Поляриметрический метод количественного определения: характеристика метода, применение в анализе лекарственных веществ
Введение
Поляриметрия представляет собой метод измерения,
предназначенный для определения оптической активности вещества.
Поляриметрия относится к старейшим методам
физического количественного анализа (закон Био был открыт в 1831 г.).
Поляриметры - это приборы для определения
концентрации и идентификации оптически активных веществ.
Естественная оптическая активность - это
свойство молекул, преимущественно молекул органических соединений, вызывать
поворот плоскости колебаний линейно поляризованного пучка лучей. Линейно
поляризованное состояние электромагнитной волны характерно тем, что магнитные
векторы амплитуды бесконечно вытянутой последовательности волн лежат в одной
плоскости. Естественный свет представляет собой результат многих процессов
излучения и не имеет упорядоченной поляризации. Линейно поляризованный свет
можно получить лишь с помощью определенных оптических средств - поляризаторов.
1. Теоретические
основы метода
Линейно поляризованный свет можно представить
как результат наложения двух когерентных составных частей с круговой
поляризацией, имеющих противоположные направления вращения. Векторы амплитуд
обоих потоков волн с круговой поляризацией описывают противоположные по
направлению винтовые траектории, имеющие одинаковую скорость, частоту и выходную
фазу на прямой распространения. Так как оба потока между собой интерферируют,
результирующий вектор амплитуды находится в одной плоскости.
Наблюдаемое вращение плоскости колебания
суммарного вектора амплитуды двух круговых частей волны оптически активными
веществами возможно лишь в том случае, если обе части волны с круговой
поляризацией вдоль пройденного пути имеют различную скорость, т. е. одна часть
потока замедляется по сравнению с другой. Так как изменение скорости света в
веществе по сравнению с предельной скоростью в вакууме характеризуется
коэффициентом преломления, оптически активные вещества должны вызывать двойное
круговое преломление, т. е. описываться двумя коэффициентами преломления.
Предпосылкой для каждого вида двойного преломления является степень
упорядоченности носителей заряда и направлений их полей внутри вещества.
Вещества с двойным линейным преломлением всегда имеют одну или несколько
плоскостей симметрии. Для веществ с двойным круговым преломлением, т. е. для
оптически активных веществ, характерно отсутствие плоскости симметрии, они без
исключения пространственно асимметричны. Из этого требования асимметрии
следует, что химические элементы, одно- и многоатомные газы и почти все
неорганические соединения являются оптически неактивными. Намного превосходящее
число оптически активных органических и биологических веществ содержится среди
соединений углерода. В более крупных молекулах к оптической активности приводит
также спиральная структура.
Различают вещества с правым и левым вращением.
Направление вращения определяется по следующему правилу: вещество имеет правое
вращение (правое вращение обозначается знаком +, d
или D), если
плоскость поляризации при рассмотрении в направлении источника света
поворачивается по часовой стрелке; при левом повороте (обозначение -, l
или L) плоскость
поляризации поворачивается против часовой стрелки. Вследствие требования
асимметричности для каждой оптически активной молекулы существует антипод с
противоположным направлением вращения и зеркально отраженным построением
молекул. При синтезе оптически активных веществ вероятность образования
одинакова для обоих антиподов, поэтому получающаяся смесь, которая называется
рацематом, содержит оба антипода с одинаковой вероятностью. Вследствие
аддитивности свойства оптической активности результирующее суммарное вращение
для рацемата равно нулю. Очевидно, что рацемат не является оптически активным.
Так как антиподы рацемата химически адекватны, то, как правило, их нельзя разделить
химическим путем; для этого пригодны лишь поляриметрические методы.
