гибкой стенкой меняет давление под действием излучения. В длинноволновой области применяют также другую группу приемников: фотонные приемники с фотопроводимостью.

Среди ИК-спектрометров наиболее распространены диспергирующие сканирующие приборы, в которых спектры последовательно сканируются и регистрируются с помощью одноканального приемника. По схеме освещения такие приборы бывают однолучевыми и двулучевыми. В однолучевых спектрометрах для освещения щели используют одно сферическое зеркало.

Теперь чаще используют двухлучевую систему, которая позволяет выравнивать фон, то есть линию полного пропускания, и компенсировать как поглощение атмосферными Н₂О и СО₂ так и ослабление пучков окнами кюветы и растворителем. Упрощенная блок-схема двухлучевого сканирующего ИК-спектрометра с дифракционной решеткой представлена на рис. 15.

Рис. 15. Схема инфракрасного двухлучевого спектрофотометра

ИК-излучение от источника 1 делится на два пучка системой зеркал 2. Рабочий пучок проходит через кювету с образцом 3, а пучок сравнения - через компенсатор фона 4. С помощью дискомодулятора 5 пучки попеременно направляются на входную щель монохроматора 6 и через нее - на дифракционную решетку 7, которая разлагает излучение в спектр и направляет его на выходную щель 8. Монохроматическое изображение щели попадает на приемник - висмутовый болометр 9. В отсутствии исследуемого образца интенсивности рабочего пучка и пучка сравнения одинаковы, в приемнике сигналы от этих пучков вычитаются; на выходе сигнал отсутствует. При поглощении рабочего пучка исследуемым веществом на приемник попадают лучи различной интенсивности, в результате чего в приемнике возникает переменный сигнал. После усиления и преобразования сигнала приводится в движение перо самописца 10. При медленном повороте решетки щель 8 последовательно вырезает узкие участки спектра, и на ленте самописца вычерчивается кривая зависимости пропускания от длины волны.

Серийные одно- и двухлучевые спектрофотометры, используемые для изучения низкомолекулярных соединений, имеют достаточную разрешающую способность для исследования большинства полимеров. Однако для работы в дальней области спектра, которая в исследовании полимеров играет очень важную роль, необходимы специальные вакуумные спектрофотометры с дифракционными решетками.

Современные спектрометры позволяют регистрировать ИК-спектры газообразных, жидких и твердых образцов. Для получения ИК-спектра полимера или органического соединения необходимо всего от 1 до 10 мг вещества.

В большинстве случаев спектры соединений регистрируют либо в виде растворов веществ в хлороформе, четыреххлористом углероде, сероуглероде, либо в виде твердых прозрачных таблеток, полученных прессованием под давлением мелко размолотой смеси вещества с бромидом калия. Иногда использую метод съемки ИК-спектра вещества в виде мелко растертой суспензии в вазелиновом или минеральном масле.

В случае регистрации ИК-спектра соединений в растворах или суспензиях необходимо вычитать полосы поглощения растворителей или суспензионной среды [19].

Рис. 16. ИК-спектр хлороформа

10. Специфические особенности фармацевтического анализа

Фармацевтический анализ - это наука о химической характеристике и измерении биологически активных веществ на всех этапах производства: от контроля сырья до оценки качества полученного ЛВ, изучения его стабильности, установления сроков годности и стандартизации ЛФ. Фармацевтический анализ имеет свои специфические особенности, отличающие его от других видов анализа. Эти особенности заключаются в том, что анализу подвергают вещества различной химической природы: неорганические, элементорганические, радиоактивные, органические соединения от простых алифатических до сложных природных биологически активных веществ. Чрезвычайно широк диапазон концентраций анализируемых веществ. Объектами фармацевтического анализа являются не только индивидуальные ЛВ (субстанции), но и смеси, содержащие различное число компонентов.

Способы фармацевтического анализа нуждаются в систематическом совершенствовании в связи с созданием новых ЛС и непрерывным повышением требований к их качеству. Причем растут требования как к степени чистоты ЛВ, так и к количественному содержанию. Поэтому необходимо широкое использование для оценки качества ЛС не только химических, но и более чувствительных физико-химических методов.

К фармацевтическому анализу предъявляют высокие требования. Он должен быть достаточно специфичен и чувствителен, точен по отношению к нормативам, обусловленным ГФ, ФС и другой НД, выполняться в короткие промежутки времени с использованием минимальных количеств испытуемых Л С и реактивов. Фармацевтический анализ в зависимости от поставленных задач включает различные формы контроля качества ЛС: фармакопейный анализ, постадийный контроль производства ЛВ, анализ ЛФ индивидуального изготовления, экспресс- анализ в условиях аптеки и биофармацевтический анализ.

