способ спектрального анализа химического состава вещества

Формула изобретения

Способ спектрального анализа химического состава вещества, включающий фокусировку лазерного излучения на анализируемое вещество, получение лазерной плазмы вещества, возбуждение этой плазмы вещества электронным пучком с последующей регистрацией спектра излучения этой плазмы и анализом элементного состава вещества, отличающийся тем, что до получения лазерной плазмы осуществляют облучение вещества возбуждающим флуоресценцию электромагнитным излучением или электронным пучком, интенсивность которого меньше порога испарения вещества с поверхности, регистрируют и анализируют спектр отражения и флуоресценции, и определяют молекулярный состав вещества.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спектральному анализу вещества и может быть использовано для неразрушающего экспресс-контроля качественного и количественного состава вещества с высокой чувствительностью и точностью. Данный способ может быть использован в таких областях науки и техники, как медицина, фармакология, экология, геология, металлургия, санитария и гигиена и др., а также для оперативного проведения мониторинга загрязнения окружающей среды.

Хорошо известны способы определения химического состава сложных веществ, в том числе и лекарственных средств, основанные на разделении и идентификации основных компонент этого вещества хроматографическими методами, включающие хромато-масс-спектрометрические (1. Количественный анализ хроматографическими методами. // Под. ред. Э.Кац. - M., Мир, 1990 г. 2. А.Г.Лебедев. Масс-спектрометрия в органической химии. - M., Бином, 2003 г., 493 стр.).

К основным недостаткам этих способов анализа можно отнести необходимость разрушения исследуемого вещества и использования дорогостоящих расходных материалов, большие трудности при определении элементного состава вещества, большое время проведения пробоподготовки и анализа, необходимость постоянной очистки транспортных магистралей и систем используемого оборудования.

Известен способ экспресс-контроля готовых лекарственных средств (ЛС) путем комбинированного применения трех различных методов анализа (цветные реакции, метод тонкослойной хроматографии и инфракрасная спектроскопия). Такое сочетание позволяет с достаточной степенью достоверности подтвердить наличие или доказать отсутствие в лекарственном средстве действующего вещества, указанного на упаковке, и обеспечивает высокую вероятность обнаружения фальсифицированного лекарственного средства. Основным преимуществом предлагаемого подхода является относительная быстрота проведения анализа. Среднее время проведения цветных реакций - 5-10 минут (без учета приготовления реактивов), тонкослойной хроматографии - 30-60 минут, инфракрасной спектрометрии - 15-20 минут (1. В.Д.Дорофеев, А.А.Коновалов, В.Ю.Кочин, А.П.Арзамасцев. Анализ лекарственных средств группы фторхинолинов с использованием метода ТСХ. // Химико-фармацевтический журнал. Том 38, №9, 2004 г., стр.45-47. 2. Практическое руководство "Экспресс-анализ с целью выявления фальсифицированных лекарственных средств", Московская медицинская академия им. И.М.Сеченова, Москва, 2005 г.). К недостаткам этого способа можно отнести ограниченное количество ЛС (например, группа противомикробных ЛС - фторхинолонов и цефалоспоринов), анализ которых возможен этим способом, и невозможность определения загрязняющих атомарных и молекулярных примесей и вспомогательных веществ.

Известны оптико-спектроскопические методы определения состава ЛС, находящихся в различных агрегатных состояниях, путем измерения и анализа спектров поглощения (абсорбции) света, спектров флуоресценции, возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеяния вещества, возбуждаемых электромагнитным излучением различных диапазонов (УФ, видимый, ИК) спектра (1. Ю.А.Пентин, Л.В.Вилков. Физические методы исследований в химии. - М., Мир, 2003 г., 683 с. 2. В.Ф.Травень. Электронная структура и свойства органических молекул. М., Мир, 1989 г., 384 с.).

Однако оптические спектры поглощения и флуоресценции сложных веществ очень трудны для анализа, поскольку эти спектры содержат вклады различных поглощающих и излучающих молекул и функциональных групп молекул. Поэтому для окончательного вывода о составе вещества требуется привлечение других дополнительных методов анализа. Это приводит к значительному увеличению времени проведения анализа и его стоимости.

Известны флуоресцентные методы определения состава сложных веществ путем возбуждения и регистрации спектров рентгеновской флуоресценции атомов и оптической флуоресценции отдельных молекул пробы под действием электронных и рентгеновских пучков (Спектроскопические методы определения следов элементов. // Под. ред. Дж. Вайнфорднера. М., Мир, 1979 г., 494 с.).

Этими способами можно определить большинство атомов (за исключением легких) и ограниченное число сложных органических молекул, содержащих в своем составе ароматические и гетероциклические соединения с сопряженными связями (органические сцинтилляторы).

Известен способ спектрального анализа элементного состава вещества, включающий фокусировку лазерного излучения на анализируемое вещество, получение лазерной плазмы вещества, возбуждение этой плазмы с последующей регистрацией спектра излучения этой плазмы и анализом элементного состава вещества, отличающийся тем, что возбуждение лазерной плазмы вещества осуществляется электронным пучком (Патент РФ на изобретение №2270994 от 27 февраля 2006 г. Приоритет изобретения 30 июля 2003 г.).

Этот способ выбран за прототип.

