RU2319137C1

RU2319137C1 - Method of spectral analysis of chemical composition of materials

Info

Publication number: RU2319137C1
Application number: RU2006116328/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Данилович Гольдберг; Александр Михайлович Дыгай; Владимир Васильевич Удут; Сергей Дмитриевич Коровин; Владимир Егорович Прокопьев
Original assignee: Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской Академии наук
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2008-03-10

Abstract

FIELD: investigating or analyzing of materials.

SUBSTANCE: method comprises focusing laser radiation on the material to be analyzed, producing laser plasma of the material, exciting the plasma with electronic beam, recording the spectrum of radiation of the plasma, and analyzing the composition of the materials. Before generating the laser plasma, the material is irradiated by electromagnetic waves or electronic beam for exciting fluorescence. The intensity of the laser beam is less than the threshold of evaporation of the material from the surface. The spectra of reflection and fluorescence are recorded and analyzed, and the molecular composition of the material is determined.

EFFECT: enhanced precision of analysis.

1 dwg

Description

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.The invention relates to spectral analysis of a substance and can be used for non-destructive express control of the qualitative and quantitative composition of a substance with high sensitivity and accuracy. This method can be used in such fields of science and technology as medicine, pharmacology, ecology, geology, metallurgy, sanitation and hygiene, etc., as well as for the operational monitoring of environmental pollution.

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.).Well-known methods for determining the chemical composition of complex substances, including drugs, based on the separation and identification of the main components of this substance by chromatographic methods, including chromato-mass spectrometric (1. Quantitative analysis by chromatographic methods. // Ed. E. Katz. - M., Mir, 1990. 2. A.G. Lebedev, Mass Spectrometry in Organic Chemistry. - M., Binom, 2003, 493 pp.).

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.The main disadvantages of these methods of analysis include the need for destruction of the test substance and the use of expensive consumables, great difficulties in determining the elemental composition of the substance, a long time for sample preparation and analysis, the need for continuous cleaning of transportation lines and systems of equipment used.

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.A known method of rapid control of finished drugs (PM) by the combined use of three different analysis methods (color reactions, thin layer chromatography and infrared spectroscopy). This combination allows with a sufficient degree of reliability to confirm the presence or prove the absence in the drug of the active substance indicated on the package, and provides a high probability of detection of a falsified drug. The main advantage of the proposed approach is the relative speed of the analysis. The average time for carrying out color reactions is 5-10 minutes (excluding the preparation of reagents), thin-layer chromatography is 30-60 minutes, infrared spectrometry is 15-20 minutes (1. V.D. Dorofeev, A.A. Konovalov, V.Yu. .Kochin, A.P. Arzamastsev. Analysis of drugs of the fluoroquinoline group using the TLC method // Chemical and Pharmaceutical Journal. Volume 38, No. 9, 2004, pages 45-47. 2. Practical Guide "Express Analysis in order to identify counterfeit medicines ", Sechenov Moscow Medical Academy, Moscow, 2005). The disadvantages of this method include a limited number of drugs (for example, a group of antimicrobial drugs - fluoroquinolones and cephalosporins), the analysis of which is possible by this method, and the inability to determine polluting atomic and molecular impurities and auxiliary substances.

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.).Optical spectroscopic methods are known for determining the composition of drugs in various states of aggregation by measuring and analyzing light absorption (absorption) spectra, fluorescence spectra, fluorescence excitation, Raman scattering of substances excited by electromagnetic radiation of various ranges (UV, visible, IR) spectrum ( 1. Yu.A. Pentin, L.V. Vilkov, Physical Research Methods in Chemistry. - M., Mir, 2003, 683 pp. 2. V. F. Traven. Electronic structure and properties of organic molecules. M. , World, 1989, 384 pp.).

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.However, the optical absorption and fluorescence spectra of complex substances are very difficult to analyze, since these spectra contain the contributions of various absorbing and radiating molecules and functional groups of molecules. Therefore, the final conclusion about the composition of the substance requires the use of other additional methods of analysis. This leads to a significant increase in the time of analysis and its cost.

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.).Known fluorescence methods for determining the composition of complex substances by excitation and registration of spectra of x-ray fluorescence of atoms and optical fluorescence of individual sample molecules under the influence of electron and x-ray beams (Spectroscopic methods for determining trace elements. // Ed. J. Weinfordner. M., Mir, 1979 g., 494 p.).

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).These methods can be used to determine the majority of atoms (with the exception of the lungs) and a limited number of complex organic molecules containing aromatic and heterocyclic compounds with conjugated bonds (organic scintillators).

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.).A known method of spectral analysis of the elemental composition of a substance, including focusing laser radiation on an analyte, obtaining a laser plasma of a substance, exciting this plasma with subsequent registration of the radiation spectrum of this plasma and analyzing the elemental composition of a substance, characterized in that the laser plasma of the substance is excited by an electron beam (Patent RF invention No. 2270994 dated February 27, 2006. Priority invention July 30, 2003).

Этот способ выбран за прототип.This method is selected for the prototype.

