Применение спектрометрии ядерного магнитного резонанса в современном фармацевтическом анализе Курсовая работа (проект)

Введение

В современном мире идет тенденция к увеличению количества лекарственных средств. За последние пять лет это число увеличилось с 3,5 тысяч до 13,5 тысяч лекарственных средств, поступающих, как правило, от разных производителей. Кроме того, в медицинскую практику вошли высокоактивные вещества, принадлежащие к новым классам природных и синтетических соединений [1]. Вызывает большую озабоченность поступление на фармацевтический рынок фальсифицированных (контрафактных) лекарственных средств и лекарственных субстанций, качество которых не удовлетворяет действующим на территории нашего государства требованиям нормативной документации. Наиболее типичные угрозы здоровью, возможные при приеме БАД, обусловлены использованием незадекларированных синтетических компонент, безосновательными медицинскими рекомендациями, несоответствием содержания биологически активных компонент заявленному лечебному эффекту, присутствием минорных токсичных соединений, отсутствием информации о побочных эффектах, обусловленных многокомпонентностью БАД. Поэтому вопросы контроля качества и стандартизации лекарственных средств усиливают свою актуальность в настоящее время.

Лекарственные средства – это особый товар. Основное его отличие от любого другого товара состоит в том, что, как правило, потребитель самостоятельно не может определить его качество.

Фармацевтический анализ лекарственных средств осуществляется на всех этапах жизненного цикла: разработка, в процессе производства, контроля качества конечного продукта и многочисленных лекарственных форм, представляющих собой смеси нескольких лекарственных и вспомогательных веществ. Физико-химические методы все шире используются в фармацевтическом анализе для идентификации и количественного определения различных групп лекарственных веществ [2], их стандартных образцов [1], а также других многокомпонентных лекарственных смесей [3, 4]. Среди них спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Практически сразу же после открытия ядерно-магнитный резонанс стал использоваться в молекулярном анализе как метод, который позволяет определять точное расположение атомов в молекуле, т.е. молекулярную структуру различных соединений. А за открытие ЯМР Пурселл и Блох были удостоены Нобелевской премии.

Однако метод ЯМР-спектроскопии представлен в немногих фармакопейных статьях, а рекомендован для использования в единичных и не нашел должного распространения. Такая ситуация не может не вызывать удивления. Она мотивировала для написанию этой курсовой работы, задача которой более подробно рассмотреть суть явления ЯМР, принцип действия ЯМР-спектроктрометра и, таким образом, доказать универсальность метода ЯМР-спектроскопии и его неоспоримые достоинства, а также преимущества применительно к современному фармацевтическому анализу.

1 Теоретические основы спектроскопии ядерного магнитного резонанса

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. Метод изучения структуры и молекулярного движения в различных веществах, основан на явлении ЯМР.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса – вид спектроскопии, которая регистрирует переходы между магнитными энергетическими уровнями атомных ядер, вызываемые радиочастотным излучением. Только ядра со спиновым квантовым числом I, отличным от «0», могут вызывать сигнал ЯМР. Важной особенностью является то, что сигналы в спектрах ЯМР могут давать только ядра атомов, обладающих нечетным спиновым числом. К наиболее распространенным ядрам, регистрируемым с помощью данного метода, относятся: ¹Н, ¹⁹F, ¹³C, ³¹P, ²⁹Si, ¹¹⁹Sn, ¹⁹⁵Pt, ¹⁹⁵Hg.

Для понимания явления ядерного магнитного резонанса воспользуемся квантово-механическим описанием условий его возникновения [5, 6].

Протоны и нейтроны ядер атомов имеют собственный механический момент, называемый спином. Многие ядра имеют также механический момент импульса J и магнитный момент μ, параллельные между собой [7, 8]. Таким образом, можно записать:

μ = γJ. (1)

В (1) γ-гиромагнитное отношение может быть как положительной, так и отрицательной величиной.

