红外在药物中应用PPT课件.ppt

红外光谱在药物分析中应用浙江省药品检验所 1 红外光谱 IR infraredspectroscopy 当样品受到频率连续变化的红外光照射时 分子吸收了某些特定频率的辐射 并由其振动或转动运动引起偶极矩的变化 产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁 使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱 记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线 就得到红外光谱 利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析 定性和定量的分析方法 称红外吸收光谱法 2 红外光谱法 1 概述2 基本原理3 红外光谱仪4 试样的处理和制备5 红外光谱在药品检验中应用6 对照图谱的使用 3 概述 一 红外光的区划红外线 波长在0 76 500 m 1000 m 范围内的电磁波近红外区 NIR 0 76 2 5 m 760 2500nm OH和 NH倍频吸收区中红外区 MIR 2 5 25 m 4000 400cm 1 振动 伴随转动光谱远红外区 FIR 25 500 m纯转动光谱紫外 可见 UV VIS 190 900nm电子光谱 二 红外吸收过程 UV 分子外层价电子能级的跃迁 电子光谱 IR 分子振动和转动能级的跃迁 分子光谱 4 原子核转变 电磁转动 分子转动 分子振动 外层电子的跃迁 内层电子的跃迁 Interaction Region Wavelength cm 1 Wavelength m 4000cm 1 2 5 m 400cm 1 25 m 谱区范围 5 三 红外光谱的作用 绝大多数有机化合物的基频吸收带出现在MIR光区 基频振动是红外光谱中吸收最强的振动 最适于进行红外光谱的定性和定量分析 中红外光谱仪最为成熟 简单 因此它是应用极为广泛的光谱区 通常 中红外光谱法又简称为红外光谱法 红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段 已被广泛应用于物质的定性鉴别 物相分析和定量测定 并用于研究分子间和分子内部的相互作用 6 四 红外光谱的表示方法 T 曲线 前疏后密 T 曲线 前密后疏 7 IR与UV的区别 8 红外分光光度法基本原理 红外分光光度法 研究物质结构与红外光谱之间关系红外光谱 由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述 一 红外吸收光谱的产生二 振动形式三 吸收特征峰与相关峰四 吸收峰位置与强度 9 红外吸收光谱的产生 红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生分子的振动能级差0 05 1 0eV远大于转动能级差 0 0001 0 05eV 分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁双原子分子A B 近似看作谐振子两原子间的伸缩振动 近似看作简谐振动 只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时 分子才能吸收红外辐射 产生红外吸收光谱 10 振动形式 一般将振动形式分成两类 伸缩振动和变形振动 1 伸缩振动原子沿键轴方向伸缩 键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动 用符号 表示 它又可以分为对称伸缩振动 s 和不对称伸缩振动 as 对同一基团 不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动 2 变形振动 又称弯曲振动或变角振动 基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动 用符号 表示 变形振动又分为面内变形和面外变形振动 面内变形振动又分为剪式 以 表示 和平面摇摆振动 以 表示 面外变形振动又分为非平面摇摆 以 表示 和扭曲振动 以 表示 11 图示 12 红外吸收峰 物质的红外光谱是其分子结构的反映 谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应 实验表明 组成分子的各种基团 如O H N H C H C C C OH和C C等 都有自己的特定的红外吸收区域 分子的其它部分对其吸收位置影响较小 通常把这种能代表及存在 并有较高强度的吸收谱带称为基团频率 其所在的位置一般又称为特征吸收峰 13 红外吸收峰 红外光谱区可分成4000cm 1 1300cm 1 