|
|
Тиманюк, Животова. Биофизика. Учебник для студентов фармацевтических и медицинских вузов удк 577. 3(075. 8) Ббк 28. 901я73 т 41
P Их переход в основное состояние сопровождается испусканием кванта люминесценции+ ?
*
P
P h Поэтому интенсивность люминесценции равна скорости убыли в системе числа возбужденных молекул и прямо пропорциональна квадрату концентрации в системе перекисных радикалов ?
= ?
?
?
?
?
i
2 6
2
d *
[RO ]
d
P
I
k где I — интенсивность хемилюминесценции во всех направлениях и на всех длинах волн
? — квантовый выход хемилюминесценции
(отношение числа испущенных фотонов к числу прореагировавших молекул).
Из реакций (17.3.3) и (17.3.6) следует, что скорость перекисного окисления липидов v определяется как 2
2 6
[RH][RO ]
[RH]
I
v k
k Таким образом, явление люминесценции позволяет количественно определить скорость процессов перекисного окисления липидов.
Исследование люминесценции, сопровождающей реакции перекисного окисления липидов, сыграло большую роль в установлении схемы этих реакций, механизма действия и эффективности анти- и прооксидантов (веществ соответственно замедляющих и усиливающих перекисное окисление. Определение скорости перекисного окисления позволяет судить об уровне обменных процессов в клетке при воздействии химических и физических факторов, патологических состояниях и т. п.
Измерение интенсивности люминесценции используется в медицине. Например, интенсивность спонтанной люминесценции сыворотки крови больных туберкулезом значительно выше, чему здоровых людей, а больных раком легких — значительно ниже.
При некоторых заболеваниях (например некрозах, острых воспалительных реакциях) интенсивность хемилюминесцентного ответа резко увеличивается. Например, у пациентов, перенесших инфаркт миокарда, хемилюминесцентный ответ намного выше, чему пациентов, страдающих ишемической болезнью сердца.
Глава 17. Собственные физические поля человека 543 Фагоцитирующие клетки крови и тканей в ответ на действие ряда внешних факторов (например некоторых химических соединений, пылей, компонентов бактериальных стенок и др) способны вырабатывать супероксидные радикалы О в результате реакции с никотинамидадениндинуклеотидом (НАД 2 2O 2(O На способности фагоцитов люминесцировать в ответ на действие раздражающих факторов основан целый ряд методов медико- биологических исследований. В частности, действие некоторых факторов (например кальциевых ионофоров, импульсов электрических полей и других) вызывают увеличение проницаемости мембраны для ионов Са 2+ , которые запускают последовательность реакций, сопровождающихся выделением супероксидных радикалов, а следовательно люминесценцией. Таким образом, данный метод позволяет изучать влияние некоторых агентов на проницаемость мембран. Чувствительность людей к действию различных веществ, в частности лекарственных препаратов, неодинакова. Взаимодействие этих веществ с фагоцитами сопровождается хемилюминесцентной реакцией различной интенсивности. Это позволяет выявлять повышенную чувствительность человека к данному аллергену. ПРАКТИЧЕСКИЕ И ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 17.1. При снятии электрокардиограммы водном из отведений была получена максимальная разность потенциалов ?? = 1 мВ. Вычислите модуль электрического вектора сердца D, если удельное электрическое сопротивление среды ? = 15 Ом•м, расстояние от токового генератора до вершин равностороннего треугольника Эйнтховена r = 0,2 м. Решение. Разность потенциалов между двумя точками, находящимися на одинаковом расстоянии r от диполя, равна = ? 2 sin( / откуда ??= ? ? ? 2 2 sin( / 2)cos Разность потенциалов зависит от угла ? между осью диполя и осью отведения и максимальна при их параллельной ориентации (см. рис. Практические и тестовые задания При ? = 0 ? = cos 1 (см. рис. 17.1.3). Так как треугольник Эйнтховена равносторонний, то ? = 120°. Подставив численные данные в формулу (получаем 2 3 5 2 (0, 2) 10 1, 9 10 15 sin(120 / 2) cos Задача 17.2. Насколько процентов увеличится энергетическая светимость тела человека, если его температура (37 С) увеличится на 1 °С. Тело человека считать серым телом. Решение. Согласно закону Стефана—Больцмана, энергетическая светимость серого тела составляет = где ? — постоянная Стефана—Больцмана, ? = 5,6696•10 –8 Вт/(м 2 •К 4 ), ? — коэффициент поглощения серого тела. Тогда отношение энергетических светимостей для двух разных температур составит 4 2 2 1 1 310 1 310 e e R T R T = То есть энергетическая светимость тела человека в этом случае увеличится на 1,3 %, в то время как температура увеличилась только на 0,3 ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ. Вычислите разность потенциалов ?? между двумя вершинами равностороннего треугольника Эйнтховена, если электрический вектор сердца ориентирован под углом ? = ° 60 коси отведения и равен 1, 5•10 ?