Атомно-абсорбционный и эмиссионный анализ. Экстракция и экстракционно-фотометрический метод анализа.

Экстакция, как физико-химический процесс сопровождает синтез лекарственных субстанций, их очистку и изготовление готовых лекарственных средств. Поэтому важной роли приобретает изучение экстракции и ее применение в анализе.

Экстракционно-фотометрический метод анализа нашел применение в фарманализе в решении задач по двум направлениям: первый - определение содержания примесей в субстанциях и лекарственных средствах, и второй - анализ комплексных, многокомпонентных препаратов, в частности, растительного происхождения. Этот метод анализа владеет высокой селективностью, высокой чувствительностью, относительной простотой и экспрессностью проведения анализа.

Атомно-эмиссионный спектральный анализ

Практической целью методов атомной спектроскопии при анализе веществ является качественное, полуколичественное, и количественное определение элементного состава анализируемой пробы. Раньше эти задачи решались лишь одним из методов – атомно-эмиссионным методом спектрального анализа в оптическом диапазоне спектра. На сегодня широкого распространения приобрели также методы анализа по атомным спектрам поглощения и флуоресценции в оптическом диапазоне, а также по эмиссионным и флуоресцентным спектрам в рентгеновском диапазоне. Во всех случаях в основе этих методов лежат квантовые переходы валентных или внутренних электронов атома с одного энергетического состояния в другое.

Атом в нормальном состоянии владеет минимальным запасом энергии Е_о и не излучает ее. Но под влиянием внешних возбудителей (например, столкновение с быстрыми частичками) электроны атома переходят на более высокие энергетические уровни Е₁, Е₂, Е₃, …... При этом одних или несколько валентных электронов атома переходят в более отдаленную от ядра оболочку. По истечении некоторого времени, возбужденный атом возвращается в нормальное или в какое-нибудь промежуточное состояние. Такой самопроизвольный (спонтанный) переход сопровождается освобождением соответствующего избытка энергии в виде излучения кванта световой энергии (фотона).

Излучение энергии атомом определяется постулатом частот Бора:

hn=h*c/l=E₁-E₂=DE=e

где h – постоянная Планка;

n - частота излучения;

с – скорость света;

l - длина волны спектральной линии;

E₁ и E₂ – энергии атома;

e - энергия фотона.

Таким образом, атом может излучать фотоны с энергией Е₁, Е₂, Е₃, …... Набору фотонов с одинаковой энергией отвечает спектральная линия. Совокупность спектральных линий образует спектр атома.

Одним из свойств атомных спектров является их дискретность (линейчатая структура) и строго индивидуальный характер, который делает такие спектры индивидуальными признаками атомов конкретного элемента. На этом базируется качественный анализ.

Определение концентрации того или иного элемента проводят путем измерения интенсивности отдельных спектральных линий, которые называются аналитическими.

Интенсивность спектральной линии, которая отвечает переходу электрона с более высокого уровня и на уровень n, определяется формулой:

I_in=N_i*A_in*h*n_in,

где A_in – вероятность спонтанного перехода из состояния i и в состояние n;

N_i – число атомов (в 1 см³) в i-состоянии возбуждения;

h – постоянная Планка;

n_in – частота излучения из состояния i и в состояние n, с^-1.

Для того, чтобы атомы излучали энергию, необходимо перевести их из невозбужденного состояния в возбужденное. В спектральном анализе для этого используют пламя, дугу или искру (или другой источник), то есть применяются термические источники возбуждения. При этом распределение атомов по степеням возбуждения определяется законом Больцмана:

N_i=N_o*g_i/g_o*e^-Ei/k,

где N_o и N_i – концентрации невозбужденных и возбужденных (на уровне i) атомов;

E_i – энергия возбуждения і-го уровня;

g_i и g_o – статистические веса возбужденного и невозбужденного состояний;

k – постоянная Больцмана (k=1,38*10^-23Дж/К);

Т – температура, К.

Подставляя значения N_i в формулу для интенсивности спектральной линии, получаем:

І_in=N_o*A_in*g_i/g_o*h*n*e^-Ei/k.

Таким образом, интенсивность спектральной линии будет зависеть не только от электронного строения атома, но и от температуры источника излучения. Поэтому в атомно-эмиссионном спектральном анализе принято измерять интенсивность аналитической линии относительно интенсивности некоторой линии сравнения (внутренний стандарт). Чаще всего – это линия, которая принадлежит основному компоненту пробы. Иногда компонент, который играет роль внутреннего стандарта, специально вводят в анализируемую пробу.

В таком случае, если выбранные линии имеют близкие потенциалы возбуждения, а соответствующие им элементы владеют близкими потенциалами ионизации и другими физико-химическими характеристиками, относительная интенсивность линий становится мало чувствительной к изменениям (флюктуаций) условий возбуждения.

Если режим работы источника возбуждения достаточно стабильный и скорость подачи вещества в плазму постоянная, то наступает некоторое стационарное состояние, при котором число атомов элемента в плазме оказывается пропорциональным концентрации этого элемента в пробе:

N=a’’*c,

где с – концентрация вещества в пробе;

a’’ - коэффициент пропорциональности.

Поскольку интенсивность спектральной линии пропорциональна числу возбужденных атомов в плазме, а их число в свою очередь пропорционально числу атомов элемента в плазме, то в конечном варианте интенсивность аналитической спектральной линии пропорциональна концентрации вещества в пробе:

І_іn=а*с.

Если условия разряда не изменяются при изменении концентрации, то коэффициент а остается постоянным и это уравнение выполняется достаточно хорошо. Коэффициент а зависит от параметров разряда, условий поступления вещества в плазму и констант, которые характеризуют возбуждение и последующие переходы.

Однако не все кванты, которые извлекаются возбужденными частичками, достигают приемника света. Квант света может быть поглощен не возбужденным атомом и, таким образом, не будет зафиксирован приемником излучения. Это так называемое самопоглощение. С увеличением концентрации вещества самопоглощения возрастает.

Самопоглощение учитывается в уравнении Ломакина, которое хорошо описывает концентрационную зависимость интенсивности спектральной линии:

I=а*С^b,

где коэффициент а зависит от режима работы источника возбуждения, его стабильности, температуры и т.д.;

b – коэффициент самопоглощения, который учитывает поглощение квантов света невозбужденными атомами.

При логарифмировании уравнения Ломакина получаем:

lgI=lga+b*lgC.

Линейная зависимость lgI от lgC очень удобна для построения градуировочного графика. Это уравнение служит основой количественного спектрального анализа.

Упрощение в теоретических представлениях о процессах поступления атомов из твердой пробы в плазму приводит к тому, что ни одна из формул не может отображать хорошо известного в атомно-эмиссионном анализе влияния матричных эффектов. Это влияние заключается в том, что во многих случаях значения аналитического сигнала и соответственно результат анализа оказываются зависимыми не только от относительной концентрации определяемого элемента, но и от содержания сопутствующих компонентов, а также от микроструктуры и фазового состава анализируемых материалов.

Физический смысл влияния матричных эффектов очень разнообразен и до сегодня нет каких-либо общих аналитических соотношений на этот счет. В производственных условиях, чтобы устранить влияние матричных эффектов на результаты стараются максимально приблизить состав и свойства анализируемых проб и используемых образцов сравнения, включая и такие факторы, как структура материала, форма и размеры образцов и др.

Условно все матричные эффекты можно разделить на два типа: аддитивные, которые смещают входной градуировочный график параллельно самому себе в зависимости от концентрации мешающего элемента, и мультипликативные, которые приводят к изменению угла наклона исходной градуировочной характеристики.

Пример для проведения спектрального анализа имеет следующие главные узлы:

- источник возбуждения;

- диспергирующий элемент;

- приемник света.

Кроме этих главных узлов в дорогом спектральном приборе есть оптическая система, предназначенная для получения параллельного потока света, его фокусирования, изменения хода лучей и т.д.

В источнике возбуждения вещество атомизируется и возбужденные атомы и ионы поглощают свет, который диспергирующим элементом вразделяется в пространстве на отдельные составные, а приемник света их фиксирует.

Источники возбуждения переводят пробу из конденсированной фазы в газообразную и возбуждают вещество в этой фазе. В большинстве источников возбуждения эти функции совмещаются, однако в отдельных случаях применяют два устройства:

- один для получения газовой фазы;

- второй для возбуждения.

При анализе, например, биологических объектов или некоторых изделий металлургической промышленности, если особое любопытство вызовет локальный анализ, для перевода выбранной части пробы в газообразное состояние с успехом применяется лазерная техника.

Источник возбуждения должен обеспечивать необходимую яркость спектра по сравнению с фоном и должен быть достаточно стабильным, то есть интенсивность спектральных линий должна оставаться постоянной во время измерения. Наибольшего применения в качестве источников возбуждения используют пламя, дугу и искру.

Пламя. Возбуждение атомов в пламени имеет термическую природу. Температура пламени зависит от состава горючей смеси. Пламя обычной газовой горелки имеет t » 900 °C, смесь Н₂ + воздух t » 2100 °C, Н₂ + О₂ t » 2800 °C, С₂Н₂ + О₂ t » 3000 °C. Анализируемое вещество вводится с помощью специального распылителя в пламя в виде раствора.

