Исследование возможности идентификации лекарственных средств люминесцентным методом

Поддельные лекарства входят в состав более широкого понятия "некачественные фармацевтические средства", то есть лекарства, не соответствующие стандартам безопасности, качества и эффективности. На них преднамеренно, обманным путем наносится неправильная маркировка в отношении их подлинности и/или источника. Подделываться могут как лицензионные, так и непатентованные препараты. К числу поддельных лекарств относятся препараты с правильными ингредиентами, но поддельной упаковкой, с неправильными ингредиентами, без активных ингредиентов или с недостаточным содержанием активных ингредиентов.

До недавнего времени в богатых странах чаще всего подделывались новые дорогостоящие лекарства, такие как гормоны, стероиды и антигистаминные препараты, а в развивающихся странах - лекарства, используемые для лечения угрожающих жизни состояний, таких как малярия, туберкулез и ВИЧ/СПИД. По мере распространения этой практики подделываются все новые и новые лекарства, включая дорогие препараты, такие как лекарства против рака, и пользующиеся большим спросом средства, такие как противовирусные лекарства. Конечно, получить точные данные трудно, но по оценкам, более 10% всех лекарств на мировом рынке составляют поддельные лекарства. Они имеются во всех регионах, однако главный удар приходится на развивающиеся страны. По оценкам, 25 % лекарств, потребляемых в развивающихся странах, считаются поддельными. Предполагается, что в некоторых странах этот показатель составляет 90 % [1]. Торговля такими лекарствами наиболее распространена в странах со слабыми системами контроля и обеспечения выполнения норм в области регулирования лекарств, недостаточными и/или нерегулярными поставками основных лекарств, нерегулируемыми рынками и недоступными ценами. Однако в связи с тем, что способы подделки лекарств становятся все более изощренными, такие лекарства все в больших количествах появляются и на более контролируемых рынках. Регулярное применение некачественных или поддельных лекарств может привести к безрезультатности лечения или лекарственной устойчивости, а в некоторых случаях - к смерти. В связи с отсутствием регулирования и обеспечения соблюдения норм качество, безопасность и эффективность, как импортируемых лекарств, так и лекарств, выпускаемых местной промышленностью, во многих развивающихся странах не могут быть гарантированы. Широко распространены контрабанда и незаконный импорт лекарств. Поддельные лекарства не только продаются в этих странах, но и экспортируются или реэкспортируются.

Некоторые политики утверждают, что регулирование в области лекарств создает ненужные препятствия для торговли и должно быть сведено к минимуму. Но фармацевтические средства нельзя рассматривать в качестве обычных товаров, потому что потребители и назначающие их медицинские работники не способны независимо оценить их качество, безопасность и эффективность, а результаты могут быть смертельно опасными для пациентов. Для производства поддельных лекарств не нужны крупные инфраструктуры и предприятия. Большинство задержанных на сегодняшний день производителей поддельных лекарств осуществляли свою деятельность в обычных домах, на мелких кустарных предприятиях или на задних дворах. Производство поддельных лекарств является в высшей степени прибыльным делом в связи с непрерывным высоким спросом на лекарства и низкой стоимостью производства. Отсутствие во многих странах сдерживающего законодательства также способствует такой деятельности, так как производители поддельных лекарств не боятся того, что их могут задержать и преследовать в судебном порядке. При наличии высоких цен на лекарства и существовании разницы в ценах на одинаковые препараты потребитель стремится найти лекарства за пределами обычной системы снабжения. Во многих странах цепь официальных поставок не может охватить многие общины, особенно в сельских районах. Нищета и отсутствие цепи официальных поставок являются основными факторами в создании рынков для поддельных лекарств. В промышленно развитых странах основным источником поддельных лекарств остается продажа фармацевтических средств через Интернет, которая угрожает тем, кто стремится приобрести более дешевые, отвергнутые или запрещенные лекарства [2].

2 ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНОМ АНАЛИЗЕ

люминесцентный анализатор свечение лекарственный

Общие сведения о люминесценции. Люминесценция является одним из широко распространенных в природе видов излучения. Помимо люминесценции известны и другие свечения, которые, однако, существенно отличаются от нее, например, температурное излучение, свечения наблюдаемые при быстром движении электрических зарядов (тормозное излучение, свечение Вавилова -- Черенкова) и т. п. Люминесценцией, по определению С. И. Вавилова, называют избыток излучения над температурным при условии, что избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период; световых колебаний (~1010 сек ). Это определение основано на противопоставлении люминесценции температурному излучению, свойства которого хорошо известны. Вместе с тем оно указывает на наличие у люминесценции конечной длительности послесвечения, превышающей период световых колебаний. Это условие позволяет отличать люминесценцию от отражения, рассеяния и излучения Вавилова--Черенкова, которые являются практически безынерционными. Определение Вавилова очень конкретно, что позволяет его использовать на практике.

