Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Получение достоверной информации об анализируемой системе во многих случаях невозможно без привлечения представлений хемометрики, включающей в себя элементы математической статистики, теории распознавания образов, теории информации и др. Однако использование идей хемометрики в практике работы аналитических лабораторий (даже исследовательских) тормозится из-за неподготовленности соответствующих специалистов. Традиции преподавания аналитической химии (АХ) в российских вузах сложились до появления хемометрических представлений и уже не соответствуют современному состоянию аналитической химии как науки. Эта точка зрения разделяется многими исследователями (Л.А.Грибов, Я.И Коренман, Б.М.Марьянов и др.). В частности, при изучении аналитической химии совершенно недостаточное внимание уделяется выбору и освоению математических моделей, специальным алгоритмам расчета равновесий, компьютерным технологиям. Методические исследования по этим направлениям не проводились, да и в целом методика преподавания аналитической химии разработана недостаточно.
В настоящее время имеется возможность существенно поднять уровень подготовки специалистов-аналитиков, используя появление в наших вузах персональных компьютеров. Пока что на кафедрах АХ российских университетов, как и на кафедрах АХ других вузов - ЭВМ при обучении студентов применяют лишь эпизодически. Дело не в нехватке самих компьютеров, а в отсутствии целостной и продуманной концепции их использования в учебном процессе. Соответственно отсутствует и необходимое программное обеспечение, учитывающее специфику данного предмета.
При создании программного обеспечения для курса АХ требуется решение как методических, так и чисто научных проблем. В частности, в каждом случае нужно сделать обоснованный выбор математической модели из ряда известных для данного объекта (химического равновесия, метода анализа и т.п.) или разработать новую модель -достаточно точную и, вместе с тем, вполне наглядную. Необходимо разработать соответствующие расчетные алгоритмы, оценить их точность и т.п.
Объективно существующее противоречие между уровнем развития современной аналитической химии как науки и уровнем препода-
зания данного предмета в вузах обуславливает актуальность настоящего исследования.
Основной целью данной работы является разработка и использование в учебном процессе комплекса расчетных, моделирующих и информационно-поисковых программ для повышения качества специалистов по аналитической химии, выпускаемых высшей школой.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Проанализировать структуру и содержание курса аналитической химии в российских университетах и педвузах для выделения инвариантной (общей) части этого курса. На этой основе предложить минимальный набор необходимых расчетных, моделирующих и информационно-поисковых программ для ПЭВМ,' т.е. определить содержание специфического программного обеспечения курса АХ. Предложить единые и научно обоснованные требования к характеру и форме таких программ.
-
Проанализировать распространенные на практике алгоритмы расчетов и стандартные для учебного курса АХ расчетные задачи. Выбрать оптимальные в научном и методическом отношении математические модели и алгоритмы. Предложить новые способы расчетов, в частности, для многофакторных равновесий и для нелинейного варианта метода стандартных добавок.
-
На основе вышеуказанных моделей и алгоритмов разработать ряд расчетных и моделирующих программ для ПЭВМ. Проверить их применимость в учебном процессе и в практике анализа.
-
Предложить схему методического сопровождения курса АХ, включающую широкое применение ПЭВМ. В частности, разработать примеры методических пособий, нетрадиционных задач, инструкций для студентов и преподавателей и т.д. Составить вспомогательные программы для ПЭВМ (информационно-поисковые системы и банки данных).
-
Оценить в ходе педагогического и психодиагностического экспериментов эффективность разработанного программного обеспечения и предлагаемой технологии его использования в учебном процессе.
Научная новизна. На основании изучения опыта 38 вузов выделена инвариантная часть учебной программы по курсу аналитической химии. Впервые предложен и обоснован перечень расчетных, моде-
пирующих и информационно-поисковых программ для ПЭВМ, которые желательно использовать в качестве специфического программного обеспечения при подготовке химиков-аналитиков в университетах и других вузах. Предложен новый алгоритм расчета результатов анализа (нелинейный вариант метода стандартных добавок), основанный на аппроксимации экспериментальных данных степенной зависимостью.
