Рамановская спектроскопия

 

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Оренбургская государственная  медицинская академия Федерального агентства по здравоохранению и  социальному развитию»

 

 

КАФЕДРА ХИМИИ  И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

 

Курсовая работа

 

 

Рамановская спектроскопия

 

 

Исполнитель: студент Мкртчян Р. А.

52 группы фармацевтического  факультета

Руководитель: к.б.н., доцент кафедры

Михайлова И. В.

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург- 2012 г.

Список сокращений

КРС – комбинационное рассеивание света

 РС -  рамановская  спектроскопия

МГУ – Московский государственный  университет

ν       -  излучение частоты

hν     - поток фотонов с энергией

 h — постоянная Планка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………4

Глава 1. История открытия Рамановской спектроскопии………………….5

1. Открытие комбинационного рассеяния……………………………….5
2. О названии метода……………………………………………………….6
3. Сущность явления с точки зрения классической теории……………...6
4. С точки зрения квантовой теории………………………………………7

Глава 2. Методики Рамановской спектроскопии в фармацевтическом анализе……………………………………………………………………………..9

2.1. Принципы и основные преимущества метода……………………………...9

2.2. Применение метода в анализе лекарственных средств………………….11

2.3. Идентификация различных  веществ, входящих в состав  лекарственных препаратов………………………………………………………………………13

2.4. Идентификация наполнителей……………………………………………13

2.5. Идентификация лекарственных  средств в смеси с наполнителями…….13

2.6. Анализ смеси лекарств…………………………………………………….14

2.7. Идентификация лекарственных  средств через упаковочные 

материалы……………………………………………………………………..17

Заключение ……………………………………………………………………18

Приложение …………………………………………………………………...…19

Библиографический список……………………………………………………..24

Введение

Спектроскопия комбинационного  рассеяния (КР), или Рамановская спектроскопия  – спектроскопический метод изучения колебательных, вращательных и иных низкочастотных волн исследуемого вещества в интервале приблизительно от 2 до 4000 см^-1, основанный на явлении неупругого (комбинационного, Рамановского) рассеяния монохроматического света в видимом, ближнем УФ или ближнем ИК диапазонах.

В фармацевтике Рамановская спектроскопия применяется 
для определения распределения компонентов в таблетированных формах и кремах при контроле процесса их изготовления. 
         Высокое разрешение и чувствительность метода Рамановской спектроскопии позволяют осуществить быструю идентификацию и анализ состава лекарственных средств. 

Поэтому, целью курсовой работы явилось изучение методик  Рамановской спектроскопии в анализе таблетированных лекарственных форм

с учетом современных требований.

        Задачи исследования:

1. Провести анализ источников литературы с учетом современных требований, предъявляемых к методу Рамановской спектроскопии.
2. Оценить уровень требований к методу по данным зарубежной и отечественной литературы для обоснования выбора нормативных показателей.
3. Выявить особенности метода и его применение в фармацевтическом анализе лекарственных средств.

 

 

 

 

Глава 1

 История открытия и сущность рамановской спектроскопии

        Несколько известных физиков теоретически предсказывали возможность комбинационного рассеяния ещё до его экспериментального обнаружения. Первым комбинационное рассеяние света предсказал Адольф Смекаль (в 1923 г.), затем последовали теоретические работы Крамерса, Гейзенберга, Дирака, Шрёдингера и других.

1.1. Открытие комбинационного рассеяния

          В 1918 г. Л. И. Мандельштам предсказал расщепление линии рэлеевского рассеяния вследствие рассеяния света на тепловых акустических волнах. Начиная с 1926 г., Мандельштам и Ландсберг развернули в МГУ экспериментальное изучение молекулярного рассеяния света в кристаллах, преследуя цель обнаружить тонкую структуру в спектре рассеяния, вызванную модуляцией рассеянного света упругими тепловыми волнами, частоты которых лежат в акустическом диапазоне (продолжение исследований феномена, ныне именуемого рассеянием Мандельштама-Бриллюэна).