Дуга. Электрическая дуга – это электрический разряд при сравнительно большой силе тока (5...7 А) и небольшом напряжении (50...80 В). Разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с накаленной поверхности катода. Разряд пропускают между электродами из анализируемого образца или между образцом и электродом, который не содержит определяемых элементов. Температура дуги достигает 5000-6000 °C. Введение в электроды примесей, которые владеют более низким, чем основной элемент пробы, потенциалом возбуждения понижает температуру дуги. Так, в присутствии солей калия температура дуги между угольными электродами падает с 7000 °C до 400 °C. Это открывает возможность регулировать температуру дуги и поддерживать ее постоянной путем введения в зону разряда элемента с низким потенциалом возбуждения – так называемого спектроскопического буфера. Обычно, это соли калия или натрия в достаточном количестве. В присутствии спектроскопического буфера устанавливается определенная температура плазмы, которая практически не зависит от состава анализируемой пробы. В дуге получают спектр почти всех элементов.

Искра. Для получения искры используют специальные искровые генераторы. При горении искры развивается температура 7000-10000 °C и происходит возбуждение всех элементов.

Большое преимущество:

1. возможность проведения локального микроспектрального анализа с помощью микроискрового метода, в котором применяют микроэлектроды в виде иглы (например, медные).

2. стабильность условий разряда

3. не вызывает разрушения образца в отличие от дуги.

Диспергирующий элемент. Раскладывает излучение в спектр:

- призмы,

- дифракционные решетки,

- интерференционные устройства.

Приемники света.

1. фотопластинка.

При освещении фотопластинки в светочувствительном слое образуется скрытое изображение:

АgBr + hn = Аg + Br

На освещенных местах пластинки появляются кристаллы металлического серебра. Проявитель завершает процесс восстановления серебра на освещенных участках и разрешает получить видимое изображение. Полученное изображение закрепляют (фиксируют) с помощью Na₂S₂O₃, который растворяет кристаллы галогенида серебра, не поддавшегося влиянию света:

АgBr + 2Na₂S₂O₃ = [Ag(S₂O₃)₂]^3- + Br^- + 4Na⁺.

После такой обработки на пластинке остается изображение спектра в виде спектральных линий.

К преимуществам фотопластинок принадлежит:

- способность их интегрировать интенсивность света;

- высокая чувствительность;

- достаточно широкий спектральный интервал;

- документальность анализа;

- продолжительность сохранения полученной информации.

2. Фотоэлементы – это устройства, которые превращают световую энергию в электрическую. Действие фотоэлементов базируется на явлении фотоэффекта.

Преимущества:

1. высокая чувствительность;

2. широкий спектральный интервал;

3. простота конструкции.

Недостатки:

1. нелинейность световой характеристики;

2. инерционность;

3. заметная температурная зависимость фототока.

Приборы для атомного спектрального анализа называются стилоскопы (390-700 нм), спектрографы (200-600 нм), стилометры, квантомеры.

Качественный спектральный анализ.

Основой качественного спектрального анализа является свойство каждого химического элемента излучать характерный линейчатый спектр. Так, качественный анализ состоит в отыскивании линий определяемого элемента в спектре пробы. Принадлежность линий данному элементу устанавливается по длине волны и интенсивности линии. Однако, общее число линий в спектре многих элементов очень большое: например, спектр тория насчитывает более 2500 линий, а спектр урана – более 5000. Нет необходимости, конечно, определять длины волн всех спектральных линий в спектре пробы. Для этого достаточно лишь установить наличие или отсутствие в спектре так называемых аналитических или последних линий.

При уменьшении содержания элемента в пробе интенсивность линий этого элемента в спектре будет уменьшаться, некоторые линии исчезнут, и число линий уменьшится. При некоторой очень маленькой концентрации останется всего несколько линий. Это и есть те последние линии, по которым обычно проводится качественный анализ. Последние линии хорошо изучены, их длины волн и характеристику интенсивности можно найти в специальных таблицах и атласах спектральных линий.

Для расшифровки спектра и определения длины волны анализируемой линии пользуются спектрами сравнения, в которых длины волн отдельных линий хорошо известны. Чаще всего для этого используют спектр железа, который имеет характерные группы линий в разных областях длин волн.

Спектральным анализом можно обнаружить около 80 элементов. Граница определения методами качественного спектрального анализа колеблется для разных элементов в очень широких границах: от 10^-2 (Hg, Os, U…) до 10^-5 % (Na, Bi, B…).

Количественный спектральный анализ.

В практике количественного спектрального анализа обычно используют интенсивность не отдельной линии, а отношение интенсивности двух спектральных линий, которые принадлежат разным элементам. Таким образом, в качестве свойства, связанного с концентрацией элемента, используется отношение интенсивности линии определяемого элемента к интенсивности линии другого элемента в том же спектре.

Уравнение Ломакина для аналитической линии и линии основы имеет вид:

; , а их отношение:

.

Таким образом, отношение интенсивностей тоже пропорционально концентрации элемента в пробе. Это главное уравнение методов количественного спектрального анализа. Методы отличаются только способом оценки относительной интенсивности.

При выборе пары линий выдерживают следующие требования:

D Е £ 1 эВ; l_а - l_осн £ 10 нм;

0,1 £ І_а / І_осн £ 10.

Пара линий, которая удовлетворяет этим требованиям, называется гомологической парой.

В зависимости от способа оценки интенсивностей различают следующие методы количественного спектрального анализа:

1. визуальные;

2. фотографические;

3. фотоэлектрические.

Общая характеристика метода.

- низкая граница определения 10^-3-10^-5 %, а с обогащением 10^-5-10^-7 %;

- точность (относительная ошибка 1-2 %);

- экспресность;

- универсальность.

Пламенный эмиссионный анализ.

Пламенный эмиссионный анализ – это часть эмиссионного спектрального анализа, в котором в качестве источника возбуждения используется пламя разных типов:

Светильный газ – воздух Т=1700-1840

Пропан – воздух 1975

Ацетилен – воздух 2125-2397

Водород – воздух 2000-2045

Светильный газ – кислород 2370

Ацетилен – кислород 3100-3137

Дициан – кислород 4380

В пламени возбуждается достаточно много элементов, причем число их растет с увеличением температуры пламя. Атомные спектральные линии в пламени извлекают щелочные и щелочноземельные металлы, Ga, In, Cr, Mn, Ni, Co, Cu, Ag и др.

Преимущества:

- возможность определения около 40 элементов,

- высокая чувствительность;

- высокая точность.

Принципиальная схема пламенного фотометра:

Чувствительность определения щелочных и щелочноземельных металлов n*10^-6 %

0,001 мкг/мл – щелочных металлов

0,1 мкг/мл – другие металлы.

Ошибка 1....3 %.

Высокая воспроизводимость метода.

Количественный анализ в пламенной фотометрии основывается на измерении зависимости интенсивности излучения от концентрации ионов металла в растворе. При стабильной работе прибора зависимость между концентрацией вещества в пробе и величиной отсчета (сила тока) на приборе имеет линейную природу.

В пламенной фотометрии применяют два типа приборов:

- пламенные фотометры;

- пламенные спектрофотометры.

В первых приборах спектральная линия выделяется с помощью светофильтра. На фотометрах определяют небольшое количество элементов: калий, натрий, литий, кальций и другие щелочные и щелочноземельные металлы. Фотометры имеют маленькую разделительную способность и разрешают анализировать простые по складу вещества.

В пламенных спектрофотометрах выделенный свет раскладывается с помощью призмы или дифракционной решетки. В спектре выделяют необходимую спектральную линию (с помощью щели). Спектрофотометры дают возможность анализировать большое число элементов, имеют высокую чувствительность и селективность.

Методика анализа состоит в следующем:

- подготовка образца к анализу (растворение);

- введение раствора в пламя;

- выделение аналитической спектральной линии атомов анализированного элемента;

- измерение интенсивности спектральной линии;

- расчет концентрации вещества в пробе.

Концентрации веществ в растворе определяют способами:

- градуировочного графика;

- метод добавок;

- метод сравнения (а иногда с ограниченными растворами).

1. Калибровочный график строится по серии стандартных растворов в координатах: сила тока (I, мкА) – концентрация (С, мкг/мл)

2. концентрации методом ограничивающих растворов измеряют по интенсивности излучения анализируемого раствора и двух стандартных растворов с меньшей или большей концентрацией (сравнительно с анализируемым раствором):

С₁<С_Х<С₂; С_Х®І_Х (І_Х-І₁) ® (С_Х-С₁)

С₁®І₁ (І₂-І_Х) ® (С₂-С_Х)

С₂®І₂

(І_Х-І₁)*(С₂-С_Х) = (І₂-І_Х)*(С_Х-С₁)

С₂І_Х-С_ХІ_Х -С₂І₁-С_ХІ₁ = С_ХІ₂-С_ХІ_Х-С₁І₂+ С₁І_Х,

С_ХІ₁ - С_ХІ₂= С₁І_Х - С₁І₂ - С₂І_Х + С₂І₁,

С_Х(І₁ - І₂)= С₁(І_Х - І₂) + С₂(І₁ – І_Х),

С_Х(І₂ – І₁)= С₁(І₂ – І_Х) + С₂(І_Х – І₁),

3. метод добавок применяют для определения «следов» элементов и растворов с высокой концентрацией. Обязательным условием при этом является определение области концентраций с прямолинейным участком калибровочного графика.