Очень многие вещества обладают способностью люминесцировать. При этом они могут находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Простейшими из них являются газы и пары различных элементов (О2, I2, Na2 и т. д.). Люминесцентными свойствами обладают соли некоторых веществ (редкоземельных элементов, ураниловых соединений), ароматические соединения (нафталин, бензол, антрацен, их производные и др.), растворы ряда красителей, а также многие другие вещества. Особый класс люминесцирующих соединений составляют так называемые кристоллофосфоры -- неорганические вещества (например ZnS, CaS и др.), в кристаллическую решетку которых введены ионы тяжелых металлов (например, Ag, Сu, Мn и др.).

Для того чтобы вещество начало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Тогда его частицы переходят в новое возбужденное состояние, в котором они пребывают определенное время, после чего вновь

возвращаются в невозбужденное состояние, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

Энергия возбуждения может быть подведена к веществу различными способами. В зависимости от метода возбуждения возникающее свечение получает различные названия. Так, при возбуждении свечения оптическими частотами оно носит название фотолюминесценции; свечение, возникающее под действием катодных лучей, называется катодолюминесценцией; при возбуждении веществ рентгеновыми лучами возникает рентгенолюминесценция; при облучении их лучами радиоактивных элементов наблюдается радиолюминесценция; свечение, появляющееся при химических реакциях, получило название хемилюминесценции; свечение, возникающее под действием электрического поля, называется электролюминесценцией. Люминесценция может быть получена и помощью других источников возбуждения.

Возникновение люминесценции и ряд ее свойств легко понять из схемы, изображенной на рис. 1. Энергия молекулы складывается из электронной энергии, колебательной энергии ядер и энергии вращения. Все виды энергии квантованы, причем кванты энергии вращения гораздо меньше квантов колебательной и электронной энергии. На рис. 1 уровни О" и О' являются нижними колебательными энергетическими уровнями нормального I и возбужденного II электронного состояния молекулы. Состояние О' отличается от О" на квант электронной энергии, величина которого определяет расстояние по вертикали между уровнями О" и О'. Каждому значению электронной энергии соответствует ряд возможных значений колебательной энергии молекулы. Если не учитывать энергию вращения, то возможные значения энергии молекулы для электронных состояний I в II характеризуются системой энергетических уровней 0'--4', положение последних определяется суммой электронной и колебательной энергии.

Рис. 1. Схема энергетических уровней и электронных переходов, осуществляющихся в молекуле при поглощении и излучении света. Внизу схема соответствующих спектров поглощения и излучения

Распределение молекул по колебательным уровням как невозбужденного, так и возбужденного электронного состояния описывается формулой Больцмана:

(1)

где N0 --полное число всех молекул; Ni, --число молекул на уровне i; Еi-значение колебательной энергии, соответствующее уровню i. Если температура Т << Ei /k, то в соответствии с формулой (1) подавляющая часть молекул должна находиться на нулевом колебательном уровне. Для комнатной температуры это условие обычно выполняется, что позволяет считать, что в этом случае практически все молекулы находятся на нулевом уровне. Таким образом, по мере роста номера уровня число находящихся на нем молекул быстро убывает.

На рис. 1 поглощение световых квантов различной величины обозначено стрелками, идущими вверх, а излучение квантов люминесценции - стрелками, направленными вниз. Длины стрелок пропорциональны величинам энергии поглощенных или излученных квантов hн, т. е. пропорциональны частотам соответствующих линий в спектрах поглощения или излучения. Из рис. 1 видно, что разности частот линий поглощения дают расстояния между колебательными уровнями верхнего электронного состояния; о строении нижнего электронного состояния можно судить по разностям частот линий излучения. Это открывает возможность анализа

колебательных состояний молекул с помощью спектров люминесценции.

Оптические свойства люминесцирующих веществ описываются с помощью целого ряда характеристик. Сюда относятся спектры поглощения и люминесценции, поляризация свечения (и поляризационные спектры), выход люминесценции, длительность возбужденного состояния молекул, закон затухания свечения и кривые термического высвечивания.

Спектры поглощения. Спектром поглощения вещества называется совокупность коэффициентов поглощения, характеризующих его поглощательную способность к лучам оптического диапазона частот. Коэффициенты поглощения определяются из закона Ламберта--Бера. Здесь мы кратко остановимся на нем вследствие некоторых особенностей поглощения люминесцентных веществ и в связи с использованием спектров поглощения при проведении люминесцентного анализа.

Спектры поглощения люминесцирующих веществ крайне разнообразны. Одни из них имеют вид очень узких полос (растворы солей редкоземельных элементов), другие -- более широких полос с четко выраженной колебательной структурой (растворы ураниловых солей), наконец, спектры поглощения многих веществ представляют собой широкие размытые полосы, структуру которых не удается выявить даже при низких температурах (растворы красителей). Спектры поглощения могут существенно меняться при изменении концентрации раствора, его кислотности или щелочности (величины его рН), природы растворителя, температуры и ряда других факторов. На рис. 2 приведена зависимость спектра поглощения красителя магдалового красного в воде от концентрации раствора.