Оптическая активность сильнее, чем другие
оптические явления, зависит от длины волны. Эта зависимость вызывается
оптической вращательной дисперсией. В спектральных областях при отсутствии
абсорбции снижение длины волны усиливает вращение. В полосах абсорбции
оптически активных соединений по аналогии с аномалиями коэффициента преломления
имеют место аномалии вращения. Так как оптически активные вещества обладают
круговым двойным преломлением, то они характеризуются двумя коэффициентами
преломления nR
и nL
(для света с левой и правой круговой поляризацией), которые в полосах с
абсорбцией могут быть представлены в виде комплексных чисел. Это свойство,
которое называется круговым дихроизмом (различная абсорбция для света с левой и
правой поляризацией), приводит к эллиптической поляризации первоначально
линейно поляризованного света. Аномалия вращения и круговой дихроизм обычно
проявляются вместе (эффект Коттона), причем максимум кривой кругового дихроизма
с малым спектральным смещением совпадает с точкой поворота кривой оптической
вращательной дисперсии. Если аномалии дисперсии преломления вследствие
небольшой величины эффекта не имеют практического значения в аналитической
технике, то аномалии оптической вращательной дисперсии и кругового дихроизма
могут использоваться в измерительной технике (спектральная поляриметрия) и
имеют выдающееся значение при выяснении структуры в органической химии и
особенно в биохимии.
Все оптически изотропные вещества в продольном
магнитном поле (направление вектора магнитного поля совпадает с направлением
света) становятся оптически активными (эффект Фарадея, магнитное вращение),
причем направление вращения зависит от направления магнитного поля. Вращение, вызванное
магнитным полем, как и естественное вращение, имеет сильную дисперсию, которую
называют магнитно-оптической дисперсией вращения. Здесь тоже в областях спектра
с абсорбцией вследствие Зеемановского расщепления возникают аномалии вращения -
магнитный круговой дихроизм. Вследствие довольно сложной картины
информационного содержания спектров магнито-оптической дисперсии вращения и
магнитного кругового дихроизма они до сих пор используются в аналитической
технике преимущественно в научных целях. В противоположность этому
использование эффекта Фарадея для модуляции и компенсации оптического вращения
является важным вспомогательным средством в современной поляриметрии.
Оптическая активность, как и преломление света,
зависит от температуры. Она является результатом разности двух коэффициентов
преломления, поэтому температурная зависимость ее в общем меньше, чем
температурная зависимость самих коэффициентов преломления, и находится в
пределах от 1 до 2·10-4/°С. Исключение составляет инвертированный
сахар, температурный коэффициент которого составляет 1,5·10-2/°С.
Температурный коэффициент для жидкостей в
большинстве случаев отрицателен, т. е. вращение снижается с увеличением
температуры. Для твердых тел он чаще всего положителен, например, для кварца он
составляет 1,36·10-4/°С. Оптическая активность зависит также от вида
и кислотности растворителя, причем даже может произойти изменение направления
вращения. Зависимость оптической активности от концентрации определяется
законом Био.
Удельное вращение и закон Био
Удельное вращение плоскости поляризации
оптически активным веществом определяется как угол вращения, отнесенный к
единице толщины просвечиваемого материала:
Если угол вращения измеряется в угловых
градусах, а толщина слоя l
- в мм, то размерность удельного вращения составит [град/мм].
Соответственно удельное вращение оптически
активной жидкости (не раствора) с плотностью ρ
[г/см3] определяется выражением
Удельное вращение раствора оптически активного
вещества в оптически неактивном растворителе с концентрацией С (г/100
мл) раствора определяется по формуле
В органической химии как разновидность удельного
вращения используется также величина молярного вращения.
Определение концентрации растворенных оптически
активных веществ по результатам измерения угла вращения α
[град] при данной толщине слоя l
[дм] для определенной длины волны [нм] производится по уравнению Био (1831 г.):
Закон Био практически всегда выполняется в
области низких концентраций, в то время как при высоких концентрациях имеют
место существенные отклонения
Мешающие факторы при поляриметрических
измерениях
При каждом преломлении и отражении от
поверхности, не перпендикулярной направлению света, происходит изменение
состояния поляризации падающего света. Из этого следует, что любой вид мутности
и пузырей в исследуемом веществе вследствие множества поверхностей сильно
снижает поляризацию, и чувствительность измерения может снизиться ниже
допустимого уровня. То же самое относится к загрязнениям и царапинам на окнах
кювет и на защитных стеклах источника света.
Термические и механические напряжения в защитных
стеклах и окнах кювет приводят к двойному преломлению и, следовательно, к
эллиптической поляризации, которая накладывается на результат измерения в виде
кажущегося поворота. Так как эти явления в большинстве случаев неконтролируемы
и не постоянны во времени, следует тщательно следить, чтобы механические
напряжения в оптических элементах не появились.
