Биофизика. Учебник для студентов фармацевтических и медицинских вузов удк 577. 3(075. 8) Ббк 28. 901я73 т 41
 Скачать 4.24 Mb.
|
? = 90° и ?Определение показателя преломления п производится при температуре) Си длине волны линии D спектра натрия нм. Современные приборы откалиброваны таким образом, что отсчеты, полученные по их шкалам, соответствуют показателям преломления n D для линий натрия, поэтому к источнику света предъявляются особые требования. Диапазон измеряемых п в проходящем свете составляет 1,3—1,7. Точность метода порядка Метод применяется также для определения концентрации вещества в растворе (с, которую находят по графику зависимости с. На графике выбирают интервал концентраций, в котором наблюдается линейная зависимость между n и с. В этом интервале концентрацию можно вычислить по формуле n n где c х — концентрация раствора п — показатель преломления раствора показатель преломления растворителя F — фактор, равный приросту показателя преломления при увеличении концентрации на 1 % (устанавливается экспериментально). В интерференционных методах разность ?n сравниваемых сред определяется по числу порядков интерференции лучей, прошедших через эти среды. На рис. 18.10.3 приведена схема, поясняющая принцип действия интерференционного рефрактометра. Две части светового луча при прохождении через кюветы определенной длины, заполненные веществами с различными п, приобретают разность хода и, сведенные вместе, дают на экране интерференционную картину. Разность = ? = ? 1 2 1 2 n n n k , (Рис. 18.10.3. Принципиальная схема действия интерференционного рефрактометра Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств где ? — длина волны падающего света. Точность этого метода достигает. Его применяют, например, при измерениях газов и разбавленных растворов. Показатель преломления вещества прежде всего зависит от длины волны падающего света, поэтому при определении необходимо указывать, какой длине волны он соответствует. В физико-хи- мическом анализе часто используется зависимость показателя преломления от содержания вещества в растворе, для определения последнего. Однако это можно делать только тогда, когда эта зависимость сильная, например, так определяют содержание сахара С 12 Н 22 О 11 в растворе (рис. 18.10.4). Но этим способом нельзя воспользоваться для определения метилового спирта СН 3 ОН в растворе, поскольку изменение показателя преломления невелико. Для тройных систем один показатель преломления немо- жет однозначно характеризовать состав системы. В этом случае необходимо задать другие физи- ко-химические величины плотность, температуру кипения, поверхностное натяжение и т. п. Показатель преломления зависит также от внешних факторов температуры и давления. Чтобы исследовать зависимость от состава вещества, используется величина, зависящая исключительно от природы данного вещества. Такой величиной является молекулярная рефракция R, 2 2 1 где M — молекулярный вес вещества ? — его плотность 18.11. ХРОМАТОГРАФИЯ Хроматография относится к физико-химическим методам анализа и является наиболее широко используемым методом в аналитической химии. Хроматографическое зрение химика используется для исследования всех веществ газообразных, жидких и твердых и отличается универсальностью, большой чувствительностью ивы- сокой селективностью. Рис. 18.10.4. Зависимость показателя преломления сахара и метилового спирта от концентрации 18.11. Хроматография Хроматографический анализ основан на разделении различных растворенных веществ, присутствующих водном растворе, путем принудительного перемещения компонентов смеси до определенных участков хроматографической системы. Подвижность органических молекул несомненно зависит от их структуры и связана с процессами сорбции и десорбции. В отдельных случаях можно устанавливать связь между структурой и подвижностью молекул, что облегчает идентификацию соединений. Однако сами по себе хроматографические данные не дают никаких оснований для надежных выводов о структуре соединений. Сделать такие выводы позволяют результаты прямого сравнения хроматограмм анализируемого вещества и соответствующего эталона. Хроматографический анализ служит основой для качественного и количественного анализа смеси веществ, для разделения и идентификации ионов молекул. Перспективным является сочетание хроматографии с другими методами анализа (масс-спектро- метрией, спектрометрией и др.). Хроматография — метод разделения, анализа и исследования веществ, основанный на различии в скоростях движения отдельных компонентов смеси, распределенной в потоке подвижной фазы вдоль слоя неподвижной фазы (сорбент с развитой поверхностью). По агрегатному состоянию подвижной среды хроматография делится на газовую и жидкостную по геометрии неподвижной фазы на колоночную (в том числе капиллярную) и плоскослойную (в том числе хроматографию на бумаге и тонкослойную хроматографию. Помеха низ мура з- деления различают ионообменную хроматографию, основанную на различной способности разделяемых ионов в растворе к ионному обмену с ионитом эксклюзионную хроматографию, основанную на различной способности молекул разного размера проникать в поры неоногенного геля осадочную хроматографию, основанную на различной растворимости осадков, образуемых компонентами смеси со специальными реактивами, нанесенными на высокодисперсное вещество аффинную хроматографию, основанную на специфическом взаимодействии биологически активных веществ с лигандами (ингибиторы, кофакторы, субстраты, ковалентно связанными с нерастворимыми носителями (силикаты, целлюлоза и другими адсорбционную хроматографию, основанную на избирательной адсорбции отдельных компонентов смеси распределительную хроматографию, основанную на различной сорбции компонентов смеси двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых (неподвижная) находится в порах твердого носителя. Этих лаконичных определений известных видов хроматографии недостаточно для того, чтобы уяснить суть процессов, лежа- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 605 щих в основе хроматографии. Рассмотрим эти вопросы подробнее. Из общеобразовательного курса химии известен способ разделения жидких веществ в ректификационной колонне. Для анализа жидких смесей может быть использован прибор, называемый хроматографом, построенный но аналогичной схеме 1) устройство, дозирующее смесь и проталкивающее ее через слой насадки) колонка с активной насадкой или сорбентом, адсорбирующая или поглощающая некоторые разделяемые вещества 3) датчик, фиксирующий выход из колонки компонентов смеси и преобразующий