Рис. 2. Изменение поглощения красителя магдалового красного в воде при увеличении концентрации раствора: 1 -- 1*10^-6; 2--1*10^-5; 3--1*10^-4; 4 -- 5*10^-4; 5 -- 1*10^-3; 6 -- 2*10^-3; 7 -- 3*10^-3; 8 --5*10^-3 г/мл

Спектры люминесценции. Спектром люминесценции называется распределение излучаемой веществом энергии по частотам или длинам волн. Подобно спектрам поглощения, интенсивность и форма спектров люминесценции у разных веществ могут быть весьма различными, и они могут существенно изменяться при вариации тех же параметров (концентрации, величины рН раствора и т. д.). На рис. 3 приведена зависимость спектра люминесценции 9-аминоакридина в спирте от величины рН раствора.

Рис. 3. Изменение спектра люминесценции 9-аминоакридина в спирте в зависимости от величины рН раствора: 1 -- рН = 10,9; 2 -- рН = 8,5; 3 -- в H2SO4

Поляризация люминесценции. Люминесценция многих веществ, помещенных в очень вязкие растворители (глицерин, касторовое масло, желатину и т. д.), а также люминесценция примесных центров в молекулярных кристаллах и самих молекулярных кристаллов обычно частично поляризована.

Любое свечение с интенсивностью I может быть разложено на два световых потока I1 и I2, где I1 -- поток с наибольшими, I2 -- поток с наименьшими взаимно перпендикулярными колебаниями светового [3] вектора. В этом случае величина степени поляризации исследуемого светового потока I определяется следующим соотношением:

(2)

По принятому определению, величина I1 всегда больше I2, поэтому степень поляризации в выражении (2) всегда является положительной величиной.

Однако при изучении процессов люминесценции величину наблюдаемой степени поляризации Р обычно связывают с направлениями колебаний в световом пучке возбуждающего света. При этом считают, что колебания светового [3] вектора в потоке I1 совпадают с направлением максимальных колебаний возбуждающего света, а колебания светового вектора в потоке I2 перпендикулярны к ним. В этом случае не обязательно, чтобы I1 было больше I2 и, в зависимости от природы исследуемого вещества и условий проведения опыта, величина Р может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Поляризованная люминесценция может возникать при возбуждении свечения как поляризованным, так и естественным светом

Выход люминесценции. Выход люминесценции характеризует эффективность трансформации возбуждающего света в свет люминесценции в исследуемом веществе. Различают энергетический и квантовый выходы люминесценции. Энергетическим выходом люминесценции называют отношение излучаемой веществом энергии Ел к поглощенной энергии возбуждения Еп:

Bэн=Ел/Еп (4)

Квантовым выходом люминесценции называют отношение числа квантов люминесценции, излученных веществом Nл, к числу поглощенных квантов возбуждающего света Nп:

Вкв= Nл/ Nп (5)

Выход люминесценции очень чувствителен к внешним воздействиям, которые во многих случаях приводят к тушению свечения. Так, известно тушение люминесценции посторонними примесями, возникающее при добавлении к раствору посторонних веществ -- тушителей. Тушителями могут служить KI, анилин и другие вещества. В результате взаимодействия возбужденных молекул люминесцентного вещества с молекулами тушителя возникает безызлучательный размен энергии возбуждения. Безызлучательные переходы развиваются и при увеличении температуры раствора, обусловливая появление температурного тушения.

В большинстве случаев увеличение концентрации также приводит к тушению свечения. При этом концентрационное тушение обычно начинает проявляться лишь при достижении некоторой пороговой концентрации, величина которой характерна для исследуемого вещества. В более разведенных растворах выход люминесценции не зависит от концентрации. Это обстоятельство может быть использовано в люминесцентном анализе при подборе оптимальных условий его проведения.

Концентрационное тушение имеет двоякую природу. С одной стороны, при увеличении концентрации могут образовываться ассоциированные молекулы, не обладающие люминесцентной способностью, но поглощающие энергию возбуждения. С другой стороны, между возбужденными и невозбужденными молекулами может осуществляться индукционный перенос, или, как говорят, миграция энергии возбуждения. Такой перенос энергии возбуждения прежде всего на нелюминесцентные ассоциаты приводит к развитию концентрационного тушения.

Известны и другие виды тушения (тушение растворителем, тушение электролитами, тушение при диссоциации и ионизации молекул и т. д.). При проведении люминесцентного анализа интенсивность свечения играет очень большую роль. Поэтому учет тушения, изменяющего интенсивность люминесценции и затрудняющего анализ, является крайне важным.

Закон затухания люминесценции. Закон затухания свечения после прекращения возбуждения может быть различным у разных веществ, что часто позволяет по нему определять природу и кинетику свечения;

вместе с тем он может служить и аналитической характеристикой. Закон затухания свечения растворов и молекулярных кристаллов обычно достаточно хорошо выражается экспоненциальной зависимостью

 (6)

где I -- интенсивность свечения в момент времени t; I0 -- интенсивность свечения в момент прекращения возбуждения; ф -- среднее время жизни возбужденного состояния (время, в течение которого интенсивность свечения уменьшается в е раз, т. е. в 2,7 раза). В других случаях затухание свечения может происходить по более сложному закону. Так, например, затухание свечения кристаллофосфоров хорошо описывается эмпирической формулой

(7)

где А, b и б -- постоянные, причем обычно б <2.

