ОДНОВРЕМЕННОЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛИЦЕРИНА И АЦЕТАТА КАЛИЯ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРМОГРАВИМЕТРИИ

Изобретение относится к области физической химии, а именно к методу динамической термогравиметрии для одновременного количественного определения основных компонентов вводных растворах, содержащих ацетат калия и глицерин. Изобретение может быть использовано при приготовлении консервирующих растворов для сохранения биологических субстанций в исследовательских учреждениях и музеях биологической направленности.

Проблема консервации и сохранения биологических структур в неизменном состоянии является актуальным направлением для биомедицинских исследований.

При сохранении биологических субстанций в исследовательских учреждениях и музеях биологической направленности часто используются концентрированные растворы с различными химическими компонентами. Мониторинг количественного содержания компонентов специальных растворов, применяющихся при сохранении биологических объектов и структур, позволяет не только контролировать качество применяемых растворов и рассчитывать концентрацию компонентов при проведении коррекции растворов, но и осуществлять опосредованную оценку состояния сохраняемых биосубстанций.

Известен метод количественного определения содержания в консервирующих растворах глицерина и ацетата калия методом рамановской спектроскопии. Метод спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) может служить эффективным средством неразрушающего количественного анализа химического состава специальных растворов для консервации и сохранения биологических структур, в том числе с использованием портативных приборов /1/.

В настоящее время определение количественного содержания часто использующихся в консервирующих растворах ацетата калия и глицерина (РФ №2185060) осуществляется с помощью аналитических методик на основе метода потенциометрического титрования. Аналитические методики определения концентрации данных веществ в высококонцентрированных водных растворах показывают довольно хорошую точность определения, однако отличаются трудоемкостью, требуют больших временных и материальных затрат и относительно большого количества анализируемой пробы.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка количественного определения содержания глицерина, ацетата калия и воды в консервирующих растворах методом термогравиметрии.

Техническим результатом является работа с микрограммовыми навесками, уменьшение времени на проведение анализа, снижение трудоемкости, уменьшение количества анализируемых проб.

Технический результат достигается за счет использования способа одновременного количественного определение глицерина и ацетата калия в водном растворе методом динамической термогравиметрии, включающего предварительное определение индивидуальных температурных интервалов испарения каждого-компонента раствора, затем при непрерывном взвешивании веществ в процессе линейного подъема температуры с заданной скоростью 10°С в мин в температурном диапазоне от 25°С до 500°С, анализируют пробу водного раствора, на полученной термограмме определяют массы глицерина и ацетата калия путем измерения расстояния между двумя точками, а именно температурой начала процесса испарения реактива и температурой, при которой процесс испарения анализируемого реактива завершается, на кривой в направлении от оси массы.

Принципиально новые возможности метода термогравиметрии позволяют применить его в новых областях, в том числе, в исследовании консервирующих растворов. Метод основан на регистрации потери массы изучаемого образца при постепенном нагревании по заданной программе линейного подъема температуры с заданной скоростью (с заданной скоростью 10°С в мин в температурном диапазоне от 25°С до 500°С. Результатом анализа методом динамической термогравиметрии является термограмма, которая представляет собой кривую зависимости потери массы образца от температуры.

Определение содержания воды, глицерина и ацетата калия в экспериментальных водных растворах проводили методом динамической термогравиметрии. Результатом анализа при помощи метода термогравиметрии являлись термограммы анализируемых образцов. Термограммы получали, используя прибор синхронного термического анализа STA 449 F3 Jupiter Netzsch (Германия) в температурном интервале 25-500°С при скорости увеличения температуры 10°С в мин. Вес пробы для анализа составлял 10-20 мг.

Для сопоставительного анализа аналитические исследования растворов проводили по методикам на основе потенциометрического титрования. Для выполнения методик определения ацетата калия и глицерина применяли многофункциональный автоматический титратор Mettler Toledo Т70 (Швейцария).