Составной частью фармацевтического анализа является фармакопейный анализ. Он представляет собой совокупность способов исследования ЛВ и ЛФ, изложенных в Государственной фармакопее или другой нормативной документации. На основании результатов, полученных при выполнении фармакопейного анализа, делается заключение о соответствии ЛС требованиям ГФ (ФС, ФСП). При отклонении от этих требований ЛС к применению не допускают [3].

Заключение о качестве ЛС можно сделать только на основании анализа пробы (выборки). Порядок ее отбора указан либо в частной ФС, либо в общей статье ГФ XI (вып. 2).

Выполнение фармакопейного анализа позволяет установить подлинность Л В, его чистоту, определить количественное содержание фармакологически активного вещества или ингредиентов, входящих в состав ЛФ. Несмотря на то что каждый из этих этапов имеет свою конкретную цель, их нельзя рассматривать изолированно. Они взаимосвязаны, взаимно дополняют друг друга и отражают комплексный характер оценки качества ЛС. Так, например, температура плавления, растворимость, рН среды водного раствора и т.д. являются критериями как подлинности, так и чистоты ЛВ. Указанные особенности фармакопейного анализа существенно отличают его от норм и требований к методам анализа, используемых в Государственных стандартах (ГОСТ) и технических условиях (ТУ).

В ФС описаны методики соответствующих испытаний применительно к тому или иному фармакопейному ЛС. Многие из этих методик идентичны. В целях унификации способов анализа в ГФ включены общие фармакопейные статьи (ОФС), в которых систематизированы сведения о выполнении испытаний на ряд ионов и функциональных групп, а также единых методов количественного определения. Для обобщения большого объема частных сведений по фармакопейному анализу будут рассмотрены основные критерии фармацевтического анализа и общие принципы испытаний на подлинность, чистоту и количественного определения ЛВ [18].

Для проверки качества препаратов испытательные центры или центры контроля качества лекарственных средств (ЦККЛС) должны обладать необходимым арсеналом аналитического оборудования. В статье даны рекомендации по выбору аппаратуры, оцениваются сильные и слабые стороны представленных на рынке приборов и лабораторных материалов, представлена основная номенклатура оборудования ЦККЛС.

Вопросы организации микробиологической лаборатории, оборудование для испытания на бактериальные эндотоксины, организация деятельности ЦККЛС, система менеджмента качества будут представлены в следующих публикациях.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия в средней области (от 4000 до 400 см-1) в настоящее время является методом номер один для установления подлинности фармацевтических субстанций. Он может применяться и в отношении лекарственных препаратов (т. е. дозированных лекарственных средств, готовых к применению), однако современный фармакопейный анализ предполагает в таком случае предварительное извлечение действу­ющего вещества из лекарственной формы. (Есть исследования, которые демонстрируют возможность прямого получения ИК-спектров препаратов при относительно высоком содержа­нии основного вещества в препарате.)

Метод ИК-спектроскопии является фармакопейным. В Государственной фармакопее (ГФ) XII (ч. 1, с. 62) имеется соответствующая общая фармакопейная статья (ОФС) "Спектрометрия в инфракрасной области".

Современный ИК-спектрометр обычно работает по принципу преобразования Фурье, т. е. использует интерферометр, что выгодно отличает его от дисперсионных приборов.

Также следует отметить, что современный ИК-спектрометр - прибор с большими возможностями, не все из которых требуются при проведении рутинного контроля качества ЛС. По­этому при приобретении такого при­бора для ЦККЛС необходимо выбирать набор приспособлений, приставок и программного обеспечения к основному прибору, который будет реально востребован.

В подавляющем большинстве случаев для получения ИК-спектров используют два способа:

• прессование таблеток с бромидом калия (основной вариант);

Для получения таблеток необходимы:

• специальный пресс с пресс-форма­ми и другими приспособлениями;

• спектроскопически чистый бро­мид калия (KBr для ИК-спектроскопии);

• соответствующие держатели в кюветном отделении прибора.

Для получения суспензии в вазелиновом масле необходимы:

• ступка, не содержащая пор (напри­мер, агатовая) с таким же пестиком (поры накапливают влагу, попадания которой в образец необходимо избегать);

• спектроскопически чистое минеральное (вазелиновое) масло (масло для ИК-спектроскопии);

• стекла из бромида калия или другого материала, прозрачного в рабочем диапазоне ИК-спектра (суспензия помещается между стеклами);

• соответствующие держатели в кюветном отделении прибора. При получении ИК-спектров жидких веществ могут подойти стекла из бромида калия, которые используются и для сканирования спектров суспензий.