его в электрический сигнал. Если исследуемую смесь вводят в поток газа, проходящего под давлением через насадку, то этот метод называется газовой хроматографией, а если носитель жидкий растворитель, метод называется жидкостной хроматографией. Если при газовом носителе насадку покрывают слоем нелетучей жидкости, которая дополнительно тормозит продвижение по колонке некоторых компонентов смеси, — такой вариант называется газожидкостной хроматографией. Любой вид хроматографии (газовая, жидкостная, газожидкостная и другие) основан на различии в скоростях продвижения компонентов смеси в условиях межфазного переноса. Взаимодействуют две фазы, подвижная и неподвижная, а молекулы постоянно перемещаются из одной в другую и при этом сортируются. Впервые указанный метод был предложен в 1903 году русским ботаником М. С. Цветом. Термин хроматография переводится с греческого как «цветопись», так как в опытах МС. Цвета проводилось разделение красящих веществ расте- ний-пигментов с помощью колонок, заполненных сорбентом, каждый из компонентов смеси проявлялся в колонке отдельной ярко окрашенной полосой. График выхода компонентов смеси из хроматографической колонки m(t) (рис. 18.11.1) показывает, что чистые вещества выходят с большими интервалами, узкими зонами. Следует отметить, что кривая, которую изображает самописец хроматографа, выглядит иным образом, так как детектор измеряет не абсолютную массу каждого компонента, а лишь его концентрацию в потоке носителя, то есть первую Рис. 18.11.1. График выхода компонентов смеси из хроматографической колонки) и кривая, изображенная самописцем хроматографа (первая производная массы m повремени. Хроматография производную от массы повремени. Поэтому на хроматограмме каждому подъему интегральной кривой, показанной на рис. соответствует пик, имеющий в идеальном случае колоколообразную форму гауссовой кривой, то есть форма пика описывается нормальным распределением. Причина размывания полос кроется в том, что все молекулы одинакового строения не выходят из колонки строго в один момент, так как в реальных условиях невозможно достичь одинаковых скоростей движения молекул (например вблизи стенок и на оси колонки. Если колонка набита неаккуратно или проходящее через нее вещество специфически взаимодействует с неподвижной фазой, или колонка полностью не очищена от предыдущей смеси, то могут наблюдаться соответственно различные искажения нормальной формы пиков (рис. Однако даже в том случае, когда хроматограмма имеет единственный пик, выходящий в определенный момент времени, нет уверенности в том, что через колонку хроматографа проходит лишь одно чистое вещество. Необходимо увеличить чувствительность прибора, если не имеет место неполное разделение смеси. Добиться максимума разделяющей способности можно подбором неподвижных фаз (что иногда приводит к разделению одного пикана два или три) либо удлинением колонки при одновременном уменьшении ее диаметра, что приводит к нежелательному увеличению времени анализа. Один из самых распространенных приемов, применяемых при расшифровке хроматограмм, следующий если имеется предположение о соответствии некоего пика определенному веществу, данное вещество вводят в прибор отдельно или добавляют к анализируемой смеси, следя за изменением пикового значения. Рост пика аргумент в пользу данного вещества. Необходимо иметь ввиду, что при аналитической хроматографии пробу вещества необходимо брать как можно меньше, то есть следует довольствоваться долями миллиграмма. Если же требуется не анализировать, а препаративно разделять, то следует значительно увеличивать дозу вещества. Однако, как показано на рис. разрешающая способность прибора сразу ухудшается по сравнению с оптимальной дозой смеси. При записи хроматограмм сложных смесей возникает целый ряд проблем. Предположим, хроматограф работает несколько часов и на самописце получен очередной пик. Может ли эксперимен- Рис. 18.11.2. Искажения нормальной формы пиков на хроматограмме Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 607 татор быть уверенным в том, что этот пик последний Необходимо повысить температуру термостата, в который заключена колонка, чтобы ускорить выход оставшихся в колонке компонентов, однако при этом нарушится баланс в схеме самописца, то есть собьется равный ход нулевой линии прибора. В этом случае следует прекратить запись хроматограммы и продуть колонку газом-носителем под нагревом. Для того чтобы в разумно короткий срок получить хроматограмму сложной смеси, которая состоит из веществ, сильно отличающихся по летучести, необходимо использовать хроматограф, позволяющий равномерно повышать температуру колонки со скоростью в несколько градусов в час. Высота пикана хроматографе пропорциональна концентрации соответствующего компонента смеси в газе-носителе, а интеграл от гауссовой функции — суммарному количеству этого компонента. Такие интегралы легко определяются с помощью электронного устройства — интегратора или с помощью обычных весов. Так как интеграл любой математической функции — это площадь поверхности под кривой, то, следовательно, если вырезать все пики хроматограммы и взвесить полученные части, то масса каждой из них будет пропорциональна содержанию соответствующего компонента в смеси (предполагается, что плотность и толщина бумаги постоянны. Это трудоемкая работа, ив современных хроматографах как микропроцессор используют электронные интеграторы. В настоящем параграфе изложены самые общие сведения оме- тоде анализа сложных веществ — хроматографии. В заключение отметим основные характеристики современных хроматографов. Газовые хроматографы, предназначенные для анализа металлов и солей, работают при температурах колонок до 1350 С. Удельная эффективность капиллярных колонок в расчете на метр длины достигает теоретических тарелок (по аналогии с процессом ректификации. В жидкостной хроматографии установлен еще более впечатляющий рекорд — от сотен тысяч до миллионов. Это позволяет разделять смеси веществ почти неотличимых по свойствам, например соединения редкоземельных или трансурановых элементов. Чувствительность детекторов достигает 10 –16 моль, то есть детектор реагирует на появление в среде растворителя всего нескольких миллионов инородных молекул. Скорость диализа такова, что жидкостный хроматограф позволяет разделить до 13 компонентов в минуту, а газожидкостный — до 7 с установлением структурных Рис. 18.11.3. Уменьшение разрешающей способности прибора, вызванное увеличением дозы вещества (б, по сравнению с оптимальной (а 18.11. Хроматография формул большинства компонентов