Кафедра химии Тема лекции: Химические методы в медицине. - презентация

1 Кафедра химии Тема лекции: Химические методы в медицине

2 Химический практикум Цель: исследование химической природы анализируемого образца Цель: исследование химической природы анализируемого образца Качественный анализ Количественный анализ Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности

3 СТАДИИ ХИМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 1. Подготовка образца. 2. Непосредственный анализ. 3. Обработка полученных данных. 4. Оформление результатов.

4 Подготовка образца Причины: образец представляет собой смесь веществ, не поддающуюся совместному определению образец представляет собой смесь веществ, не поддающуюся совместному определению содержание анализируемого вещества ниже предела чувствительности метода содержание анализируемого вещества ниже предела чувствительности метода Необходимые действия: Разделение Концентрирование

5 Подготовка образца Способы подготовки: Осаждение Выделение из раствора твердой фазы малорастворимого осадка Выделение из раствора твердой фазы малорастворимого осадка Экстракция Извлечение вещества из водной фазы не смешивающимся с ней органическим растворителем Извлечение вещества из водной фазы не смешивающимся с ней органическим растворителем Адсорбция Концентрирование вещества на границе раздела фаз Концентрирование вещества на границе раздела фаз Электромиграция Разделение ионов в растворе, основанное на различной подвижности ионов Разделение ионов в растворе, основанное на различной подвижности ионов

6 Обработка полученных данных Способы: Использование готовых формул Вывод формулы из основных законов Метод калибровочного графика Применение формул требует полного соблюдения условий эксперимента, для которых они разработаны ! Применение формул требует полного соблюдения условий эксперимента, для которых они разработаны !

7 Обработка полученных данных Метод калибровочного графика 1. Приготовить несколько (3-5) образцов с заранее известным содержанием искомого вещества. Границы диапазона приготовленных концентраций должны заведомо включать в себя ожидаемые значения 2. Провести анализ стандартных образцов выбранным методом. 3. Нанести результаты анализа на график, отражающий зависимость величины аналитического сигнала от концентрации анализируемого вещества (занести в память компьютера). 4. Провести анализ неизвестного образца, полностью соблюдая условия эксперимента. 5. Графически, либо с помощью компьютерной обработки результатов определить концентрацию вещества в образце.

8 Обработка полученных данных Метод калибровочного графика С(m) Х o o o o Сх Сх Необходимо быть уверенным в том, что зависимость между концентрацией и величиной аналитического сигнала носит прямолинейный характер Необходимо быть уверенным в том, что зависимость между концентрацией и величиной аналитического сигнала носит прямолинейный характер

9 Оформление результатов Представление результата Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности Совокупность экспериментальных методик, позволяющих определить в анализируемом образце количественное содержание отдельных составных частей, выраженное в виде границ доверительного интервала или числа с указанием погрешности Примеры правильного представления результата: m к-ты на 100 мл р-ра = 350 мг m к-ты на 100 мл р-ра = мг 20 мг погрешность доверительный интервал

10 Непосредственный анализ Основные характеристики методов анализа: Чувствительность Та концентрация вещества, которая может быть определена на серийной аппаратуре со стандартной для данного метода погрешностью Та концентрация вещества, которая может быть определена на серийной аппаратуре со стандартной для данного метода погрешностью Предел обнаружения Предел обнаружения Минимальная концентрация вещества, которая может быть качественно обнаружена данным методом Минимальная концентрация вещества, которая может быть качественно обнаружена данным методом Воспроизводимость Повторяемость результатов нескольких экспериментов, выполненных в одних и тех же условиях для одного и того же образца Повторяемость результатов нескольких экспериментов, выполненных в одних и тех же условиях для одного и того же образца Правильность Процент ошибок определения данным методом и его систематическая погрешность Процент ошибок определения данным методом и его систематическая погрешность

11 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Химические Физико-химические Физические Гибридные Предполагают использование химических реакций и визуальное определение результата Основаны на измерении с помощью приборов физических свойств вещества, зависящих от его количественного состава Основаны на измерении физических свойств, появляющихся или изменяющихся в ходе химической реакции Методы, в которых соединены способы разделения и определения, либо два или более способа определения