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.However, this method of spectral analysis of a substance has several disadvantages. The main one is that this method can be used to analyze the elemental composition of the surface of a substance or a region of a substance near a surface. This fact is explained by the fact that laser radiation and electron beams, which are used to excite the fluorescence spectra of a substance, are completely absorbed on the surface. The penetration depth of ultraviolet radiation, which, as a rule, is used to obtain the plasma of a substance, does not exceed one micron. Therefore, it is impossible to analyze the elemental composition in volume in this way.

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.The objective of the proposed invention is to eliminate these drawbacks and develop a method that allows you to obtain information about the chemical composition for a wider range of components of the analyzed samples and reduce analysis time.

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.The problem is solved in that, as in the prototype, the laser radiation is focused on the analyte, the laser plasma of the substance is obtained, the plasma is excited by an electron beam, the radiation spectra of this plasma are recorded and the elemental composition of the substance is analyzed, in contrast to the prototype, before laser plasma is obtained irradiating the substance with excitation of fluorescence by electromagnetic radiation or an electron beam, the intensity of which is less than the threshold of evaporation of the substance from the surface, register comfort and analyze the spectra of reflection and fluorescence and determine the molecular composition of the substance.

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.A significant difference of the proposed method is that electromagnetic radiation from a laser or other source or an electron beam, the intensity of which is less than the threshold of evaporation of a substance from the surface, is sent to a sample of the analyte. Using an optical spectrum analyzer, the reflection, Raman, fluorescence and phosphorescence spectra arising in response to light irradiation are recorded. This allows you to determine the molecular composition of the analyte.

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.The determination of elemental composition is implemented by the method specified in the prototype. If it is necessary to determine the elemental composition in the volume of the test substance, the sample is irradiated with X-ray radiation and the characteristic x-ray spectra of various elements are recorded, their analysis is carried out using an X-ray spectrum analyzer, and the elemental composition is determined.

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.Further, the invention is illustrated by the description and drawing, which shows the fluorescence spectra (curves 1, 2, 3) of cardiomagnyl tablets containing acetylsalicylic acid (aspirin) and magnesium, with various ways of exciting these spectra. The excitation and registration of molecular optical fluorescence spectra of the tablets occurred as follows. Electromagnetic radiation of the optical or x-ray range or an electron beam of non-destructive intensities are sent to the tablet. Photons of electromagnetic radiation and beam electrons, interacting with the molecules of a substance, transfer them from the ground electronic state to excited electronic states, from which they return back to the ground state by emitting light photons. The spectral composition of the electromagnetic radiation of a substance is recorded using an optical spectrum analyzer and an optical receiver. The fluorescence spectra obtained by irradiating the tablets with laser radiation at a wavelength of 308 nm (curve 2) and an electron beam (curve 3) are processed, analyzed and compared with reference fluorescence spectra of molecules to determine the molecular composition and fluorescence spectra of drug standards to determine the authenticity and purity of the analyte using a personal computer and a program containing the necessary data bank. The optical cathodoluminescence spectra recorded by the optical analyzer are processed, compared with the reference spectra of substances, in particular, with the spectra of standard drugs having a known molecular composition, and then compared with the fluorescence spectra obtained by optical irradiation to clarify the molecular composition. This analysis allows us to highlight the contribution of various organic constituent molecules to the total fluorescence spectra of the analyzed samples obtained by optical excitation. Based on the results of a comparative analysis, an assessment is made of the chemical and molecular composition of the studied substance.

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.If it is necessary to determine the molecular composition of the substance in the volume, for example, in the case of aspirin tablets coated with a protective shell, they are irradiated with X-ray radiation, the intensity of which is sufficient to excite induced fluorescence. In this case, the obtained fluorescence spectra (curve 1) are recorded, analyzed and compared with the reference spectra, similarly to what is indicated above. Elemental analysis is carried out in the same way as in the prototype.

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.In our case, to analyze the elemental composition of cardiomagnyl, the intensity of the incident laser radiation is then increased to values leading to the evaporation and ablation of the substance from the tablet surface (≥ 1 mJ), and irradiated with an electron beam from an electron source to excite vapor of the substance. In this case, intense resonance lines of the magnesium atom (curve 4, intense peaks at wavelengths of 383.5, 518.3 nm) appear in the spectrum of the emission of vapor from the substance, which makes it possible to identify this element in the composition of the substance.

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.In complex cases or when analyzing multicomponent substances, reflection (absorption), Raman, phosphorescence spectra are additionally analyzed. In this case, the same setting is used, but it works in other modes.

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.The measurements were carried out without complicated sample preparation, in real time and with automatic recording and identification of measurement and analysis results in the computer memory. The total time for a qualitative analysis of the chemical elements of the tablet was no more than 1-10 minutes.

Claims

A method for spectral analysis of the chemical composition of a substance, including focusing laser radiation on an analyte, obtaining a laser plasma of a substance, exciting this plasma of a substance with an electron beam, followed by recording the emission spectrum of this plasma and analyzing the elemental composition of the substance, characterized in that the substance is irradiated before laser plasma is produced exciting fluorescence by electromagnetic radiation or an electron beam, the intensity of which is less than the threshold of evaporation of substances from the surface, recorded and analyzed by a reflectance spectrum and fluorescence, and determining the molecular composition of the substance.