при помощи быстродействующей спектроскопии. Количество разделяемой смеси лежит в пределах от килограммов до тонн (например, хроматографические колонки для очистки воды имеют диаметр около метра и высоту — несколько метров. Стоимость серийного прибора не слишком высока, и затраты на его приобретение окупаются достаточно быстро. Наиболее эффективное сочетание возможностей техники разделения и идентификации веществ достигнуто в результате объединения в одну систему газового хроматографа и масс-спектро- метра. Такая система называется хроматомасс-спектрометром, а соответствующий метод анализа — хроматомасс-спектрометрией. Масс-спектрометр способен работать в режиме обнаружения ка- кого-либо одного иона или, в частности, фрагмента молекулы. Поэтому с помощью компьютера можно определить количество каждого компонента, даже если после прохождения хроматографической системы они полностью не разделились. Наряду с хроматографией метод электрофореза относится к наиболее важным дифференциальным миграционным методами применяется для разделения смесей путем принудительного перемещения их компонент в различные участки системы под действием внешнего электрического поля. Разделяемые вещества перемещаются в определенной среде обычно в стабилизированном растворе электролита. Метод электрофореза иногда носит такие названия, как «ионофорез», «катофорез», «электроматография» и др. Таким образом, хроматографические методы, являясь наиболее универсальными при разделении веществ, применяются для разделения смесей любых растворимых или летучих соединений. Метод газовой хроматографии может использоваться и для разделения нелетучих соединений в том случае, если их можно превратить в стабильные летучие соединения. Теоретически любые растворимые вещества можно разделить с помощью соответствующего метода жидкостной хроматографии 18.12. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ Для успешного развития отечественной фармацевтической промышленности необходимо разрабатывать и внедрять новые способы обработки сырья, так как многие традиционные способы и технологические процессы достигли своего естественного предела ив настоящее время тормозят дальнейшее интенсивное развитие фармацевтического производства. К перспективным методам интен- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 609 сификации технологии производства лекарственных веществ и улучшения качества готовой продукции можно отнести некоторые физические методы. С учетом изложенного проведем анализ влияния и использования электромагнитных полей в технологии производства лекарственных средств. Обработка лекарственных средств в электромагнитных полях. Известно, что материя в природе существует в виде вещества и поля, находящихся в равновесии между собой, ив определенных случаях допустимо интенсифицировать превращение веществ электромагнитными полями. Электромагнитное поле распространяется в виде электромагнитных волн с определенными частотами (длинами волн, и вещество по-разному реагирует на поле враз- ных диапазонах частот. Чем больше частота излучения (или меньше длина волны, тем более энергетическим, жестким оно является. Так, влияние гамма- и рентгеновских волн на органические и неорганические вещества не подлежит сомнению и является предметом интенсивного изучения. Рассмотрим лишь некоторые аспекты влияния видимого и более длинноволнового излучения на лекарственные вещества. Видимое излучение. Известно, что действие света на некоторые вещества (алкалоиды, производные фенотиазина, отдельные антибиотики и другие) приводит к фотохимическим реакциям, разрушая эти светочувствительные препараты. Поэтому многие лекарственные препараты хранятся в банках оранжевого стекла, почти непроницаемого для волн длиной до 470 нм, которые обладают наибольшей способностью к разложению химических веществ. Наименее изученной проблемой, по-видимому, является возможность использования лазеров в фармацевтическом производстве. Лазерное излучение представляет собой монохроматическое, когерентное излучение с высокой плотностью энергии в пучке. Известны исследования по использованию гелий-неонового лазера, работающего в области красного света, для стерилизации термолабильных инъекционных растворов и порошков (спазмо- литина, апрофена, тифена). Излучение гелий-неонового лазера оказывает бактериостатический эффект в зависимости от мощности излучения на наиболее распространенные микроорганизмы (стафилококк патогенный, кишечную палочку и другие) и микроорганизмы, являющиеся возбудителями раневой инфекции. Поглощение жидкостью лазерного излучения приводит к светогидравли- ческому эффекту. При этом наблюдается не только интенсивная турбулизация жидкости, но и значительная деформация частиц сырья, находящихся в жидкости, вплоть до разрыва клеток, вызванного избыточным давлением в ударной волне (до 10 22 Па 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств Инфракрасное излучение. ИК-излучение (или тепловое излучение) занимает спектральную область между красной границей видимого диапазона излучения и СВЧ-радиоизлучения ( ? 1…2 мм. В фармацевтической промышленности ИК-излучение применяется для сушки и нагрева веществ. Влияние температуры сказывается на скорости многих химических реакций. Увеличение температуры на 10 К приводит к возрастанию скорости реакции в два — четыре раза, а следовательно, и к уменьшению устойчивости целого ряда лекарственных веществ (валидол, бромкамфара в таблетках). Процесс сушки в технологии производства фармацевтических препаратов — сложный диффузный процесс, скорость которого определяется скоростью переноса теплоты и влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. То есть процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена. По способу подвода теплоты и особенностям технологии различают следующие виды сушки радиационная, конвективная, кондуктивная, диэлектрическая, ультразвуковая и сублимационная. Для понимания явлений, происходящих в процессе сушки, необходимы глубокие знания целого ряда разделов физики термодинамики, молекулярной физики и др. Изучение процесса сушки невозможно без использования таких физических понятий, как энтальпия, теплоемкость, относительная и абсолютная влажность, влагосодержание, парциальное давление и т. д. Радиационная сушка или сушка инфракрасным излучением осуществляется в области длин волн от 0,8 мкм до 400 мкм, причем, как следует из закона Планка, с повышением температуры максимум излучения смещается в сторону более коротких волн. Сублимационная сушка основана на свойстве влаги удаляться при давлении менее 600 Па