1300cm 1 600cm 1两个区域 4000cm 1 1300cm 1之间 称为基团频率区 官能团区或特征区 区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带 比较稀疏 容易辨认 常用于鉴定官能团 最有分析价值 1300cm 1 600cm 1区域内 除单键的伸缩振动外 还有因变形振动产生的谱带 这种振动与整个分子的结构有关 当分子结构稍有不同时 该区的吸收就有细微的差异 并显示出分子特征 这种情况就像人的指纹一样 因此称为指纹区 作为化合物存在某种基团的旁证 14 特征区 官能团区 分为三个区域 1 4000 2500cm 1X H伸缩振动区 X可以是O H C或S等原子 O H基的伸缩振动出现在3650 3200cm 1范围内 它可以作为判断有无醇类 酚类和有机酸类的重要依据 羟基化合物产生缔合现象 O H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移 在3400 3200cm 1出现一个宽而强的吸收峰 胺和酰胺的N H伸缩振动也出现在3500 3100cm 1 因此 可能会对O H伸缩振动有干扰 C H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种 饱和的C H伸缩振动出现在3000cm 1以下 约3000 2800cm 1 取代基对它们影响很小 不饱和的C H伸缩振动出现在3000cm 1以上 以此来判别化合物中是否含有不饱和的C H键 苯环的C H键伸缩振动出现在3030cm 1附近 它的特征是强度比饱和的C H浆稍弱 但谱带比较尖锐 15 特征区 官能团区 分为三个区域 2 2500 1900为叁键和累积双键区 主要包括 C C C N等等叁键的伸缩振动 以及 C C C C C O等累积双键的不对称性伸缩振动 对于炔烃类化合物 可以分成R C CH和R C C R两种类型 R C CH的伸缩振动出现在2100 2140cm 1附近 R C C R出现在2190 2260cm 1附近 C N基的伸缩振动在非共轭的情况下出现在2240 2260cm 1附近 当与不饱和键或芳香核共轭时 该峰位移到2220 2230cm 1附近 16 特征区 官能团区 分为三个区域 3 1900 1200cm 1为双键伸缩振动区该区域重要包括三种伸缩振动 C O伸缩振动 出现在1900 1650cm 1 是红外光谱中很特征的且往往是最强的吸收 以此很容易判断酮类 醛类 酸类 酯类以及酸酐等有机化合物 酸酐的羰基吸收带由于振动耦合而呈现双峰 C C伸缩振动 烯烃的C C伸缩振动出现在1680 1620cm 1 一般很弱 单核芳烃的C C伸缩振动出现在1600cm 1和1500cm 1附近 有两个峰 这是芳环的骨架结构 用于确认有无芳核的存在 苯的衍生物的泛频谱带 出现在2000 1650cm 1范围 是C H面外和C C面内变形振动的泛频吸收 虽然强度很弱 但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上是有用的 17 指纹区 1 1300 900cm 1区域C O C N C F C P C S P O Si O等单键的伸缩振动和C S S O P O等双键的伸缩振动吸收 其中 1375cm 1的谱带为甲基的 C H对称弯曲振动 对识别甲基十分有用 C O的伸缩振动在1300 1000cm 1 是该区域最强的峰 也较易识别 2 900 650cm 1区域某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型 烯烃的 C H面外变形振动出现的位置 很大程度上决定于双键的取代情况 对于RCH CH2结构 在990cm 1和910cm 1出现两个强峰 为RC CRH结构是 其顺 反构型分别在690cm 1和970cm 1出现吸收峰 可以共同配合确定苯环的取代类型 18 吸收峰类型 分子吸收红外辐射后 由基态振动能级 0 跃迁至第一振动激发态 1 时 所产生的吸收峰称为基频峰 在红外吸收光谱上除基频峰外 还有振动能级由基态 0 跃迁至第二激发态 2 第三激发态 3 所产生的吸收峰称为倍频峰 在倍频峰中 二倍频峰还比较强 三倍频峰以上 因跃迁几率很小 一般都很弱 常常不能测到 倍频峰 合频峰和差频峰统称为泛频峰 19 注 振动自由度反映吸收峰数量并非每个振动都产生基频峰吸收峰数常少于振动自由度数 吸收峰的数量与振动的自由度有关 振动的自由度指分子独立的振动数目 或基本的振动数目 20 示例 水分子 非线性分子 21 吸收谱带的强度 红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化 而偶极矩与分子结构的对称性有关 