Специалисты Физического института им. П.Н. Лебедева РАН по просьбе фармакологов выполнили «штучную» аналитическую работу по исследованию состава медицинского препарата — водного раствора аминокапроновой кислоты. Необходимо было ответить на вопрос, соответствуют ли химический состав и концентрации компонентов препарата эталонному раствору.
Сложность задачи заключалась в том, что, кроме действующего вещества, в образце могли присутствовать и неизвестные соединения. Химические методы анализа в такой ситуации потребовали бы многочисленных и трудоемких определений. В ФИАНе применили аналитический метод комбинационного рассеяния света — неразрушающий, дистанционный и быстрый. Анализ показал полное соответствие исследуемого образца эталону по составу и концентрации действующего вещества. Но выявил также и наличие небольших количеств «лишних» соединений, которых, по паспорту препарата, в растворе быть не должно.
Явление комбинационного рассеяния (КРС) света был открыто в 1928 году, и это открытие считается одним из наиболее ярких научных достижений ХХ столетия. Независимо к нему пришли отечественные физики Г.С. Ландсберг и Л.И. Мандельштам и индийские — Ч. Раман (в 1930 году получивший Нобелевскую премию) и К. Кришнан.
В основе аналитического метода КРС лежит эффект неупругого рассеяния света.
Если на любое вещество — газ, жидкость, твердое тело — падает монохроматический свет, то в рассеянном свете появляется дополнительное излучение с другой частотой, отличной от частоты падающего света. Это дополнительное излучение имеет частоту = L , где — частота рассеянного излучения, L — частота излучения возбуждающего лазера, а — собственная частота колебания исследуемой среды.
Набор собственных колебаний, дающий полный спектр КРС, зависит от сорта атомов, структуры и сил взаимодействия между атомами, и для любого вещества строго индивидуален. «Оказалось, что спектр КРС является своего рода “отпечатком пальцев” конкретной среды. Невозможно спектр одного вещества смоделировать какими-то другими веществами» — говорит ведущий научный сотрудник лаборатории физики неоднородных систем ФИАН, кандидат физико-математических наук Николай Мельник.
Комбинационное рассеяние света — исключительно удобный и эффективный метод идентификации веществ, исследования и контроля различных химических реакций и технологических процессов.
Сам процесс измерения выглядит следующим образом: исследуемое вещество облучается монохроматическим излучением (в качестве источника возбуждающего излучения используется лазер); рассеянное излучение от образца собирается оптической системой и направляется для анализа в монохроматор или спектрометр. Метод КРС — неразрушающий, дистанционный и быстрый, что позволяет исследовать вещества в закрытых объемах через оптические окна, измерять реакции и переходные процессы.
Возбуждающий и рассеянный свет может находиться в ультрафиолетовой, видимой или ближней инфракрасной области. При использовании оптического микроскопа методом КРС можно исследовать образцы с пространственным разрешением по поверхности до 1мкм. Через микроскоп направляется свет на образец и тем же объективом собирается рассеянный свет, который затем анализируется.
Так как процесс рассеяния определяется виртуальными электронными переходами, то его быстродействие составляет ~10-14 секунды. Это позволяет регистрировать спектр КРС как в непрерывном режиме, так и (весь спектр) за один импульс лазера. Это важно при исследовании химических реакций, когда нужно выделять отдельные фазы процесса, промежуточные формы и соединения.
Как уже отмечалось, идентификация вещества возможна только при наличии спектра комбинационного рассеяния эталонного соединения. Если же соединение неизвестно, необходимы дополнительные исследования. Однако при исследовании молекулярных соединений комбинационное рассеяние дает дополнительные возможности. Обычно биологические молекулярные соединения состоят из характерных «звеньев» — цепочек, бензольных колец, водородных связей и др. У каждого такого «звена» есть характерные колебания, которые дают в спектр КРС полосы. Такие полосы называются «характеристические линии химических связей». Их наличие в спектрах позволяет значительно сузить поиски предполагаемых примесей. Так, оказалось, что в исследуемом медицинском препарате велика вероятность наличия примесей содержащих нафтены и бензольные кольца.
АНИ «ФИАН-информ»