при различных температурах. При таком вакууме влажный материал имеет температуру ниже 0 С, свободная влага в высушиваемом образце замерзает, и ее испарение осуществляется сублимацией, то есть путем перехода из твердого тела в газообразное, минуя жидкое. Диэлектрическая сушка основана на нагреве диэлектриков в электрическом поле высокой частоты. Отличительная особенность нагрева диэлектриков — равномерное выделение теплоты во всем объеме в результате превращения электрической энергии в тепловую, что должно представлять особый интерес для технологии производства фармацевтических препаратов. Нагревание влажных диэлектриков в переменном электрическом поле основано на явлении поляризации. В диэлектриках поворот электрических диполей и их колебания под действием внешнего электрического поля связаны с выделением теплоты, то есть энергия, затрачиваемая на Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств поляризацию диэлектрика, генерируется в виде теплоты. Основное преимущество диэлектрической сушки — высокое качество получаемого продукта и малая длительность процесса сушки. Процессы сушки, ионного обмена, сорбции, экстрагирования, используемые в фармацевтическом производстве, могут быть интенсифицированы при использовании низкочастотной обработки сырья. Это обусловлено тем, что диффузные массообменные процессы ускоряются в результате образования знакопеременного давления и кавитации. Кроме того, мощные колебания звукового и ультразвукового диапазонов усиливают эффект и интенсифицируют внутридиффузные процессы. Применение низкочастотных колебаний в системе твердое тело—жидкость» очень эффективно при растворении лекарственных веществ, которое полностью зависит от гидродинамики среды, а следовательно, от таких физических характеристик среды и сырья, как число Рейнольдса, плотность и динамическая вязкость среды, диаметр частиц, характер движения жидкости (ламинарный или турбулентный, частота и амплитуды колебаний. При изготовлении большинства лекарственных форм ив процессе переработки лекарственного сырья часто используются энергоемкие и малоэффективные тепломассообменные процессы, требующие больших затрат. Традиционные методы передачи теплоты с помощью пара, горячей воды, ИК-нагрева не обеспечивают равномерного и быстрого прогрева всей массы сырья. Используя интенсивные электромагнитные поля, можно достигать быстрого безынерционного нагрева всего объема сырья и высокого КПД аппаратуры. Применение высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний в технологических процессах производства лекарственных средств позволяет интенсифицировать эти процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход. Высокочастотное (ВЧ) и сверхвысокочастотное (СВЧ) излучения. Для промышленных целей ВЧ-обработка материалов используется в метровом диапазоне 20...150 МГц (длины волн от 15 м дом, для СВЧ-оборудования выделены дециметровый диапазона также частоты 2375, 915 и 433 МГц (длины волн 12,6, и 69,3 см. Возможно также использование электромагнитного излучения в сантиметровом (3•10 9 …3•10 10 Гц) ив миллиметровом 10 …3•10 11 Гц) диапазонах. При обработке материала ВЧ- и СВЧ-излучением происходит одновременный нагрев всей массы сырья, что обусловлено способностью ВЧ- и СВЧ-полей проникать на значительную глубину. Кроме того, при таком способе обработки полностью отсутствует 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств тепловая инерция. Преимуществом ВЧ-обработки является также то, что в единице объема достигается высокая концентрация энергии, причем практически одинаковая как в центре, таки на поверхности обрабатываемого сырья. Следует отметить, что тепловой КПД ВЧ- и СВЧ-аппаратуры высоки достигает 70 Используя понятия электрический диполь и поляризация диэлектриков, воздействие ВЧ- и СВЧ-излучений на объект можно объяснить следующим образом при помещении диэлектрика в переменное электромагнитное поле электрические моменты диполей изменяют свое направление в соответствии с изменением внешнего электрического поля. Преодоление сил трения и внутримолекулярного сцепления, препятствующих перемещению диполей, представляет собой работу, совершаемую переменным электромагнитным полем, то есть в результате прохождения через диэлектрик энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию. Ясно, что с увеличением частоты колебаний возрастает интенсивность перемещения электрических диполей, что в свою очередь приводит к увеличению теплоты, выделяемой в ди- электрике. Большинство сырья растительного происхождения, используемое в фармацевтическом производстве, можно отнести к диэлектрикам, а основными характеристиками диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость, коэффициент поглощения и угол потерь. Эти величины колеблются в широких пределах. Так, для свежесобранных лекарственных растений диэлектрическая проницаемость находится в диапазоне 40...65, ау порошкообразных лекарственных средств, жиров и масел — в пределах ч В любом лекарственном сырье влажность неравномерно распределена по всему объему. Поэтому под действием электромагнитного поля мощность, выделяемая в разных элементах объема, будет различна, то есть возникает градиент температуры, который осуществляет молекулярный перенос вещества и создает избыточное внутреннее давление, разрыхляющее структуру обрабатываемого сырья. При большом содержании в сырье механически связанной влаги (свыше 30 %) происходит быстрое вскипание во всем объеме. Выделяющийся в большом объеме пар вскрывает клетки и капилляры, что приводит к значительному измельчению обрабатываемого сырья (эффект диэлектрического разрушения. При этом мощность СВЧ-источника должна быть достаточной, чтобы обеспечить скорость нагрева сырья в диапазоне 1,3—1,6 К/с. Используя различия в коэффициентах поглощения жидкостей, можно с помощью СВЧ-нагрева получить некоторые масла растительного происхождения (шиповник, облепиха и пр. При быст- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств ром СВЧ-нагреве водяной пар, расширяясь, выталкивает из клеток и капилляров капельки масла, которые затем собираются известными способами. При СВЧ-нагреве отмечается значительно меньше потерь витаминов, чем при термической обработке. Так, например, при обработке СВЧ-излучением извлечений лекарственных растений с малой концентрацией спирта потери витаминов В и В составляют против 25—28 %. Это объясняется тем, что вещества в отварах, полученные СВЧ-нагревом, подвергаются деструкции в меньшей степени. СВЧ-излучение используется не только для нагрева, но и для сушки лекарственного сырья. Преимущество