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该方法具有一定的局限性。
综上所述,建议常规水分测定方法的选择时遵循下列原则:
当样品易溶于甲醇或吡啶,且不干扰滴定时,首选费休氏法;
如果常规试验条件下费休氏法不适合测定该品种的水分,可以考虑干燥失重测定法,但在方法学研究时,建议采用费休氏法、热重分析法、差示扫描量热法并结合文献报道进行综合分析和验证;
对于全新结构的药物,建议进行单晶X-射线分析,确认样品中水分的结合方式,以便为后期的质量研究、稳定性研究和生理活性研究提供确切的化学结构基础。
3、卡尔•费休氏水分测定法在药品检验中的应用
随着科学研究的发展和生产技术的进步,水分的定量分析已被列为药品检验的基本项目之一,作为药品一项重要的质量指标。
一般情况下,药品中水分的含量异常会严重地影响药品的质量和疗效。
特别是抗生素类药品中所含水分过高会严重影响其稳定性、理化性状、及有效期和使用效果,甚至于服用这些药品会严重危害广大人民群众的身体健康和生命安全。
因此,对药品的水分进行检查并严格控制其限度非常重要。
以前,人们普遍采用加热干燥法(即干燥失重法)检查药品中的水分,此种方法不但繁琐、费时、系统误差大,而且遇热不稳定的药品不能适用于此方法,故不能满足现代药品检验的需要。
1935年,KarlFischer发现了一种用滴定法测定含水量从1ppm到100%的样品的方法(卡尔·
费休氏水分测定法)。
该法以甲醇为介质,以卡尔费休液为滴定液进行样品水分测定的一种方法。
此方法测定水分含量的用途广泛、操作简单、准确度高、重复性好,能够最大限度的保证分析结果的准确性。
而且该方法滴定时间短,一般情况下测定一个样品仅需2到6分钟,尤其适用于遇热易被破坏的药品。
中国、英国、美国、日本四国药典均收载了卡尔·
费休氏水分测定法(容量滴定法和库仑滴定法),现在已成为国际上通用的经典水分测定法。
基本原理
卡尔·
费休氏水分测定法是根据碘和二氧化硫在吡啶和甲醇溶液中能与水起定量反应的一种非水溶液中氧化还原滴定法,其滴定的基本原理是仪器的电解池中的卡尔费休试剂达到平衡时注入含水的样品,水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应,在吡啶和甲醇存在的情况下,生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶,消耗了的碘在阳极电解产生,从而使氧化还原反应不断进行,直至水分全部耗尽为止,依据法拉第电解定律,电解产生碘是同电解时耗用的电量成正比例关系的,其化学反应方程式如下:
①H2O+I2+SO2+3C5H5N→2C5H5N·
HI+C5H5N·
SO3(不稳定)
②C5H5N·
SO3+CH3OH→C5H5N·
HSO4CH3(稳定)
卡尔费休试剂中含有分子碘而呈深褐色,当含有水的试剂或样品加入后,由于化学反应,生成甲基硫酸吡啶(C5H5N·
HSO4CH3)而使溶液变成黄色,可用目测法判断终点(即由浅黄色变成橙色)。
或用“永停滴定法”来指示卡氏反应的终点,其原理为:
在反应溶液中插入双铂电极,在两电极之间加上一固定的电压,若溶剂中有水存在时,则溶液中不会有电对存在,溶液不导电;
当反应到达终点时,溶液中存在I2和I-电对,在电解过程中,电极反应如下:
阳极:
2I--2e→I2
阴极:
①I2+2e→2I-②2H++2e→H2
因此,溶液的导电性会突然增大,在设有外加电压的双铂电极之间的电流值突然增大,并且稳定在我们事先设定一个阈值上面,即可判断到了滴定终点,仪器便会自动停止滴定,从而通过消耗卡尔费休试剂的体积计算出样品的含水量。
按照上述原理科研人员研制了卡尔·
费休氏水分测定仪,近年来在国内市场中较活跃的进口卡尔·
费休氏水分测定仪有法国雷氏、瑞士万通、德国梅特勒-托利多、德国SCHOTT、日本京都电子;
国产卡尔·
费休氏水分测定仪主要有海淀潮声、北京先驱威锋等。
但是目测法误差较大而且在测定有颜色的物质时会遇到麻烦,故该法不宜使用。