Чувствительность пламенной фотометрии зависит от:

1. интенсивности аналитической линии;

2. химического состава раствора;

3. стабильности работы аппаратуры.

Например, натрий можно определять при концентрации 0,001 мкг/мл, а калий 0,01 мкг/мл.

Метод пламенной фотометрии с успехом применяется для определения K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ в биологических жидкостях и субстратах; в фармацевтических препаратах, в частности «Аспаркам» («Панангин») аспарагинат калия.

Интенсивность излучения спектральной линии прямопропорциональна числу введенных в пламя атомов N (или концентрации С соли металла в растворе) при условиях возбуждения. Однако это соответствие может быть нарушено ирядом процессов:

- вязкость и поверхностное натяжение распыляемого раствора;

- самопоглощение;

- ионизация;

- образование малодиссоциированных или малолетучих веществ;

- анионный эффект;

- катионный эффект.

Выход из этих обстоятельств:

- добавление спирта, кетонов, уксусной кислоты, что уменьшит поверхностное натяжение раствора;

- введение извлекающих добавок (ЭДТА, 8-оксихинолин).

Атомно-абсорбционный анализ (ААА).

Метод ААА основывается на поглощении свободными атомами резонансного излучения при пропускании пучка света через слой атомного пара.

Селективно поглощая свет на частоте резонансного перехода, атомы переходят из основного состояние в возбужденный, а интенсивность пучка света, который прошел уменьшается:

І = І₀* е^-kl

где k_n - коэффициент поглощения света

l – толщина слоя.

ААА предложил Уолш в 1955 г. Метод сразу приобрел признание.

При поглощении кванта света hn свободный атом А переходит в возбужденное состояние А^*

А + hn = А^*,

где h – постоянная Планка;

n - частота, которая определяется условием частот Бора:

где Е_А* и Е_А – энергия атома в возбужденном и основном уровнях соответственно.

Наиболее вероятным изменением энергетического состояния атома при возбуждении является переход на уровень, наиболее близкий к основному энергетическому состоянию, то есть резонансный переход. Если на невозбужденный атом направить излучение с частотой равной частоте резонансного перехода, то квант света будет поглощаться атомами, и интенсивность излучения будет уменьшаться. Использование этого явления и легло в основу атомно-абсорбционной спектроскопии. Таким образом, если в эмиссионной спектроскопии концентрация вещества связывалась с интенсивностью излучения, которое было прямо пропорционально числу возбужденных атомов, то в атомно-абсорбционной спектроскопии аналитический сигнал (уменьшение интенсивности излучения) связан с числом невозбужденных атомов.

Источник возбуждения:

1. лампа с полым катодом, содержащим определяемый элемент. Есть стеклянный болон с катодом в виде стаканчика или цилиндра, изготовленного из необходимого металла или сплава, есть анод, а также окошко для выхода пучка света; инертный газ (аргон, неон, 100 Па). При подаче на электроды напряжения ~ 300 В в лампе возникает тлеющий разряд, причем он локализируется в полом катоде. Ионы инертного газа бомбардируют катод, выбивая атомы металла, распыляя их. Атомы металла возбуждаются в газовом разряде при столкновении с ионами и электронами инертного газа. В результате лампа излучает эмиссионный спектр необходимого элемента:

Ме + (Аr⁺; e^-) ® Me* ® Me + hn_{резонанс.}

2. горелки. Поскольку уменьшение интенсивности излучения пропорционально толщине поглощающего слоя, то горелки имеют специальную конструкцию, которая обеспечивает постоянную и достаточно большую длину поглощающего слоя пламени (5-10 см – 15 см). Хотя есть и непламенные электротермические атомизаторы (графитовая кювета Львова).

Количественное определение.

В ААА практически полностью исключена возможность наложения линий разных элементов, так как в условиях ААА число линий в спектре значительно меньше, чем в эмиссионной спектроскопии.

Уменьшением интенсивности резонансного излучения в условиях АА спектроскопии подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера. Если І₀ – интенсивность падающего монохроматического света, а І – интенсивность этого света, но которое прошло через пламя, то величину lg І₀/І можно назвать оптической плотностью. Концентрационная зависимость оптической плотности выражается уравнением:

,

где k – коэффициент поглощения;

l – толщина слоя (пламя), который поглощает;

С – концентрация.

Оптическая плотность согласно уравнению прямо пропорциональна концентрации вещества. Опыт показывает, что зависимость оптической плотности от концентрации часто бывает не строго линейной. Отклонение от линейности вызывается несколькими причинами, среди которых наиболее существенными являются:

1. Физические причины:

- нестабильность работы разных узлов прибора;

- немонохроматичность линий излучения;

- ионизация атомов металла (чтобы уменьшить вводят ионизационные буферы – соли Li);

2. Химические причины:

- анионный эффект: H₃PO₄(уменьшает влияние), HCl, H₂SO₄ (почти не влияет); во избежание надо создать аналогичную среду в стандартном растворе и в исследуемом;

- анионы органических кислот могут влиять по-разному – улучшают распыления, но могут образовывать соединения с атомами металлов.

3. Катионный эффект. Наиболее распространенное влияние Si, Al.

- Si отделяют в виде осадка кремниевой кислоты;

- Al учитывают либо введением Al (небольшого количества) в стандартные растворы либо введением извлекающих добавок: La, Sr, Ca, NH₄⁺, ЭДТА, 8-оксихинолин.

В практике анализа применяется метод градуировочного графика и метод добавок.

1. Градуировочный график.

А

С_ст.

2. Метод добавок.

Практическое применение.

- 10^-5 – 10^-6 % граница открытия.

- высокая селективность (хотя есть неселективное поглощение);

- погрешность ~5% (3-10% колебание может давать).

Сравнивая методы эмиссионной фотометрии и абсорбционной спектрофотометрии следует отметить, что эмиссионная фотометрия имеет следующие преимущества:

- выше чувствительность, так как измеряется значение извлеченной энергии, а не изменение интенсивности характеристического излучения;

- простота аппаратурного оформления сравнительно за ААС.

Большое преимущество ААС:

- высокая селективність (ни один из методов не может конкурировать);

- может быть использована практически для всех элементов.

Недостаток ААС:

- наличие неселективного поглощения: в условиях анализа, кроме абсорбции определяемым элементом происходит абсорбция неселективным элементом:

А_опред. = Ах + А_{неселек}.

Несективним поглощением обусловлено:

- рассеивание света;

- молекулярной абсорбцией.

Способы учета неселективного поглощения.

- автоматический (попеременно свет от лампы с полым катодом и дейтериевой дуговой лампы с сплошным спектром, то есть А_опред. и А_{неселек}.). Неселективное поглощение прибор автоматически отнимает измерение абсорбции в поляризованном свете, благодаря магнитному полю.

Экстракция. Распределение вещества между двумя жидкостями.

Экстракция – процесс переведения вещества из водной фазы в органическую. Экстракция – сложный физико-химический процесс. При столкновении водного раствора вещества А з каким-нибудь растворителем, который не смешивается или ограниченно смешивается с водой растворенное вещество А будет распределяться между двумя растворителями и спустя некоторое время в такой системе установится равновесие:

А_в «А_о

где А_в и А_о – вещество А в воде и в органическом растворителе соответственно.

Процесс переноса растворимого вещества из одной жидкой фазы в другую, которая с ней не смешивается или ограниченно смешивается, называются жидкость – жидкостным распределением или распределением между двумя жидкостями.

Количественно этот процесс характеризуется законом распределения Нернста-Шилова, в соответствии с которым отношение концентраций растворенного вещества в обоих фазах при постоянной температуре является постоянным и не зависит от концентрации растворенного вещества:

D = C_Ao / C_Aв ,

где : D – коэффициент распределения;

C_Ao – аналитическая (то есть суммарная) концентрация всех форм вещества А в органической фазе ;

С_Ав – аналитическая концентрация всех форм вещества А в водной фазе.

Величина D сохраняет постоянное значение лишь в отсутствие процессов диссоциации, ассоциации, полимеризации и других преобразований растворенного вещества.

При подстановке в выражение коэффициенту распределения активностей вещества А в органической фазе и в водном растворе вместо их концентраций, коэффициент распределения будет оставаться постоянным в широкой области концентраций, поскольку процессы ассоциации и прочие будут формально учтены коэффициентами активности. Однако при невысоких концентрациях вещества А коэффициент распределения D и так сохраняет удовлетворительную постоянность и часто применяется как главная характеристика распределения вещества.

Иногда выражения закона распределения предоставляют виду

D = С_Ао/Сⁿ_Ав ,

в котором n – подбирают эмпирически.

В наипростейшем случае n характеризует степень полимеризации растворенного вещества в органическом растворителе.

Отношение активности вещества в одной определенной форме (например, МL_n) в фазе органического растворителя к его активности в водной фазе называют константой распределения К_D^T:

К_D^T= а_(MLn)o/ a_(MLn)в =[MLn]_{o *} f_(MLn)o/[MLn]_{в *} f_(MLn)в = К_D^Р _* f_(MLn)o/f_(MLn)в .

Коэффициент и константа распределения связанны с растворимостью вещества.