•?D ? = . Расстояние от электрического вектора до вершин треугольника, удельное электрическое сопротивление среды = 15 Ом•м. 17.2. Под каким углом ? находится в данный момент электрический вектор сердца коси отведения, если зафиксирована разность потенциалов мВ, а максимальная разность потенциалов в этом отведении мВ. Определите мощность теплового излучения раздетого человека см поверхности тела, если температура кожи = ° 1 30 C t , окружающей среды — = ° 2 20 C t . Коэффициент поглощения кожи = 0,9 k 17.4. Интенсивность излучения тела человека увеличилась на 2,62 Насколько процентов возросла температура. Определите длину волны ? max , соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости тела человека, считая его серым телом. Температура кожи t = 30 Глава 17. Собственные физические поля человека 545 17.6. Насколько сместится максимум спектральной плотности энергетической светимости, если температура тела человека повысится от t 2 = 36 до t 2 = 37 ВОПРОСЫ ТЕСТОВОГО КОНТРОЛЯ. Потенциал электрического поля диполя составляет: а) ?? ? = 4 б) ? ? = ? 4 в) ? ? г) ? ? д) ? ? = ? 4 Ir 17.2. Инфракрасное излучение проникает наружу из глубины тела не более, чем на: а) 1 нм; б) 1 мкм; в) 0,1 мм г) 1 см; д) м. СВЧ-излучение проникает наружу из глубины тела не более, чем на: а) 1 нм; б) 1 мкм; в) 0,1 мм г) 1 см; д) м. Хемилюминесценция возникает в том случае, если входе реакции образуются: а) циклические соединения; б) продукты в электронно-возбужденном состоянии; в) соединения, содержащие макроэргические связи; г) соединения, содержащие сопряженные двойные связи; д) ионы. Квантовым выходом хемилюминесценции называется: а) отношение числа выпущенных фотонов к числу прореагировавших молекул; б) отношение числа поглощенных фотонов к числу прореагировавших молекул; в) тоже самое, что и скорость реакции; г) величина, которая численно равна квадратному корню из интенсивности люминесценции; д) коэффициент пропорциональности между скоростью реакции икон- центрацией реагирующего вещества. Скорость перекисного окисления липидов составляет: а) v = k 2 [RH] ? 6 I k г) v = k 2 [RH] ? 6 I k б) v = k 2 [RH] ? 6 /( ) Ik д) v = k 2 [RH] ? 6 /( ) I k в) v = k 2 [RH] ? 2 6 [ Практические и тестовые задания Глава ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ Создание новых лекарственных препаратов и их анализ, модификация ранее разработанных соединений, контроль качества, чистоты и другие подобные задачи требуют от химика-фармацевта обширных знаний во многих областях науки. Так, хорошо отработанные физические методы исследования веществ во всех агрегатных состояниях открывают широкие возможности для химиков- фармацевтов в их практической работе. В данной главе дан краткий обзор физических методов, которые используются или могут быть использованы при исследованиях и производстве в фармации. Показано, какими физическими методами возможно решить некоторые из основных вопросов, с которыми могут столкнуться выпускники фармацевтических вузов в своей профессиональной деятельности. Естественно, что профессиональное овладение любым физическим методом исследования требует глубокого изучения специальной литературы и приобретения устойчивых навыков работы с оборудованием. Цель данной главы — показать возможности каждой из приведенных методики физические принципы, лежащие в ее основе, а также способы получения необходимой информации в процессе исследований. В Приложении приведена сводная таблица, позволяющая определить методы, необходимые для решения конкретных прикладных задач 18.1. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ. СПЕКТРОСКОПИЯ В ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ Спектроскопия (спектральный анализ) — область физики, используемая для идентификации соединений, исследования состава, строения и количественного анализа индивидуальных веществ и многокомпонентных систем В органической химии или биохимии практически ни один эксперимент не обходится без применения спектроскопических методов. Они широко используются для идентификации продуктов химических и ферментативных реакций или более сложных биологических процессов обнаружения промежуточных соединений (и тем самым для получения ценной информации о механизмах превращений, исследования кинетики и стереохимии химических реакций, пространственной структуры и динамики молекул и надмолекулярных систем, выяснения строения вновь выделенных природных соединений и т. д. Спектроскопия в оптической области спектра (ультрафиолетовая, видимая, инфракрасная) используется прежде всего в следующих случаях 1) для определения концентрации 2) идентификации вещества 3) определения числа частиц в растворе (например с помощью изобестических точек). Физические основы метода. Из курса общей физики известно, что любое электромагнитное излучение связано с процессами, происходящими в атомах или молекулах. Способность излучать и поглощать электромагнитное излучение является общим свойством всех атомов и молекул. Излучение (поглощение) весьма избирательно, то есть излучение только определенной длины волны данной молекулой интенсивно поглощается, тогда как излучение других длин волн поглощается слабо или совсем не поглощается. Кривая зависимости поглощения от длины излучаемой волны (или частоты излучения) называется спектром поглощения вещества, который является специфической характеристикой данного вещества. В зависимости от агрегатного состояния вещества спектры разделяются натри группы линейчатый (для газов при низких давлениях, состоящих из одноатомных молекул полосатый (для газов, паров, жидкостей, состоящих из многоатомных молекул) исп л о ш ной (для раскаленных твердых и жидких тел). Если поглотитель — твердое тело (стекло, пластмассы и другое), области поглощения широкие и граница полосы поглощения, как правило, не резкая. Для молекулярных жидкостей, растворов и паров области поглощения наблюдаются в виде полос, которые несут информацию о строении исследуемых веществ и их концентрации. Изменения спектра позволяют сделать выводы о происходящих в веществе процессах. При исследовании лекарственных органических соединений важное место занимает молекулярный спектральный анализ (МСА). В его основе лежит качественное и количественное сравнение спектра исследуемого образца со спектрами других веществ. В спектрофотометрических методах применяются спектрофотометры приборы, позволяющие проводить анализ как 18.1. Спектральный анализ. Видимая и УФ-область окрашенных, таки бесцветных соединений по избирательному поглощению монохроматического излучения в видимой, ультрафиолетовой (УФ) и инфракрасной (ИК) областях спектра. Для возбуждения электронных переходов молекул обычно необходимо видимое или ультрафиолетовое излучение. Низкоэнер- гетическое инфракрасное излучение возбуждает колебательные переходы в атомной подсистеме молекул, тогда как чистые вращательные переходы при вращении молекулы как целого наблюдаются в еще менее энергетических микроволновых и радиочастотных диапазонах. Таким образом, природа полос поглощения (молекулярных спектров) в УФ- и видимой частях спектра связана с различными электронными переходами в поглощающих молекулах и ионах (электронная спектроскопия. В ИК-области она связана с колебательными переходами в молекулах (колебательная спектроскопия). В МСА различают также спектры комбинационного рассеяния света (КРС) и спектры флуоресценции. Используемая в настоящее время аппаратура позволяет измерять УФ-спектры в области от 190 до 380 нм, видимые — от 380 до нм, ИК-спектры — от 780 нм до 1 мм. Количественный МСА, связанный с измерением поглощения электромагнитного излучения, основан на законе Бугера—Ламбер- та—Бера, устанавливающем связь между интенсивностями падающего и прошедшего I через вещество света в зависимости от толщины l поглощающего слоя и концентрации с вещества (или Молярный показатель поглощения ? ( ? ? = ? 