费休氏水分测定仪操作简便、灵敏度高、再现性好,并能连续测定,自动显示数据,笔者建议有条件的药品检验部门优先使用卡尔·
费休氏水分测定仪测定样品中的水分含量。
卡尔费休试剂
卡尔费休试剂主要按组元分为单组元,双组元和混合型、对瓶卡尔费休试剂。
《中国药典》(2010年版)收载了单组元卡尔费休试剂的制备与标定方法,这也是经典的容量法卡尔费休试剂制备方法。
(1)配制称取碘(置硫酸干燥器内48小时以上)110g,置干燥的具塞锥形瓶中,加无水吡啶160ml,注意冷却,振摇至碘全部溶解后,加无水甲醇300ml,称定重量,将锥形瓶置冰浴中冷却,在避免空气中水分侵入的条件下,通入干燥的二氧化硫至重量增加72g,再加无水甲醇使成1000ml,密塞,摇匀,在暗处放置24小时。
本液应遮光,密封,置阴凉干燥处保存。
临用前应标定浓度。
(2)标定用卡尔·
费休氏水分测定仪直接标定;
或取干燥的具塞玻瓶,精密称入重蒸馏水约30mg,加无水甲醇2~5ml,用本液滴定至溶液由浅黄色变为红棕色,或用永停滴定法(附录ⅦA)指示终点;
另作空白试验,按下式计算:
W
F=
A-B
式中F为每1ml费休氏试液相当于水的重量(mg);
W为称取重蒸馏水的重量(mg);
A为滴定所消耗费休氏试液的体积(ml);
B为空白所消耗费休氏试液的体积(ml)。
由于该方法制备试剂使用的有机碱是有恶臭气味和毒性较大的吡啶,它会对试验者的身体健康造成危害并且严重污染实验室的环境。
1984年发现了一种用咪唑取代吡啶的新的卡尔费休试剂。
这种试剂不仅代替了有毒、有刺激性气味的吡啶,并且它使反应速度更快,滴定结果更准确。
多数厂家现在生产的卡尔·
费休氏试剂有两种:
安全型无吡啶型和含吡啶型的试剂,其滴定度多为3~5。
费休氏水分测定法的分类及应用范围
费休氏水分测定法可适用多种有机物和无机物中的水分测定,由于各种化合物性质的差异,可分为直接容量滴定法和间接容量滴定法(回滴定法)两类。
但在药品检验中经常使用直接容量滴定法对水分含量进行测定,比较典型的药品有以下几类:
1胶囊制剂阿奇霉素胶囊、头孢拉丁胶囊、头孢氨苄胶囊、头孢羟氨苄胶囊、阿莫西林胶囊等;
2注射用粉针剂注射用头孢噻肟钠、注射用头孢唑林钠、注射用头孢哌酮钠舒巴坦钠、注射用头孢拉丁等;
3片剂阿莫西林分散片等;
4原料药。
测定法
费休氏水分测定仪已经是药品检验单位用于水分含量测量的一种主要仪器,现在就以ZDJ-400SY型全功能滴定仪(北京先驱威锋)为例进行水分含量的测定。
1选择溶剂
由于此法是测量样品中水分含量,因此需要使用一种非水物质作为溶剂,使样品溶解。
通常情况下,无水甲醇是比较理想的溶剂。
此反应是可逆反应,为了使反应向右进行,反应系统中加入了过量的SO2,无水甲醇可以溶解大量SO2,另外无水甲醇作溶剂还有防止副反应发生的作用,因此无水甲醇便成了首选的溶剂。
2空白试验
通常在反应杯(50℃烘箱中干燥5小时)中加入20ml无水甲醇(含量:
%以上,分析纯),恰好淹没双铂电极,然后在滴定管中加入卡尔费休试剂(单组份安全型无吡啶型卡尔费休试剂),开启电磁搅拌器(60转/min),开始滴定甲醇中的含水量,慢慢滴定至仪器屏幕显示预滴定完成,不记录卡尔费休液消耗的体积。
3标定
为了考察整个操作系统的稳定性和准确度,我们应在样品进行检测前对系统进行标定(包括仪器的标定和卡尔费休试剂的标定)。
费休氏水分测定仪通常用甲醇-水标准溶液、含水酒石酸钠、蒸馏水、含饱和水甲苯等物质作为标准对方法的可靠性进行校验。
含水酒石酸钠(C4H4NaO6·
2H2O)是一种常用的含水标准物质,在正常条件下,该物质含有%的水,很稳定而且不吸水也不失水。
该物质在105℃加热失重为±
%,长期暴露于湿度为20~70%的空气中,增量为~%。
笔者建议当测定微量水(1%以下)时,用含水酒石酸钠作为参照物进行标定;
当测定常量水(不少于1%)时,用蒸馏水(或去离子水)作为参照物进行标定。
《中国药典》(2005年版)标准规定标定试验要做三次,并且误差范围在±