В самом простом случае, когда вещество в обеих фазах существует в одной и той же форме (например, в виде недиссоциированных молекул), константа и коэффициент распределения равны отношению растворимостей вещества в органическом растворителе и в воде. Действительно, если в систему из воды и органического растворителя, который не смешивается с ней, ввести твердое вещество до насыщения, то концентрация вещества в каждой фазе будет равна растворимости этого вещества в соответствующем растворителе и, соответственно,

D = (S_A)_o / (S_A)_в ,

где (S_A)_o - растворимость вещества в органическом растворителе,

(S_A)_в – растворимость в воде.

Основные количественные характеристики экстракции.

Экстракция – это один из случаев жидкость - жидкостного распределения, когда из водного раствора вещество извлекается в органический растворитель.

Реагент, который образует соединение, которое потом экстрагируется, называется экстракционным реагентом, а органический растворитель, использующийся для экстракции или раствор экстракционного реагента в органическом растворителе, называют экстрагентом.

Для улучшения физических (плотность, вязкость) или экстракционных свойств экстрагента в него нередко прибавляют растворитель – инертный органический растворитель или используют смесь растворителей.

Важной характеристикой экстракции является фактор (или степень) извлечения

R = n (A) / n (A)_нач ,

где n (A) – количество вещества в органической фазе;

n (A)_нач - начальное количество вещества в водном растворе.

Очевидно, что:

n (A) = [A]_{o *} V_o ,

n(A)_нач = С_А^о _* V_в = [А]_{в *}V_o + [A]_{в *} V_в ,

где С_А^о – концентрация вещества А в начальном водном растворе.

Тогда, фактор извлечения будет иметь вид:

R = [A]_{o *} V_o / [A]_o V_o + [A]_{в *}V_{в .}

Поделим числитель и знаменатель полученного выражения на [А]_в*V_o и найдем:

R = ( [A]_o / [А]_в) / ( [А]_в / [А]_в+V_в / V_o ) = D / ( D + V_в/V_o ),

где D = [A]_o / [А]_в , r = V_o / V_в ,

Тогда R = D / ( D + 1/r ) .

Это уравнение относится к однократной экстракции и остается справедливым при многократном повторении этой операции. Степень извлечения при m – кратной экстракции:

R_m = 1 – ( 1 / ( D_* r + 1 )^m ) .

Физическое смысл данного уравнения состоит в том, что целесообразнее экстрагировать маленькими порциями растворителя несколько раз, чем 1-2 раза большими порциями экстрагента. Степень извлечения возрастает по мере увеличения числа операций m при данном объеме экстрагента.

Возможность разделения трех катионов А и В до недавнего времени связывалось с коэффициентом (или фактором) разделения æ, который равен отношению коэффициентов распределения этих ионов

æ=Д_А / Д_В

При æ=1 разделение невозможно. Чем больше æ отличается от 1, тем ближе к оптимальным будут условия разделения. Более общей характеристикой возможности разделения является фактор обогащения S, который показывает во сколько раз отношение количеств разделяемых веществ в фазе экстрагента превышает это отношение в исходном растворе до разделения:

n(B)/n(A) – соотношение количеств разделяемых ионов в начальном водном растворе;

n(B)_o/n(A)_o – соотношение количеств разделяемых ионов после их разделения, то есть в органической фазе;

S_B/A – фактор обогащения:

Рассмотрим экстракцию некоторого катиона Mⁿ⁺:

Mⁿ⁺+n(HL)₀=(MLn)_o+nН⁺ ,

где HL – экстракционный реагент;

(HL)o – экстракционный реагент в органической фазе.

Константа этого процесса – константа экстракции К_ех:

При постоянной ионной силе раствора (μ=const):

Если равновесие экстракции заметно не осложняется кислотно-основным взаимодействием, ступенчатым комплексообразованием, ассоциацией и другими процессами, то

Д_М=.

;

Из уравнения для К_ЕХ:

Тогда

Если К_Д >>Дм, то имеет маленькое значение и тогда:

Дм=

Прологарифмируем это уравнение:

LgДм=lgKex+nlg[HL]o+npН.

Таким обрзом, коэффициент распределения тем выше, чем выше значение pН раствора и концентрация реагент HL. Однако, это не означает, что экстракцию во всех случаях следует проводить из щелочного раствора.

Для каждой системы существуют оптимальные значения pН и концентрации реагента.

Кех=f(β_MLn, K_HL, K_ДHL, K_ДMLn). Чем > β_MLn, K_HL, K_ДMLn и < K_ДHL, тем больше Кех.

Классификация и типы экстракционных систем (по способу осуществления экстракции).

Классификация экстракционных процессов:

– периодическая экстракция, в процессе которой вещество, которое экстрагируется, извлекается путем встряхивания в делительной лейке с экстрагентом;

– непрерывная экстракция, которая осуществляется в специальных приборах;

– противоточная экстракция.

Реэкстракция - из органического растворителя в водный раствор.

Типы экстракционных систем.

Соединения, которые экстрагируются органическими растворителями и переходят в органическую фазу, разделяют на несколько групп.

1. Галогениды, характеризующиеся наличием ковалентной связи: HgCl₂, HgJ₂, SbJ₃, AsBr₃, GeCl₄, элементный йод и т.д.

2. Внутрикомплексные соли: дитизонаты, дитиокарбаматы, оксихинолинаты, оксины, β-декетоноляты, а также ди-(2-этилгексил)-фосфаты актиноидов, редкоземельных и некоторых других элементов, и др.

3. Комплексные металлокислоты: HFeCl₄, HІnBr₄, HSbCl₆ и др.

4. Координационно-несольватованые (а) и координационно-сольватованные (б) соли:

а) соли тетрафениларсония, тетрафенилфосфония и т.д.

б) соединения, образующиеся при экстракции уранилнитрата и нитрата тория трибутилфосфатом из азотнокислых растворов.

5. Гетерополисоединения: фосфора, мышьяка, кремния, ванадия, молибдена, вольфрама и т.д.

Наиболее широко в процессах экстракционного концентрирования применяют внутрикомплексные соли, комплексные металлогалогенидные кислоты и координационно-сольватованные соли.

Основные органические реагенты.

Широкое применение в практике экстракции нашли 8-оксихинолин и его производные, дитизон и его аналоги, β-дикетоны, оксины, дитиокарбаминаты, алкилфосфорные кислоты и другие соединения.

8-оксихинолин (или оксин) малорастворим в воде (3,6·10^-3 моль/л при t ком.) и эфире, но хорошо растворим в спирте, бензоле, хлороформе и других органических растворителях. Для экстракции применяются хлороформные растворы, которые содержат 1-5 % оксихинолина. К_д 8-оксихинолина между Н₂О и СНСІ₃ при 25 ^оС составляет » 500. Оксихинолин одним из универсальных реагентов: он взаимодействует больше, чем с 50 элементами: Pd, Mo, W, V, Tl, Fe, Zr, Ga, Cu, Ti, In, Bi, Ni и прочие. Для повышения избирательности разделений с помощью 8-оксихинолина наряду с регулированием рН широко используются разные маскирующие реагенты (цианид-ионы, 1,10-фенантролин, ЭДТА и др.). Например, ионы Fe, Cu, Ni, Mo маскируются цианидом. Al, Co, Fe и прочие элементы в присутствии ЭДТА при рН< 8 не экстрагируются, хотя на экстракции U, W, Mo присутствие ЭДТА не сказывается.

Широко применяются как экстрагенты β-дикетоны, в особенности ацетилацетон и тионилтрифторацетон.

Ацетилацетон СН₃-С(О)-СН₂-С(О)-СН₃ смешивается с СНСІ₃, С₆Н₆, (С₂Н₅)₂О и другими органическими растворителями, а в воде его растворимость составляет 172 г/л при 20 ^оС. Константа распределения ацетилацетона между водой и хлороформом 25, а между водой и бензолом 5,8. Для экстракции можно использовать непосредственно сам ацетилацетон, который одновременно является и реагентом и растворителем, а также растворы ацетилацетону в С₆Н₆, СНСІ₃, ССІ₄ и других органических растворителях. Ацетилацетон образует соединения с более, чем 60 элементами (Pb, Tl, Fe, Pu, U, Ga, Cu, Se, Al, In, Th, Ni, La и прочие). Ацетилацетонаты хорошо растворимы в органических растворителях, имеют высокую термическую устойчивость, некоторые сублимируются без разложения.

Тионилтрифторацетон

C(О)-СН₂-С(О)-СF₃ в воде незначительно растворяется, а в органических растворителях лучше. Константа распределения между водой (подкисленной) и бензолом равна 40. С помощью тионилтрифторацетона возможна экстракция металлов из кислых растворов, что особенно важно. Очень широко тионилтрифторацетон применяется для выделения и разделения актиноидов. Соединения многих металлов (U, Cu, Fe) с тионилтрифторацетоном окрашены, поэтому органическая фаза, содержащая тионилтрифторацетонаты этих металлов, можно фотометрировать.

К числу часто используемых в экстракции реагентов принадлежат дитизон и его аналоги.