Время жизни возбужденного состояния молекул. После прекращения возбуждения свечение не исчезает мгновенно, а продолжается определенный промежуток времени, которое определяется временем жизни возбужденного состояния. Время жизни возбужденного состояния ф у разных соединений может существенно различаться. Она характерна для каждого вещества и является его важной оптической характеристикой. Так, для растворов обычно ф~10-8--10-9 сек. Затухание свечения кристаллофосфоров протекает по сложным законам и может продолжаться секунды, минуты и даже часы.

Таким образом, у жидких растворов ф очень невелико и их люминесценция затухает практически мгновенно. Такие свечения часто называют флуоресценцией. При введении тех же веществ в очень вязкие среды (в желатину, сахарные леденцы и т. д.), а также при замораживании растворов возникает длительное свечение, продолжающееся доли секунды и даже целые секунды. Свечение такого вида называют фосфоресценцией. Известны два вида фосфоресценции: при одном спектр свечения совпадает со спектром флуоресценции (б-процесс), при втором наблюдается резко отличный спектр свечения, сдвинутый в сторону длинных волн (в-процесс).

Флуоресценция обусловлена попаданием возбужденных молекул на энергетические уровни, непосредственный переход с которых в невозбужденное состояние не разрешен. Эти уровни называются метастабильными; молекула может их покинуть лишь под влиянием внешних воздействий (например, при нагревании). Возбужденные молекулы пребывают на метастабильных уровнях значительное время, вызывая увеличение длительности послесвечения.

При сложном законе затухания (например, (7)) понятие среднего времени жизни возбужденного состояния ф уже неприменимо. В этом случае для характеристики длительности послесвечения обычно принимают время, в течение которого интенсивность свечения исследуемого образца уменьшается в определенное число раз.

Кривые термического высвечивания. У многих веществ (кристаллофосфоров, минералов, кварца и др.), предварительно возбужденных ультрафиолетовой, рентгеновской или радиоактивной радиацией, при нагревании возникает свечение, получившее название термолюминесценции. Оно наблюдается при температурах, значительно меньших тех, при которых появляется видимое температурное излучение.

Термолюминесценции имеет следующее происхождение. Под действием возбуждающей радиации электроны отрываются от ионов облучаемого вещества; часть их непосредственно рекомбинирует с ионизованными центрами, что приводит к возникновению кратковременного свечения кристаллофосфоров; другая часть электронов задерживается вблизи мест нарушения периодичности кристаллической решетки -- на уровнях локализации. Освобождение электронов с мест локализации происходит за счет тепловой энергии. Их последующая рекомбинация с ионизованными центрами вызывает длительное свечение кристаллофосфоров (в кристаллофосфорах возможно перемещение положительных зарядов, или так называемых «дырок», образовавшихся при уходе электронов в момент возбуждения. Это перемещение также происходит при тепловом воздействии на кристаллофосфор. Оно может завершаться рекомбинацией положительных с дырок с локализованными электронами и вызывать свечение фосфора.).

Уровни локализации могут иметь различную энергетическую глубину, т. е. могут удерживать электроны с различной силой. Мелкие уровни освобождаются уже при температуре жидкого азота, глубокие -- при +300 +4000С. При постепенном нагревании предварительно возбужденного фосфора последовательно освобождаются уровни разной глубины, и интенсивность термолюминесценции то увеличивается, то уменьшается. Кривые, характеризующие зависимость яркости свечения фосфора от температуры, получили название кривых термического высвечивания. Они являются важной характеристикой кристаллофосфоров и могут быть использованы для аналитических целей.

2.1 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СВЕЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЛЮМИНЕСЦЕНТНОМ АНАЛИЗЕ

Остановимся на основных закономерностях, присущих молекулярному свечению, которые могут быть использованы при проведении люминесцентного анализа.

Закон независимости спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света. При возбуждении свечения различными длинами волн молекулы вещества, поглощая кванты разной величины, попадают на различные колебательные уровни возбужденного электронного состояния. Поэтому можно ожидать, что спектр люминесценции будет зависеть от длины волны возбуждающего света. Однако оказалось, что каждое вещество в конденсированном состоянии имеет совершенно определенный спектр люминесценции, который не чувствителен к изменению длины волны возбуждающего света.

Это объясняется тем, что молекулы, перешедшие в результате возбуждения на различные колебательные уровни возбужденного состояния (рис. 1), успевают за время, много меньшее, чем среднее время жизни возбужденного состояния, растратить часть колебательной энергии и образовать систему возбужденных молекул, обладающих равновесным распределением колебательной энергии, определяемым температурой. Из этих вполне определенных для данной температуры состояний и происходят переходы молекул в невозбужденное состояние, сопровождающиеся излучением. Поэтому на опыте всегда наблюдается один и гот же спектр люминесценции, не зависящий от длины волны возбуждающего света.

Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света позволяет на практике пользоваться для возбуждения широкими спектральными участками. При отсутствии вторичного поглощения оказывается возможным не обращать внимания на состав возбуждающего света, что очень сильно облегчает проведение анализа.

Закон Стокса- Ломмеля. Стоксом было сформулировано правило, согласно которому свет люминесценции всегда имеет большую длину волны по сравнению со светом, применявшимся для возбуждения. Однако во многих случаях правило Стокса не выполняется. Спектры поглощения и люминесценции многих веществ частично накладываются друг на друга (рис.4). Если для возбуждения взять частоту (например, н=530*1012 Гц), находящуюся в области наложения спектров, то согласно правилу Стокса должна появляться лишь та часть спектра люминесценции, которая расположена по левую сторону от выбранной частоты. Однако в соответствии с законом независимости спектра люминесценции от лвозб в большинстве случаев наблюдается полный спектр люминесценции, имеющий целый ряд частот, превышающих частоту возбуждающего света (заштрихованная область). Таким образом, правило Стокса нарушается.

Рис. 4. Выполнение закона Стокса -- Ломмеля и правиле зеркальной симметрии спектров поглощения (П) и люминесценции (Л) у растворов родамина 6Ж а ацетоне

Часть спектра люминесценции, состоящая из волн с частотами, большими частоты возбуждающего света, называется антистоксовской. Ее возникновение можно объяснить наличием у излучающих молекул помимо энергии возбуждения еще определенного запаса колебательной энергии. Сумма энергий возбуждающего и колебательного квантов позволяет получать большие кванты люминесценции, обусловливающие появление антистоксовской части спектра. Ломмель уточнил правило Стокса, предложив для него следующую формулировку: спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн. Закон Стокса--Ломмеля строго выполняется для очень широкого круга веществ.

Отметим, что сдвиг спектров люминесценции относительно спектров поглощения дает возможность более или менее просто отфильтровывать рассеянную часть возбуждающего света, примешивающегося к люминесценции. Это обстоятельство широко используется в практике люминесцентного анализа.

Закон Вавилова. С. И. Вавилов установил, что энергетический выход люминесценции растет пропорционально длине волны возбуждающего света лвозб, затем в некотором спектральном интервале он остается постоянным, после чего в области наложения спектров поглощения и люминесценции начинает быстро падать. Падение энергетического выхода свечения происходит в антистоксовской части спектра. На рис. 5, а приведена эта зависимость для водного раствора красителя флуоресцеина.

Легко показать, что пропорциональность энергетического выхода длине волны возбуждающего света соответствует постоянству квантового выхода в той же спектральной области, где в излучение всегда переходит одна и та же доля возбуждающих световых квантов (рис. 5, б). С. И. Вавилов дал своему закону формулировку, согласно которой люминесценция может сохранять постоянный квантовый выход, если возбуждающая волна преобразуется в среднем в более длинную, чем она сама. Наоборот, выход люминесценции резко уменьшается при обратном преобразовании длинных волн в короткие. Закон Вавилова широко используется в люминесцентном анализе при подборе оптимальных условий проведения опыта. Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции. Для широкого круга веществ (растворов красителей, ряда ароматических и многих других соединений) выполняется установленное В. Л. Левшиным правило зеркальной симметрии спектров поглощения и излучения, согласно которому спектры поглощения и люминесценции, изображенные в функции частот, оказываются зеркально-симметричными относительно прямой, проходящей перпендикулярно оси частот через точку пересечения обоих спектров, т. е.

нл+ нп=2н0 (8)

нп - нл=2(нп - нл) (9)

Здесь нп -- частота поглощаемого света; нл -- симметричная частота люминесценции; н0--частота линии симметрии, имеющая смысл частоты электронного перехода О" -О' (рис. 1). При этом по оси ординат для спектров поглощения откладываются коэффициенты поглощения а, а для спектров люминесценции -- квантовые интенсивности Iкв=I/н. Из уравнения (9) видно, что при наличии зеркальной симметрии Дн= нп - нл и нп связаны линейной зависимостью. Если откладывать по оси абсцисс нп , а по оси ординат Дн, то при строгом выполнении правила должна получиться прямая линия (рис. 4).

Для осуществления зеркальной симметрии необходимо выполнение двух условий -- зеркальной симметрии частот и зеркальной симметрии интенсивностей поглощения и люминесценции в соответствующих частях спектра.

Для осуществления симметрии частот необходимо, чтобы энергетические уровни возбужденного и невозбужденного состояний были построены одинаково. Для наличия зеркальной симметрии интенсивностей необходимо, чтобы распределение молекул по энергетическим уровням верхней и нижней систем было одинаковым и чтобы вероятности соответствующих излучательных и поглощательных переходов были равны или пропорциональны друг другу. Эти условия выполняются лишь у части молекул. У веществ, следующих правилу зеркальной симметрии, можно по одному из спектров (люминесценции или поглощения) без измерений установить форму другого. Отступления от правила зеркальной симметрии могут быть использованы для установления величины отклонений от условий его выполнения.