Естественно, что различные фирмы-производители конструктивно могут реализовывать получение спектров разными способами, о чем необходимо консультироваться, приобре­тая прибор.

Следует также учесть, что могут оказаться востребованными и другие варианты пробоподготовки, предусмотренные ОФС. Их также следует обсудить с поставщиком при покупке прибора [2].

Заключение

Инфракрасная спектроскопия с каждым годом получает всё более широкое распространение как весьма ценный физический метод исследования строения молекул и мощный аналитический метод.

Внедрение спектроскопии в сферу фармацевтического анализа ЛС послужило мощным толчком для её развития и совершенствования. Благодаря многообразию возможностей применения, высокой точности результатов и чувствительности обнаружения, существенном сокращении времени проведения анализа, ИК-спектроскопия достигла высшей степени экономической эффективности [5].

Список использованной литературы

1.      Аверко-Антонович И.Ю. , Бикмуллин Р.Т.: Методы исследования структуры и свойств полимеров. Учебное пособие / КГТУ. Казань. - 2002. - 604 с.

.        Арзамасцев А.П., Дорофеев В.Л. Современные требования к Стандартизации и контролю качества лекарственных средств. // Новая аптека. Эффективное управление. 2007 - №4- С. 54-57.

.        Арзамасцев А.П., Дорофеев В.Л. Стандартные образцы для фармакопейного анализа. // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. 2010 - №5С. 6-10.

.        Беллами JI. Инфракрасные спектры сложных молекул М.:1983, 432 с.

.        Бёккер Ю. Мир химии. Спектроскопия. Перевод с немецкого Л.Н.Казанцевой. Москва -2009. - 522с.

.        Бранд Дж. Применение спектроскопии в органической химии. М.: Мир. - 1967. - 280 с.

.        Государственная фармакопея Российской Федерации XII издания 2 часть, Москва 2010

.        Кеслер Н, Методы инфракрасной спектроскопии в химическом анализе. М.: Мир, 1984,-287 с.

.        Коптюг В.А. Атлас спектров для криминалистических подразделений МВД СССР. Выпуск 8. Новосибирск- 1991г. -477с.

.        Крищенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. М.: 1997. -638с.

.        Кросс А.Д. Введение в практическую инфракрасную спектроскопию Пер с англ. М.: Иностранная литература, 1981. - 110 с.

.        Крылов А. С., Втюрин А. Н., Герасимова Ю. В. Обработка данных инфракрасной Фурье-спектроскопии. Методическое пособие. Красноярск, Институт физики СО РАН, 2005. - 48 с.

.        Купцов А.Х., Жижин Г.Н. Фурье-КР и фурье-ИК-спектры полимеров. М.: Физматлит,- 2001. -316 с.

.        Наканиси К. " Инфракрасные спектры и строение органических соединений" М.: Мир,- 1965. -216с.

.        Норрис К.Х. Приборы для ближней инфракрасной спектроскопии // Применение спектроскопии в ближней инфракрасной области для контроля качества продукции (4-й сборник научных трудов по ИКС). М.: Интерагротех, 1989.-С. 5-10.

.        Пентин Ю.А. , Л.В. Вилков: Физические методы исследования в химии. - М.: Мир. - 2003. - 367 с.

.        Садчикова Н.П., Арзамасцев А.П., Титова A.B. Метод ближней ИК-спектроскопии в системе контроля качества лекарственных средств (обзор) // Вопросы биологической медицинской и фармацевтической химии. -2010.-№1. С. 16-20.

.        Садчикова Н.П., Арзамасцев А.П., Титова A.B. Современное состояние проблемы применения ИК-спектроскопии в фармацевтическом анализе лекарственных средств // Хим.-фарм.ж. 2008. - №.8. - С. 26-30.

.        Тарасов К.И., Спектральные приборы, "Машиностроение", Л., 1968.

.        Тарасевич Б.Н. Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье. Подготовка проб в ИК спектроскопии. Москва- 2012. -22с.

.        Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. Москва -2012. -52с.

.        Тарутина Л.И., Позднякова Ф.О. Спектральный анализ полимеров. - Л.: Химия. - 1986. - 248 с.

.        Сливкин А.И. Атлас ИК-спектров лекарственных веществ. А.И. Сливкин, О.В. Тринеева, Е.Е. Логвинова, А.С. Чистякова, Л.Ю. Яковлев, И.И. Механтьев. Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета- 2013.- 172с.