Дитизон (или дифенилтиокарбазон) в воде практически нерастворим, хорошо растворим в хлороформе и ССІ₄. К_д дитизона между водой и хлороформом равна 2*10⁵, между водой и ССІ₄ 1*10⁴. По реакции с дитизоном определяют: Pd, Au, Hg, Ag, Cu, Bi, Pt, In, Zn, Cd, Co и др. элементы. Для повышения селективности экстракцию проводят в разных областях рН в присутствии комплексирующих добавок. Например, экстракцией Bi в слабокислой среде можно его отделить от Zn, Cd, Рb и др. элементов. В присутствии цианид-иона дитизон экстрагирует только цинк и олово. Эффективным является применение в качестве комплескообразующих добавок тиоцианата, тиосульфата, ЭДТА и др. Сам дитизон и дитизонаты металлов интенсивно окрашены, что разрешает чувствительное фотометрическое определение непосредственно в органической фазе после экстракции. Находят применение также разные аналоги дитизона (метил-, фенил-, хлор-, бром- и др. производных), которые являются более селективными, чем дитизон.

Важным представителем реагентов группы дитиокарбаминатов является диэтилдитиокарбаминат натрия.

Он хорошо растворим в воде, немного хуже растворяется в спирте; как и диэтилкарбаминовая кислота растворим в хлороформе, бензоле, тетрахлорметане и подобных растворителях.

Константа распределения К_Д между органической и водной фазами равна 340 для тетрахлорметана и 2360 для хлороформа. Водные растворы диэтилкарбаминовой кислоты неустойчивы. Диэтилкарбаминат реагирует с несколькими десятками элементов (Hg, Ag, Cu, Tl, Ni, Bi, Pb, Cd, Sb и др.). В присутствии ЭДТА селективность экстракции увеличивается. Некоторые диэтилтиокарбаматы окрашены: комплекс Bi – желтый, Со – зеленый, Сu – коричневый и т.д., это позволяет непосредственно проводить фотометрические определения.

С помощью экстракционных методик проводят:

- разделение элементов;

- концентрирование примесей;

- очистку основного компонента от примесей;

- определение основных компонентов и примесей;

- для повышения чувствительности и селективности реакций;

- для изучения констант нестойкости комплексных соединений;

- для изучения состояния вещества в растворе (заряд, степень полимеризации).

Абсолютное концентрирование достигается за счет меньшего объема органической фазы в сравнении с начальным объемом водного раствора.

Относительное концентрирование – это увеличение концентрации примесей по отношению к содержанию основного компонента.

Для экстракции катионов металлов в виде комплексных соединений обычно применяют хелатообразующие реагенты типа 8-оксихинолина, диацетилглиоксима, дитизона, диэтилтиокарбамата и др. Регулируя рН, можно одним и тем же реагентом избирательно проэкстрагировать разные катионы. В качестве иллюстрации приведем влияние рН на экстракцию металлов некоторыми реагентами.

Таблица.

Границы рН экстракции комплексов металлов (Dz – дитизон, Ox – 8-оксихинолин, ДЭДТК – диэтилдитиокарбамат аммония).

Катион	Реагент и границы рН			Катион	Реагент и границы рН
	Dz в ССІ4	Ox в СНСІ3	ДЭДТК в ССІ4		Dz в ССІ4	Ox в СНСІ3	ДЭДТК в ССІ4
Ag^+	0-14	-	4-11	Fe^3+	-	2-12,5	4-10
Al^3+	-	5-11,5	-	Hg^2+	0-14	8-12	4-11
Bi^3+	0-11	-	-	Mg^2+	-	11-13,5	-
Ba^2+	-	-	-	Mn^2+	-	11-12	6-9
Ca^2+	-	11,5	-	Ni^2+	4-12	8,7	4-11
Cd^2+	4-14	11,5	4-11	Pb^2+	4-13	8-12	4-11
Co^2+	-	7-9	4-11	Sn^2+	3-10	7-9	-
Cr^3+	-	6-8	-	Sr^2+	-	11,4	-
Cu^2+	0-14	3-14	4-11	Zn^2+	4-13	4-13	4-11
Fe^2+	7-11	-	4-11

По данным таблицы легко определить условия экстракции отдельных катионов и разделения их смесей. Например, из водного раствора смесей солей Bi³⁺, Ni²⁺, Fe²⁺ можно избирательно проэкстрагировать раствором дитизона в ССІ₄ сначала Bi³⁺ (рН 1), потом Ni²⁺ (рН 5) и Fe²⁺ (рН 8).

Для проведения жидкостной экстракции применяют широкий набор растворителей. Растворитель:

1. Не должен смешиваться с водой.

2. Должен быть селективным.

3. Должен владеть большой емкостью по отношению к экстрагируемому веществу.

4. Должен максимально отличаться по плотности от плотности воды.

5. Должен иметь минимальную вязкость.

6. Должен иметь низкую стоимость.

7. Не должен быть взрывоопасным.

Жидкостная экстракция применяется в качественном анализе металлов, органических соединений, так как многочисленные комплексы металлов при экстракции дают окрашивание органической фазе. На теории жидкостной экстракции основывается метод распределительной хроматографии, в которой распределение веществ происходит вследствие их перераспределения между двумя жидкими фазами при их движении одна относительно другой. На жидкостной экстракции основывается группа методов экстракционно-фотометрического анализа, при проведении которого измеряют интенсивность окрашивания органического экстракта на фотометрических приборах, и на основе величины интенсивности делают вывод про количество определяемого вещества. Особое значение имеет метод жидкостной экстракции для аналитического и технологического разделения смесей веществ.

Применение экстракции в анализе лекарственных средств.

Часто определяемые вещества находятся в разных твердых природных материалах (руды, почвы, растительное и животное сырье). При анализе таких материалов приходится предварительно проводить избирательное экстрагирование веществ из твердой фазы и потом проводить анализ экстракта. При экстракции в системе твердое вещество – жидкость прежде всего учитывают природу и состояние твердой фазы, проводя в случае необходимости подготовку материала для экстракции.

Твердые материалы могут быть целостными (руда, сплавы) или пористыми (высушенное растительное или животное сырье); монолитными (куски сплавов) или сыпучими (измельченные материалы); влажными или высушенными и т.д. во всех случаях проводят предварительную подготовку твердого материала для экстракции:

1. высушивают его (если не ставится за цель экстракция из водного материала, например, тканей животных или растений);

2. измельчают до минимально возможной степени измельчения;

3. выбирают среднюю пробу.

Подготовленный экстракт приводят в контакт с экстрагентом и проводят экстрагирование. При этом наиболее важной стороной является:

4. подбор оптимального экстрагента. При минеральных веществ применяют воду, растворы кислот или щелочей, осуществляя этим одновременно переведение вещества в растворимую форму. Органические вещества обычно экстрагируют органическими растворителями, иногда используют и водные экстрагенты с определенным значением рН среды. Тип экстрагента зависит от степени полярности и гидрофильности экстрагируемых веществ и их способности к ионизации. Электролиты и вещества полярного и гидрофильного типов хорошо растворимы в воде и водно-органических смесях; неэлектролиты, неполярные и гидрофобные вещества – в органических растворителях.

5. Существенным моментом проведения экстракции является выбор соответственной методики, обеспечивающей полное экстрагирование веществ. Методика зависит от типа материала. Если экстрагируют целостный, непористый материал, измельченный до необходимой степени измельчения, то экстрагирование представляет собой избирательное растворение отдельных веществ, происходящее на поверхности частиц материала. При этом чем мельче материал, тем полнее и быстрее проходит экстракция. В таких случаях навеску материала измельчают до максимального измельчения, заливают порцией экстрагента и при интенсивном перемешивании ведут процесс экстракции. Отделив экстракт, процесс повторяют со свежей порцией экстрагента несколько раз до практически полного растворения и извлечения необходимого вещества из материала, проверяя качественными реакциями. Этот метод получил название прямоточной многоступенчатой экстракции. Он широко применяется при анализе руд, почв и др. непористых материалов. При его выполнении объединяют полученные экстракты и проводят их анализ.

Тем не менее, в фармации намного чаще возникают задачи экстракции и анализа пористых материалов, которым являются, например, высушенное лекарственное растительное сырье. Высокая пористость сырья объясняется наличием в ней клеток с клеточным соком, из которых при высушивании удаляется вода. Поэтому в высушенном растительном сырье определяемые вещества находятся в середине клеток в виде своеобразных комочков или тонкого слоя на стенках. При экстракции высушенного сырья сначала происходит проникновение экстрагента через поры в клеточных оболочках вглубь частичек сырья, потом проходит растворение веществ в экстрагенте, диффузия молекул веществ к поверхности кусочков сырья и массоперенос от поверхности сырья в экстрагент.

1. растворение вещества

2. диффузия растворителя в середину клетки сырья

3. диффузия вещества из сырья

4. клетки

Поэтому скорость экстракции возрастает при уменьшении размера (диаметра) кусочков сырья, или перемешивании смеси и при увеличении коэффициента молекулярной диффузии (он возрастает, например, при нагревании).

При экстракции растительного сырья применяют ряд аналитических способов получения экстракта. Первый из них – экстрагирование до полного извлечения вещества из сырья – выполняют, помещая навеску (около 1 г) измельченного сырья в бюретку и пропуская через нее с небольшой скоростью (3-5 капель в мин.) экстрагент. В приемник собирают 200-250 см³ экстракта и потом проводят его анализ. Способ называют перколяцией и применяют, хотя он и продолжительный, для выполнения точных анализов. Государственная Фармакопея СССР Х издание рекомендует при производстве серийных анализов применять одноразовое экстрагирование навески сырья (» 1 г) 50 см³ экстрагента на протяжении 2 ч при кипячении с обратным холодильником. Полученный экстракт потом доводят растворителем до первоначального объема и анализируют.