Правило зеркальной симметрии оказывается весьма полезным при проведении люминесцентного анализа, а также при расшифровке спектров и установления энергетических уровней исследуемых молекул.

Рис. 5. Закон Вавилова для раствора флуоресцеина в воде: а -- для энергетического выхода; б--для квантового выхода

2.2 ВИДЫ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА И ХАРАКТЕРИСТИКА ЕГО ОСОБЕННОСТЕЙ

Люминесцентным анализом называется обнаружение и исследование различных объектов с помощью явлений люминесценции. Наиболее важной задачей люминесцентного анализа является определение химического состава исследуемых веществ и установление процентного содержания в них отдельных компонентов. Анализ такого вида носит соответственно название качественного и количественного химического люминесцентного анализа.

Качественный химический люминесцентный анализ основан на том, что люминесцентные свойства являются характерным признаком излучающего вещества, тесно связанным с его составом, общим состоянием и структурой его молекул.

Количественный химический люминесцентный анализ основан на использовании определенной зависимости между интенсивностью люминесценции и концентрацией люминесцентного вещества. В большинстве случаев условия анализа подбираются так, чтобы осуществлялась пропорциональность между интенсивностью свечения и концентрацией вещества. Однако такая зависимость имеет место лишь в случаях, когда концентрации невелики. При высоких концентрациях определяемого вещества для осуществления анализа приходится тем или иным способом учитывать сложную зависимость интенсивности свечения от концентрации.

К люминесцентному анализу относится также изучение структуры и колебательных частот молекул по спектрам излучения, создающее фундамент для качественного люминесцентного анализа.

Чисто химические задачи не исчерпывают возможностей люминесцентного анализа. С его помощью можно обнаруживать и выявлять различные объекты и их детали, изучение которых оказывается невозможным при обычных условиях наблюдения и освещения. Люминесцентный анализ такого рода получил название люминесцентного анализа обнаружения или сортового люминесцентного анализа.

Люминесцентный анализ обладает рядом особенностей, которые отличают его от всех других видов анализа. Люминесцентный анализ необычайно чувствителен. С его помощью можно обнаружить в пробе присутствие вещества с концентрацией ~10-10--10-11г. С помощью люминесцентного анализа можно исследовать очень небольшие объемы раствора, а также анализировать мельчайшие крупинки порошков, в которых содержатся следы других люминесцирующих веществ.

Важным преимуществом люминесцентного анализа являются его простота и скорость, во много раз превосходящие скорость химического анализа. В то время как при химическом и эмиссионном спектральном анализе анализируемые вещества разлагаются, при люминесцентном анализе они, как правило, не подвергаются изменениям и их можно использовать в дальнейшей работе. Это преимущество люминесцентного анализа особенно существенно при исследовании трудно синтезируемых уникальных веществ, получаемых в ничтожных количествах. В отдельных случаях возбуждения люминесценции коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами в веществе могут происходить фотохимические превращения. Однако соответствующим подбором условий опыта эти трудности обычно могут быть обойдены.

Перечисленные свойства люминесцентного анализа дают представление о его исключительных возможностях, в определенных отношениях значительно превосходящих возможности других видов анализа. Однако следует отметить, что необычайно высокая чувствительность люминесцентного анализа одновременно создает и серьезные трудности его приведения, существенно ограничивая области его применения. Присутствие в образце даже ничтожных количеств люминесцирующих примесей обусловливает появление нового свечения, которое накладывается на люминесценцию основного вещества, искажая как спектральный состав, так и интенсивность его излучения. Поэтому значительные успехи в применении люминесцентного анализа могли быть достигнуты лишь на основе всестороннего развития учения о люминесценции в целом, после того как были установлены общие законы свечения и накоплен большой материал о люминесцентных свойствах различных классов соединений.

Наиболее распространенным и хорошо разработанным является люминесцентный анализ, основанный на возбуждении фотолюминесценции. При анализе кристаллических неорганических веществ (минералов, алмазов и др.) применяют катодное и рентгеновское возбуждения. В отдельных случаях в аналитических целях используют явления хемилюминесценции и радиолюминесценции.

3 ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗАТОР ВЕЩЕСТВ КЛАВИ-1

Прибор предназначен для неразрушающего анализа диэлектрических и полупроводниковых веществ непосредственно в воздушной среде и при комнатной температуре. Позволяет определить: минеральный вид и микроминеральный состав вещества, наличие и содержание в нем примесных и собственных дефектов, структуру этих дефектов, природу вещества. Благодаря широкому кругу анализируемых веществ, простоте подготовительных операций, малому времени анализа и высокой чувствительности к дефектам, анализатор может найти широкое применение при исследовании физических явлений в твердых телах, выращивании кристаллов и производстве стекла, в минералогии, геологоразведке, особенно редких и драгоценных минералов, горнодобывающей промышленности и других областях.

