1
ОДНОВРЕМЕННОЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛИЦЕРИНА И АЦЕТАТА КАЛИЯ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ МЕТОДОМ Н ЯМР СПЕКТРОСКОПИИ
1
SIMULTANEOUS QUANTITATIVE DETERMINATION OF GLYCERINE AND POTASSIUM ACETATE IN AQUEOUS SOLUTION BY H NMR SPECTROSCOPY

1
1
Изобретение относится к области физической химии, а именно к применению метода ядерного магнитного резонанса на ядрах Н (Н ЯМР спектроскопия) для одновременного количественного определения основных компонентов в водных растворах, содержащих ацетат калия и глицерин. Изобретение может быть использовано при приготовлении и анализе химического состава консервирующих растворов, использующихся при сохранении биологических субстанций в исследовательских учреждениях и музеях биологической направленности.
Актуальным направлением для биомедицинских исследований является проблема консервации и сохранения биологических структур в неизменном состоянии.
При сохранении биологических субстанций в исследовательских учреждениях и музеях биологической направленности при сохранении биологических объектов и структур часто используются концентрированные растворы с различными химическими компонентами, в том числе, с ацетатом калия и глицерином (Патент РФ №2185060). Мониторинг количественного содержания компонентов данных растворов, позволяет не только контролировать необходимые концентрации реагентов в растворах, но и осуществлять опосредованную оценку состояния сохраняемых биосубстанций.
В настоящее время количественное содержание ацетата калия и глицерина в консервирующих растворах осуществляется с помощью аналитических методик на основе метода потенциометрического титрования. Аналитические методики определения концентрации данных веществ в высококонцентрированных водных растворах показывают довольно хорошую точность определения, однако отличаются трудоемкостью, требуют больших временных и материальных затрат и относительно большого количества анализируемой пробы.
Известен метод количественного определения содержания в консервирующих растворах глицерина и ацетата калия методом спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановской спектроскопии). Данный метод может служить средством неразрушающего количественного экспресс-анализа химического состава водных растворов для консервации и сохранения биологических структур, в том числе с использованием портативных приборов [1]. Несмотря на свои преимущества (быстрый анализ, возможность снятия спектров растворов через пластмассовую или стеклянную тару) метод рамановской спектроскопии не обладает достаточной точностью количественного определения компонентов растворов.
1
Задачей предлагаемого технического решения является разработка количественного определения содержания глицерина, ацетата калия и воды в консервирующих растворах методом Н ЯМР.
Техническим результатом является высокая точность количественного определения, уменьшение количества анализируемых проб (работа с микрограммовыми навесками), уменьшение времени на проведение анализа, снижение трудоемкости и материальных затрат относительно других известных методов.
1
1
Технический результат достигается за счет использования способа одновременного количественного определения ацетата калия и глицерина в водном растворе методом Н ЯМР, включающим 12-ти кратное разбавление исследуемого раствора, получение спектра при следующих параметрах: время отклика - 5 сек; длина радиочастотного импульса - 3,3 μсек (10 град.); релаксационная задержка - 10 сек; количество накоплений - 16. Затем в спектре Н ЯМР определяют интегральную интенсивность сигналов, после чего по полученным значениям интегралов в диапазонах химических сдвигов 1,8-2,0; 3,4-3,8 и 4,6-4,9 м.д. рассчитывают молярное и масс-процентное содержание каждого компонента.
1
Принципиально новые возможности метода H ЯМР позволяют применить его в новых областях, в том числе, в исследовании консервирующих растворов. Метод основан на регистрации спектров резонансных частот протонов химических молекул с последующим вычислением интегральных площадей пиков, которые строго пропорциональны количеству резонирующих атомов. Положение сигналов в спектрах ЯМР индивидуально для каждого вещества и характеризуется химическим сдвигом относительно сигнала эталонного образца.
Предлагаемое техническое решение поясняется следующей методикой проведения анализа.