Более точные результаты сравнительно с фармакопейным дает методика равновесного экстрагирования. По этой методике навеску сырья (» 2 г) заливают точным объемом экстрагента (100 см³) и настаивают при перемешивании 4-5 ч. (до наступления равновесия в системе). При равновесии концентрации веществ во внутреннем экстракте (части экстракта, содержащиеся внутри частичек сырья) и внешнем экстракте выравниваются, так как за время экстрагирования происходит выравнивание скоростей массопереноса веществ из кусочков сырья во внешний экстракт и из внешнего экстракта вглубь кусочков сырья. Отобрав после наступления равновесия часть экстракта, проводят анализ и пересчитывают результаты анализа на весь объем экстракта, состоящий из внутренней и внешней его частей. При более точных расчетах учитывают влажность сырья, массу которой высчитывают. Аналитическая экстракция из твердых пористых материалов широко используется в фармации при анализе многочисленных видов лекарственного сырья. Например:

- анализ растительного сырья – извлечение активно-действующих веществ (плоды боярышника, травы алтею, цветов календулы, корня алтею, листья эвкалипта и т.д.).

- анализ сухих экстрактов из растительного сырья (сухой экстракт солодки – экстракция глицеризиновой кислоты ацетоновым раствором трихлорацетатной кислоты; сухой экстракт белладонны – хлороформная экстракция гиосциамина и атропина хлороформом и т.д.).

- анализ таблеточных масс, содержащих много компонентов, мешающих друг другу при количественном определении (таблетки тиотриазолина – спиртовое извлечение; таблетки Бисептол – сульфометоксазол и триметоприм мешают друг другу, поэтому триметоприм отделяют предварительно проэкстрагировав из водного щелочного раствора в хлороформ и проведя потом реэкстракцию и несколько экстракций);

- анализ лекарственных средств на содержание посторонних примесей (препараты, содержащие ацетилсалициловую кислоту всегда содержат примесь салициловой кислоты. ДФУ нормализует ее содержание не больше 3 %. Определение содержания салициловой кислоты проводится после предварительной экстракции ее из таблеточной массы хлороформом и последующей реэкстракции в кислый водный раствор железа (ІІІ), с которым происходит образование комплексного соединения, фиолетовой окраски; интенсивность окраски измеряют на спекторофотометре).

- идентификация и подтверждение тождественности препаратов растительного происхождения осуществляется методом тонкослойной хроматографии (ТСХ). Но проведению ТСХ исследований предшествует часто концентрирование активно-действующих веществ и одновременное их отделения от балластных веществ (настойка боярышника – содержание флавоноидов, гиперозид – являются незначительным и, чтобы достичь границ определения для ТСХ подтверждение тождественности проводится предварительная экстракция суммы флавоноидов бутанолом-1, упаривание экстрагента и растворение сухого остатка в маленьком количестве спирта; настойка белладонны – экстракция алкалоидов – гиосциамина и атропина хлороформом (в промышленности бензол, керосин, дихлорэтан для экстракции с скоп масла); сумма валеопатриатов настойки валерьяны экстрагируется хлористым метиленом – одновременное отделение от некоторых гидрофильных веществ, в первую очередь дубильных и концентрирование изобутиламидов кислот; так же, как с валерьяной является исследование с настойкой эхинацеи пурпурной; сумма сердечных гликозидов настойки ландыша экстрагируется для последующего ТСХ определения смесью хлороформ - этанол 4:1 (количественное определение суммы сердечных гликозидов проводится фотометрическим методом по окрашиванию комплексного соединения с натрий пикратом в перерасчете на ландешетоксин, но лишь после экстракции этой суммы смесью хлороформ - этанол).

- получение витамина В₁₂ (очистки за счет тяжелых, токсичных экстракций крезолами, толуолом, бензолом).

- получение новогаленовых препаратов (коргликон, флавин, силибор (силимарин с разторопши пятнистой, препараты - Дарсил и карсил).

В биохимическом и токсикологическом анализе экстракцией выделяют вещества из животных и растительных тканей, как свежих, так и высушенных. При экстракции свежих тканей одновременно с экстракцией проводят их гомогенизацию, размалывая ткани вместе с экстрагентом до полного разрушения клеток.

Экстракционно-фотометрическое определение суммы алкалоидов в препаратах, которые содержат беладонну.

В делительную воронку вместительностью 100 мл вносят 1,0 мл настойки беладонны или 5,0 мл капель Зеленина, прибавляют 10 мл фосфатного буферного раствора (рН 7,5), 0,5 мл 0,15% раствора бромтимолового синего, 10 мл хлороформа и встряхивают на протяжении 3 мин. Хлороформный экстракт фильтруют в мерную колбу вместительностью 50,0 мл через бумажный фильтр с 1 г натрий сульфата безводного, предварительно смоченного хлороформом.

Экстракцию хлороформом повторяют еще 2 раза, поочередно встряхивая каждый раз с 10 мл хлороформа. Хлороформные извлечения приобщают к предыдущему в одну и ту же колбу. Бумажный фильтр с натрий сульфатом промывают дополнительно 5 мл хлороформа.

В мерную колбу к хлороформным извлечениям прибавляют 10 мл 0,02% спиртового раствора ортоборатной кислоты и доводят объем раствора 96 % этиловым спиртом до метки, перемешивают.

Измеряют оптическую плотность полученного раствора эксракта на спектрофотометре при длине волны 420 нм в кювете с толщиной слоя 10 мм, используя в качестве раствора сравнения хлороформ.

По измеренному значению оптической плотности Ах раствора и удельного коэффициента светопоглощения комплекса гиосциамина с бромтимоловым синим Е^1%_1см = 138 рассчитывают массово-объемную долю суммы алкалоидов в препарате в пересчете на гиосциамин.

В настойке беладонны содержание суммы алкалоидов должно быть в пределах 0,27-0,33%, а в каплях Зеленина 0,054-0,066%.

Экстракционно-фотометрическое определение примеси салициловой кислоты в таблетках, которые содержат ацетилсалициловую кислоту.

Около 0,34 г (точная навеска) порошка растертых таблеток помещают в мерную колбу вместительностью 25,0 мл, прибавляют 15 мл хлороформа, тщательно перемешивают на протяжении 5 мин, доводят объем раствора хлороформом до метки, перемешивают и фильтруют через бумажный фильтр, отбрасывая первые порции фильтрата.

2,0 мл фильтрата помещают в делительную воронку вместительностью 50,0 мл, прибавляют 8,0 мл воды, 2,0 мл 1 % раствора ферум (ІІІ) хлорида и энергично встряхивают на протяжении 2 мин, дают слоям разделиться и нижний слой (хлороформный) отбрасывают.

Измеряют оптическую плотность полученного раствора на спектрофотометре при длине волны 525 нм, в кювете с толщиной слоя 10 мм, используя как раствор сравнения раствор, который содержит 8,0 мл воды и 2,0 мл 1 % раствора ферум (ІІІ) хлорида.

Параллельно измеряют оптическую плотность раствора, полученного при обработке 2,0 мл раствора стандартного образца кислоты салициловой, как описано выше, начиная со слов: „ ... помещают в делительную воронку вместительностью 50 мл...”.

Содержание кислоты салициловой в одной таблетке, в процентах (Х), рассчитывают за формулой:

,

где

А₁ – оптическая плотность испытуемого раствора;

А₀ – оптическая плотность раствора стандартного образца кислоты салициловой;

m₁ – масса навески препарата, в граммах;

m₀ – масса навески стандартного образца кислоты салициловой, в граммах;

b - средняя масса таблетки, в граммах;

Х_а – содержание кислоты ацетилсалициловой в одной таблетке, в граммах.

Содержание С₇H₆О₃ (кислоты салициловой) должно быть не больше 3 %, считая на среднюю массу одной таблетки.

Примечания: 1. Приготовление раствора стандартного образца кислоты салициловой.

Около 0,05 г (точная навеска) кислоты салициловой помещают в мерную колбу вместительностью 50,0 мл, растворяют в 25 мл хлороформа, доводят объем раствора хлороформом до метки и перемешивают.

5,0 мл полученного раствора помещают в мерную колбу вместительностью 25,0 мл и доводят объем раствора до метки хлороформом и перемешивают.

Срок пригодности раствора 5 суток.

2. Приготовление 1 % раствора ферум (ІІІ) хлорида.

1,0 г ферум (ІІІ) хлорида помещают в мерную колбу вместительностью 100,0 мл, прибавляют 50 мл 0,1 моль/л раствора хлоридной кислоты и растворяют, потом доводят объем раствора 0,1 моль/л раствором хлоридной кислоты до метки и перемешивают.

Срок годности раствора 1 месяц при хранении в защищенном от света месте.

Чувствительность и селективность, правильность и воспроизводимость

инструментальных методов анализа.

Чувствительность методов определяется двумя факторами:

· интенсивностью измеренного физического свойства;

· чувствительностью детекторов сигнала в приборе для инструментального анализа.

Малоинтенсивными свойствами являются, например, ряд оптических свойств – преломление луча света и обращение плоскости поляризации света, вследствие чего рефрактометрия и поляриметрия имеют низкую чувствительность, и применяется при анализе сравнительно концентрированных растворов веществ.