            В результате этих исследований 21 февраля 1928 г. Ландсберг и Мандельштам обнаружили эффект комбинационного рассеяния света (они зарегистрировали новые линии спектра, возникшие в результате модуляции рассеянного света колебаниями атомов кристаллической решетки в оптическом диапазоне частот). О своем открытии они сообщили на коллоквиуме от 27 апреля 1928 г. и опубликовали соответствующие научные результаты в советском и двух немецких журналах [3,4,5].

 

 

 

 

2. О названии метода

В целом физики не сразу  поняли, что открытое Ландсбергом и Мандельштамом комбинационное рассеяние света в кристаллах есть то же самое явление, что и открытый Раманом эффект в жидкостях и парах^[10]. Более того, Раман опубликовал свои результаты до публикации работ Ландсберга и Мандельштама. Поэтому в англоязычной литературе рассматриваемый феномен носит название «эффект Рамана» (Raman effect) или «рамановское рассеяние» (Raman scattering).

               В русскоязычной научной литературе, вслед за классиками молекулярного рассеяния света Ландсбергом, Мандельштамом, Фабелинским и многими другими советскими учёными, данное явление традиционно называется «комбинационным рассеянием света». И несмотря на то, что термин «комбинационное рассеяние» употребляется только русскоязычными учёными и в русскоязычных учебниках, такое положение вряд ли изменится, поскольку сопротивление несправедливому решению нобелевского комитета от 1930 года до сих пор весьма велико[10,11,12].

1.3. Сущность явления с точки зрения классической теории

Данная точка зрения даёт несколько упрощённую картину явления. В классической модели электрическое  поле света индуцирует переменный дипольный момент молекулы, который колеблется с частотой падающего света, а изменения дипольного момента в свою очередь приводят к испусканию молекулой излучения во всех направлениях.

              В классической модели принимается, что вещество содержит заряды, которые могут быть разделены, но удерживаются вместе некоторыми силами, действующими наряду с кулоновским притяжением. Образование волны на границе с веществом вызывает осциллирующее разделение этих зарядов, т. е. появляется осциллирующий электрический диполь, который излучает на частоте осцилляции. Это излучение и является рассеянием.

1.4. С точки зрения квантовой теории

Рис. 1 Схема возникновения излучения

Происхождение данного эффекта  удобнее всего объяснить в  рамках квантовой теории излучения. Согласно ей, излучение частоты ν рассматривается как поток фотонов с энергией hν, где h — постоянная Планка. При столкновениях с молекулами фотоны рассеиваются. В случае упругого рассеивания, они будут отклоняться от направления своего движения, не изменяя своей энергии (Рэлеевское рассеяние). Но может быть и так, что при столкновении произойдет обмен энергией между фотоном и молекулой. Молекула при этом может как приобрести, так и потерять часть своей энергии в соответствии с правилами квантования - ее энергия может измениться на величину ΔE, соответствующую разности энергий двух разрешенных ее состояний. Иначе говоря, величина ΔЕ должна быть равна изменению колебательной и/или вращательной энергий молекулы. Если молекула приобретает энергию ΔЕ, то после рассеяния фотон будет иметь энергию hν—ΔЕ и соответственно частоту излучения ν—ΔE/h. А если молекула потеряет энергию ΔЕ, частота рассеяния излучения будет равна ν+ΔE/h. Излучение, рассеянное с частотой, меньшей чем у падающего света, называется стоксовым излучением, а излучение с большей частотой называется антистоксовым [2]. При не очень высоких температурах населенность первого колебательного уровня невелика, при комнатной температуре при колебательной частоте 1000 см^-1 на первом колебательном уровне находится всего 0.7% молекул, поэтому интенсивность антистоксова рассеяния мала. С повышением температуры населенность возбужденного колебательного уровня возрастает и интенсивность антистоксова рассеяния растет [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2

Методики рамановской спектроскопии в фармацевтическом анализе

       Комбинационное рассеяние света положило начало целому направлению в спектроскопии молекул и кристаллов — спектроскопии комбинационного рассеяния. Этот метод на сегодняшний день является одним из самых мощных методов исследования молекулярных структур.

2.1. Принципы и основные преимущества метода

Спектроскопия КР, или Рамановская спектроскопия – спектроскопический метод изучения колебательных, вращательных и иных низкочастотных волн исследуемого вещества в интервале приблизительно от 2 до 4000 см^-1, основанный на явлении неупругого (комбинационного, Рамановского) рассеяния монохроматического света в видимом, ближнем УФ или ближнем ИК диапазонах.