этого метода, по сравнению с конвективным подводом теплоты, заключается в следующем процесс перемещения влаги от центра объекта к поверхности не осложняется противотоком — термодиффузией от поверхности к центру. Наоборот, возникает избыточное давление пара от центра к поверхности объекта. Для термолабильного лекарственного сырья применяется ВЧ-сушка с частотой до 40 мГц с использованием вакуумной системы. Очевидно, можно предположить использование ВЧ и СВЧ для стерилизации жидких лекарственных форм и термолабильного лекарственного сырья. Основными преимуществами, по сравнению с традиционными тепловыми способами стерилизации, являются снижение эффективной температуры обработки, то есть температуры, при которой проявляется стерилизующий эффект сокращение времени обработки, а следовательно, сохранение физико-химических свойств сырья отсутствие непосредственного контакта с рабочими поверхностями обо- рудования. При быстром повышении температуры до 100 Си с помощью ВЧ-излучения достигается полная стерильность при заражении растворов и сред плесенями, дрожжевыми и спорообразующими формами микроорганизмов. Для уничтожения спорообразующих форм необходим нагрев в ВЧ-поле стерилизуемого материала до 150—155 С. Быстро действуют токи ВЧ на вегетативные формы микроорганизмов (угнетается их рост. Вирусы под действием токов ВЧ теряют вирулент- ность. С помощью СВЧ-энергии возможна стерилизация в расфасованном виде уже готовой фармацевтической продукции мазей, паст в тубах лекарств в конвалютах (оцелофаненных и бумажных, упакованных в коробки (сборы, присыпки, порошки желатиновых капсул, не содержащих гидрофильной жидкости, таблеток, драже, пилюль и др. Невозможна стерилизация ампул и укупоренных под колпачок жидких лекарственных форм, так как из-за избыточного давления паров наступает разгерметизация 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств 614 СВЧ-излучение может быть использовано для активации ферментных препаратов. Так, например, при обработке СВЧ-полем (2450 МГц) 0,01 %-ного водного раствора ферментного препарата амилосубтилина в течение 10 св интервале температур 20—65 °С активность препарата увеличилась на 70 % по сравнению с контрольным препаратом. Звуковые и ультразвуковые (УЗ) излучения. Усовершенствование технологии производства фармацевтических препаратов и методов анализа лекарственных средств связано с использованием акустических колебаний ив частности, ультразвуковых колебаний в диапазоне частот 10 5 ...10 8 Гц. В звуковом и низком ультразвуковом диапазонах (10 0 5•10 1 кГц) проявляются такие физические явления, как акустическая кавитация, интенсивное перемешивание, интенсификация массообменных процессов, эффекты диспергирования в системе «твердое тело — жидкость (получение суспензий, эмульсий, расслоение взвешенных в жидкой среде твердых частиц по массе и размерам, коагуляция. В диапазоне частот 5•10 1 ...10 3 кГц отмечаются такие физические явления, как разделение молекул и ионов с различной массой появление переменного электрического поля, капиллярно- акустического и теплового эффектов активация диффузии; увеличение проницаемости клеточных мембран. В высоком ультразвуковом диапазоне (более 10 3 кГц) возникают изменения в структуре веществ, воздействия на клеточном и субклеточном уровнях, магнитно- и электроакустические эффекты. Этот диапазон частот используется в физико-акустических методах анализа для определения характера интенсивности межмолекулярных взаимодействий, конформационных превращений. Перечисленные три поддиапазона частот, хотя и имеют плавные переходы из одного диапазона в другой, в тоже время существенно отличаются по характеру воздействия на среду, что необходимо учитывать при использовании ультразвука в фармацевтическом производстве. Ультразвуковая кавитация является основным инициатором физико-химических процессов в жидкости. Ультразвуковая волна, проходя через жидкость, создает волны сжатия и растяжения, что приводит к нарушению однородности жидкости, ив наиболее слабых местах (на границе раздела фаз) начинается выделение растворенных в жидкости газов, то есть появление долгоживущих пузырьков. Под действием ультразвуковой кавитации могут наблюдаться люминесценция, эрозия, появление активных радикалов диссоциированных молекул веществ, проникающих в кавита- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 615 ционную полость. Возникновение кавитации может привести к началу химической реакции вводе и других полярных растворителях. Наличие ультразвуковых колебаний на лекарственных складах может существенно сократить сроки годности лекарственных препаратов, так как это приводит к деструкции лекарственных веществ. В первую очередь будут разрушаться вещества с большой молекулярной массой. Так, например, воздействие на адреналин ультразвука частотой 800 кГц в течение двух минут приводит к существенному уменьшению сосудосуживающего действия Большинство алкалоидов и азотистых оснований (атропин кофеин, хинин, морфин, кодеин, эфедрин) после 20 мин озвучивания ультразвуком интенсивностью до 10 Вт/см 2 (частота 600 кГц) теряют частично или полностью свои свойства. Вместе стем известно, что многие антибиотики (стрептомицин, тетрациклин) под влиянием ультразвука увеличивают свою антибактериальную активность. При облучении ультразвуком могут быть значительно интенсифицированы процессы массообмена в системах с твердой фазой. В частности, с помощью ультразвука может быть многократно ускорен процесс растворения лекарственных веществ и экстрагирования лекарственного растительного сырья. Фармакологическая активность лекарств в значительной мере зависит от степени дисперсности лекарственных веществ. Диспергирование является одной из основных технологических стадий в процессе изготовления эмульсий, суспензий, линиментов и т. д. В современном производстве лекарственных средств для диспергирования используются ультразвуковые волны, создающие значительные давления вследствие аннигиляции кавитирующих пузырьков. Использование ультразвука существенно упрощает такую трудоемкую операцию в фармацевтическом производстве, как изготовление эмульсий. Механизм эмульгирования в поле ультразвуковых волн очень сложен и пока не имеет теоретического обоснования. Используя ультразвук, можно получать кинетически неустойчивые грубодисперсные системы — суспензии. В технологии изготовления лекарств для осветления и очистки жидкостей используются отстаивание и фильтрация. Этот процесс может быть ускорен при использовании ультразвука, который интенсифицирует коагуляцию частиц. Ультразвук, в зависимости от режима