1
1
Предлагается способ одновременного количественного определения глицерина и ацетата калия в водном растворе методом Н ЯМР-спектроскопии, в котором положение сигналов в спектрах для каждого химического вещества характеризуется химическим сдвигом, измеряемым в миллионных долях (м.д.). Сущность методики заключается в определении интегральной интенсивности сигналов компонентов консервирующего раствора, в котором отношение приведенных интегралов сигналов различных молекул равно отношению количества молекул (молей) веществ в анализируемом образце. На первом этапе анализа регистрируется Н ЯМР спектр. Далее производится интегрирование сигналов. Сигналы компонентов хорошо разделены, обеспечивая высокую точность определения значения интегралов.
1
1
Определение содержания воды, глицерина и ацетата калия в экспериментальных водных растворах проводили методом Н ЯМР. Результатом анализа методом H ЯМР являлось определение молярного и масс-процентного состава компонентов в консервирующем растворе. Спектры получали на спектрометре GEMINI 200 (Varian,CIIIA).
1
1
При проведении анализа предварительно определяли положение сигналов в спектрах ЯМР для каждого определяемого вещества, характеризующееся их химическим сдвигом. Для этого методом Н ЯМР-спектроскопии проводили анализ каждого компонента отдельно и в смеси. Образец Н ЯМР спектра консервирующего раствора с характерными для ацетата калия, глицерина и воды областями химического сдвига пиков представлен на рисунке 1.
Полученные данные показали, что сигналы компонентов раствора хорошо разделены и не пересекаются между собой, что позволяет определять эти компоненты в одном растворе. Относительная ошибка методики обусловлена только ошибкой измерения интегралов. При выбранных параметрах получения и математической обработки спектра коэффициент сигнал-шум превосходит значение 100 и ошибка измерения интегралов не превосходит 1%. Данный показатель свидетельствует о высокой точности этого метода.
1
Далее определяли точность метода Н ЯМР-спектроскопии для количественного определения ацетата калия и глицерина в водном растворе. Для этого проводили анализ одной серии из трех водных растворов ацетата калия с известной концентрацией (25,0; 30,0 и 35,0% масс) и другой серии из трех растворов глицерина с известной концентрацией (25,0; 30,0 и 35,0% масс). Затем вычисляли значения для построения калибровочных кривых для каждого вещества. Для сопоставительного анализа аналитические исследования растворов проводили по методикам на основе потенциометрического титрования. Для выполнения методик определения ацетата калия и глицерина применяли многофункциональный автоматический титратор DL70 (фирма MettlerToledo, Швейцария), укомплектованный автоматическими бюретками и управляемый с помощью программного обеспечения Lab X. В работе использовался рН/мВ/°С-метр HI1230B HANNA (Германия). (Рис. 2-4).
1
1
Проводили сравнение результатов анализа опытных водных растворов с разным содержанием ацетата калия и глицерина двумя методами - методом титрования, применяющимся в настоящее время, и исследуемым методом Н ЯМР-спектроскопии (см. таблицу). Спектроскопический метод использовали следующим образом: получали спектры проб с различным содержанием ацетата калия, глицерина и воды методом Н ЯМР-спектроскопии и вычисляли масс-процентное содержание каждого вещества посредством расчета значений интегралов. Исследования выполнены на пробах экспериментальных водных растворов как с одновременным содержанием глицерина и ацетата калия в диапазоне концентраций 24-36%, так и по отдельности в том же диапазоне концентраций.
Исследованные пробы растворов в диапазоне концентраций определяемых веществ 24-36% указаны в таблице: 1). проба водного раствора глицерина и ацетата (ацетат калия - 29,50% масс и глицерин - 30,00% масс); 2). проба водного раствора глицерина и ацетата (ацетат калия - 34,50% масс и глицерина - 35,50% масс); 3). проба водного раствора глицерина и ацетата (ацетат калия - 24,50% масс и глицерина - 25,50% масс; 4). проба водного раствора глицерина и ацетата (ацетат калия - 34,50% масс и глицерин - 25,50% масс); 5). проба водного раствора глицерина и ацетата (ацетат калия - 25,00% масс и глицерина - 35,00% масс); 6). проба водного раствора глицерина и ацетата (ацетат калия - 30,50% масс и глицерина - 32,00% масс. Ацетат калия предварительно просушивали при t=105°C до достижения постоянного веса и охлаждали в закрытом бюксе. Реактивы дозировали по массе с помощью весов Kern ABJ 120-4М (Германия) с точностью до 0,0001 г.