振动的对称性越高 振动中分子偶极矩变化越小 谱带强度也就越弱 一般地 极性较强的基团 如C 0 C X等 振动 吸收强度较大 极性较弱的基团 如C C C C N N等 振动 吸收较弱 红外光谱的吸收强度一般定性地用很强 vs 强 s 中 m 弱 w 和很弱 vw 等表示 22 红外光谱仪 Bruker公司 BrukerTensor27 Tensor37型傅里叶变换中 近红外分光光度计Nicolet公司 550 型 560型 Avatar360型 NEXUS型 EQUINOX55型傅里叶变换红外分光光度计Bio Rad公司 FTS 135型 FTS 165型 FIS 7R型傅里叶变换红外分光光度计PE公司 PE 1650型 PE983G型红外分光光度计岛津公司 IRPrestige 21型 FT IR8101型 FTIR 8201PC型傅里叶变换红外分光光度计天光TJ270 30型红外分光光度计 国产 23 红外光谱仪 红外分光光度计分为色散型和付里叶变换型两种 色散型主要由光源 单色器 通常为光栅 样品室 检测器 记录仪 控制和数据处理系统组成 目前主要有Fourier变换红外光谱仪 FTIR Fourier变换红外光谱仪没有色散元件 主要由光源 硅碳棒 高压汞灯 Michelson干涉仪 检测器 计算机和记录仪组成 核心部分为Michelson干涉仪 它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理 最后将干涉图还原成光谱图 它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分 24 红外光谱仪 1 光源红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体 同电加热使之发射高强度的连续红外辐射 常用的是Nernst灯或硅碳棒 2 吸收池因玻璃 石英等材料不能透过红外光 红外吸收池要用可透过红外光的NaCl KBr CsI KRS 5 TlI58 TlBr42 等材料制成窗片 用NaCl KBr CsI等材料制成的窗片需注意防潮 固体试样常与纯KBr混匀压片 然后直接进行测定 25 红外光谱仪 3 单色器 色散型红外光谱仪 单色器由色散元件 准直镜和狭缝构成 色散元件常用复制的闪耀光栅 由于闪耀光栅存在次级光谱的干扰 因此 需要将光栅和用来分离次光谱的滤光器或前置棱镜结合起来使用 4 检测器常用的红外检测器有高真空热电偶 热释电检测器和碲镉汞检测器 5 记录系统 26 红外光谱仪 Fourier变换红外光谱仪的特点 1 扫描速度极快Fourier变换仪器是在整扫描时间内同时测定所有频率的信息 一般只要1s左右即可 因此 它可用于测定不稳定物质的红外光谱 而色散型红外光谱仪 在任何一瞬间只能观测一个很窄的频率范围 一次完整扫描通常需要8 15 30s等 2 具有很高的分辨率通常Fourier变换红外光谱仪分辨率达0 1 0 005cm 1 而一般棱镜型的仪器分辨率在1000cm 1处有3cm 1 光栅型红外光谱仪分辨率也只有0 2cm 1 3 灵敏度高因Fourier变换红外光谱仪不用狭缝和单色器 反射镜面又大 故能量损失小 到达检测器的能量大 可检测10 8g数量级的样品 27 仪器的校正与检定 应对仪器定期进行校正检定色散型应符合JJG681 90有关规定 付里叶变换型应参照药典和JJG681 90有关规定主要指标 波数准确度 波数重现性 分辨率 另外有100 线平直度 杂散光 透光率准确度等 28 仪器的校正与检定 用聚苯乙烯薄膜 50 m 对仪器进行波长准确度 重现性和分辨率校正检定 29 波数准确度常用聚苯乙烯膜光谱特定吸收峰 3027 12850 71944 01801 61601 41583 11154 31028 0906 7cm 1付里叶变换型波长准确度3000cm 1为 5cm 11000cm 1为 1cm 1色散型波长准确度3000cm 1为 8cm 11000cm 1为 4cm 1波数重现性用聚苯乙烯膜测定3 5次 应符合规定分辨率试验3110 2870cm 1范围内有7个峰 分辨率不低于2cm 1 30 试样的处理和制备 要获得一张高质量红外光谱图 除了仪器本身的因素外 还必须有良好的红外光谱测定技术 红外光谱测定技术分为两类 一类是指检测方法如透射 衰减全反射 漫反射 光声及红外发射等 通常测定的都是透射光谱一类是指制样技术采用的制样技术主要有压片法 糊法 膜法 溶液法 衰减全反射和气体吸收池法等 31 红外光谱法对试样的要求 红外光谱的试样可以是液体 固体或气体 一般应要求 1 单一组份的纯物质 纯度应 98 或符合药典规格 多组分抗生素不列入红外光谱鉴别 2 试样应适当干燥 水本身有红外吸收 会严重干扰样品谱 而且会侵蚀吸收池的盐窗 