Курсовая с практикой на тему Спектроскопия ядерно-магнитного резонанса в анализе лекарственных средств (качественный и количественный анализ)

Содержание:

Введение 2
1. История развития ЯМР-спектроскопии 4
2. Ядерный магнитный резонанс. Теоретические основы физики 7
3. Принципиальная схема ЯМР-спектрометра. Спектры ЯМР и их интерпретация 13
4. Приборы, применяемые в ЯМР-спектроскопии. Виды ЯМР-спектроскопии 20
5. Применение ЯМР-спектроскопии 25
Заключение 29
Список использованной литературы 32

Введение:

Далеко не секрет, что современный фармацевтический рынок перенасыщен различного рода и качества лекарственными препаратами. Если посмотреть российскую статистику за последних несколько лет, то она такова: было 3,5 тыс. видов ЛС, стало 13,5 тыс, производство крайне разнообразное. Так же в медицинской практике нашлось применение высокоактивным веществам, принадлежат они к новому классу природно и синтетического происхождения. Остается открытой проблема поступления фальсифицированного (контрафактного) фармацевтического продукта. Постоянно ввозятся импортные лекарственные субстанции, с такими качественными характеристиками, которые не могут удовлетворить действующее на нашей территории законодательство и нормативные требования. Посему крайне актуальными на данный период времени остаются контроль качества и стандартизация ЛС. Подобными вопросами занимается фармацевтическая химия в разделе фармацевтического анализа.
Фармацевтический анализ является основополагающим разделом фармацевтической химии. С присущим ему особенностям. Объектом фармацевтического исследования может выступать любое вещество как природного, так и синтетического происхождения. Лекарственный препарат в своем составе имеет большое количество примесей это могут быть промежуточные продукты синтеза или сопутствующие вещества, при этом количество анализируемого компонента колеблется от микрограмм до миллиграмм. [4]. Лекарственное средство является особым товаром. Его основной характерной особенностью, в отличие от широкого спектра иных товаров, является то, что ни один человек сам не сможет идентифицировать качественные характеристики его.
При качественном контроле лекарственных веществ они проходят через три стадии проверок: 1. проверка подлинности (идентифицируют), 2. проверяют на чистоту (определяют примеси) и 3. определяют количество фармакологически активных компонентов. Повсеместное применение фармацевтического анализа, на каждом этапе разработок, в производственных процессах, при качественном контроле конечных продуктов и разнообразных лекарственных форм, которые являются смесью лекарственного и вспомогательного вещества. Фармацевтический анализ использует различные методы, могут быть химическими и физико-химическими.
Внедрение физико-химических методов происходит все глубже при фундаментальных фармацевтических исследованиях и практикующем фармацевтическом анализе. Их применяют, проводя идентификацию и количественное определение разнообразных классов в лекарственных веществах [1], исследуя их стандартные образцы [2], и прочие многокомпонентные лекарственные смеси [3, 4]. Из большинства таковых необходимо выделить: ИК-, УФ-, ЯМР- спектроскопию и т.д.
Тема моего исследования затрагивает вопрос ЯМР-спектроскопии. Сразу хотелось бы отметить, что при открытии ядерно – магнитного резонанса (ЯМР) ему сразу нашли область применения, на нем построен молекулярный синтез, благодаря которому определяют точное атомарное расположение на молекулярном уровне, иными словами становится известна молекулярная структура любого соединения.
В основе данного метода лежит способность образца, возникающая при его нахождении во внешнем магнитном поле, при этом он способен поглотить электромагнитные лучи с радиочастотой в 1-500МГц. На основании полученных данных строят кривую, которая отражает зависимость интенсивности поглощения радиочастот от напряженности внешнего магнитного поля, что отображается на спектре ЯМР. Поглощающей способностью электромагнитного излучения обладают ядра со спиновым квантовым числом отличным от нулевой отметки. Кроме того данным свойством не наделены (С 12, О 16, S32)элементы имеющие четный заряд ядра.

Заключение:

На сегодняшний день в области диагностических методов и способов наметилась тенденция, связанная с переходом к расширенным физическим и физико-химическим методам анализов. Получили широкое применение спектральные анализы: используют инфракрасную (ИК) и ультрафиолетовую (УФ) спектрофотометрию, спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и пр. Кроме того применение хроматографических методов показывают хорошие результаты: применяют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), газожидкостную хроматографию (ГЖХ), тонкослойной хроматографии (ТСХ), электрофореза и др.
Открытие ЯМР позволило применять на практике элегантные и точные методы при определении химических структур и свойств вещества, которые стали применяться в области физики и химической науки. Кроме того, в основе ЯМР – изображений лежит тот же ядерно магнитный резонанс, такие изображения применяют в медицине, и считают, пожалуй, одним из передовых достижений. «Отцы» создавшие ЯМР — Пурселл и Блох являлись Лауреатами Нобелевской премии.
Ниже перечислим основные важные характеристики метода ЯМР, которые являются его достоинствами:
— Обладает высокой разрешающей способностью, которая превосходит оптическую спектроскопию в десятки раз.
— Спектр ЯМР с высоким разрешением способствует проведению как качественного, так и количественного анализов (на интенсивность, площадь).
— На спектр ЯМР влияет характер процесса, который происходит в анализируемом соединении. Наличие доступной временной шкалы с широкими пределами (от миллисекунд до нескольких часов). Линия в ЯМР на спектре жидкости обладает большой шириной от 0,1 до 1 Гц (ЯМР с высоким разрешением), тогда как у аналогичных ядер, но находящихся в твердофазной среде линии проявятся с меньшей шириной в 1*104 Гц (так называемая ЯМР с широкими линиями).
— За счет наличия современной радиоэлектронной аппаратуры и компьютеров, возможно получение параметров, которые будут характеризовать явления в такой форме, какая будет удобна и для исследователя и для потребителя метода ЯМР.
-Используя спектрометры с импульсным режимом можно идентифицировать сигнал ядерного магнитного резонанса от любых веществ, в любом их количестве (даже ничтожно малом). Единственное условие наличие неограниченного времени, чтобы полученные результаты были надежными и верными. Импульсные спектрометры стали внедрять и в повседневную жизнь, что значительно увеличило возможности данной методики. Например, химики в обычном режиме работы стали записывать спектр ЯМР изотопа 13C растворов, который крайне важен для них. Так же перешла в разряд обычных процедур – идентификация сигнала от ядра, который обладает сигнальной интенсивностью ЯМР меньше той, которую производит 1H, даже в твердофазной среде.
-Растворимость различных веществ очень вариабельна: одни не могут раствориться вообще, другие крайне ограниченно. Тогда происходит регистрация сигнала ядерного магнитного резонанса от твердофазной системы. Причем навеска анализируемого образца может быть чуть меньше 3 – х г. Так же стоит отметить, что в ходе спектрометрии не происходит разрушения образцов, а их возможно повторно использовать.
-ЯМР методика обладает высокой специфичностью и оперативностью, химически не воздействует на образцы, параметры можно непрерывно измерять, все это послужило толчком для его использования в промышленных масштабах.
-За счет метода ЯМР можно добиться идеальных спектральных разделений многокомпонентной системы, поэтому нет необходимости в дополнительном хроматографировании. Хотя если численность компонентов очень высока либо пик резонанса относится к метаболиту, а не к основному метаболиту, тогда рационально применение комбинированных методов ВЭЖХ-ЯМР либо ВЭЖХ-ЯМР-МС. В связи с этим значимость комбинированных методов ВЭЖХ-ЯМР резко возросла, когда есть необходимость идентифицировать компоненты биожидкости. Особенно большой интерес у исследователей изучающих вещества на пикомолярном количестве образцов, при этом аппаратура миниатюризирована. Уже существуют экспериментальные системы для ВЭЖХ-ЯМР, соединенные с Фурье-преобразователем, ИК- и масс-спектрометрометрами. В будущем такие системы дадут возможность анализировать смеси добавок полимера или идентифицировать in vivo неизвестные компоненты, не изолируя их в индивидуальном виде.

Фрагмент текста работы:

1. История развития ЯМР-спектроскопии

Атомарную и молекулярную структуру изучали посредством методов оптической спектроскопии, данные полученные при таких исследованиях используются, и по сей день. После того как усовершенствовались спектральные методы значительно изменилась область спектроскопического измерения расширив свой диапазон действия до сверхвысокой (примерно 103 – 106МГц; микрорадиоволны) и высокой частоты (примерно 10-2 – 102 МГц; радиоволны), в связи с чем открыли иные информационные источники о структурном составе веществ. Лучи, проходя через данную частотную область либо поглощаются, либо пропускаются, те же процессы протекают в электромагнитном спектре только другого диапазона, объяснение этому процессу следующее, система переходит на разные энергетические уровни, при этом поглощая или испуская энергетический квант. Энергетическая разность, как уровней, так и квантов света, которые принимают участие в процессе, равняется порядка 10-7 эВ в радиочастотных областях и 10-4 эВ сверхвысокие частоты. Благодаря оптическому спектрометру, имеющему высокую разрешающую способность, узнали о существовании ядерного момента, когда изучали сверхтонкую структуру спектров электронной оболочки у некоторых атомов. Знания о сверхтонкой структуре атомного спектра в 1924 году позволили Паули предположить, что в некоторых ядрах имеется момент количества движения, или угловой момент, значит, также имеется и магнитный момент, благодаря которому атомные орбитали удерживают свои электроны. В дальнейшем эту научную идею измерили спектроскопическим методом, и определили угловые и магнитные моменты в большинстве ядер.[30, c. 12]
В двадцатых годах девятнадцатого столетия благодаря Штерну и Герлаху получены были данные по значениям магнитных моментов атомов при их дискретности квантованию атома, когда магнитное поле неоднородно, чтобы получить такие данные использовали метод атомного пучка. Проводя следующие эксперименты, посредством постоянного магнитного поля пропускались пучки водородных молекул, что позволило уловить величину ядерного магнитного момента, который был очень небольшим. На следующем этапе эксперимента метод усложняли, используя воздействие дополнительных магнитных полей, которые осциллировали на той же частоте, которая индуцирует переход между ядерным энергетическим уровнем в соответствии с квантовыми значениями магнитных моментов ядра. Попытки обнаружения ядерного резонанса были тщетны у многочисленных исследователей. Так 1936 год и Горнер исследуя фтористый литий тщетно не нашел ядерных взаимодействий в Li7 как и при исследовании алюмокалиевых квасцов для обнаружения ядра H1. Затем следуя его примеру Гортнер и Брур в 1942 году предприняли еще одну тщетную попытку. Причем регистрировать поглощение высокочастотных энергий, во время резонанса, в данном эксперименте посредством калориметрического метода и рассматривая аномальную дисперсию. Основная причина несостоятельности опыта это не правильно подобранные объекты. Удача улыбнулась американской группе физиков, которой руководили Ф. Блох и Э.М. Пурселл в 1945 году, тогда они получили сигнал магнитных резонансов ядер. Наблюдение первого резонансного поглощения происходило на протонах в водной среде Блохом.
Феликс Блох – это выдающийся швейцарский физик еврей по происхождению, трудился он всегда на благо Америки. В 1952 году был Лауреатом Нобелевской премии в области физики.
Место рождения Ф. Блоха – Цюрих, Швейцария. Он закончил высшую техническую школю Цюриха. Изначально хотел учиться на инженерном отделении, но через некоторое время перевелся на физическое. Когда же он стал дипломированным специалистом (1927 году), он поступил в Лейпцигский университет. А через год у него была докторская степень (можно приравнять к Кандидату ФМН). Науку он не бросал а наоборот, совершенствовался в этом но уже переехав в Германию, его соратниками были Гейзенберг, Паули, Бор и Ферми. Затем последовала эмиграция в 1933 году в Соединенные Штаты, где уже через год стал работать на базе Стэндфордского университета. Через пять лет он натурализованный гражданин США. Вторая мировая война, которая буйствовала на тот момент и диктовала свои условия, заставила его работать в атомном проекте на базе национальной лаборатории Лос-Аламос, хотя через некоторое время он уже был в Гарварде трудился над радарным проектом. По окончании войны его серьезно заинтересовала ядерная индукция и ядерный магнитный резонанс, над которыми он плодотворно работал, которые являются основополагающим принципом ядерной магнитной томографии. 1952 год Блох и Пурселл получили Нобелевскую премию в области физики «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». В 1954—1955 годах Блох был в должности первого генерального директора ЦЕРН. В 1961 г. в стенах Стэнфордского университета его удостоили звания профессора в области физики.
Эдвард Миллс Пурселл был известнейшим американским физиком, лауреатом Нобелевской премии в области физики в 1952 году «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».
Пурселла удостоили бакалаврской степени в области электрического инженерного дела в стенах университета Пердью. А уже магистерскую и докторскую степени ему дали в Гарварде. В период Второй мировой войны трудился в МТИ на базе лаборатории излучений, изучая развитие СВЧ радара. По окончании войны Пуреллу пришлось вернуться в Гарвардский университет. Где в 1945 году, коллегиально с Паундом и Торри, открыл явление ЯМР. Не стоит забывать вклады в астрономическую науку со стороны Пурселла. Так им первым было зарегистрировано водородное радиоизлучение в космическом пространстве (длина волны излучения составляла 21см), благодаря этому он по-новому взглянул на существование спинальных рукавов Млечного пути. Причем данным методом до сих пор пользуются в радиоастрономии, как одним из наиважнейших. Также стоит отметить его заслугу в области физики твердых тел, он изучил спиновую релаксацию эха, релаксацию ядерного магнитного момента, отрицательную спиновую температуру. Вместе с Н. Рамзеем вызвали сомнения по правильности метода CP-симметрии в области физики элементарных частиц.
Пурселл был достойным гражданином своей страны, за что его награждали ни раз, причем и в научной и в образовательной и в гражданской сфере. При президентах ДуайтеЭйзенхауэре, Джоне Кеннеди и Линдоне Джонсоне он занимал должность научного советника. Также Пурселл в Американском физическом обществе был президентом, в Американском философском обществе являлся членом, так же в академии наук и искусств. В 1979 г. Пурселл был удостоен национальной медали науки (США).[5]