12 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Химические методы Гравиметрия Титриметрия Основаны на измерении массы определяемого вещества, выделенного из анализируемого образца Основаны на измерении массы определяемого вещества, выделенного из анализируемого образца Основаны на постепенном добавлении к измеренному объему анализируемого вещества раствора реагента известной концентрации с одновременным наблюдением за изменениями в растворе Основаны на постепенном добавлении к измеренному объему анализируемого вещества раствора реагента известной концентрации с одновременным наблюдением за изменениями в растворе Преимущества: Недостатки: - высокая точность - длительность - низкие пороги обнаружения

13 ГРАВИМЕТРИЯ Метод осаждения Вещество осаждают в виде малорастворимого соединения, фильтруют, сушат и взвешивают. Пример Определение ионов Ag + с помощью иодидов Метод отгонки Вещество выпаривают, улавливают другим реагентом и по изменению массы реагента судят о количестве вещества. Пример При определении влажности объект нагревают, поглощают пар известным количеством безводного СаСl 2 и взвешивают его. Электролитические методы Осаждение определяемого вещества на поверхности электрода Осаждение определяемого вещества на поверхности электрода Пример Выделение ионов меди из кислого раствора в виде металла на поверхности медного электрода.

14 Титриметрия (титрование) – процесс последовательного прибавления небольших порций раствора с известной концентрацией к измеренному объему раствора с неизвестной концентрацией. Цель: определение концентрации исследуемого раствора ТИТРИМЕТРИЯ

15 Что для этого необходимо? пипетка бюретка колба или стаканчик Титрант Концентрация известна, объем измеряем Исследуемый раствор Объем известен, Концентрация - ?

16 Реакция нейтрализации Пример: Точка эквивалентности – момент, когда вещества прореагируют в эквивалентных количествах. Объем титранта, затраченный для достижения точки эквивалентности, называют эквивалентным объемом Достижение точки эквивалентности фиксируют с помощью индикатора

17 Кривая титрования – график зависимости рН от объема добавленного титранта Скачок титрования – резкое изменение рН вблизи точки эквивалентности

18 Общие закономерности Эквивалентная и нейтральная точки не всегда совпадают. Эквивалентная точка и зона скачка титрования могут лежать как в щелочной, так и в кислотной области. Для обнаружения эквивалентной точки пригоден лишь тот индикатор, чей диапазон изменения окраски находится в зоне скачка титрования.

19 Основные понятия объемного анализа 1. ЭКВИВАЛЕНТ HnXHnXB(OH) m Me n m+ X m n- НО! Если в-во участвует в окислительно-восстановительной реакции реальная или условная частица, которая может присоединять или высвобождать в реакции нейтрализации один ион водорода

20 Основные понятия объемного анализа Показывает, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода (одному электрону) в данной конкретной реакции. HnXHnX B(OH) m Z = n Z = m Обратен эквивалентному числу z вещества. Фактор эквивалентности – f eq H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4 ) = ½ H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O Пример: f eq (H 2 SO 4 ) = 1 Но:

21 2. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА Молярная масса эквивалента (M 1/z ) – масса одного моля эквивалента вещества (г), г/моль Основные понятия объемного анализа H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O f eq (H 2 SO 4 ) = ½ Пример: H 2 SO 4 + NaOH NaHSO 4 + H 2 O f eq (H 2 SO 4 ) = 1 Но: M 1/z (H 2 SO 4 ) = M f eq = 98 ½ = 49 г/моль M 1/z (H 2 SO 4 ) = M f eq = 98 1 = 98 г/моль

22 НОРМАЛЬНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ (нормальность, молярная концентрация эквивалента) Показывает количество моль эквивалентов вещества в одном литре раствора N = С м, если M 1/z = М Поскольку M 1/z М, то N С м Основные понятия объемного анализа Обозначения: С н, N, С 1/z 4. ТИТР Т р-ра = N р-ра. M 1/z Размерность: г/л, мг/мл. Показывает, сколько миллиграммов вещества содержится в одном миллилитре раствора

23 Основные понятия объемного анализа ТИТР по определяемому веществу Размерность: г/л, мг/мл. Т А/В = N р-ра (А). M 1/z (В) Показывает, сколько миллиграммов вещества В реагирует с одним миллилитром раствора А

24 При титровании в точке эквивалентности количество эквивалентов одного вещества равно количеству эквивалентов другого : 1/z (A) = 1/z (B) или С 1/z (A) V(A) = C 1/z (B) V(B) Или, как писали ранее: N 1. V 1 = N 2. V 2 ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ m в-ва = N р-ра. M 1/z. V р-ра Расчет массы вещества в растворе: Отсюда: С 1/z (A) = C 1/z (B) V(B) V(A) N 1 = N2V2N2V2 V1V1