Доказана прогностическая ценность модели хроматографическо-го процесса, основанной на теории тарелок. В частности, для метода ГЖХ компьютерный эксперимент в рамках этой модели не только дает возможность наблюдать динамику разделения компонентов в колонке, но и позволяет в ряде случаев предсказывать времена удерживания, ширину пиков и другие характеристики реальной хромато-граммы с точностью до 15 %.
Выбрана математическая модель и предложен новый алгоритм расчета кривой комлексометрического титрования на основе уравнений материального баланса с одновременным учетом конкурирующих равновесий. Результативность исследований продемонстрирована на примере решения разнообразных аналитических задач.
Раскрыть: дидактические возможности, обоснованы особенности и специфика использования, доказана эффективность расчетных и моделирующих программ в преподавании аналитической химии.
Практическая ценность заключается в разработке 5 расчетных и 2 моделирующих программ для ПЭВМ, созданных на основе единого методического подхода и позволяющих химику-аналитику (или студенту) решать как типовые, так и нестандартные задачи, связанные с расчетом химических равновесий, моделированием хроматографи-ческого разделения, оптимизацией условий и обработкой результатов анализа и т.п.
Сформулированы общие рекомендации по содержанию и форме расчетных, моделирующих, информационно-поисковых программ и банков данных, которые могут быть использованы при создании аналогичных программ по другим разделам АХ.
Практическая ценность данной работы для вузов определяется также разработкой методического сопровождения вышеуказанных программ (банк данных с 16 автономными базами данных, методические рекомендации для преподавателей и студентов, более сотни нестандартных учебных задач исследовательского характера, ориентированных на применение ПЭВМ в учебном процессе).
Разработанные программы прошли тестирование и регулярно ірименяются в учебном процессе в Омском государственном универ-;итете, а некоторые из них - в Уральском государственном техниче-:ком университете и Омском государственном педагогическом уни-зерситете. Программы внедрены также в научную и производственную практику других организаций: АО "Омскхимпром" и областного Центра санитарно-эпидемического надзора (г. Омск). Акты внедрения имеются.
Разработанный вариант нелинейного метода стандартных добавок (МСД) применен для повышения точности определения полициклических ароматических углеводородов, в частности, в НИИ канцерогенеза ВОНЦ АМН России (г.Москва).
На защиту выносятся следующие положения:
нелинейный вариант МСД, обеспечивающий повышение точности люминесцентного анализа;
выбор математической модели ( на основе теории тарелок) для количественного предсказания результатов и наглядной демонстрации хроматографического разделения смесей;
алгоритм расчета и сопоставления кривых комлексометриче-ского титрования с учетом конкурирующих равновесий;
перечень программного обеспечения для университетского курса аналитической химии;
принципы построения, содержание и форма расчетных и моделирующих программ по аналитической химии;
принципы создания и дидактические возможности нестандартных (исследовательских) расчетных задач по курсу аналитической химии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Всесоюзной конференции "Математические методы и ЭВМ в аналитической химии" (г.Москва, 1991); X Республиканской научно-практической конференции "Новые информационные технологии в учебном процессе и управлении" (г.Омск, 1993); IV конференции "Аналитика Сибири и Дальнего Востока" (г.Томск, 1993); III Межгосударственной конференции "Проблемы преподавания аналитической химии" (г.Екатеринбург, 1993); Московском семинаре по аналитической химии (г.Москва, 1994); IV Всероссийской студенче-
ской научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (г.Екатеринбург, 1994).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов и приложений, содержит 156 страниц текста, 11 рисунков, 17 таблиц. Библиография - 285 наименований.