0, 43 ) является специфической физической константой для каждого вещества и может быть использован в целях его идентификации. Его определение позволяет установить содержание данного вещества в растворах неизвестной концентрации на основе измерения оптической плот- ности. Закон Бугера—Ламберта—Бера строго не выполняется, если падающее излучение немонохроматично (колориметрический и фо- токолориметрический анализ. В данном случае этот закон применим с большим или меньшим приближением в зависимости от степени постоянства оптической плотности в исследуемом интервале длин волн. Отклонения от закона Бугера—Ламберта—Бера наблюдаются также в следующих случаях 1) если различные формы поглощающих частиц находятся в равновесии, как, например, Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств в случае таутометрии или кислотно-основного равновесия 2) если системы имеют явно выраженную тенденцию к ассоциации молекул растворенного вещества между собой, либо между молекулами растворенного вещества и растворителя. Взаимодействие растворенного вещества с растворителем широко распространено, и его следы можно наблюдать в каждом спектре. Получение электронных спектров и принципы их анализа. Основными частями обычного спектрофотометра являются источник света, монохроматор и детектор прошедшего через вещество излучения. Рабочий диапазон большинства спектрофотометров составляет 190…750 нм. Источником излучения с ? = 190…450 нм служит дейтериевая разрядная лампа, излучение которой непрерывно в этом диапазоне, а остальную часть диапазона обеспечивает лампа накаливания. Для разложения источника излучения в спектр используется диспергирующий элемент. Из получающегося спектра с помощью щели выбирается узкий интервал длин волн. Такое излучение можно рассматривать как монохроматическое. Монохроматический свет расщепляют на два луча, один из которых проходит через ячейку (кювету, содержащую раствор изучаемого вещества, а другой — через такую же ячейку, имеющую только растворитель. Затем прошедшие через обе ячейки лучи автоматически сравниваются, и результаты сравнения регистрируются при непрерывном изменении длины волны. В современных приборах интенсивности излучения I и I 0 , прошедшие через раствори растворитель, измеряются фотоэлектрически. Кривая, выражающая зависимость интенсивности поглощения от длины волны или частоты, называется спектральной кривой поглощения, или спектром поглощения. Измерительная шкала спектрофотометра проградуирована в процентах пропускания T: = 0 100 где I 0 — интенсивность падающего излучения, ив величинах оптической плотности D : ? = = а шкала длин волн или волновых чисел (k = 1/ ?) — в нанометрах или в см соответственно. Обычно электронный спектр изображается в виде графика зависимости от ?. Если известна молярная концентрация, то по такому спектру несложно рассчитать молярный коэффициент поглощения. Часто после этого строят график зависимости ? или 18.1. Спектральный анализ. Видимая и УФ-область 550 ? lg от длины волны ?. График логарифмической зависимости представляет особый интерес в тех случаях, когда водном спектре имеются полосы различной интенсивности. Электронные спектры поглощения обычно состоят из нескольких широких полос и не имеют узких пиков, поскольку любой электронный переход сопровождается теми или иными изменениями во вращательных или колебательных состояниях молекул. Важнейшей характеристикой полос является длина волны, при которой наблюдается максимум поглощения. Иногда, если соседние полосы частично перекрываются, указывается минимум по- глощения. Рассмотрим использование электронных спектров поглощения для получения данных о структуре молекул. Характер электронных спектров молекул органических веществ обусловлен тремя основными структурными элементами связывающими ?- и орбиталями, разрыхляющими ? * - и орбиталями (возбужденное состояние) и несвязывающими орбиталями неподеленных пар электронов гетероатомов, или орбиталями, которые по определению не имеют соответствующего возбужденного состояния (рис. На рисунке схематически представлены относительные энергии этих электронных состояний с возможными энергетическими переходами при возбуждении молекулы квантами излучения в УФ- диапазоне. Соединения, содержащие только одинарные связи, поглощают в области длин волн менее 190 нм простые соединения с кратными связями — ниже 240 нм простые соединения со ЭнергияРазрыхляющиеs* - и орбитали s
Несвязывающие
n-орбитали
а б ў
б
в
а
Связывающие
