Способ анализа оптически активных веществ

 

Способ анализа оптически активных веществ включает регистрацию спектров комбинационного рассеяния и излучения анализируемого и хирально-чистого образца на частоте второй оптической гармоники. По отношению измеренных интенсивностей судят о наличии и концентрации рацемической примеси в гетерогенной фазе хиральных объектов. 3 табл.

Изобретение относится к исследованиям материалов оптическими методами и может быть использовано для контроля наличия рацемической примеси в хиральных системах, например в аминокислотах и сахарах.

Молекулы аминокислот являются составными элементами белковых молекул и присутствуют во всех биологических объектах, в пищевых продуктах и фармацевтических соединениях. Такие молекулы являются оптически активными и могут существовать в одной из двух форм зеркальных изомеров ("антиподов"), характеризующихся различным поведением при вращении плоскости поляризации света, т.е. являются лево- или правовращающими. Характерным свойством молекул аминокислот биосферы оказывается сохранение одного типа изомера ("левого") во всех биологических объектах. Попадание в организм "правых" молекул аминокислот приводит к их отторжению. При достаточно больших концентрациях "правых" молекул аминокислот в пищевых продуктах или лекарственных препаратах возможно включение "правых" молекул аминокислот в белковые цепи. Это может служить причиной нарушения обмена веществ и приводить к другим отклонениям в биоорганизмах. В связи с широким применением аминокислот в пищевых продуктах и лекарственных препаратах в настоящее время возникла важная проблема контроля хиральной чистоты, т.е. присутствие лишь одного типа зеркального изомера в пищевых и лекарственных продуктах.

Известно, что выделение хирально-чистых антиподов из рацемических смесей приводится при асимметрическом синтезе и осуществляется с помощью хирально-чистых веществ биологического происхождения. Действуя на рацемическую смесь (D, L) соединением Lʹ , получаем (DL)+ Lʹ ->> DLʹ+ LLʹ . Соединения DLʹ и LLʹ уже не являются зеркальными антиподами. Поэтому физико-химические свойства DLʹ и LLʹ различаются, и можно разделить эти соединения, например кристаллизацией.

Такой способ разделения двух типов хиральных систем предполагает разрушение исходной кристаллической структуры исследуемого вещества и оказывается осуществимым лишь при достаточной эффективности соответствующей химической реакции.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является аналитический метод, основанный на явлении вращения плоскости поляризации света, позволяющий провести разделение левых и правых состояний оптически активных веществ. В этом методе параллельный пучок монохроматического света, поляризованный при помощи какого-либо поляризатора, направляется на исследуемый образец. Проходя через образец света попадает на анализатор, посредством которого оценивается на какой угол повернулась плоскость поляризации при прохождении света через вещество. Угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине слоя d вещества и концентрации С активного вещества в слое ϕ=[α]d˙c , где коэффициент [ α ] - постоянная вращения. Постоянная вращения характеризует природу вещества и зависит от длины волны, температуры.

Присутствие рацемической примеси приводит к уменьшению угла поворота плоскости поляризации.

Недостатком этого метода является то, что он предполагает исследование вещества, как правило, в аморфном состоянии (расплавленные или растворенные), т. е. является разрушающим методом контроля. Кроме того, он не дает возможности провести анализ пространственного распределения примеси по образцу.

Цель изобретения - расширение класса анализируемых веществ при контроле хиральной чистоты аминокислот и сахаров, входящих в состав пищевых и лекарственных продуктов.

Поставленная цель достигается тем, что на исследуемый объект направляют монохроматическое излучение с частотой ω_o и анализируют интенсивность сигнала рассеянного излучения на частоте второй оптической гармоники 2 ω_o (ВОГ). Путем сравнения интенсивности сигнала ВОГ эталонного хирально-чистого вещества и исследуемого объекта судят о наличии и процентном составе рацемической примеси в хиральных системах.

Как показывают эксперименты, при анализе второй оптической гармоники аминокислот и сахаров можно подобрать условия, при которых не происходит каких-либо разрушений в исследуемых объектах под действием возбуждающего лазерного излучения.