ультразвуковой обработки, степени перенасыщения раствора, температурного фактора и другого, может значительно ускорять процесс кристаллизации неорганических соединений. Механизм ускорения заключается в том, что ультразвук дробит кристаллы на более мелкие, которые в свою очередь становятся новыми центрами кристаллизации, вновь дробятся и т. д 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств В современной фармакотерапии все большую популярность приобретает новая лекарственная форма пролонгированного действия липосомы, в которых лекарственные вещества находятся в инкапсулированном виде. Способы изготовления различны, однако предпочтение отдается ультразвуку, особенно при изготовлении однослойных липосом, которые представляют собой сферический замкнутый пузырек диаметром 25—30 нм со стенками из бимолекулярного фосфолипидного слоя. Для получения липосом ультразвуком непосредственно воздействуют на водную суспензию фосфолипидов. Перспективным является использование диспергирующего действия ультразвука для увеличения сокоотдачи при обработке свежего лекарственного растительного сырья. Ультразвук используется и для сушки лекарственного сырья. Работа ультразвуковых сушилок основана на том, что ультразвук уменьшает вязкость жидкости, то есть увеличивает текучесть кроме того, на скорость испарения влаги оказывают влияние диспер- гирующее действие кавитации и турбулизация среды. Механизм получения аэрозолей ультразвуком объясняется кавитационной и волновой теориями. Химико-фармацевтические заводы оснащены распылительными ультразвуковыми установками, в которых используются аэрогидродинамические, пьезокерамические или магнитострикционные распылители. При производстве ампулированных лекарственных средств содержание СО, растворенного в жидкости, может падать ниже нормы (в процессе запайки, что способно значительно уменьшить срок хранения раствора. Это явление исключают путем аэрации жидкости, предназначенной для ампулирования, с помощью ультразвукового поля. Исследования показывают, что в зависимости от природы газа предел растворимости его в жидкости возможно увеличить враз при аэрации жидкости нейтральными газами в кавитирующем режиме с помощью ультразвука. В аптечном производстве используется также малогабаритный универсальный ультразвуковой аппарат на базе ультразвукового генератора УЗГ-3-04: рабочая частота — 39,6...45 кГц, амплитуда колебаний — 10...40 мкм, площадь излучающей поверхности — 3... 10 мм. Изменяя геометрию наконечника и площадь излучающей поверхности, можно добиться необходимого эффекта воздействия ультразвука. Как показывает опыт, озвученные растворы, эмульсии, суспензии и т. п. в течение определенного времени остаются стерильными, то есть имеет место ультразвуковая стерилизация. Для каждого вида микроорганизмов существует определенная мощность ультразвуковой энергии, после которой начинается стерилизую- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 617 щий эффект. Механизм стерилизующего действия ультразвука сложен и полностью еще не изучен. Ультразвуком разрушаются кишечная, брюшнотифозная и дифтерийная палочки, бациллы дизентерии, столбняка, сальмонеллы и др. Наиболее устойчивы к воздействию ультразвука туберкулезные палочки. Таким образом, действие ультразвука на микроорганизмы избирательно, что усложняет процесс стерилизации. Ультразвуковая аппаратура применима и для анализа лекарственных веществ. Так, ультразвуковые аналитические приборы, мощность которых не превышает 1 Вт/см 2 , используются для определения концентрации, плотности и вязкости растворов, газов, качественных и количественных показателей реакций, адиабатической сжимаемости проведения идентификации органических соединений и фармацевтических препаратов. В последнее время ультразвук используется особенно широко в современной физиотерапии. Успехи ультразвуковой терапии позволяют комбинировать ультразвук с лекарственными средствами, при этом проникновение лекарственных веществ через кожу ускоряется. По эффективности фонофорез сравним с инъекциями, однако при этом кожный покров не нарушается и не инфицируется. Таким образом, возможности применения ультразвуковых колебаний различных частот и интенсивности в фармации многогранны и весьма перспективны для некоторых операций в производстве лекарственных средств. Нетрадиционные методы обработки лекарственного сырья. Рассмотрим еще некоторые нетрадиционные методы, использующие электрические, механические и термодинамические воздействия на лекарственное сырье. Электроплазмолиз — метод воздействия на объекты переменным электрическим током различной частоты и электрическими импульсами определенной частоты. При воздействии электрического тока на растительное сырье увеличивается проницаемость клеточных мембран, вплоть до полного разрушения белково-ли- пидных мембран, причем процесс разделения протоплазмы на крупные фрагменты происходит практически мгновенно. Сущность электроплазмолиза заключается в раздражающем действии тока низкой частоты на растительную ткань. Электродиализ — диффузия электролитов через полупроницаемую пористую перегородку под действием электрического тока. Этот метод позволяет изменять солевой состав основных частей жидкостей, содержащих биологически активные вещества. Электродиализ отличается от диализа (перенос через полупрозрачную перегородку веществ под действием разности концентраций) тем, что из электродиализатора подвергаются выводу вещества, спо- § 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств 618 собные к образованию заряженных комплексов и диссоциации, то есть электронейтральные вещества в электродиализе не участвуют. Метод разрушения эмульсий во внешнем электрическом поле. Механизм расслоения эмульсий в электрическом поле связан сиз- менением структуры двойного электрического слоя и приобретением молекулой воды строгой ориентации. В электрическом поле мицелла коллоида (эмульсии — это обратимые коллоидные системы) приобретает электрический заряди начинает двигаться к соответствующему электроду, что и приводит к разрушению эмульсии. Кроме механических и гидравлических устройств для интенсификации технологических процессов в фармацевтической промышленности, существуют электроимпульсные, магнитоимпульсные и оптико-импульсные устройства. При электроимпульсном способе интенсификации процесса колебательное движение жидкости происходит при создании в ней высоковольтного разряда. Очень высокую мгновенную мощность, выделяющуюся в быстро расширяющемся искровом канале, создает ряд явлений, обусловливающих электрогидравлический эффект. Среди них