Установка (прибор) (рис. 6) состоит из двух автономных блоков: I) блока возбуждения люминесценции 1, 2; II) многоканального фоторегистратора 3 с персональным компьютером 4, которые соединены световодом 5. Каждый блок выполняет свою функцию и может быть использован в составе других приборов.

I. Блок возбуждения люминесценции представляет собой конструкцию размером 110x200x550 мм (масса 18 кг), в которой на общей станине установлены импульсный ускоритель электронов 1 и аналитическая камера 2.

Для этой установки специально разработан малогабаритный сильноточный ускоритель прямого действия РАДАН-ЭКСПЕРТ с микросекундной синхронизацией электронного пучка. Он использует импульсные электронные трубки типа ИМАЗ-150Э с холодным катодом на основе взрывной эмиссии электронов и предназначен для работы в лабораторных условиях при температуре окружающего воздуха от 15 до 30 ° С и влажности до 90 %. Его основные параметры приведены ниже:

Рис. 6 Установка КЛАВИ-1

Длительность электронного пучка (на полувысоте), ......................... 2

Средняя энергия электронов, кэВ …................. 140--150

Электронный ток, А............................................ 1000

Фронт импульса, не............................................. 0,6

Точность синхронизации, мкс............................ ?1

Частота следования импульсов, Гц ................. Моноимпульс, 2, 10

Область регистрируемого спектра, нм ........... 350--850

Обратная линейная дисперсия, нм/мм

(нм/канал ПЗС) ................................................... 11 (0,15)

Аппаратная функция, нм..................................... 0,6

Питание: однофазная сеть переменного

тока, Гц.................................................................. 220 В, 50

Высокая помехозащищенность ускорителя позволяет применять чувствительную измерительную аппаратуру без дополнительных средств защиты от электромагнитных наводок.

Аналитическая кювета 2 предназначена для установки анализируемых проб вещества под электронный пучок, для наблюдения люминесценции вещества и вывода светового потока в спектральный прибор. Она выполняет функции биологической защиты персонала от прямого воздействия электронного пучка и рентгеновского излучения, защиты измерительной аппаратуры от электромагнитных помех и экранировки потока люминесценции от внешнего оптического излучения. Защитные функции кюветы обеспечиваются композитной конструкцией корпуса, состоящего из внутренней дюралюминиевой и внешней сталь-, ной обшивок, между которыми уложен слой свинца. Внутри кюветы располагается вакуумный диод ускорителя (ИМАЗ-150Э), генерирующий электронный пучок, направленный вертикально вниз. Внутрь кюветы устанавливается столик с анализируемой пробой, свечение которой можно наблюдать сквозь окно из стекла марки ТФ-5. На боковой поверхности корпуса имеется разъем для установки световода. Облучение проб электронами осуществляется в воздухе при комнатной температуре. Конструкция кюветы и столиков позволяет анализировать пробы в виде жидкости, крупки и кусков с максимальным размером до 30 мм. Специальных мер при подготовке проб для анализа не требуется. Размер люминесцирующей области, воспринимаемой световодом, ограничивается металлическими диафрагмами с калиброванными отверстиями.

II. Многоканальный фоторегистратор выполнен в едином корпусе размером 120x180x280 мм, массой 2 кг. В корпусе расположены дифракционный полихроматор ОС-12С с органами управления на лицевой стороне и фотодетекторная головка МОРС-1/ЭОП/В/2048 с органами управления на задней стенке корпуса. Для вывода потока люминесценции используется семижильный кварцевый световод, на выходе которого крепится входная щель полихроматора.

Регистрация всего спектра в диапазоне 350--850 нм осуществляется в два приема путем поворота дифракционной решетки до одного из двух фиксирующих упоров. За узлом входной щели установлена каретка со светофильтрами в одно из трех положений: а) без светофильтра, б) со светофильтром ОС-11, в) со стеклом марки КУ-1. Светофильтр ОС-11 служит для исключения наложения спектральных порядков при регистрации длинноволновой области спектра 550--850 нм, светофильтр КУ-1 -- для компенсации оптического пути при регистрации коротковолновой области спектра 350--650 нм. (Рабочий порядок полихроматора первый). Положение "без светофильтра" используется при калибровке полихроматора и при отсутствии в спектре коротковолновых составляющих при л < 500 нм. На выходе полихроматора перед фотоприемником установлена цилиндрическая линза, уменьшающая высоту строчки спектра.