如托美丁钠室温真空干燥后测定 羟苯磺酸钙105 干燥4小时后测定 3 试样的浓度和测试厚度应选择适当 以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10 80 范围内 32 制样的方法 1 气体样品气态样品可在玻璃气槽内进行测定 它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片 先将气槽抽真空 再将试样注入 2 液体和溶液试样 1 液体池法沸点较低 挥发性较大的试样 可注入封闭液体池中 液层厚度一般为0 01 1mm 2 液膜法沸点较高的试样 直接滴在两片盐片之间 形成液膜 对于一些吸收很强的液体 当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时 可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定 常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的吸收 不侵蚀盐窗 有CCl4 CCl3 CS2 C6H14 环己烷等 33 固体试样 1 压片法将1 2mg试样与200mg纯KBr研细均匀 置于模具中 用 5 10 107Pa压力在油压机上压成透明薄片 即可用语测定 试样和KBr都应经干燥处理 研磨到粒度小于2微米 以免散射光影响 2 石蜡糊法将干燥处理后的试样研细 与液体石蜡或全氟代烃混合 调成糊状 夹在盐片中测定 3 薄膜法主要用于高分子化合物的测定 可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜 也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中 涂在盐片上 待溶剂挥发后成膜测定 4 衰减全发射法 ATR 当样品量特别少或样品面积特别小时 采用光束聚光器 并配有微量液体池 微量固体池和微量气体池 采用全反射系统或用带有卤化碱透镜的反射系统进行测量 34 测量操作注意事项 环境条件 红外实验室的室温应控制在15 30 相对湿度应小于65 适当通风换气 以避免积聚过量的二氧化碳和有机溶剂蒸汽 采用压片法时 以溴化钾最常用 若供试品为盐酸盐 可比较氯化钾压片和溴化钾压片法的光谱 若二者没有区别 则使用溴化钾 供试品研磨应适度 通常以粒度2 5 m为宜 供试品过度研磨有时会导致晶格结构的破坏或晶型的转化 压片模具及液体吸收池等红外附件 使用完后应及时擦拭干净 必要时清洗 保存在干燥器中 以免锈蚀 35 红外光谱法的应用 1 定性鉴别 对于已有结构 判断峰的归属是否与结构相一致 用简单的方法与对照光谱或对照品光谱比较 谱带的有与无 各谱带的相对强弱 若供试品的光谱图与对照光谱图一致 通常可判定两化合物为同一物质 只有少数例外 如有些光学异构体或大分子同系物等 若两光谱不同 则可判定两化合物不同 2 结构确证 对于未知结构 判断峰的归属是否为某官能团 36 红外光谱法是药品质量标准中用于鉴别药品真伪最有效最快速的方法 各国药典均普遍采纳 BP EP JP ChP均收载对照光谱 BP2002收载656个品种用对照光谱 JP14收载药品红外光谱图305幅 ChP收载药品红外光谱图1027幅 37 ChP红外光谱法 特点 1 基本与对照光谱比较 少数与对照品光谱比较 2 多为原料鉴别 制剂很少 在考虑扩大鉴别方法专属性不强的品种 3 谱段 4000 400cm 1 4 制样方法 压片法 糊法 溶液法 液膜法 薄膜法 ATR法 气体池法 5 光谱集 收有药品 辅料 对照品等 不包括药品包装材料6 无效晶型的控制 如甲苯咪唑 38 ChP药品红外光谱集 1995年出版了第一卷 收载了药品红外光谱图共685幅 由光栅型红外分光光度计绘制2000年出版了第二卷 收载药品红外光谱图208幅 并全部改由傅立叶红外光谱仪绘制2005年出版了第三卷 收载药品红外光谱图210幅 其中172个为新增品种 38个老品种重新绘制了图谱 39 USP红外光谱法 USP29版有1007个品种用红外光谱鉴别 原辅料约950个 制剂约50个 均与对照品光谱比较 不收载对照光谱谱段 3800 650cm 1制样方法 197K压片法 197M糊法197F液膜法 197S溶液法197AATR 197E薄膜法药用包装材料在附录中规定 40 EP红外光谱法 EP5有937个品种用红外光谱鉴别 原辅料和药品包装材料 与对照光谱或对照品光谱比较 药品 与对照品光谱比较或与特定吸收峰对比 药品包装材料 谱段 4000 650cm 1或4000 200cm 1制样方法 压片法 糊法 液膜法 溶液法ATR 薄膜法 与ChP基本相同 41 BP红外光谱法 BP5有1407个品种用红外光谱鉴别 