мощное импульсное электромагнитное излучение, высокое импульсное давление (до 10 9 Па, вызывающее движение жидкости со скоростью до 10 3 мс полидисперсное ультразвуковое излучение, создающее пульсации газовых включений и импульсную кавитацию воздействие плазмы искрового канала, спектр излучения которого содержит инфракрасное, ультрафиолетовое и жесткое излучения. Электроимпульсный разряд может быть использован для диспергирования твердой фазы лекарственного сырья, ускорения процессов кристаллизации и растворения химических веществ, экстрагирования, перемешивания и гомогенизации, изменения вяз- коупругих свойств системы. Кроме того, имеет место бактерицидное и химическое действие электроимпульсных разрядов. Магнитоимпульсные устройства реализуют магнито-гидравли- ческий эффект и создают давления в жидкой среде до 10 9 Па. Принцип работы этих устройств основан на том, что под действием переменного тока колеблется подвижная электропроводная мембрана, передающая импульсное движение среде. Колебания металлической мембраны возникают в результате действия импульсного электромагнитного поля, которое по закону электромагнитной индукции Фарадея наводит в мембране ток противоположного направления. В определенные моменты времени в среде возникает отрицательное давление, разрывающее ее в наиболее слабых местах (на границе твердой и жидкой фаз, то есть у поверхности твердых частиц, на множество каверн. В результате этого в жидкости возникает кавитация — главный технологический фактор, используемый в аппаратах такого типа. Магнитоимпульсные устрой- Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 619 ства применяются при тонком измельчении твердых веществ, интенсификации перемешивания сильновязких сред, пластификации, грануляции, прессования и т. п. Физическое состояние лекарственного вещества (степень измельчения, аморфность или кристалличность препарата, характер кристаллов, электропроводность, температура плавления, растворимость вводе и липидах и другое) существенно влияет на фарма- котерапевтическую активность препаратов, стабильность их в процессе хранения. Например, степень измельчения лекарственного вещества ощутимо сказывается на его абсорбции, которая возрастает по мере уменьшения размера частиц. Использование различных методов микронизирования порошков лекарственного вещества позволяет резко уменьшить дозу при сохранении адекватного терапевтического действия. Однако микронизация может и усилить некоторые отрицательные воздействия препаратов, поэтому необходим учет степени измельчения лекарственных веществ, влияющих на фармакокинетику препарата. Кроме того, на фармакотерапевтическую активность препарата заметно влияет полиморфизм, то есть существование кристаллических модификаций вещества, обладающих различными физическими свойствами. Следует учитывать, что кристаллические модификации стабильны лишь при определенном комплексе внешних условий (температура, давление, растворители, вспомогательные вещества, изменение которых приводит к превращению полиморфных модификаций в необходимом исправлении. Например, в результате использования в качестве формообразующего материала метилцеллюлозы резко замедляется процесс превращения нестабильных модификаций сульфатиозола. Другой пример из трех полиморфных форм витамина В метастабильная модификация при С имеет враз) большую растворимость, чем стабильные модификации, и, следовательно, обладает большей доступностью витамина и обеспечивает его концентрацию в плазме крови. Различия в технологии процессов изготовления лекарственных форм существенно влияют на скорость высвобождения лекарственных вещества значит, и на интенсивность их всасывания, которая, в свою очередь, обусловлена скоростью и полнотой перехода в растворимое состояние препаратов, инкомпорированных в лекарственные формы. Процесс всасывания определяется физико- химическими свойствами ингредиентов ив еще большей степени способами изготовления лекарственных форм. Даже такой тривиальный технологический прием, как прессование, существенно может изменить кинетику высвобождения препарата из лекарственных форм. Между тем как обычно при изготовлении последних используется значительное число техно- § 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств логических операций, которые могут сопровождаться поглощением или выделением теплоты, измерением агрегатного состояния, степени дисперсности, поверхностной активности и т. д. Осуществление любого из технологических приемов с помощью разных методов и аппаратуры может привести к различию в свойствах лекарственных форм. Например, в зависимости от способа сушки, времени и характера контакта высушиваемого материала с сушильным агентом, температуры процесса итак далее, могут изменяться самым существенным образом поверхностные свойства высушиваемого материала что в конечном счете скажется на растворимости препарата, его абсорбционных свойствах, стабильности и пр. Известно, что существует разделение методов микро-капсули- рования на физические физико-химические и химические свойства микрокапсул в значительной степени зависят от метода их получения. Наряду с известными методами псевдоожижения, дражирования, диспергирования в системе жидкость — жидкость», коацервации существует и менее известный — электростатический метод. Его характерной особенностью является то, что в момент образования оболочек микрокапсул, как покровный материал, таки вещество ядра находятся в состоянии аэрозоля, причем оба аэрозоля имеют противоположные по знаку заряды, что обеспечивает их эффективное притяжение. Знание физических процессов, сопутствующих фазовым переходам, необходимо при создании аппаратов для получения дистилляционной воды для инъекций. Обеспечивание апирогенности получаемой воды требует определенных условий, препятствующих попаданию пирогенов в дистиллят. Это достигается путем создания такой конструкции дистилляционного аппарата, которая исключала бы возможность переброски капельножидкой фазы через конденсатор в сборник. При этом используется тот факт, что пирогенные вещества с паровой фазой не переносятся. Существует обязательный анализ определенных физических параметров (гранулометрический состав, влажность, сыпучесть) таблеточного гранулята, независимо от способа его получения. В частности, относительная влажность гранулята определяется как отношение потери веса после сушки (при Т = 102…105 С) к начальному весу образца и выражается в процентах. Физико-химическая механика — наука, изучающая проблемы образования, деформации и разрушения структурированных систем. Эта область механики