Спектры КР очень чувствительны  к природе химических связей –  как в органических молекулах  и полимерных материалах, так и  в неорганических кристаллических  решетках и кластерах. По этой причине  каждое определенное вещество, каждый материал обладает своим собственным, индивидуальным КР спектром, который  является для него аналогом «отпечатка пальцев». Спектры КР органических материалов в основном состоят из линий, отвечающих деформационным и  валентным колебаниям химических связей углерода (С) с другими элементами, как правило, водородом (H), кислородом (O) и азотом (N), а также характеристическим колебаниям различных функциональных групп (гидроксильной -OH, аминогруппы -NH2 и т.д.). Эти линии проявляются в диапазоне от 600 см^-1 (валентные колебания одинарных С-С связей) до 3600 см^-1 (колебания гидроксильной -OH группы). Кроме того, в спектрах ряда органических соединений в диапазоне 250-400 см^-1 проявляются деформационные колебания алифатических цепочек.

Спектры КР кристаллических  решеток содержат линии, соответствующие  рассеянию излучения на коллективных возбужденных состояниях решетки, которые  в физике твердого тела рассматриваются  как квазичастицы. Наиболее распространены КР-активные переходы с участием оптических и акустических фононов, плазмонов и магнонов.

     Спектры КР двухатомных газов состоят из линий, отвечающих вращательным и колебательно-вращательным переходам.

      Метод Рамановской спектроскопии дает возможность получить индивидуальный спектральный отпечаток, уникальный по отношению к рассматриваемой молекуле или целой молекулярной структуре. По сравнению с методом ИК-Фурье спектроскопии Рамановская спектроскопия имеет существенные ключевые преимущества:

 • Метод Рамановской спектроскопии может быть использован для анализа водных растворов, поскольку высокий абсорбционный эффект воды в отличии от ИК-Фурье метода не оказывает на него существенного влияние.

• Интенсивность спектральных линий в растворе прямо пропорциональна  концентрации специфических соединений;

• Рамановский спектр не зависит от изменений температуры раствора;

• Метод Рамановской спектроскопии практически не требует пробоподготовки, применения реагентов, и не подвержен влиянию материала ячейки, например, стекла;

• Применение Рамановских спектрометров позволяет достигнуть высокого разрешения и чувствительности, недостижимых для ИК-Фурье спектрометрии.

       Эти преимущества, связанные со специфической природой метода, делают Рамановскую спектрометрию мощным средством анализа и мониторинга химического состава. Каждое соединение имеет свой уникальный Рамановский спектр. В зависимости от применяемой аппаратуры, эта техника может быть использована для анализа твердых веществ, растворов, а также предоставлять информацию о физических характеристиках исследуемой среды, таких как кристаллическая решетка, ориентация, полиморфные формы и т.д.

Рамановский микроскоп позволяет наблюдать самые тонкие молекулярные эффекты непосредственно, визуально, соотнося изображение оптического или электронного микроскопа с двумерной или трехмерной картой, построенной по линиям в спектре КР.

          В фармацевтике и косметике Рамановская спектроскопия применяется: 
- для определения распределения компонентов в таблетированных формах и кремах при контроле процесса их изготовления; 
-при подтверждении идентичности исходного сырья; 
- в различных in-vivo исследованиях, к примеру, при изучении распределения лекарственных соединений по глубине кожи.

2.2. Применение метода в анализе лекарственных средств

       Рамановская спектроскопия – неконтактная и неразрушающая технология, которая не требует никакой пробоподготовки. Во многих случаях она позволяет сохранить полученные доказательства для дальнейшего анализа одних и тех же образцов с целью подтверждения результата. Для проведения полного анализа требуются минимальные количества материала, что обусловлено высоким пространственным разрешением софокусной системы.

      Рамановский эффект высоко чувствителен к небольшим различиям химического состава и кристаллографической структуры.

 

 

 

 

 

2.3. Идентификация  различных лекарственных веществ,  входящих в состав лекарственных  препаратов