Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Pavel Matějka, Vadym Prokopec pavel.matejka@vscht.cz

pavel.matejka@gmail.com Vadym.Prokopec@vscht.cz

VŠCHT Praha

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

1. Rozdělení spektrálních metod podle principů a podle analytického využití

2. Spektrální metody pro prvkovou analýzu léčiv – rentgenová fluorescenční analýza

3. Kvantitativní rentgenová fluorescenční analýza

4. Spektrální metody pro prvkovou analýzu léčiv – optická atomová spektroskopie

5. Spektrální metody pro prvkovou analýzu léčiv – anorganická hmotnostní spektroskopie

6. Metody molekulové spektroskopie – spektrofotometrie, luminiscenční metody

7. Identifikace aktivních složek a pomocných látek – použití knihoven a databází spekter

8. Detekce a identifikace aktivních složek a pomocných látek – infračervená spektrometrie

9. Detekce a identifikace aktivních složek a pomocných látek – Ramanova spektrometrie

10.Spektrální metody pro identifikaci a kvantifikaci – NIR spektrometrie

11.Metody molekulové spektrometrie pro kvantitativní analýzu léčiv

12.NMR spektrometrie při analýze roztoků

13.Kvantitativní NMR spektrometrie

14.Hmotnostní spektrometrie pro identifikaci farmaceutických látek

Sylabus předmětu - výchozí

1. Rozdělení spektrálních metod podle principů a podle analytického využití

Spektroskopicky významné OPTICKÉ JEVY

absorpce – absorpční spektrometrie

emise – emisní spektrometrie

rozptyl (neelastický) – rozptylové metody

Spektroskopie základní pojmy

• OPTICKÉ JEVY - další důležité – odraz – reflexe

• (na fázovém rozhraní)

– lom – refrakce • (na fázovém rozhraní)

– ohyb – difrakce • štěrbiny, hrany

– interference • skládání (fázově

posunutých) vln

Spektroskopie - základní pojmy

• elektromagnetické vlnění

E

H

λ2

λ1

vlnová délka, vlnočet

Spektroskopie - základní pojmy

• elektromagnetické vlnění

elektrická a magnetická složka

vlnová délka, frekvence, vlnočet

rychlost šíření - ve vakuu, v homogenním prostředí

intenzita (zářivý tok)

foton - částice s nulovou KLIDOVOU hmotností

energie fotonu 𝑬 = 𝒉𝝂 = 𝒉𝒄𝝀 = 𝒉𝒄𝝂

vcn

Spektroskopie - základní pojmy

10 10 10 10 10 10 10 10 9 7 5 3 1 -1 -3 -5

Vlnočet, cm-1

rentgenová

ultrafialová

viditelná

blízká IČ

střední IČ

vzdálená

IČ

mikrovlnná

radiové vlny

vlnová délka, μm

jaderné

elektronové vibrační

-5 -3 -1 1 3 5 7 9

rotační

10 10 10 10 10 10 10 10

Spektroskopie - absorpční • ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE

– absorpce fotonu • excitace atomu/molekuly – přechod z nižšího energetického stavu do

vyššího – energie přechodu poloha pásu

• vlnová funkce počátečního stavu

• vlnová funkce koncového stavu

• operátor přechodu – časté dipolové přechody – tranzitní moment – vztah k intenzitě (ploše) pásu

– VÝBĚROVÁ PRAVIDLA

– atomová absorpční spektrometrie – AAS

• elektronové přechody - UV-VIS oblast

– molekulová absorpční spektrometrie • elektronové přechody - UV-VIS oblast

• vibrační přechody – IR oblast

• rotační přechody – mikrovlnná oblast

– mn EEE

dDM m

*

nnm

m

*

nnm DM

Kvantitativní spektrometrie

- vztah k tloušťce vrstvy

xIkI dd

xkI

Id

d bk

II

0

ln

Bouguer (1729), Lambert (1760)