В квантовой механике оператор J связан с оператором I соотношением:

J = hI. (2)

Оператор I имеет собственные значения I (I+1), где I – спиновое число. При помещении ядра в магнитное поле B_о магнитный момент μ обладает энергией Е = μВ_о.

Гамильтониан, описывающий энергию системы, записывается в следующем виде:

Н = - μВ_о. (3)

Пусть постоянное магнитное поле В_о направлено вдоль оси z лабораторной системы координат. Тогда гамильтониан с учетом (1) и (2) в проекции на ось z примет следующий вид:

Н = - γhB₀I_z, (4)

где I_z - оператор z-проекции спина, принимающий собственные значения:

m = I, I-1, .. , -I (5)

Следовательно, гамильтониану (4) соответствуют такие значения энергии:

E_m = - ghB₀m (6)

Для осуществления переходов между энергетическими уровнями необходимо использовать некоторое высокочастотное осциллирующее магнитное поле для возбуждения системы. Его направление устанавливается, исходя из свойств операторов спина и собственных функций ядра со спином I.

2 Характеристика ЯМР-спектрометра. Подготовка образцов к измерениям

2.1 Схема ямр-спектрометра и его основные блоки

Основными блоками ЯМР-спектрометра являются:

– магнит, создающий поле Н_о;

– передатчик, создающий зондирующее поле Н₁;

– датчик, в котором под воздействием Н_о и Н₁ в образце возникает сигнал ЯМР;

– приемник, усиливающий этот сигнал;

– систему регистрации (самописец, магнитная запись и т.д.);

– устройства обработки информации (интегратор, мини-ЭВМ);

– система стабилизации резонансных условий;

– система термостатирования образца;

– другие специальные системы и устройства для различных экспериментов в ЯМР.

На рис. 2.1 приведена упрощенная принципиальная схема ЯМР-спектрометра. Как правило, такой спектрометр автоматически оказывается снабженным блоками внешней и внутренней (или только внутренней) стабилизации. Поскольку требования к импульсному спектрометру сильно зависят от характера проводимого эксперимента, поэтому некоторые из блоков современного ЯМР-спектрометра в простых экспериментах могут оказаться ненужными. Так, во многих экспериментах не нужны ни блок гетероядерного широкополосного подавления с шумовой модуляцией, ни схема стабилизации магнитного поля. В других экспериментах отсутствие стабилизации условий резонанса может вести к большим ошибкам [16].

3 Области использования ЯМР-спектроскопии в фармацевтическом анализе и разнообразие решаемых задач

Спектроскопия ЯМР относится к инструментальным методам анализа, которые необходимы на всех стадиях жизненного цикла лекарственного препарата (ЛП), как это показано на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Использование инструментальных методов анализа на стадиях жизненного цикла лекарственных препаратов

Спектроскопия ЯМР является общепризнанным лидером среди инструментальных методов установления структурных формул, пространственного и электронного строения впервые синтезированных или выделяемых из смесей природных и синтетических органических соединений. В качестве дескрипторов молекулярного строения в этом методе используются значения химических сдвигов и интегральных интенсивностей сигналов отдельных ядер ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P, входящих в молекулярные фрагменты. Константы спинового взаимодействия между ядрами дают однозначную информацию об относительном расположении атомов в молекуле.

Многообразие структурной и аналитической информации, содержащейся в спектрах ЯМР, позволяет использовать метод ЯМР для проведения качественного и количественного анализа. Применение ЯМР-спектроскопии в количественном анализе (КС) основано на прямой пропорциональности молярной концентрации магнитно-активных ядер интегральной интенсивности соответствующего сигнала поглощения в спектре.