Актуальность темы. Развитие современной аналитической .чимиї характеризуется значительным возрастанием роли физических и физи
KO-ХИМИЧеСКИХ меТОДОВ ПРИ определении Качественного И КОЛИЧЄСЇ
венного состава исследуемых объектов. Ведущее место среди таких методов занимает хроматография, которой присуща высокая экспресс ность и селективность разделения, а также возможность осуществле ния анализа при наличии небольших количеств анализируемых образцов. Следует отметить, что современная хроматография является гибридным методом анализа, поскольку включает не только стадию разделения, но и стадию количественного определения разделенных компонентов.
Среди хроматографических методов особое место занимает тонкослойная хроматография (ТСХ), которая благодаря своей простоте, чувствительности и высокой разрешающей способности стала одним из самых распространенных методов при анализе биологических объектов, в частности, в скрининге мочи на наличие в ней наркотиков и им сопутствующих веществ. Проводя разделение при исследовании большого числа проб, можно очень быстро отсортировать пробы не содержащие наркотиков и получить представление о составе проб, давших положительные результаты. В последнее время все шире и шире для анализа лекарственных препаратов в судебно-химических и химико-токсикологических лабораториях используются новые виды хроматографии: высокоэффективная тонкослойная хроматография (ВЭТСХ) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Эти виды хроматографического анализа постоянно совершенствуются, возрастает эффективность разделения, изыскиваются возможности для анализа новых веществ и получения большого объема информации об исследуемых образцах.
К наркотическим веществам относятся строго определенные средства и вещества, а именно: опий, морфин, кодеин, промедол, эфодрон, метадон, гашиш, омнопон, амфетамин, метиламфетамин,. фен-циклидин, ЛСД и другие.
Со времени введения в клиническую практику наркотических анальгетиков (морфин, кодеин, промедол, омнопон) эта группа препаратов характеризуется неуклонно возрастающим уровнем потребле-
ния и злоупотребления. Злоупотребление лекарственными препаратами, а также их дериватами, например героином, эфедроном или мети-ламфетамином широко распространено , а международный характер подпольной торговли наркотиками означает, что любая лаборатория, занимающаяся определением лекарственных и наркотических веществ в биологических пробах организма человека в своей работе может столкнуться с широким спектром этих соединений. Кроме того, в случае злоупотребления наркотическими анальгетиками они часто встречаются в смеси с другими лекарственными веществами или антидотами, т.е. возникает сложная аналитическая задача по выделению и идентификации специфических наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ.
Техническая база химико-токсикологических лабораторий активно пополняется современной аналитической техникой, однако отсутствие методического обеспечения вызывает значительные трудности при выполнении конкретных экспертиз и исследований.
Одним из путей решения этой задачи по нашему мнению является разработка комплекса хроматографических методов анализа наркотических средств и им сопутствующих веществ.
Для данного исследования выбраны некоторые наркотические анальгетики и им сопутствующие вещества, являющиеся в последние годы наиболее распространенным объектом анализа химико-токсикологических лабораториях г. Москвы; их структурные формулы приведены на рис. 1
При разработке методов анализа наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ для медицинских и правовых целей необходимо, чтобы отдельная методика не требовала больших затрат времени, использовала минимальное количество исследуемых объектов и давала хорошо воспроизводимые результаты, согласующиеся с данными контрольного анализа объекта другим методом.
Цели и задачи исследования.. Целью настоящей работы является разработка комплекса хроматографических методов идентификации и количественного определения наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ в биологических жидкостях при токсикологических исследованиях. Мы остановились на комплексировании методов тонкослойной и жидкостной хроматографии.
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить
следующие основные задачи:
установить оптимальные условия выделения и разделения наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ в режиме прямо-фазовой ТСХ;
изучить хроматографическую подвижность наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ методом обра-щенно-фазовой ТСХ для разработки методики их идентификации в биологических жидкостях;
разработать методики количественного определения наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ в биологических жидкостях;
оптимизировать условия выделения и разделения наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ в биологических жидкостях методом ВЭЖХ;
разработать методики определения наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ в биологических жидкостях методом ВЗЖХ;
разработать комплексный метод определения распространенных наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ на основе гибридизации методов ТСХ ( адсорбционный и распределительный- варианты на отечественных пластинах Сорбтон кРг и Сорбтон - Диол) и 0Ф-ВЭ1Х, позволяющий надежно идентифицировать и количественно определить исследуемые вещества в,биологических жидкостях.