позволяет представить технологический процесс прессования таблеток как сложный физико-химический процесс, состоящий из ряда последовательных стадий, из которых Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств первые две — стадия упругой деформации и стадия пластической деформации Рассмотрение вопросов, связанных с прессованием лекарственных веществ, невозможно без учета когезии, то есть явления возникновения контакта между частицами под действием сил молекулярного притяжения, независимо от их характера и величины. Скорость прессования оказывает влияние на прочность полученных таблеток увеличение ее выше определенного предела приводит к разрушению таблетки после снятия давления. Из теоретической строительной механики известно, что особенностью дисперсных систем является распространение в них энергии с конечной скоростью, а деформация этих систем, в зависимости от скорости распространения в них энергии, происходит с преобладанием либо рассеивания энергии, либо накопления энергии деформации. Иными словами, если имеет место деформация с накоплением энергии, то система (таблетка) в термодинамическом смысле становится все более неустойчивой (таблетка будет очень непрочной. Следует отметить, что ряд лекарственных веществ (натрия хлорид, гексаметилтет- раамин и другие) прессуется с преобладанием рассеивания энергии и легко образует прочные таблетки а вещества, не образующие удовлетворительного качества таблеток, прессуются, вероятно, с накоплением энергии. Основные положения механики позволяют ответить на вопросы, связанные с контролем прочности таблеток, а именно с определением механической прочности на сжатие, удар, разрыв и пр. Известны некоторые эффективные низкотемпературные методы обработки фармацевтических препаратов. К ним относятся, например, метод криоизмельчения и экстракция веществ сжиженными газами. Обработка лекарственного и растительного сырья сжиженными газами с целью извлечения отдельных компонентов в нативном виде используется в фармации для получения высококачественных ароматизаторов, отдушек, биологически активных веществ, оригинальных лекарственных препаратов. Сжижение газов происходит при охлаждении их ниже критической температуры и дальнейшей конденсации в результате отвода теплоты парообразования. Промышленное сжижение газов с критической температурой выше температуры окружающей среды осуществляется с помощью компрессора и охлаждаемых теплообменников. Экстракционный процесс сжижения газами проводится под большим статическим давлением, так как при снятии давления уже при нормальной температуре экстрагент быстро улетучивается из извлеченного и отработанного сырья. Каждый из сжиженных газов обладает индивидуальными фи- зико-термодинамическими свойствами. Известны сжиженные газы 18.12. Физические методы в производстве лекарственных средств обладающие как гидрофильными, таки олеофильными свойствами, использование которых дает возможность вести экстракцию химических соединений, обладающих различной полярностью. Такое свойство сжиженных газов позволяет проводить селективную экстракцию, то есть извлекать по мере необходимости индивидуальные химические вещества или целые комплексы химических соединений. Обычно используются такие сжиженные газы, как двуокись углерода, пропан, бутан, фреон, гексан, диэтиловый эфир, ацетон и др. Количественный выход веществ при извлечении сжиженными газами достигает 90—98 %, что выше, чем при других известных способах экстрагирования мацерации, перколяции, отгонки паром и др. Сжиженные газы хорошо извлекают жирные и эфирные масла, свободные органические кислоты, жирорастворимые витамины, каротиноиды, флавоноиды, фенолспирты, фитогормоны. Значительно хуже извлекаются гликозиды, растительные смолы, воски, водо-растворимые балласты и некоторые другие соединения. Рассмотрен далеко неполный перечень физических методов, используемых в фармации. Но уже из этого ясно, что разработка и внедрение новых физических методов обработки лекарственного сырья невозможны без глубоких знаний в различных областях естествознания и особенно в области физики и биофизики. При этом следует помнить, что любое воздействие (например излучение) может привести и к побочным, нежелательным эффектам. Чтобы воздействие было адекватными специфическим, необходимо очень тщательно изучать влияние данного вида излучения на составляющие компоненты вещества и наконечные свойства готовых лекарственных препаратов. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 18.1. В масс- спектрометре Бейнбриджа (см. рис.) расстояние между выходной щелью селектора скоростей и входной щелью регистрирующего прибора — l = 400 мм. Индукция магнитного поля B = B'= 50 мТл. При плавном изменении напряженности электрического поля селектора наблюдаются пики ионного тока в приемнике при значениях ПРАКТИЧЕСКИЕ И ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ Глава 18. Физические методы анализа лекарственных средств 623 E 1 = 120 В/см и E 2 = 160 В/см. Определите атомные массы A 1 и A 2 соответствующих ионов, полагая их однозарядными. Идентифицируйте эти ионы. Решение. В селекторе поток положительных ионов движется в электрическом и магнитном полях, значения которых подбирают таким образом, чтобы они действовали на заряженную частицу с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Сила, с которой электрическое поле действует на положительный заряд, направлена от положительно к отрицательно заряженной пластине конденсатора и по модулю равна Сила, с которой на частицу действует магнитное поле (сила Лоренца), определяется по правилу левой руки и равна ? F qvB = (18.2) (при условии, что ? F v ? Приравняв формулы (18.1) и (18.2), получаем значение скорости, с которой движутся ионы: = E v B (18.3) Ионы, скорости которых удовлетворяют условию формулы (вылетают из отверстия О, остальные отклоняются полями и задерживаются (на рис. штриховые линии. Вылетевшие из селектора скоростей ионы попадают в однородное магнитное поле индукцией B' и движутся по круговой траектории. Если радиус траектории ионов удовлетворяет условию = 2 l R (18.4) (где l — расстояние между отверстиями селектора и приемника, то они попадают в приемник. Сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому вызывает центростремительное ускорение 2 v R . Согласно второму закону Ньютона, можно записать B m R ? ? ? Отсюда qB Подставим уравнения (18.3) ив формулу (Практические и тестовые задания 624 2 qB Bl Переведем исходные данные в единицы СИ 0, 4 l ; B' = B = 50 мТл = 5•10 –2 Тл; ?? ? ? ? ? = = ? 4 1 120 / 1, 2 10 / ; E 2 = 160 В/см = 1,6•10 4 В/м. |