原料约950个 制剂445个 与对照光谱或对照品光谱比较 与对照光谱比较656个品种 与对照品光谱比较或与特定吸收峰对比 药品包装材料 谱段 4000 650cm 1或4000 200cm 1制样方法 与ChP基本相同 42 JP红外光谱法 JP14收有305幅对照光谱与对照光谱比较 与对照品光谱比较 与吸收峰比较谱段 4000 400cm 1制样方法 目前收载最多有压片法 糊法 液膜法溶液法 ATR 薄膜法 气体池法 漫反射法 43 ChP对照光谱图的使用 红外光谱集是中华人民共和国药典的配套丛书 是药品质量检验的法定依据之一 1 凡 中华人民共和国药典 国家药品标准已收载用红外光谱法作为鉴别的原料药 本光谱集中收载的相应光谱图供比对用 对于制剂的红外鉴别 由于可能存在辅料干扰 本光谱集收载的光谱图仅作参考 参照原料药的标准光谱在指纹区选择3 5个辅料无干扰的待测成分的特征吸收峰 列出他们的波数位置作为鉴别的依据 44 2 固体药品在测定时 可能由于晶型的影响 致使录制的光谱图与本光谱图集所收载的光谱图不一致 如无晶型要求 应按本光谱集中个相应光谱图中备注的方法或该品种正文中规定的方法进行预处理后 再进行录制 马来酸依索拉定 不同生产厂结晶溶剂不同 红外光谱有差异 甲醇重结晶后 各生产厂红外光谱一致 45 固体药品在测定时 如有晶型要求 应用IR对有效晶型进行鉴别 并对无效晶型进行控制检查 一般不采用研磨压片法 多采用糊法 但要对矿油 石蜡油 峰与样品峰甑别 氯沙坦钾 糊法 如石蜡油峰明显 应增加样品量或与对照品一并测定 46 3 由于图谱的质量或供试品的多晶型等原因 有些化合物的光谱图作了重新绘制 并收入后续卷中 若同一化合物的光谱图在不同卷中均有收载 用于鉴别时以后卷光谱图作为比对依据 前卷光谱图仅作为参考 二氟尼柳 乙醇重结晶 47 药物的多晶型 不同重结晶溶剂产生不同晶型多晶现象 药物的同质异晶 不同晶型对药物的影响因素 溶解度 溶出速率 熔点 密度 硬度 外观以及生物有效性 药物的稳定性 生物利用度及疗效的发挥 药物多晶型现象的研究已经成为日常控制药品生产及新药剂型确定前设计所不可缺少的重要组成部分 了解药物的晶型及其性质后 将有助于保证药物制剂的物理化学稳定性 提高药物的生物利用度 减少毒性 增进治疗效果 保证每批生产的药物间的等效性 改善药物粉末的压片性能 防止在制备或储藏中产生晶型转变而影响质量 同时 可以通过一定的转晶手段 寻求药物新的晶型 新的疗效 48 晶型的转变与确定的影响因素 加热 达到某一特定的转变温度 可能发生晶型转变 如联苯双酯 熔融物冷却时 可能析出多晶型物 其类型因冷却方式及速度而异 如无味氯霉素 无效晶型A经过熔融和快速冷却 可转变为有效的B晶型 研磨对晶型转变有一定的影响 如头孢菌素 氯霉素棕榈酸酯及消炎痛在研磨过程中均发生晶型转变 并会加速甲氰咪胍的多晶型转化 磺胺 甲氧嘧啶结晶 型经研磨 能转变成 型 不同的结晶条件采用溶剂法 通过改变药物结晶时溶剂的种类 结晶速度 温度 压力等条件获取不同的晶型 中国 药品红外光谱集 均采用溶剂法转晶 压力 可引起晶型转变 甚至红外光谱法KBr压片过程中也可能发生 湿度 对于极易吸湿的晶型 微量的水分即可能引起晶型的转变 49 药品红外光谱集 中收载的需进行转晶的部分品种 50 4 本光谱集光谱图的波数范围为4000 400cm 1 但有的红外光谱仪的光谱录制范围不同 所用仪器的性能应符合 中华人民共和国药典 附录 C红外分光光度法项下的要求 如药品包装材料的ATR法测定波数范围为4000 650cm 1 5 采用压片法时 使用本光谱集对照时 应注意供试片的制备条件对图谱形状及各谱带的相对吸收强度可能产生的影响 6 常用的傅立叶变换红外光谱仪系单光束型仪器 因此 应注意二氧化碳和水汽等的大气干扰 必要时 应采取适当措施 如采用干燥氮气吹扫 予以改善 7 大气吸收二氧化碳2350cm 1 667cm 1 水气3900 3300cm 1 1800 1500cm 1 溶剂蒸汽 8 干涉条纹规律性的正弦形曲线叠加在光谱图上 51 聚乙烯PE 膜法和反射法 的IR光谱特征吸收峰2917 2849 1472 1463 730 719 52 聚丙烯PP 反射法 的IR光谱特征吸收峰2951 2920 2870 2840 1457 1376 1167 998 973 841 53 聚邻苯二甲酸乙二醇酯PET 反射法 的IR光谱 54 聚碳酸酯PC 反射法 的IR光谱 55 聚氯乙烯PVC 反射法 的IR光谱 56 聚己酰胺 英文名 polycaproamide 反射法 的IR光谱 57 丙二醇H3C CH OH CH2OH 二甘醇HOH2C CH2 O CH2 CH2OH 58 9 由于各种型号的仪器性能不同 试验制备时研磨程度的差异或吸收程度不同等原因 均会影响光谱的形状 建议首先在测定药