Научно - техническая новизна. _--".
Впервые в России на пластинах отечественного производства-(Сорбтон RP2 и Сорбтон - Диол), полученных плазмохимическим методом, проведено комплексное исследование закономерностей хроматог-рафического удерживания некоторых наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ как в чистом виде, так и в модельных смесях и в биологических жидкостях в условиях ТСХ и ВЭЖХ. Проведены сравнительные исследования отечественных пластин на основе сили-кагеля с привитыми фазами, полученными плазмохимическим методом, и пластин фирмы Merck.
Установлено, что пластины отечественного производства Сорбтон RP2 и Сорбтон - Диол обеспечивают высокое качество проводимых анализов, в отличие от пластин фирмы Merck слой сорбента RPZ пол-
костью смачивается водой, что позволяет использовать для разделения элюирующие системы с любым содержанием воды.
Предложена новая унифицированная элюирующая система для ТСХ, обеспечивающая эффективное разделение всех исследуемых соединений .( их количественную оценку.
Впервые предложены унифицированные методики идентификации нескольких наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ методом ТСХ на отечественных пластинах с различной химией поверхности г Сорбтон RPZ ( они могут быть использованы одновременно как в нормально - фазовом, так и в обращенно - фазовом вариантах ТСХ) и Сорбтон - Диол с привитой пропандиольной фазой.
Показана возможность переноса данных при разделении алкалоидов группы опия методом ОФ-ВЭЖХ на ОФ-ТСХ при использовании пластин Сорбтон RP2.
Показана перспективность использования методов ОФ-ВЭЖХ и ОФ-ТСХ для количественной оценки наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществе биологических жидкостях. Практическая значимость работы.
Предложеные методики гибридизации методов ОФ-ВЭЖХ и ТСХ -на отечественных пластинах с различной химией поверхности, позволяют надежно идентифицировать и количественно определять наркотические анальгетики и им сопутствующие вещества в биологических жидкостях используются в практике различных химико-токсикологических лабо- ,-раторий.
Методики анализа наиболее распространенных наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ, разработанные на отечественных пластинах с различной химией поверхности, внедрены в практику химико-токсикологических лабораторий и судебно-химичес-ких отделов Бюро судебно-медицинских экспертиз, занимающихся анализом этих соединений в биологических объектах.
На защиту выносятся:
- результаты теоретических исследований по изучению влияния подвижной фазы и сорбента на основе силикагеля с привитыми плазмохимическим путем фазами на воспроизводимость результатов анализа объектов исследования и разработки методик определения некоторых наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ в
биологических жидкостях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции по использованию современных методов при проведении экспертных исследований (Москва, 1995), на конференции секции сорбентов Научного Совета по хроматографии РАН по сорбентам, колонкам и методам хро-матографического анализа ( Москва. 1995), на VII Всероссийском симпозиуме по молекулярной жидкостной хроматографии ( Москва 1996). Результаты работы испытаны и внедрены э практику химико-токсикологических лабораторий и судебно-химичоских отделов Боро судебно-медицинских экспертиз.
Публикация материалов диссертации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части в составе двух глав, посвященных соответственно разработке ТСХ - анализа наркотических анальгетиков и им сопутствующих веществ и комбинированию ТСХ и ВЭЖХ методов, общего обсуждения итогов работы и выводов. Диссертация завершается списком использованной литературы ( 129 литературных источников, из них 37 отечественных и 92 иностранных) Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста и включает 27 таблиц, 10 рисунков и 4 схемы анализа.