Высокую интенсивность могут иметь (в зависимости от типа веществ) поглощение света растворами веществ, линии в эмиссионном спектре элементов, флюоресценция, радиоактивность и ряд других свойств. В связи с этим соответствующие виды инструментального анализа владеют высокой чувствительностью от 1*10^-6 г в фотометрических до 1*10^-15 г в радиометрических методах. Высокая чувствительность многих методов объясняется свойствами применяемых детекторов сигнала в приборах. Например, современные фотоумножители реагируют на световые потоки с очень маленькой интенсивностью, а радиометрические счетчики – на отдельные элементарные частички. Электрохимические методы (полярография, кулонометрия) имеют высокую чувствительность благодаря применению высокочувствительных регистраторов тока и потенциала.

Чувствительность некоторых инструментальных методов анализа:

Метод Граница определения

Фотометрия 1*10^-6

Флюориметрия 1х10^-10

Полярография 1х10^-8

Эмис. спектр. анализ 1х10^-10

АА анализ 1х10^-10

Газовая хромотография 1х10^-11

Радиоизотопный анализ 1х10^-15

Масс – спектрометрия 1х10^-12

Кулонометрия 1х10^-10

Кинетический анализ 1х10^-11

Высокочувствительные методы анализа применяют при анализе микро компонентов смесей, продуктов разрушения веществ, примесей в ним. Особенно большое значение они имеют в полупроводниковой промышленности, при производстве особо чистых веществ, в исследованиях биологических объектов и т.д.

Важным преимуществом многих инструментальных методов является их высокая избирательность – селективность. Ряд инструментальных методов, например, рефрактометрия, интерферометрия, неселективны и используются в тех случаях, когда анализируются либо индивидуальные вещества, либо несложные смеси (из 2-3 веществ). Высокая селективность присуща методам, базирующимся на характерных свойствах молекул, функциональных группировок, атомов, владеющих эмиссионными и абсорбционными свойствами, радиоактивностью, способностью к электрохимическому восстановлению или окислению. Например, по линиям эмиссионного спектра проявляют и определяют практически все элементы при их совместном присутствии. Эти методы широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, при анализе материалов сложного состава.

Правильность инструментальных методов анализа зависит от того, насколько свойство адекватно отображает состав и связано ним строго определенными закономерностями. Закономерности, которые связывают свойство и состав, устанавливают экспериментально. Поэтому при проведении инструментального анализа предварительно проводят калибровку аналитических приборов и определяют зависимость физических свойств от состава. Эти задачи решаются с помощью стандартных образцов.

Стандартным образцом называют вещества и материалы, которые имеют постоянный состав и свойства. Например, в потенциометрии применяют стандартные буферные растворы с постоянным значением рН, с их помощью калибруют рН-метры, в спектрофотометрии по стандартам веществ строят калибровочный график, который используется потом для интерпретации результатов измерений исследуемого образца. Применение стандартов разрешает получить правильные результаты анализа.

На воспроизводимость инструментальных методов кроме общих причин (точность измерения, взвешивания и др.) влияет стабильность работы аналитического прибора. Последнее зависит от стабильности напряжения электропитания приборов, стабильности работы детекторов. Стабильность напряжения электросети обеспечивают стабилизаторы напряжения, от которых идет питание приборов. Стабильность работы детекторов (фотоэлементов, термоэлементов и т.д.) повышают дифференциальными способами измерений. Дифференциальная схема измерений предусматривает использование двух детекторов – стандартного и измерительного, регистрируют в этих схемах дифференциальный сигнал. Иногда дифференциальный способ осуществляют одним детектором, измеряя сначала сигнал стандартного, потом исследуемого образца. Например, в фотоколориметрах используют два фотоэлемента, на один из них поступает поток света, который прошел через растворитель или стандарт, на второй – через раствор определяемого вещества. Дифференциальный сигнал фотоэлементов усиливается и регистрируется. В однолучевых спектрофотометрах применяют один фотоэлемент.

В световой поток сначала вводят кювету с растворителем и приводят электрический сигнал фотоэлемента к нулю, потом измеряют поглощение раствора определяемого вещества, получая на шкале прибора показатели разницы, связанные только с количеством определяемого вещества.

Для получения точных результатов на приборе выполняют не меньше 3-5 измерений образца, потом их обрабатывают методами математической статистики. Точность инструментальных методов сильно колеблется в зависимости от метода. Наиболее высокой точностью (до 0,01 %) владеет кулонометрия, точность в пределах 2-5 % имеет большинство прямых инструментальных методов. Инструментальное титрование по своей точности сравнивается с химическим титрованием (0,1 %).

Основные приемы ФХМА.

Почти во всех ФХМА применяют два основных методических приема: метод прямых измерений (относительный) и метод титрования (абсолютный).

Прямые методы. В этих методах используется зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации.

Свойством, которое зависит от природы вещества, является, например, длина волны спектральной линии в эмиссионной спектроскопии, потенциал полуволны в полярографии, а количественной характеристикой служит интенсивность сигнала – интенсивность спектральной линии в первом случае, сила диффузного тока – во втором. В отдельных методах связь аналитического сигнала с природой вещества установлена строго теоретически. Например, линии в спектре атома водорода могут быть рассчитаны по теоретически введенным формулам с использованием фундаментальных констант (постоянная Планка, заряд электрона и т.д.).

При качественном анализе наблюдается сигнал, например, какая из ожидаемых длин волн появится в пробе, а при количественном измерении интенсивность сигнала. Связь интенсивности аналитического сигнала І с концентрацией вещества имеет разную природу. Но часто эта зависимость выражается простым уравнением:

І = А х С,

где А – константа, С – концентрация.

В аналитической практике наибольшее распространение приобрели следующие методы прямого количественного определения с помощью физико-химических измерений:

1) метод градуировочного графика;

2) метод сравнения;

3) метод добавок;

4) метод аналитических факторов.

1. метод градировочного графика. В этом методе измеряется интенсивность аналитического сигнала І в нескольких стандартных образцах или нескольких стандартных растворов и строится градуировочный график чаще в координатах I =f (C), где С – концентрация определяемого компонента в стандартном образце. Потом в тех же условиях измеряется интенсивность сигнала в анализируемой пробе и по градуировочному графику находится концентрация анализируемого раствора. Интервал концентрации на градуировочном графике должен охватывать предвиденную область анализируемых концентраций, а состав стандартного образца или раствора должен быть близким к анализируемым.

у = а + в*х,

где а можно рассчитать по формуле:

в можно рассчитать по формуле:

2. Еще называется метод сравнения или метод стандарта. Используется в тех случаях, если линия зависимости состав – свойство имеет прямолинейный характер и проходит через начало осей координат.

I

С

На приборе измеряют характеристики свойств стандартного и анализируемого растворов. При этом соотношение концентраций стандартного и анализируемого растворов равно отношению характеристик: С_Х/С_СТ = I_Х/I_СТ; С_Х =(I_Х*С_СТ)/I_СТ

3. Метод добавок. Сначала измеряют интенсивность аналитического сигнала пробы, потом в пробу вводится известный объем стандартного раствора до концентрации С_СТ и снова измеряется интенсивность сигнала. Если І_Х – интенсивность аналитического сигнала пробы, а І_х+Ст - интенсивность сигнала после добавки стандартного раствора, то, очевидно:

І_Х = А * С_Х;

І_{Х + СТ} = А * (С_Х + С_СТ)

І_Х / І_{Х + СТ} = А * С_Х / (А*С_Х + А*С_СТ).

І_Х * (А*С_Х + А*С_СТ) = І_Х+СТ * А * С_Х;

І_Х*А*С_Х - І_Х+СТ * А * С_Х = - І_Х*А*С_СТ;

А*(І_Х+СТ – І_Х)*С_Х = А*І_Х*С_СТ;

С_Х = С_СТ. * І_Х /(І_Х+СТ – І_Х).

При выполненные анализа единичных образцов неизвестного состава значительные трудность представляет изготовление необходимых образцов сравнения и учет возможных межэлементных влияний. В таком случае удобно изготовить образцы сравнения на основе самой анализируемой пробы.

I

Анализируемую пробу делят на n порций и в (n – 1) порции водят определяемый элемент в последовательно возрастающем количестве. Построив зависимость интенсивности аналитической линии от добавки, можно экстраполировать эту зависимость до нуля и найти концентрацию элемента в исходной пробе.

Это справедливо лишь только при отсутствии заметного фона. Метод добавок практически свободен от влияния матричных эффектов, если при введенные добавок обеспеченная идентичность химической формы определяемого элемента в пробе и во введенной добавке. Поэтому его часто применяют при анализе проб неизвестного состава.

Метод добавок применяют также для независимого контроля правильности результатов анализа, полученных с помощью специально подготовленных образцов сравнения.

4. метод аналитических факторов (показателей). Этот метод базируется на использовании численных значений свойства, отвечающего единице концентрации вещества. Аналитические факторы используют в расчетах при строгом соблюдении определенных закономерностей, связывающих характеристику свойства вещества с его концентрацией в растворе. Такие закономерности установлены, например, в рефрактометрии, поляриметрии, спектрофотометрии и др. Применяют два вида аналитических факторов:

· молярные показатели F_M – отвечают молярной концентрации вещества (моль/дм³);

· удельные показатели F_% - отвечают процентной концентрации вещества.