s- и p -орбиталиРис. 18.1.1. Молекулярные орбитали и возможные энергетические переходы между ними: а и а' — одинарная связь электронов в молекуле б и б' — кратная связь в — несвязывающие электроны неподеленных пар гетероатомов Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств свободными электронными парами — ниже 260 нм. Поглощение кратных связей, неподеленных пари различных их комбинаций определяют все электронные спектры органических соединений в ближней УФ-области. Поглощение в УФ-области является следствием возбуждения электронов. Отдельные атомы связываются в молекулы электронами. Прочность этих связей, а следовательно, и характеристическая энергия перехода определяется природой ядер атомов, и, таким образом, длина волны, при которой происходит поглощение, определяется скорее группой атомов, чем просто электронами. Группа атомов, обусловливающая избирательное поглощение электромагнитного излучения в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, называется хромофором. Структурные изменения, происходящие в хромофорах, будут сказываться и на поглощении. Для успешного решения структурных проблем с помощью электронных спектров необходимо знать спектральные характеристики различных хромофоров. Спектры наиболее важных классов соединений, встречающихся в природе, описание связей между их спектрами и наиболее важными элементами структуры изложены в специальной литературе 18.2. ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ Большинство органических молекул поглощают колебательную энергию в области ? = 2,5…20 мкм (или k = 10 4 / ? = = 4000…500 см. Каждый ИК-спектр характеризуется серией полос поглощения, максимумы которых определяются волновым числом k или длиной волны ?. ИК-спектры органических соединений весьма сложны и не всегда поддаются однозначной интерпретации, однако ввиду того, что они несут значительно больше информации, чем такие физические параметры вещества, как температура плавления, показатель преломления или плотность, роль ИК-спектроскопии в идентификации веществ и установлении их структуры трудно переоценить. Важной характеристикой спектров является, помимо частот линий поглощения, также их относительная интенсивность, что необходимо учитывать при анализе спектра. Таким образом, ИК-спектр является своего рода паспортом органического соединения. Совсем необязательно иметь образец известного соединения для сравнения с неизвестным, как в случае определения точки плавления смешанной пробы, так как спектры исследуемых веществ легко можно сравнивать с кривыми поглощения приведенных в атласах спектров наиболее известных соединений 18.2. Инфракрасная спектроскопия В качестве инструментального метода анализа ИК-спектроско- пия применяется, во-первых, для обнаружения определенных функциональных групп в молекуле изучаемого соединения ( –ОН, –NН 2 , ОС и другие) и, во-вторых, для идентификации соединений путем сравнения их спектров со спектрами аутентичных образцов. Инфракрасные (колебательные и вращательные) спектры большинства органических соединений строго индивидуальны, особенно в области 1350—750 см, которая называется областью «отпечатка пальцев («фингерпринта»). Идентификация обычных веществ с использованием каталога стандартных спектров не представляет особых затруднений. Наличие изолированной функциональной группы или сочетания нескольких функциональных групп водной молекуле обусловливает появление характерных полос поглощения, благодаря чему их можно идентифицировать в спектре неизвестного соединения. Таким путем с помощью спектров модельных соединений нетрудно отличить, например, кетон от альдегида или амин от амида. С помощью кювет, изготовленных из хлорида натрия, можно регистрировать ИК-спектры газообразных, жидких и твердых веществ. Лекарственные препараты могут изучаться в форме паст, таблеток (в смеси с бромистым калием, тонких слоев чистых жидкостей, твердых пленок (осажденных из растворов при испарении растворителя или образованных путем охлаждения из расплавов) и разбавленных растворов в подходящих растворителях. Тонкие таблетки и растворы дают наилучшие результаты во всех других случаях получению правильных результатов препятствуют такие эффекты, как рассеяние света, межмолекулярное взаимодействие и смещение частоты, вследствие различия в диэлектрической проницаемости или поляризуемости окружающей среды. Принцип получения спектров в ИК-области такой же, как ив видимой и УФ-областях. Для химических (органических) лабораторий наиболее подходящим прибором является двухлучевой спектрометр (спектрофотометр, в котором один из расщепленных лучей проходит через исследуемый образец, а другой используется для сравнения. Однако, если при измерении частоты требуется наивысшая точность, рекомендуется использовать однолучевой прибор, в котором фон, создаваемый поглощением атмосферных паров воды, служит внутренним стандартом в областях валентных колебаний ОН и Си деформационных колебаний СН. В особенности это относится к поглощению гидроксильной группы. Для