1%内。
4取样、测定
精密称取混和均匀的供试品适量(约消耗卡尔费休试剂1~5ml),用卡尔·
费休氏水分测定仪直接测定。
具体操作如下:
①将样品适量装入称量舟,放入电子天平中,按”tart”键归零;
②将样品倒入反应容器中,注意不要将样品撒到电极上或杯壁上;
③将称量舟重新放到电子天平上,用减重法确定加入样品的重量;
④将样品重量数据(精确到)输入仪器中,等待反应结束直到仪器屏幕显示滴定结果;
⑤实验结束后用无水甲醇把仪器管路冲洗干净,因为卡尔费休试剂析出的晶体会造成管路堵塞现象。
五注意事项
除了测定药品的性质,测定的方法,标定物质的选用,取样方法和进样量的大小影响测定精确度外,还必须注意以下三个问题,才能保证测定的精确度。
1仪器的安装及场所
①仪器不得安装在有腐蚀性气体的室内,因为腐蚀性气体对仪器部分电路的腐蚀会严重缩短仪器寿命;
②不得安装在电源不稳定的地方,建议使用电子稳压器;
③避免阳光直接照射到仪器;
④仪器安装场所的室温最好控制在10~35℃范围内;
相对湿度不得大于60%。
2双铂电极的保养测量用双铂电极被污染时应当对其进行清洗干净,否则会使电极的灵敏度降低,影响测定数据的准确度。
常用的电极清洗方法有三种:
①可用丙酮或无水乙醇进行擦拭干净;
②将电极放入蒸馏水中进行超声清洗;
③如果上述两种方法还不能去除污垢,可将电极在铬酸洗液中浸泡两分钟,然后用蒸馏水冲洗干净。
3仪器系统的密封及避光进行卡尔·
费休氏滴定过程中,有时会出现错终点(即提前到达终点)的现象,造成测定结果偏低。
特别是在测定含水量在1%以下的药品时影响更大,甚至无法进行测定。
这主要是空气中的氧将滴定池中的碘离子氧化为碘,从而减少了试剂的耗用量。
同时阳光也会明显地促进氧与碘离子的氧化反应,故要采取避光措施。
另外卡尔费休试剂很容易吸收水分,因此要求滴定剂发送系统的滴定管和滴定池(测量池)等采取较好的密封系统。
否则由于吸湿现象造成终点长时间的不稳定和严重的误差。
4、水分测定仪的分类及其主要作用:
随着科学研究的发展和生产技术的进步水分的定量分析已被列为各类物质理化分析的基本项目之一,作为各类物质的一项重要的质量指标。
根据不同形式试样中的不同水分含量提出了测定水分的不同要求。
水分测定可以是工业生产的控制分析,也可是工农业产品的质量签定;
可以从成吨计的产品中测定水分也可在实验室中仅用数微升试液进行水分分析;
可以是含水量达百分之几至几十的常量水分分析,也可是含水量仅为百万分之一以下的痕量水分分析等等。
水分分析方法—般可分为两大类,即物理分析这和化学分析法。
经典水分分析方法已逐渐被各种水分分析方法所代替,目前市场上主要存在的水分测定仪主要有卡尔·
费休水分测定仪、红外水分仪、露点水分仪、微波水分仪、库仑水分仪,以及一些专用水分仪。
这些仪器测定方法操作简便、灵敏度高、再现性好,并能连续测定,自动显示数据。
国外的水分测定仪在精度、稳定性等方面有着一定的优势,但价格昂贵,是国内的一些实验室、企业无法承受的。
近年来国内的许多仪器厂商加强了对水分测定仪的研究和实践,取得了十分明显的效益,使国产水分测定仪的各项技术向国际水准靠拢,能够满足一般实验室和企业生产的需要。
费休法属经典方法,经过近年来改进,大大提高了准确度,扩大了测量范围,已被列为许多物质中水分测定的标准方法。
近年来在国内市场中较活跃的进口卡尔·
费休水分测定仪有法国雷氏,瑞士万通,德国梅特勒-托利多,德国SCHOTT,日本京都电子;
费休水分测定仪主要有海淀潮声,先驱威锋,江苏江环分析仪器有限公司等。
红外水分测定仪操作简单,耗时少,测量结果准确,故红外水分仪可广泛应用于化工、医药、食品、烟草、粮食等行业的实验分析和日常进货控制及过程检测。
主要的生产商包括美国Omnimark,美国Fisher,美国Raytek,美国omnimark,德国Sartorius,日本Kett,上海精密科学仪器公司,核工业北京化工冶金研究院,北京九如仪器有限公司等。
露点水分测定仪操作简便,仪器不复杂,所测结果一般令人满意,常用于永久性气体中微量水分的测定。