Сильная зависимость оптической активности от
длины волны (вращательная дисперсия), которая, например, для сахарозы
составляет 0,3%/нм в области видимого света, заставляет использовать в
поляриметрии предельно узкие полосы спектра, что обычно требуется лишь в
интерферометрии. Поляриметрия является одним из самых чувствительных оптических
методов измерения (отношение порога чувствительности к диапазону измерения
1/10000), поэтому для полноценных поляриметрических измерений можно использовать
лишь строго монохроматический свет, т. е. изолированные линии спектра. Горелки
высокого давления, которые обеспечивают высокую интенсивность света, непригодны
для поляриметрии вследствие расширения спектральных линий при изменении
давления и повышенной для этого случая доли фона сплошного излучения.
Применение более широких спектральных полос возможно лишь для приборов, в
которых предусмотрена компенсация вращательной дисперсии, как, например, в
приборах с компенсацией при помощи кварцевого клина (сахариметр с кварцевым
клином) и приборах с компенсацией по эффекту Фарадея. В приборах с кварцевым
клином возможности компенсации при измерении сахарозы ограничены. При
компенсации по эффекту Фарадея путем соответствующего выбора материала
вращательную дисперсию можно подчинить различным требованиям; однако достичь
универсальности использованных способов не удается.
При измерении с конечной шириной спектральной
полосы вблизи полос абсорбционного поглощения под действием абсорбции возникает
смещение эффективного центра тяжести распределения длин волн, искажающее
результаты измерения, из чего следует, что при исследовании абсорбирующих
веществ нужно работать со строго монохроматическим излучением.
При контроле быстротекущих непрерывных потоков
растворов возникающая вследствие двойного преломления света потоком
эллиптическая поляризация может ухудшить чувствительность поляриметрических
методов измерения и привести к грубым ошибкам. Эти затруднения можно устранить
лишь тщательным формированием потока, например, обеспечением ламинарного
параллельного потока в кюветах и снижением его скорости.
поляризация свет вращение оптический
Поляриметры и поляризаторы
Оптическую активность измеряют с помощью
поляриметров. Важнейшим элементом поляриметров являются поляризаторы, между
которыми помещается анализируемая проба. Поляризаторы являются оптическими
элементами, предназначенными для получения линейно поляризованного света из
естественного, т. е. беспорядочно поляризованного света. Во всех поляризаторах
естественный свет разлагается на две взаимно перпендикулярные линейно
поляризованные составляющие части, причем одна часть при помощи отражения,
абсорбции или диафрагмирования исключается. Отсюда следует, что каждый
поляризатор в отношении естественного света имеет пропускную способность, не
превышающую 50%, а практически даже намного меньше. Разложение на
поляризованные составляющие части в соответствии с уравнениями Френеля можно
осуществить путем отражения или преломления на наклонных плоскостях. Для
получения высокой степени поляризации необходимо проводить последовательно
несколько отражений (комплектом пластин).
Отражательные поляризаторы такого рода
представляют технический интерес лишь в спектральной области, где нельзя
использовать прозрачные кристаллы.
В практически применяемых поляризаторах
используют принцип линейного двойного преломления. В каждом теле с двойным
преломлением, оптическая ось которого перпендикулярна направлению падения
света, свет полностью разложится на две взаимно перпендикулярно поляризованные
составляющие, из которых одну надо отделить, что обычно достигается путем
отражения. Наибольшее практическое значение имеет поляризатор, предложенный
Гленом и Томпсоном. Поляризатор состоит из двух скрепленных между собой при
помощи клея призм из известкового шпата. Одна из составляющих света,
обыкновенный луч, отражается от слоя клея, соответственно подобранного для
получения нужного коэффициента преломления, и абсорбируется черной лакированной
наружной плоскостью призмы. Другая составляющая, необыкновенный луч, без
отклонения проходит через вторую призму. Известная призма Николя работает по
такому же принципу, однако вследствие наклона торцевой плоскости призмы по
отношению к направлению света она приводит к изменению направления света и
поэтому в технике больше не применяется. Угол раствора (апертура), с которым
может работать призменный поляризатор, ограничен условием отражения и зависит
от длины волны. Если поляризатор Глена-Томпсона должен работать во всей видимой
и близкой к ультрафиолетовой области спектра, то допустимый угол раствора
следует ограничить величиной 10° (±5° относительно оси).