диспергирования света в ИК-спектрофотометрах применяются призмы из галогенидов щелочных металлов (прозрачные для ИК- излучения) или дифракционные решетки. С помощью электрон- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 553 ного устройства сравниваются интенсивности двух лучей, и на ленте самописца регистрируется зависимость относительной интенсивности света, прошедшего через образец, от длины волны (или волнового числа. Выпускаются спектрофотометры с фурье-преобра- зованием, позволяющие автоматически сканировать спектр сочень высокой скоростью. Высокая стоимость указанных приборов компенсируется чрезвычайно большой скоростью регистрации спектров и резким снижением количества вещества, необходимого для анализа. В силу присущих ей характеристик ИК-спектроскопия с фурье-преобразованием особенно полезна, например, при изучении соединений, элюирующихся последовательно с хроматографической колонки. Поглощение ИК-излучения в лекарственных препаратах. Поглощение в ИК-области спектра различается по типам колебаний молекул. Рассмотрим характерные типы колебаний, по которыми судят о структурных изменениях в молекулярных соединениях. При обычной температуре атомы в любой молекуле испытывают колебания в силу ее взаимодействия с соседними молекулами. Поглощение молекулой энергии ИК-излучения увеличивает амплитуду этих колебаний, которая затем быстро уменьшается до прежнего уровняв результате столкновений с соседними, менее активными, молекулами. Последние всегда находятся в избытке, поэтому система никогда не достигает энергетического насыщения. Любое изменение колебаний квантовано, поэтому энергия поглощается не непрерывно, а дискретно, что на спектре отражается как ряд пиков (полос поглощения). Чем больше молекул находится на пути светового пучка, тем больше вероятность того, что квант энергии будет взаимодействовать с ними, поэтому низкая концентрация изучаемого вещества приводит к спектрам с малоинтенсивными пиками. При наличии валентной связи возможны два типа колебаний, одни из которых вызваны изменением длины связи вдоль ее оси, так называемые валентные колебания. Они могут быть симметричными (риса, асимметричными (рис. 18.2.1, б. А другие колебания вызваны изгибом связи — так называемые деформационные (рис. 18.2.1, в. Простой моделью такого колебания могут служить две сферы, соединенные пружиной, не имеющей массы. Нетрудно понять, что изогнуть пружину намного легче, чем растянуть ее. По этой причине де- Рис. 18.2.1. Основные виды колебаний в молекуле: а — симметричные; б — асимметричные; в — деформационные 18.2. Инфракрасная спектроскопия формационные колебания химических связей требуют меньших затрат энергии и осуществляются при меньших частотах, чем валентные колебания тех же связей. В упоминавшемся выше диапазоне «фингерпринта» расположены полосы, отвечающие различным деформационным колебаниям. В этом низкочастотном диапазоне (1350…400 см) наблюдается специфический набор полос, характерный для изучаемого соединения в целом, и набор полос, типичных для некоторых группировок. Так, например, картина распределения полос поглощения в диапазоне 1000…750 см помогает выяснить положение заместителей и двойной связи в ароматическом кольце. В высокочастотной области (4000…2500 см) располагаются полосы поглощения, вызванные валентными колебаниями связей Х—Н, а в области 2000…1500 см — колебаниями кратных связей, например связи олефиновый углерод — углерод или связи С =O карбонильной группы. В идеальном варианте валентное колебание связи описывается законом Гука, согласно которому степень растяжения связи пропорциональна растягивающей силе, действующей на эту связь. Частота колебаний определяется уравнением = ? 1 2 K c где с — скорость света К — постоянная, отражающая прочность связи = + 1 2 1 2 m m m m m — приведенная масса связи (m 1 и m 2 — массы двух атомов, соединенных этой связью. Из указанного уравнения следует, что в отсутствие других факторов частота колебаний связи возрастает при повышении прочности и уменьшении приведенной массы. Не все молекулы и не все химические связи поглощают инфракрасное излучение. При взаимодействии ИК-излучения смоле- кулой осциллирующая электрическая компонента поля взаимодействует с осциллирующим электрическим дипольным моментом молекулы. Таким образом, чтобы молекула поглощала энергию ИК- излучения, при колебаниях молекулы должен изменяться ее дипольный момент. Колебания простых двухатомных