Первый пример использования КС ЯМР для фармацевтических задач имеет полувековую историю и относится к 1963 г., когда был количественно проанализирован состав анальгетика с определением в нем аспирина, фенацетина и кодеина с погрешностью около 3% [18]. Уже в 1980 г. метод ЯМР был включен в Фармакопею Германии [19]. Ныне он входит в фармакопеи всех развитых стран. В соответствии с международными протоколами около 15 лет назад метод КС ЯМР официально утвержден прямым первичным методом количественных измерений [20]. Это единственный инструментальный метод, в котором интегральные интенсивности сигналов компонентов смеси прямо пропорциональны их количеству, т.е. мольной доле. В системе единиц си он является определителем понятия «моль». Опубликованные в последнее десятилетие обзоры, посвященные КС ЯМР, свидетельствуют, что метод одинаково эффективен при детальном количественном анализе лекарственных субстанций и препаратов [21], вспомогательных веществ [22], вакцин [23], природных препаратов [24; 25], пептидов [26], агрохимикатов [27; 28], компонентов пищи [26; 30; 31], экстрактов растений и спиртово-эфирных настоек лекарственных препаратов [32], для получения «метаболических профилей» (т.е. состава) биологических жидкостей человека и животных с целью диагностики заболеваний и контроля действия лекарств [33; 34; 35; 36; 37].

Заключение

ЯМР дал учёным элегантный и точный метод определения химической структуры и свойств материалов и широко используется в настоящее время в физике и химии, а также является основой метода ЯМР-изображений – одного из наиболее важных достижений в медицине XX-го века. Сам метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса основан на регистрации индуцированных радиочастотным полем переходов между ядерными магнитными энергетическими уровнями молекул вещества, помещенного в постоянное магнитное поле. Наибольшее распространение при изучении лекарственных средств получила спектроскопия ЯМР с использованием ядер изотопов водорода ¹Н (ЯМР ¹Н) и углерода ¹³С (ЯМР ¹³С).

Спектроскопия ЯМР – это инструментальный неразрушающий метод анализа. Современная импульсная ЯМР фурье-спектроскопия позволяет вести анализ по 80 магнитным ядрам. ЯМР спектроскопия – один из основных физико-химических методов анализа, ее данные используют для однозначной идентификации, как промежуточных продуктов химических реакций, так и целевых веществ. Помимо структурных отнесений и количеств анализа, спектроскопия ЯМР приносит информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, внутренних движениях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, кетоенольной таутомерии, металлo- и прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции веществ, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов, биополимеров и др.

Спектры ЯМР высокого разрешения позволяют проводить как качественный, так и количественный анализ (интенсивности (площади) сигналов при записи спектров пропорциональны числу магнитных ядер в каждой группировке, что дает возможность проводить количественный анализ по спектрам ЯМР без предварительной калибровки)

Учитывая, что многие вещества, как известно, не растворяются или растворяются ограниченно,облегчает задачу тут факт, что сигнал ЯМР можно зарегистрировать от твердой фазы. С помощью спектрометров работающих в импульсном режиме можно детектировать сигналы ЯМР от любого сколь угодно малого количества вещества.

Метод ЯМР позволяет добиваться почти идеального спектрального разделения компонентов, поэтому анализ смеси, как правило, не требует дополнительного хроматографирования. А для очень большого числа компонентов используют комбинированные методы (ВЭЖХ-ЯМР или ВЭЖХ-ЯМР-МС). Миниатюризация аппаратуры и возможности измерения пикомолярных количеств образца привлекают к себе большое внимание. Уже существуют экспериментальные системы для ВЭЖХ-ЯМР, соединенные с Фурье-преобразователем, ИК- и масс-спектрометрометрами.

Представленная информация в данной курсовой работе позволяет сделать вывод о том, что ЯМР-спектроскопия является наиболее перспективным методом идентификации и контроля качества как лекарственных препаратов, так и БАД. Для последних невозможны многие референтные стандартные образцы, что делает для них методы хроматографической идентификации неэффективными, что существенно повышает для них информативность методов ЯМР-спектроскопии.

Говоря о достоинствах приборов ЯМР, необходимо также исходить из реальных возможностей в приобретении и эксплуатации ЯМР-спектрометров. Внедрению метода ЯМР препятствуют сложность аппаратуры, ее обслуживание и ремонт, требующие высокой квалификации персонала, высокая стоимость спектрометров, исследовательский характер самого метода. Поэтому в нашей стране ЯМР-спектроскопия не получила должностного распространения.