В исследованиях использовали следующие реактивы: глицерин (ч.д.а., соответствует ГОСТ 6259-75, Германия); калий уксуснокислый (extrapure, «Merk», Германия); свежеприготовленная деионизованная вода (ГОСТ 6709-72); вода дейтерированная; химические реактивы фирмы «ДиАМ», Россия: соляная кислота 0,1н раствор (фиксанал); калий хлористый, х.ч.; перйодат калия, ч.д.а.; этиленгликоль, ч.д.а.; калий гидроксид, 0,05н. раствор (фиксанал).
1
1
Результаты анализа растворов с разным содержанием основных компонентов двумя методами, методом титрования, применяющимся в настоящее время, и методом Н ЯМР-спектроскопии, приведены в таблице. Результаты измерения компонентов раствора методом Н ЯМР-спектроскопии соответствуют их истинному количественному содержанию, а также сопоставимы с результатами, полученными методом титрования.
Пример 1. В микрокювету объемом 2 мл переносят 0,05 мл исследуемого раствора. Добавляют 0,6 мл воды дейтерированной. Раствор перемешивают и переливают в ампулу для съемки спектров ЯМР. Спектр получают при следующих параметрах, позволяющих к следующему импульсу системе ядер прийти в термическое равновесие: время отклика - 5 сек; длина радиочастотного импульса - 3,3 μсек (10 град.); релаксационная задержка - 10 сек; количество накоплений - 16.
Интегрирование сигналов производят в следующих областях:
1. 1,8-2,0 м.д. - сигнал протонов метальной группы ацетата калия;
2. 3,4 - 3,8 м.д. - сигналы протонов метиленовых и метановой групп глицерина;
3. 4,6 - 4,9 м.д. - сигнал протонов воды.
Масс процентное содержание компонентов в смеси определяют по формуле, приведенной в ОФС.1.2.1.1.0007.15 [2]:
1
1
2
2
3
3
2
I'=I/3; I'=I/5; I'=(I-0,6×I)/2,
1
2
3
1
2
3
где I, I,1 и I', I', I' - значения измеренных и приведенных интегралов сигнала протонов метальной группы ацетата калия, сигнала протонов метиленовых и метановой групп глицерина и сигнала протонов воды соответственно.
В формулах расчета значений интегралов из измеренных значений учтено, что в сигнал измеряемого интеграла метильной группы ацетата калия вносят вклад три протона, в сигнал измеряемого интеграла сигнала глицерина вносят вклад пять протонов, в сигнал протонов в области 4,60 - 4,90 м.д. вносят вклад протоны гидроксильных групп глицерина. В сигнал воды вносят вклад два протона.
Определение масс процентов ацетата калия (1), глицерина (2) и воды (3) проводят по следующим формулам:
1
2
3
где M=98,142; M=92,094; M=18,015 - молярные веса ацетата калия, глицерина и воды соответственно.
При выбранных параметрах получения и математической обработки спектра коэффициент сигнал-шум превосходит значение 100 и ошибка измерения интегралов не превосходит 1%.
1
В отличие от метода потенциометрического титрования метод Н ЯМР является недеструктивным методом, обладает значительно меньшей трудоемкостью, не требует наличия большого количества лабораторной посуды и реагентов, суммарное время пробоподготовки и измерения не превышает 15 мин., что намного меньше времени измерения содержания компонентов раствора другими методами. Вес пробы для анализа значительно меньше (около 50 мг), в то время как для метода титрования требуется не менее 25 г. Кроме того, метод позволяет анализировать одновременно несколько основных компонентов раствора в одной пробе.
1
Таким образом, метод Н ЯМР имеет ряд преимуществ по сравнению с применяющимся в настоящее время методом титрования, и может применяться для определения количественного содержания ацетата калия, глицерина и воды в консервирующих высококонцентрированных водных растворах, использующихся при сохранении биологических субстанций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аграфенин А.В., Абрамов Ю.В., Денисов-Никольский Ю.И., Блинова Г.И. Одновременное количественное определение глицерина и ацетата калия в водном растворе методом спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия). Микроэлементы в медицине. 2014. Т. 15. Вып. 3. С. 48-51.
2. ГФ XIII, ОФС.1.2.1.1.0007.15 Спектроскопия ядерного магнитного резонанса.