молекул, например молекул Н или N 2 , не нарушают их симметрию и не приводят к появлению полос поглощения в ИК-спектрах. С другой стороны, отсутствие постоянного дипольного момента в многоатомной молекуле не исключает возможности поглощения ею ИК-излучения. Молекула диоксида углерода, например, симметрична и линейна, но вследствие колебаний одной из ее связей положительный и отрицательный ряды располагаются несиммет- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 555 рично (рис. 18.2.1, б, в результате чего индуцируется мгновенный дипольный момент и создаются условия необходимые для поглощения ИК-излучения. По указанным причинам из трех типов колебаний, представленных на рис. 18.2.1, только асимметричное валентное колебание б и деформационное колебание в активны в инфракрасном диапазоне и дают соответствующие пики в спектре поглощения. Таким образом, идентификация лекарственного вещества может быть проведена путем сопоставления ИК-спектра исследуемого вещества с аналогичным спектром его стандартного образца или сего стандартным спектром. Сопоставление ИК-спектров рекомендуется начинать с анализа характеристических полос поглощения (полосы, связанные с колебаниями функциональных групп или связей в молекулах, которые обычно хорошо проявляются на спектрах, и лишь при их совпадении производится сопоставление низкочастотной области со своим специфическим набором полос. Полное совпадение полос поглощения в ИК-спектрах свидетельствует об идентичности веществ. Наряду с положением полос поглощения, существенной характеристикой веществ является интенсивность полос поглощения, которая может быть охарактеризована в спектрах величиной показателя поглощения (k) или величиной интегральной интенсивности поглощения, равной площади, под кривой поглощения. Абсолютная интенсивность полос поглощения в ИК-спектро- скопии не столь важна, как в электронной спектроскопии, и обычно ее вообще не измеряют. Как правило, полосы поглощения по интенсивности подразделяют на сильные, средние и слабые. В общем случае, чем больше дипольный момент связи или группы, тем интенсивнее соответствующая полоса поглощения. Например, полярная карбонильная группа обусловливает появление доминирующей в ИК-спектре полосы поглощения карбонильного соединения (интересным исключением является группа С, для которой типична очень слабая полоса поглощения). Интенсивности поглощения могут быть использованы для установления строения вещества и для количественного анализа. Спектрофотометрический анализ может быть проведен для любых веществ как органической, таки неорганической природы. Например, анализ по непосредственному измерению оптической плотности пригоден для ароматических соединений, соединений с сопряженными кратными связями, соединений ряда металлов и др. Существуют другие, более простые, методы анализа, основанные на поглощении излучения и дополняющие методы видимой, УФ- и ИК-спектроскопии. К ним относятся 18.2. Инфракрасная спектроскопия 556 колориметрический метод, основанный на визуальном сравнении интенсивностей окрасок растворов разных концентраций при помощи несложных приборов фотоколориметрический метод, основанный на измерении степени поглощения немонохроматического света испытуемым веществом с помощью фотоэлектроколориметров; дифференциальный метод анализа, используемый для повышения точности спектрофотометрических и фотоколоримет- рических измерений при определении высоких концентраций веществ (от 10 до 100 %); эмиссионная и атомно-абсорбционная пламенная спектрометрия, основанная на изучении спектров испускания атомов и молекул при возбуждении их в пламени горелки. Количественное определение химического элемента методом эмиссионной спектрометрии основано на зависимости интенсивности спектральной линии от концентрации элемента в растворе. Принцип атомно-абсорбционной спектрометрии заключается виз- мерении интенсивности резонансной линии определяемого элемента, которая пропорциональна числу атомов в поглощающем слое 18.3. СПЕКТРОСКОПИЯ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА Спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС) и ИК- спектроскопия являются эффективными методами исследования строения молекул. Метод КРС перспективен при выяснении строения природных соединений. Недостаточное распространение метода в фармации связано главным образом стем, что до последнего времени практически не было доступных, надежных и простых приборов, позволяющих