Физической основой предлагаемого способа является различие в интенсивностях ВОГ хирально-чистых и рацемических структур. Известно, что структуры хирально-чистых фаз кристаллов являются ацентричными, и для них уже в дипольном приближении оказывается разрешенным процесс удвоения частоты оптического излучения, т.е. генерация второй оптической гармоники. Для рацемических фаз, являющихся, как правило, центросимметричными, генерация ВОГ в дипольном приближении согласно правилам отбора запрещена. Соответственно, интенсивность ВОГ в таких веществах падает на 2-4 порядка.

Регистрируется интенсивность ВОГ кристаллического порошка исследуемого объекта, а затем проводится его сравнение с сигналом эталонного хирально-чистого вещества. Таким образом осуществляется количественный и качественный анализ хиральной чистоты исследуемого объекта. Этим способом можно получить, в частности, информацию о пространственном распределении примеси по образцу. Авторам неизвестен анализ хиральной чистоты объектов по интенсивности ВОГ, поэтому указанные отличия являются существенными.

Сущность предлагаемого способа поясняется фигурами 1-3.

На фиг. 1 изображено устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ; на фиг. 2 - градуировочная кривая для триптофана, позволяющая произвести определение концентрации рацемической примеси (DL-триптофана) по соотношению интенсивностей ВОГ исследуемого образца и хирально-чистой компоненты; на фиг. 3 - фотография полученного пространственного распределения интенсивности ВОГ для системы L-триптофан-DL-триптофан.

Устройство содержит источник монохроматического излучения - лазер 1, фокусирующую линзу 2, кювету с излучаемым веществом 3, фокусирующую линзу 4, абсорбционный фильтр 5 для подавления возбуждающего излучения, монохроматор 6, фотоэлектронный умножитель 7, предварительный усилитель 8, регистрирующее устройство 9.

Приведем результаты экспериментальных исследований по реализации предлагаемого способа. В качестве источника возбуждающего излучения нами использовался лазер на парах меди, работающий в режиме саморазогрева, с большой частотой следования импульсов генерации (10⁴ см^-1). Длительность импульсов составляла 20 нс, пиковая плотность мощности лазерного излучения на образце 10⁵ Вт/см² при средней мощности генерации ≈ 0,1 Вт. В экспериментах использовались желтая ( λ =578,2 нм) или зеленая ( λ =510,6 нм) линии генерации, разделяемые с помощью призмы, а также одновременно обе эти линии для возбуждения суммарной частоты ω₁+ω₂ . Регистрация ВОГ производилась с помощью одинарного монохроматора МДР-2 и чувствительной системы регистрации со счетом фотонов. Вещество помещалось в кювете между двумя плоскопараллельными кварцевыми пластинами; толщина исследуемого слоя составляла 0,1-1 мм.

Исследования проводились по схеме "на отражение", при которой вторичное излучение из образца собиралось конденсором в направлении, близком к зеркальному, на входной щели монохроматора. Для подавления возбуждающего излучения перед входной щелью монохроматора помещался фильтр УФС-1 (5).

В качестве примера в таблице приведены результаты измерений относительных интенсивностей ВОГ для нескольких типов аминокислот.

Измеряя интенсивность ВОГ исследуемого образца и относя ее к интенсивности ВОГ эталонного хирально-чистого вещества, получают относительную интенсивность ВОГ. Затем по градуировочной кривой определяют концентрацию рацемической примеси в исследуемом веществе.

Чувствительность метода определения концентрации рацемической примеси составляет 0,1%, в то время как прототип имел чувствительность 1%.

Формула изобретения

СПОСОБ АНАЛИЗА ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ, включающий облучение оптическим излучением анализируемого вещества и эталона, регистрацию их спектральных характеристик, по которым проводят анализ, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения класса анализируемых веществ при контроле хиральной чистоты аминокислот и сахаров, регистрируют спектры комбинационного рассеяния и измеряют интенсивности рассеянного излучения анализируемого и хирально-чистого образца на частоте второй оптической гармоники и по отношению измеренных интенсивностей судят о наличии и концентрации рацемической примеси в гетерогенной фазе хиральных объектов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3