Ikx

I

d

d

Spektroskopie - spektrometrie

• ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE – vztah ke koncentraci - Beer (1852)

bk

II

0

ln b303.2

kII

0

log

a303.2

k

ca ck

ATII

loglog0

cbA

napierovský absorpční

koeficient

dekadický absorpční

koeficient

napierovský molární

absorpční koeficient

(dekadický) molární

absorpční koeficient

SPEKTRÁLNÍ VELIČINA – pro absorpční metody

- ABSORBANCE

DŮLEŽITÉ FAKTORY

- vlnová délka vstupního záření

- eliminace jiných optických jevů - rozptyl, odraz,

lom, fluorescence …

- eliminace saturačního efektu

- směs analytů

Kvantitativní spektrometrie

cbA λλ

iiλiλ cbA

N

1iiλAA

Spektroskopie

• ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE – absorpční spektrometr

• disperzní

• s Fourierovou transformací

zdroj záření

interfero- metr

absorbující prostředí

vzorek detektor

zdroj záření

absorbující prostředí

vzorek

disperzní prvek

detektor

Spektroskopie

• EMISNÍ SPEKTROMETRIE – EMISE fotonu

• přechod z vyššího energetického stavu do nižšího – popis stavů

• doba života excitovaného stavu

– dovolené přechody

– zakázané přechody

• NUTNÁ VHODNÁ CESTA PŘEDCHOZÍ EXCITACE

– atomová emisní spektrometrie – AES (OES)

• elektronové přechody - UV-VIS oblast

– molekulová „emisní“ spektrometrie • elektronové přechody - UV-VIS oblast – luminiscence

– fluorescence a fosforescence

• NMR („pulzní“, s Fourierovou transformací)

Spektrální analýza

EMISE ZÁŘENÍ

• INTENZITA ČAR a POPULACE STAVŮ

• teplota v excitačním zdroji

- počty excitovaných atomů do jednotlivých stavů

Bolztmannovo rozdělení

T

E

g

g

N

N iii

kexp

00

Spektroskopie

• ROZPTYLOVÁ SPEKTROMETRIE – rozptyl fotonu (na nehomogenitách)

• elastický – (pouze sledování intenzity rozptylu)

– turbidimetrie a nefelometrie (sledování „zákalu“)

» analýza aerosolů

» analýza koloidních soustav

» laserová imunonefelometrie

• neelastický

Spektroskopie

• ROZPTYLOVÁ SPEKTROMETRIE – rozptyl fotonu

• neelastický – rozdílná energie rozptýleného a vstupního

fotonu

– spektroskopie kvazielastického rozptylu – QELS

– spektroskopie dynamického rozptylu - DLS

– „photon-correlation“ spectroscopy - PCS » analýza velikosti nanočástic » rychlost difuse koloidních částic či makromolekul

Vzo

rek

Spektroskopie • ROZPTYLOVÁ SPEKTROMETRIE

– neelastický rozptyl • Ramanova spektroskopie – vibrační a rotační přechody

Spektroskopie

• ROZPTYLOVÁ SPEKTROMETRIE • částic

– rozptyl neutronů • pružný

• nepružný – např. na fononech – podobnosti s Ramanovou

spektroskopií

– rozptyl α částic • Ruthefordův rozptyl

– Ruthefordův zpětný rozptyl – RBS

– prvková analýza – zákon zachování energie

– zákon zachování hybnosti

Spektrometrie

• SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ

–SPEKTROMETR – „iontově-optické“ zařízení

- separace iontů podle m/z - vstup - zavedení vzorku

- iontový zdroj - ionizace

- separátor (analyzátor) - separace iontů podle m/z

- detektor - četnost daného typu iontů

- zpracování signálu - spektrální výstup

- vakuový systém - vyloučení srážek iontů

• SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ

–SPEKTROMETR - iontově-optické zařízení

- separace iontů podle m/z

Spektrometrie

• SPEKTROMETRIE HMOTNOSTNÍ

–SPEKTROMETR - separace iontů podle m/z

zakřivení dráhy letu

- dostředivá síla (B e v) – úměrná magnetické indukci

- odstředivá síla - mv2/r

Spektrometrie

Analytické využití

• Prvková analýza

• Molekulová analýza

• Kvalitativní informace – detekce, identifikace

• Kvantitativní informace – stanovení

• Nedestruktivní vs. Destruktivní

• Ex-situ vs. In-situ

• Laboratorní vs. Procesní