Намного менее чувствительными к наклону оси
являются плоские пленочные поляризаторы (например, поляроидные пленки,
называемые также поляризационными фильтрами), которые состоят из
высокомолекулярного полимера, например, поливинилового спирта. Пленка
вследствие растягивания обладает двойным преломлением и окрашивается при помощи
йодистого соединения, обладающего линейным дихроизмом и поглощающего одну из
двух линейно поляризованных составляющих. Степень поляризации пленочного
поляризатора зависит от концентрации абсорбирующего дихроидного вещества. У
темных пленок (со степенью прозрачности для естественного света от 20 до 30)
степень поляризации в видимой области спектра превышает степень поляризации
хорошего кристаллического поляризатора. Спектральная область применения
пленочных поляризаторов определяется спектральной шириной полосы дихроической
абсорбции. Нынешние пленочные поляризаторы перекрывают видимую область спектра
и имеют заметный спад эффективности в синем и красном концах этой области.
Специальные ультрафиолетовые пленочные поляризаторы не достигают степени
поляризации кристаллических поляризаторов.
Использование поляриметрии в анализе
Обычно определение оптического вращения проводят
при температуе 20 °С и длине волны линии D
спектра натрия 589,3 нм. Соответствующую величину удельного вращения обозначают
.
Поскольку величина [α]
может зависеть от природы растворителя, замена растворителя может привести к
изменению [α] не только по
величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения,
необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию
раствора.
О чистоте оптически активного вещества судят по
величине его удельного вращения .
Для веществ, находящихся в растворе, зная
величину и
определив угол вращения раствора оптически активного вещества, можно рассчитать
его концентрацию по формуле:
Для этих целей пользуются также градуировочным
графиком, построенным в координатах α
- С:
Поляриметрический способ определения
концентрации оптически активных веществ имеет огромное преимущество перед другими
способами:
· занимает очень мало времени;
· не требует реактивов;
· анализируемый раствор после
поляриметрического исследования может быть применен для любой цели.
Поляриметрический метод анализа широко применяют
в пищевой (производство масел, жиров) и фармацевтической промышленности.
Следует отметить, что поляриметрия является более специфическим методом
исследования оптически активных веществ по сравнению с рефрактометрией, так как
она основана на измерении величины, значение которой определяется присутствием
только оптически активного вещества.
Выводы
Таким образом, поляриметрию широко применяют в
фармацевтическом анализе для подтверждения подлинности и доброкачественности
лекарственных веществ, а также для их количественного определения.
Литература
. Анализ фармацевтических
препаратов и лекарственных форм / Н.
П. Максютина, Ф. Е. Каган, Л. А. Кириченко и др.
-
К.: Здоров’я, 1976. - 248 с.
. Арзамасцев,
А. П. Фармакопейный анализ / А.
П. Арзамасцев. - М.: Медицина, 1971. - 240 с.
. Беликов,
В.
Г. Фармацевтическая химия / В.
Г.
Беликов.
- Пятигорск, 2003. - 714
с.
. Брутко,
Л. И. Руководство по количественному анализу лекарственных препаратов
/ Л.
И.
Брутко,
С. В. Гриценко. - М.: Медицина, 1978. - 256 с.
. Лабораторные работы по
фармацевтической химии /
под
ред. В. Г. Беликова. - М.: Высш. шк., 1989. - 375 с.
. Мелентьева,
Г. А. Фармацевтическая химия: в
2 т. / Г. А. Мелентьева.
- М.: Медицина, 1976. - Т. 1. - 780 с.; Т. 2. - 827 с.
. Пономарев,
В. Д. Аналитическая химия: в
2 ч. / В. Д. Пономарев.
- М.: Высш. шк., 1982. - Т. 1. - 304 с.; Т. 2. - 288 с.
. Харитонов, Ю. А.
Аналитическая химия (аналитика): учеб.: в 2 кн. / Ю.
Я. Харитонов. - М.: Высш. шк.,
2001.
-
Кн. 1. - 615 с.; Кн. 2. -
559 с.
. Пилипенко, А. Т.
Аналитическая химия: в 2 ч. / А. Т. Пилипенко, И. В. Пятницкий. -
М.: Химия, 1990. - Кн. 1. -
480 с.; Кн. 2. - 460 с.