Многоканальная оптическая регистрирующая система МОРС-1/ЭОП/В/2048 представляет собой сочленение электронно-оптического преобразователя типа ЭШ и линейного прибора с зарядовой связью (ПЗС) типа LX511. Сочленение ЭОП с ПЗС осуществляется волоконно-оптической планшайбой, наклеенной на ПЗС. Максимальное усиление ЭОП по свету составляет 104. Реальный коэффициент усиления устанавливается переключателем, выведенным на панель задней стенки корпуса. Переключатель имеет четыре положения: I -- полное усиление ЭОП, II -- ослабление в 10, III -- в 100 и IV -- в 1000 раз от полного усиления. Функционирование ПЗС обеспечивается электроникой, вырабатывающей управляющие сигналы и постоянные напряжения на электроды ПЗС. Питание ЭОП и электроники ПЗС осуществляются через кабель связи от источника +5 В компьютера.

Для управления работой прибора, регистрации и обработки спектров люминесценции используется персональный компьютер типа IBM-PC. В слоте компьютера установлен адаптер, представляющий собой электронную плату, на крепежной планке которой имеется разъем для подключения кабеля связи с фоторегистратором и разъем для подключения кабеля синхронизации с ускорителем. На жестком диске компьютера установлено программное обеспечение для управления работой фотоприемника. Оно позволяет устанавливать рабочий режим фоторегистратора, запоминание, обработку и архивирование полученных спектров. ПЗС работает в циклическом режиме накопления и вывода информации. Установка необходимого рабочего режима включает в себя установку времени цикла Тэ > 10 мс (экспозиции), числа регистрируемых импульсов N?1 (устанавливаются с клавиатуры), внутреннюю или внешнюю (от ускорителя электронов) синхронизации, регистрацию одиночного и периодических (с частотой до 10 Гц) световых импульсов. Программное обеспечение позволяет проводить оцифровку спектра для его последующей обработки. При регистрации спектра в режиме усреднения информации по 16 и более импульсам излучения стабильность амплитудных параметров превышает 90 %. Простота подготовки пробы к анализу и высокая яркость люминесценции позволяют проводить регистрацию ее спектра во всем диапазоне (350--850 нм) в течение времени порядка 1 мин.

4 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Проведенные измерения позволили построить по экспериментальным данным графики зависимости, так же была проведена аппроксимация по формуле:

(8.1)

(8.2)

где А-максимальная интенсивность, В-середина полосы, С-ширина полосы.

Измерения проводились на стандартных образцах лекарственных препаратов:

Рис.6 Структурная формула ацетилсалициловой кислоты

Латинское название: ThromboASS

Действующее вещество: Ацетилсалициловая кислота (Acetylsalicylic acid)

Фармакологические группы: Ненаркотические анальгетики, включая нестероидные и другие противовоспалительные средства; Антиагреганты

Нозологическая классификация (МКБ-10):G45 Преходящие транзиторные церебральные ишемические приступы [атаки] и родственные синдромы.

Рис.7

Состав и форма выпуска:

Рис.8

Латинское название: Aspirin 1000

Действующее вещество: Ацетилсалициловая кислота (Acetylsalicylic acid)

Фармакологические группы: Ненаркотические анальгетики, включая нестероидные и другие противовоспалительные средства; Антиагреганты

Нозологическая классификация (МКБ-10):G45 Преходящие транзиторные церебральные ишемические приступы [атаки] и родственные синдромы.

Состав и форма выпуска:

Рис.9

Латинское название: Cardiomagnyl

Фармакологические группы: Ненаркотические анальгетики, включая нестероидные и другие противовоспалительные средства; Антиагреганты

Нозологическая классификация (МКБ-10):G43 Мигрень.

Состав и форма выпуска:

Рис. 10

По полученной информации можно сравнить значения максимальной интенсивности, полуширины и середины полосы.

Совпадение коэффициентов В и С позволило бы однозначно судить о идентичности рассматриваемых образцов, другими словами, мы могли бы уверенно сказать что образцы состоят из одинакового вещества. Различия обусловлены наличием примесей. Постановка задачи свелась к нахождению примесных компонентов, последующее их измерение и обработка.

5 ВЫВОД

Таким образом, в ходе проделанной работы удалось установить то, что на данном этапе нельзя судить о составе исследуемых образцов. Все спектры люминесценции индивидуальны, исследования показали, что по данным спектрам можно судить о подлинности лекарственных препаратов.

В будущем планируется создание эталонной базы лекарственных препаратов, которая позволит довольно быстро сравнивать полученные результаты с эталоном. Результаты сравнения будут с хорошей точностью определять подлинность продукта.

6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. test.daily.com.ua/analytics/page.php?id=53088

2. http://www.health-ua.org/article/rpt/31.html

3. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00069/28700.htm

4 Соломонов В. И., Михайлов С. Г. Импульсная катодолюминесценция

и ее применение для анализа конденсированных веществ. Екатеринбург

УрО РАН 2003. 181 с.

5 Методы спектрального анализа / А. А. Бабушкин, П. А. Бажулин,

Ф. А. Королев и др. М.: Изд-во МГУ, 1962, 510 с.

6 Государственная фармакопея СССР. Москва «Медицина», 1987. 332с.

7 Яворский Б. М., Детлаф А.А. Справочник по физике. Москва «Наука» 1974. 944 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Аппроксимационные кривые

Размещено на Allbest.ru