получать удовлетворительные спектры КРС с малыми количествами вещества. Спектры КРС позволяют проводить качественный и количественный молекулярный анализ вещества, идентифицировать соединения и обнаруживать их в смесях, определять молекулярные и атомные характеристики веществ, их упругие, релаксационные и другие постоянные. В ряде случаев эти спектры являются единственным источником информации о запрещенных переходах в молекулах. Спектроскопия КРС позволяет различать пространственные изомеры молекул (каждый из которых имеет свой индивидуальный спектр, то есть решать тонкий вопрос структурной химии — различие цис- и транс-изомеров. Вращательные спектры Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 557 КРС позволяют определять длины связей и валентные углы в молекулах исследуемых веществ. Спектры КРС позволяют судить о симметрии нормальных колебаний и, следовательно, о симметрии молекулы в целом и ее структуре. На методе спектроскопии КРС основаны многочисленные методы определения параметров макромолекул (например, их размеров и массы, изучения размеров и форм мелких частиц в полимерных растворах и т. д. Возможности метода спектроскопии КРС во многом повторяют возможности ИК-спектроскопии, рассмотренные ранее, так как спектры КРС родственны ИК-спектрам. Однако эти два типа спектров имеют разное происхождение и не дублируют друг друга, поскольку определяются различными правилами отбора переходов. Совместное рассмотрение спектров КРС и ИК дает намного больше структурной информации, чем изучение каждого спектра вот- дельности. Физические основы метода. Физика КРС связана с разделами колебаний и волна также с квантовой теорией света, изучаемых в курсе общей физики. Любую молекулу можно представить как сложный осциллятор, в котором отклонения атомов от положения равновесия можно считать смещениями вдоль связи и изменением валентных углов. Линейные комбинации смещений описывают колебания молекулы в целом с частотами так называемых нормальных колебаний. Пример нормальных колебаний молекулы Н 2 О приведен на рис. 18.3.1. Реальное колебание представляет собой одновременное выполнение всех этих движений. Рис. 18.3.1. Нормальные колебания молекулы воды При помощи спектра можно определить совокупность частот нормальных колебаний молекул. Для прикладных целей большое значение имеет характеристичность многих частот колебаний. Опыт показывает, что в некоторых нормальных колебаниях изменяется в основном какое-либо одно межатомное расстояние или один валентный угол естественно, такая частота мало изменяется в группе родственных соединений, если только молекула содержит данную связь. Это обстоятельство и используется в спектральном анализе 18.3. Спектроскопия комбинационного рассеяния света В рамках квантовой теории взаимодействия излучения с веществом единичный акт рассеяния света рассматривается как поглощение частицей вещества падающего фотона (кванта света) с энергией, а затем испусканием фотона с энергией
?
?
h
. Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощенного (то есть при = ? ), рассеяние называется упругим (рэлеевским. Такое рассеяние будет когерентным с интенсивностью
?
4
1 /
I
(закон Рэлея).
При рассеянии света молекулами, наряду с рэлеевскими (несмещенными) линиями, в спектре рассеяния появляются линии неупругого рассеяния с частотами, отличающимися от частоты падающего излучения (
?
? ? ? ). Причем частоты новых линий в спектре рассеяния являются комбинациями частоты падающего света и частот колебательных и вращательных переходов рассеивающих молекул отсюда и происходит название Комбинационное рассеяние света. КРС наиболее часто связано с переходами между колебательными уровнями энергии молекулы.
При попадании света на молекулы происходит взаимодействие электронов молекулы с полем падающей волны. Молекула, находящаяся в невозбужденном состоянии, под действием кванта с энергией через промежуточное электронное состояние, испуская квант
? ? ?
(
)
i h
, переходит в состояние с колебательной энергией h
. Этот процесс приводит к появлению в рассеянном свете так называемой стоксовой линии с частотой
? ? ?
i
(риса. Если фотон попадает на уже возбужденную молекулу, то одновременно с рассеянием происходит переход молекулы на низший энергетический уровень. Эту лишнюю энергию забирает фотон, при этом энергия испускаемого (рассеянного) фотона превышает энергию
Рис. 18.3.2. Схема переходов при КРС:
|
|
|
Скачать 4.28 Mb.