25 ТИТРИМЕТРИЯ Прямое титрование Непосредственное добавление стандартного реагента к анализируем ому раствору Непосредственное добавление стандартного реагента к анализируем ому раствору Пример NaOH(ан.р-р) + HCl (стандарт) = NaCl + H 2 O Индикатор - фенолфталеин Косвенное титрование Косвенное титрование Определяемое вещество не взаимодейст- вует с титрантом, но его можно связать количественно с другим веществом, взаимодействующим с титрантом. Пример Определение ионов Са 2+ Ca 2+ + KMnO 4 = не взаимодействуют, но Сa 2+ + (COOH) 2 = CaC 2 O 4 (осадок), далее CaC 2 O 4 + H 2 SO 4 + KMno 4 = CaSO 4 + CO 2 + MnO Реакция, лежащая в основе метода, должна быть... - избирательной- количественной- быстрой

26 ТИТРИМЕТРИЯ Обратное титрование Титрование непрореагировавшего вещества, которое прибавлено в избытке к анализируемому раство- ру в виде стандартного раствора Титрование непрореагировавшего вещества, которое прибавлено в избытке к анализируемому раство- ру в виде стандартного раствора Заместительное титрование Заместительное титрование Если определяемое вещество не реагирует с титрантом, к раствору добавляют вспо- могательный реагент, образующий с опре- деляемым веществом эквивалентное количество вещества-заместителя. Пример Определение KMnO 4 KMnO 4 + KI + H 2 SO 4 = I 2 (эквивалентное кол-во) +... I 2 + Na 2 S 2 O 3 = NaI + Na 2 S 4 O 6 (Индикатор - крахмал) Пример Определение содержания KBr KBr + AgNO 3 (изб.) = KNO 3 + AgBrг + AgNO 3 (ост.) AgNO 3 (ост.) + NH 4 CNS = NH 4 NO 3 + AgCNSг Индикатор - Fe 3+ (Fe CNS - = Fe(CNS) 3 (алый))

27 Физические методы анализа Электрохимические Основаны на процессах, протекающих в растворе под действием тока Основаны на процессах, протекающих в растворе под действием тока Потенциометрия (ионометрия) Вольтаметрия Кулонометрия Кондуктометрия Определение концентрации ионов ионоселективными электродами Измерение электродных потенциалов, зависящих от концентрации вещества Измерение количества электричества, израсходованного в ходе электродных реакций. Измерение концентрации электролита в растворе по его электропроводности.

28 ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Спектральные методы Основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением. Основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением., м E = h = hC/ Микроволны Радиоволны УФ лучи Ренгеновское и -излучение ИК излучение Переориентация спина электрона некоторых атомов ( 1 Н, 13 С,…) Колебания атомов Переход электронов кратных связей на возбуж- денные уровни ЯМР спектроскопия ИК спектроскопия УФ спектроскопия

29 Спектроскопия ЯМР Решаемые задачи: - установление структуры неизвестных веществ - подтверждение чистоты и индивидуальности соединения известной структуры Объекты анализа: Жидкие органические вещества, растворы органических веществ ИК спектроскопия Объекты анализа: Твердые, жидкие, газообразные вещества любой природы УФ спектроскопия Объекты анализа: Твердые, жидкие, газообразные вещества, имеющие в структуре кратные связи. Спектральные методы Предел обнаружения г

30 Возможности современных методов химического анализа в медицине Возможности современных методов химического анализа в медицине Высокоэффективная газожидкостная хроматография Метаболический профиль органических компонентов мочи здорового человека Метаболический профиль органических компонентов мочи здорового человека I t

31 Возможности современных методов химического анализа в медицине Возможности современных методов химического анализа в медицине I t ,2,3-триметилбензол 3 - 1,2,4-триметилбензол 5 - м,п-диметилтолуол 8 - п-ксилол 9 - м-ксилол 11 - этилбензол 12 - нонан 13 - толуол 14 - н-октан 15 - н-гептан метилгексан метилгексан 18 - н-гексан метилпентан 20 - н-пентан Анализ пробы воздуха (проба взята на Выборгской набережной)