Исследования выполнены на трех экспериментальных водных растворов в диапазоне концентраций глицерина и ацетата калия 20 - 40% (см. табл) Экспериментальные водные растворы состояли из: 1) водный раствор глицерина и ацетата (ацетат калия - 19,50% масс и глицерин - 20,00% масс.), 2) водный раствор глицерина и ацетата (ацетат калия - 29,60% масс и глицерина - 29,90% масс.) и 3) водный раствор глицерина и ацетата (ацетат калия- 39,60% масс и глицерина -40,1% масс.). Ацетат калия предварительно просушивали при t=105°C до достижения постоянного веса, охлаждали в закрытом бюксе и вносили в раствор. Реактивы дозировали по массе с помощью весов KernABJ 120-4М (Германия) с точностью до 0,0001 г.

В исследованиях использовали следующие реактивы: глицерин, ч.д.а., соответствует ГОСТ 6259-75 (Германия); калий уксуснокислый, extrapure, «Merk» (Германия); свежеприготовленная деионизованная вода по ГОСТ 6709-72; химические реактивы фирмы «ДиАМ» (Россия): соляная кислота 0,1н раствор (фиксанал); калий хлористыйх.ч.; перйодат калия, ч.д.а.; этиленгликоль, ч.д.а.; калий гидроксид, 0,05н. раствор (фиксанал).

Предлагаемое техническое решение поясняется следующей методикой проведения анализа.

Предлагается способ одновременного количественного определения глицерина и ацетата калия в водном растворе методом динамической термогравиметрии. Метод заключается в непрерывном взвешивании вещества в процессе линейного подъема температуры с заданной скоростью, при нагревании учитываются изменения, приводящие к уменьшению массы изучаемого вещества в результате испарения. Результатом анализа является кривая в виде изменения массы образца от температуры.

Предварительно определяли индивидуальные температурные интервалы испарения каждого компонента раствора (Тн - температура начала процесса испарения образца; Тк - температура, при которой процесс испарения анализируемого образцы завершается), протекающего с изменением массы. Для этого методом динамической термогравиметрии проводили анализ каждого компонента отдельно: пробу образца переносили на алюминиевые кюветы и помещали в прибор в количестве 10-20 мг. Подвергали нагреванию с заданной скоростью 10°С в мин в температурном диапазоне от 25°С до 500°С.

Полученные данные показали, что температурные интервалы испарения воды, глицерина и ацетата калия имеют свои индивидуальные пределы и не пересекаются между собой, что позволяет одновременно определять эти компоненты в одном растворе.

Далее определяли точность метода динамической термогравиметрии количественного определения реактивов в растворе. Для этого проводили анализ серии из пяти водных растворов глицеринас известной концентрацией, строили график зависимости содержания компонента в растворе, определяемого методом динамической термогравиметрией и его содержанием в растворе, определяли коэффициент линейной корреляции.

В завершении проводили сравнение результатов анализа готовых консервирующих

растворов с разным содержанием основных компонентов двумя методами - методом титрования, применяющимся в настоящее время, и исследуемым методом динамической термогравиметрии (см.таблицу). Термогравиметрический метод использовали следующим образом: пробуготового консервирующего раствора(образцы серии в диапазоне концентраций 20-40%) переносили на алюминиевые кюветы и помещали в прибор в количестве 10-20 мг. Подвергали нагреванию с заданной скоростью 10°С в мин в температурном диапазоне от 25°С до 500°С.Результатом анализа является кривая (термограмма) в виде изменения массы образца от температуры. Количество реактива в пробе определяли по термограмме, в характерной и предварительно определенной температурной области каждого компонента, определенной на рис. 1, измерением потери массы каждого компонента, путем измерения расстояния между двумя точками (Тн - температура начала процесса испарения образца и Тк - температура, при которой процесс испарения анализируемого образцы завершается) на кривой в направлении от оси массы.

Пример 1. Для определения химических компонентов в консервирующих растворах предварительно методом динамической термогравиметрии получали термограмму каждого компонента отдельно. Термограммы используемых в растворах химических компонентов приведены на рис. 1, где: а - кривая потери массы воды; 6 - дифференцированная кривая потери массы воды; в - кривая потери массы глицерина; г - дифференцированная кривая потери массы глицерина; д - кривая потери массы ацетата калия; е -дифференцированная кривая потери массы ацетата калия.