Расчет концентрации при использовании аналитических факторов значительно упрощается: измеряют свойство раствора и делят на его фактор. При этом получают концентрацию вещества в растворе в соответствующих единицах:

C = I/F_M [моль/дм³]; C = I/F_% [%]

Косвенные методы. (или методы титрования). В этих методах в ходе титрования изменяется интенсивность аналитического сигнала І и строится кривая титрования I – V , где V - объем добавленного титранта, в мл. Т.э. находится по кривой титрования.

Различают:

· интегральные кривые – на графике откладываются значения интенсивности сигнала.

· дифференциальные кривые – на графике откладывается разность интенсивности сигнала между двумя последовательными изменениями свойства. Интенсивность сигнала может быть связана с концентрацией определяемого вещества, титранта или продукта реакции. Поэтому вид кривых очень разный.

Спектрофотометрический метод анализа основывается на общем принципе - пропорционально зависимости между свет поглощением вещества, его концентрации и толщины поглощающего слоя. Для определения концентрации растворов спектрофотометрическим методом используют закон Бугра-Ламберта-Беера: А = lCE

где С-концентрация исследуемого вещества в процентах

l - толщина слоя вещества в сантиметрах

E - показатель поглощения раствора, концентрация которого равна единице

A - оптическая плотность.

Определение оптической плотности проводят на фотоэлектрических спектрофотометрах.

При этом, если концентрация С выражена в молях на 1 л, то величина х называется молярным показателем поглощения а обозначается символом; если концентрация выражена в граммах на 100 мл, то эта величина называется удельным показателем поглощения и обозначается символом.

Большое преимущество физико-химических методов анализа – экспресность, высокая чувствительность и во многих случаях высокая селективность. В связи с этим, они все более широко внедряются в практику фармацевтического анализа. Большой раздел физико-химических методов анализа – оптические методы. Светопоглощение, светорассеяние, преломление света, вторичное свечение вещества – это оптические свойства систем, которые тесно связаны с химическим составом. Именно эта связь лежит в основе качественного и количественного анализа оптических методов.

Среди оптических методов наиболее часто используемым есть фотометрический анализ, а в частности – спектрофотометрический. Он разрешает проводить, как анализ субстанций лекарственных веществ так и анализ одно- и многокомпонентных лекарственных форм.

Рефрактометрия и количественное определение веществ.

Рефрактометрические методы анализа основаны на определении показателя (коэффициента) преломления исследуемого вещества.

Если луч света переходит из одной среды в другую, то он частично отражается от поверхности раздела, а частично переходит во вторую среду, изменяя при этом свое первоначальное направление, т. е. преломляясь.

Рис. Преломление света (а) и полное внутреннее отражение (б).

Показателем (коэффициентом) преломления (п) называют отношение синуса угла падения луча света к синусу угла его преломления:

Если луч света переходит из вакуума или из воздуха в другую среду, то угол падения всегда больше угла преломления. Если луч света переходит из среды более преломляющей, в среду менее преломляющую, то угол падения оказывается меньше угла преломления.

Абсолютный показатель преломления N – это отношение скорости С₀ распространения света в вакууме к скорости С его распространения в данной среде:

Относительный показатель преломления N – это отношение скорости С_возд распространения света в воздухе к скорости С его распространения в данной среде:

Сравнивая эти два выражения, получим:

Показатель преломления зависит от ряда факторов:

1. природы вещества,

2. длины волны падающего света,

3. плотности раствора, так как плотность раствора зависит от его концентрации, то показатель преломления зависит от концентрации раствора,

4. температуры, при повышении температуры показатель преломления уменьшается, так как при этом уменьшается плотность вещества.

5. Направления падающего света на кристалл.

Обычно на практике показатель преломления определяют при длине волны падающего света l_D=583,9 нм, соответствующей положению линии D в спектре излучения натрия (испускаемого, например, натриевой лампой) при температуре (20±0,3) °С. Измеренный в таких условиях показатель преломления обозначают . При этом числовое значение лежит в большинстве случаев в пределах 1,3-1,7.

Каждое чистое, оптически прозрачное (для излучения с данной длиной волны) вещество (индивидуальная жидкость, раствор, кристалл) характеризуется определенным числовым значением , что и используется для идентификации исследуемого раствора. Измерив показатель преломления, определяют концентрацию раствора, используя калибровочную кривую или таблицы показателей преломления от концентрации.

При прохождении светового луча из среды с показателем преломления n₁ в среду с показателем преломления n₂, согласно закону преломления, между углом падения a и углом преломления b устанавливается зависимость:

или n₁*sinb = n₂*sina

Если увеличивать угол падения света, то в определенный момент угол преломления станет равным 90 °. Тогда луч света не будет попадать во вторую среду, а будет скользить по поверхности раздела двух сед. При дальнейшем увеличении угла падения преломление исчезнет, и луч полностью отражается.

Это явление называется полным внутренним отражением.

Угол преломления 90 ° называют предельным углом преломления, а угол падения при достижении предельного угла преломления называют предельным углом падения. Он обозначается буквой j. Если достигнут предельный угол преломления (b = 90 °), то sinb = 1. Угол a будет предельным углом падения j. Следовательно,

n₁*1 = n₂*sinj или .

В основе рефрактометрических измерений растворов лежит зависимость между концентрацией раствора вещества и его показателя преломления, которую выражают формулой:

n = n₀ + F*C

где n – показатель преломления раствора,

n₀ – показатель преломления растворителя,

C – концентрация раствора,

F – фактор, который равен величине прироста показателя преломления при увеличении концентрации на 1 % (устанавливают экспериментально или рассчитывают по таблицам показателей преломления).

Величины факторов показателей преломления для многих водных растворов, в том числе лекарственных веществ, приведенных в справочниках или специальных таблицах.

Рефрактометрический метод – фармакопейный. Его применяют для контроля подлинности ряда жидких лекарственных субстанций, растворителей и растворов, например, диэтиламида никотиновой кислоты, токоферола ацетата – витамина Е, метилсалицилата, фторотана, винилина, масла эвкалиптового, касторового, персикового, масла мяты перечной, терпентинового очищенного, сахарного сиропа и др.

Поляриметрия и количественное определение оптически активных веществ.

Метод основан на измерении угла оптического вращения плоскости поляризации монохроматического света при прохождении его через оптически активное вещество – индивидуальные жидкости или растворы (а также и через твердые вещества, что, однако, обычно не представляет аналитического интереса). Пропускание линейно поляризованного света через среду оптически активного вещества сопровождается отклонением плоскости его поляризации (вдоль линии распространения светового луча) от ее первоначального положения (т.е. до падения в оптически активную среду) на некоторый угол a, называемый углом вращения (или углом оптического вращения). Величина a, измеряемая в угловых градусах, может быть положительной (для правовращающих веществ) или отрицательной (для левовращающих веществ). Если линейно поляризованный луч света направлен к наблюдателю через оптически активное вещество, то правовращающие среды отклоняют плоскость поляризации по часовой стрелке по отношению к наблюдателю, а левовращающие – против часовой стрелки.

Угол вращения a зависит от длины волны l поляризованного излучения, от толщины l слоя оптически активной среды, через которую проходит световой луч, от природы (состава) оптически активной среды, ее плотности, от природы растворителя, концентрации растворенного оптически активного вещества, температуры. Величина a прямо пропорциональна толщине l слоя среды, через которуюпрошел световой луч, и концентрации оптически активного вещества (в определенных пределах).

Для количественной характеристики способности оптически активных веществ вращать плоскость поляризации света вводят удельное вращение [a], которое определяют как угол вращения плоскости поляризации монохроматического излучения при l=1дм и содержании оптически активного вещества 1 г/мл.

На практике [a] определяют чаще всего для длины волны l_D=589,3 нм желтой линии D в спектре излучения натрия и при температуре 20±0,5 °С. Измеренное в таких условиях удельное вращение обозначают символом [a]_D²⁰.

Удельное вращение [a] является характерной константой оптически активного вещества.

Для индивидуальных жидких оптически активных веществ величину [a] рассчитывают по формуле:

[a] = a / r * l.

А для растворов оптически активных веществ – по уравнению:

[a] = 100 a / С * l,

где a - измеренный угол вращения, градусы,

r - плотность жидкости, г/мл,

l – толщина слоя оптически активного вещества, дм,

С – концентрация оптически активного вещества, г/100 мл раствора.

Поляриметрический метод – фармакопейный. Его применяют в качественном анализе для идентификации и контроля чистоты оптически активных веществ, в частности, для подтверждения подлинности многих оптически активных лекарственных препаратов, например, аскорбиновой кислоты (витамина С), адреналина гидротатрата, атропина сульфата, калиевой и новокаиновой солей бензилпенициллина, камфоры, глюкозы, левомицитина и др.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

а) Основные: 1. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. ч. 1. - Г.: Высшая школа, 1982. - С. 298-316.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. т. 2. - Г.: Высшая школа, 1989. - С.104-113, 298-315.

3. Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия. - М: Высшая школа, 1989. - С.351-354, 356-369.

б) Дополнительные: 1. Крешков А.П. Основы аналитической химии. т.2. - Г.: Химия, 1977. - С. 459-473.