Однако данный способ спектрального анализа вещества имеет ряд недостатков. Главный из них состоит в том, что этим способом можно проанализировать элементный состав поверхности вещества или области вещества вблизи поверхности. Это факт объясняется тем, что лазерное излучение и электронные пучки, которые используются для возбуждения спектров флуоресценции вещества, поглощаются полностью на поверхности. Глубина проникновения ультрафиолетового излучения, которое, как правило, используются для получения плазмы вещества, не превышает одного микрона. Поэтому проанализировать элементный состав в объеме таким способом невозможно.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и разработка способа, позволяющего обеспечить получение информации о химическом составе для более широкого набора компонентов анализируемой пробы и уменьшения времени анализа.

Поставленная задача решается тем, что, как и в прототипе, осуществляют фокусировку лазерного излучения на анализируемое вещество, получают лазерную плазму вещества, возбуждают эту плазму электронным пучком, регистрируют спектры излучения этой плазмы и анализируют элементный состав вещества, в отличие от прототипа до получения лазерной плазмы осуществляют облучение вещества возбуждающим флуоресценцию электромагнитным излучением или электронным пучком, интенсивность которого меньше порога испарения вещества с поверхности, регистрируют и анализируют спектры отражения и флуоресценции и определяют молекулярный состав вещества.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что электромагнитное излучение от лазера или другого источника или электронный пучок, интенсивность которого меньше порога испарения вещества с поверхности, направляется на образец анализируемого вещества. С помощью оптического спектроанализатора регистрируют спектры отражения, комбинационного рассеяния, флюоресценции и фосфоресценции, возникающие в ответ на облучение светом. Это позволяет определить молекулярный состав анализируемого вещества.

Определение элементного состава реализуется способом, указанным в прототипе. При необходимости определения элементного состава в объеме исследуемого вещества образец облучают рентгеновским излучением и регистрируют спектры характеристического рентгеновского излучения различных элементов, с помощью рентгеновского спектроанализатора проводится их анализ, и определяют элементный состав.

В дальнейшем сущность изобретения поясняется описанием и чертежом, на котором представлены спектры флуоресценции (кривые 1, 2, 3) таблеток кардиомагнила, содержащих в своем составе ацетилсалициловую кислоту (аспирин) и магний, при различных способах возбуждения этих спектров. Возбуждение и регистрация молекулярных оптических спектров флуоресценции таблеток происходило следующим образом. Электромагнитное излучение оптического или рентгеновского диапазона или электронный пучок неразрушающих интенсивностей направляются на таблетку. Фотоны электромагнитного излучения и электроны пучка, взаимодействуя с молекулами вещества, переводят их из основного электронного состояния в возбужденные электронные состояния, из которых они возвращаются обратно в основное состояние путем излучения фотонов света. Спектральный состав электромагнитного излучения вещества регистрируется с помощью оптического спектроанализатора и оптического приемника. Спектры флуоресценции, полученные при облучении таблеток лазерным излучением на длине волны 308 нм (кривая 2) и электронным пучком (кривая 3), обрабатываются, анализируются и сравниваются с эталонными спектрами флуоресценции молекул для определения молекулярного состава и спектрами флуоресценции стандартов лекарственных средств для определения подлинности и чистоты анализируемого вещества с помощью персонального компьютера и программы, содержащей необходимый банк данных. Оптические спектры катодолюминесценции, регистрируемые оптическим анализатором, обрабатывают, сравнивают с эталонными спектрами веществ, в частности, со спектрами стандартных лекарственных средств, имеющих известный молекулярный состав, а затем сравнивают со спектрами флуоресценции, полученными при оптическом облучении для уточнения молекулярного состава. Этот анализ позволяет выделить вклад различных органических составляющих молекул в суммарные спектры флуоресценции анализируемых образцов, полученные при оптическом возбуждении. По результатам сравнительного анализа дается оценка химического и молекулярного состава изучаемого вещества.

При необходимости определения молекулярного состава вещества в объеме, например, в случае таблеток аспирина, покрытых защитной оболочкой, их облучают рентгеновским излучением, интенсивность которого достаточна для возбуждения индуцированной флуоресценции. При этом полученные спектры флуоресценции (кривая 1), регистрируются, анализируются и сравниваются с эталонными спектрами, аналогично тому, как это указано выше. Элементный анализ проводится точно так же, как и в прототипе.

В нашем случае для анализа элементного состава кардиомагнила интенсивность падающего лазерного излучения повышают затем до значений, приводящих к испарению и абляции вещества с поверхности таблетки ( 1мДж), и облучают пучком электронов от источника электронов для возбуждения паров вещества. При этом в спектре излучения паров вещества возникают интенсивные резонансные линии атома магния (кривая 4, интенсивные пики на длинах волн 383.5, 518.3 нм), которые и позволяют идентифицировать этот элемент в составе вещества.

В сложных случаях или при анализе многокомпонентных веществ дополнительно анализируются спектры отражения (поглощения), комбинационного рассеяния, фосфоресценции. При этом используется та же установка, однако работающая в других режимах.

Измерения выполнялись без сложной пробоподготовки, в режиме реального времени и с автоматической записью и идентификацией результатов измерений и анализа в память компьютера. Общее время качественного анализа химических элементов таблетки составило не более 1-10 мин.