На рис. 1 (а, б)представлена термограмма воды, которая показывает потерю массы образца в результате равномерного увеличения (10°С в минуту) температуры в интервале: Тн - температура начала процесса испарения образца, Тк - температура, при которой процесс испарения анализируемого образцы завершается. Результаты анализа показывают, что испарение образцаводы происходит сразу после начала анализа. Процесс испарения всего образца воды завершается при Тк=115°С. Как показал анализ, вода испаряется в интервале значений температуры от 40°С (Тн) до 115°С (Тк).

Как видно из термограммы (рис. 1 в, г), в процессе анализа масса глицерина не изменяется до температуры 180°С. При температуре выше 180°С (Тн) начинается процесс испарения глицерина и образец теряет массу. Как показано на кривой потери массы глицерина, при 289°С (Тк) процесс испарения глицерина завершается, образецполностью испаряется. На основе данных, полученных при помощи метода термогравиметрии (значений Тн и Тк), определен характерный для испарения глицерина температурный диапазон, равный 109°С.

На термограмме ацетата калия (рис. 1 д, е) в температурной области, соответствующей испарению воды (Тн=50°С и Тк=150°С) происходит потеря массы в количестве 10%. Далее, при увеличении температуры выше 150°С, образец перестает терять массу, кривая на термограмме переходит на плато. После 400°С (Тн) кривая снова опускается вниз в результате потери массы образцом, так как при этой температуре ацетат калия начинает разрушаться и заканчивает при 531°С (Тк).Таким образом, при нагревании до 400°С ацетат калия будет сохранять свою концентрацию в растворе. Температурный диапазон, характерный для разрушения ацетата калия при нагревании, составляет 131°С.

Полученные данные показали, что температурные интервалы испарения воды, глицерина и ацетата калия имеют свои индивидуальные пределы и не пересекаются между собой, что позволяет определять эти компоненты в растворах.

Для исследования возможности определения методом термогравиметрии количества реактивов в растворе проводили анализ серии из пяти опытных водных растворов глицерина и ацетата калияс известной концентрацией от 20 до 40%. На основании данных потери массы в температурной области, характерной для испарения глицерина и ацетата калия, определяемой на термограмме, получали уравнение линейной зависимости, строили график регрессионной прямой.

Калибровочный график зависимости потери массы ацетата калия (а) и глицерина (б), определяемой на термограмме, от количества добавленного реактива в образец приведены на рис. 2 (а, б).

Коэффициент корреляции (R) равен 0,999, следовательно, между потерей массы, показанной на термограмме, и концентрацией глицерина и ацетата калия в образцах существует прямая линейная зависимость.

Сравнение результатов анализа опытных растворов с разным содержанием основных компонентов двумя методами, методом титрования, применяющимся в настоящее время, и исследуемым методом термогравиметрии, приведено в таблице.

Как показано в таблице, результаты измерения компонентов раствора методом термогравиметрии соответствуют их истинному количественному содержанию, а также сопоставимы с результатами, полученными методом титрования. Однако, при определении содержания глицерина в образце №3 метод титрования показал более низкое значение истиной концентрации реактива в растворе. Высокое содержание глицерина (40%) является верхним пределом определяемых содержаний, предусмотренных данной методикой.

Полученные данные относительной погрешности измерения количества каждого компонента в растворе методом термогравиметриине превышают 3,0%, что свидетельствует о высокой точности этого метода. Результаты проведенных исследований показывают, что температурные интервалы испарения (или разрушения) воды, глицерина и ацетата калияне пересекаются между собой. В отличие от метода потенциометрического титрования, метод термогравиметрии обладает значительно меньшей трудоемкостью, не требует предварительной пробоподготовки и титрования, требует меньших материальных и временных затрат, время анализа 40 минут и небольшого количества пробы 10-20 мг, в то время как для метода титрования требуется не менее 25 г. Кроме того, метод позволяет анализировать одновременно несколько основных компонентов раствора в одной пробе.

Таким образом, в результате проведенных исследований определено, что метод термогравиметрии может применяться для количественного экспресс-анализа содержания ацетата калия, глицерина и воды в консервирующих высококонцентрированных водных растворах, использующихся при сохранении биологических субстанций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аграфенин А.В., Абрамов Ю.В., Денисов-Никольский Ю.И., Блинова Г.И. Одновременное количественное определение глицерина и ацетата калия в водном растворе методом спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия). Микроэлементы в медицине. 2014. Т. 15. Вып. 3. С. 48-51.