但此法干扰较多,一些易冷换气体特别在浓度较高时会比水蒸气先结露产生干扰。
生产商包括英国Shaw公司,AMETEK等。
库仑水分测定仪常用来测定气体中所含水分。
此法操作简便,应答迅速,特别适用于测定气体中的痕量水分。
如果用一般的化学方法测定,则是非常因难的事情。
但电解法不宜用于碱性物质或共轭双烯烃的测定。
生产商包括成都仪器厂,江苏江环公司,大庆日上等
微波水分测定仪利用微波场干燥样品,加速了干燥过程,具有测量时间短,操作方便,准确度高、适用范围广等特点,适用于粮食、造纸、木材、纺织品和化工产品等的颗粒状、粉末状及粘稠性固体试样中的水分测定,还可应用于石油、煤油及其他液体试样中的水分测定。
生产商包括美国CEM公司,美国Omnimark公司,长沙友欣公司等。
另外,一些专用的水分测定仪在市场中占有越来越突出的地位,这种水分测定仪具有专一性,操作简单等优点,普遍用于工业生产的在线控制分析,工农业产品的质量签定,如油中水分测定仪,土壤水分测定仪,烟草水分测定仪,谷物水分测定仪,木材水分测定仪,混凝土水分测定仪,纸水分测定仪等。
5、化学分析法的水分测定仪:
包括:
卡尔费休水分测定仪、库仑水分仪、露点水分仪。
卡尔费休法属经典方法,又称为微量水分测定仪,其主要应用于水分值含量较低的样品检测,经过近年来改进,大大提高了准确度,扩大了测量范围。
露点水分测定仪操作简便,仪器不复杂,所测结果一般令人满意,常用于永久性气体中微量水分的测定。
库仑水分测定仪常用来测定气体中所含水分。
库仑法水分测定仪:
推荐型号:
SFY-3000型库仑法微量水分测定仪
优点:
仪器价格中等;
耗材少;
可以测定至10-6级;
时间短,一般物质在掌握好进样量的前提下60秒内即可完成测定,是过程控制和仲裁判定的最佳方法。
缺点:
由于精确度高,过于敏感有些具有副反应的物质如酮类、醛类测定较困难,需要一定的经验控制反应方向。
水分测定仪的保养及维护办法:
(适用于库仑法微量水分测定仪)
一,水分测定仪的安装及场所:
1,水分测定仪不得安装在有腐蚀性气体的室内,对水分测定仪电路部分腐蚀,缩短仪器寿命.
2,室温低于5度或高于40度的地方.
3,不得安装在阳光照射与湿度大的地方.
4,不得安装在电源不稳定的地方,建议使用电子稳压器.
电极的保养:
1,测量电极被污染时,可用丙酮或无水乙醇进行擦拭,如仍不能去污,可用酒精灯烧铂金球端.
2,电解电极被污染时,可将丙酮或无水乙醇注入阴极室内,反复摇晃,以除去内部的污垢.
物理分析法水分测定仪:
红外线(卤素)水分测定仪操作简单,耗时少,测量结果准确,故红外水分仪可可广泛应用于一切需要快速测定水分的行业,如医药,粮食、饲料、种子,菜籽,脱水蔬菜、烟草,化工,茶叶,食品、肉类以及纺织,农林、造纸、橡胶、塑胶、纺织等行业中的实验室与生产过程中。
6、容量法与库仑法的区别
卡尔费休容量法水分测定的测定原理
卡尔费休容量法测定水分含量时,主要依据电化学反应:
I2+2eó
2I-
在反应池的溶液中同时存在I2和I-时,该反应在电极的正负两端同时进行,即在一个电极上I2被还原,而在另一个电极上I-被氧化,因此在两个电极之间有电流通过。
如果溶液中只有I-而无I2同时存在,则两个电极间没有电流通过。
卡尔费休试剂中含有效成分吡啶和碘等物质,把其计量滴入反应池,能与待测溶液中的水发生如下化学反应:
H2O+SO2+I2+3C5H5N→2C5H5N·
HI+C5H5N·
SO3
C5H5N·
SO3+CH3OH→C5H5N·
HSO4CH3
HI→C5H5N·
H++I-
该反应持续进行,不断消耗水,生成I-,一直到反应滴定终点,水分消耗完毕。
这时,溶液有微量未发生反应的卡尔费休试剂存在,才能发生I2和I-同时存在的情况,两个铂电极之间的溶液开始导电,由电流指示达到终点,停止滴定。
从而通过计量已消耗的卡尔费休试剂体积(容量)来标定溶液中的水分含量。
卡尔费休库仑法(电量法)的测定原理
电量法,是基于将试样溶于含有一定碘的特殊溶剂的电解液后,水即消耗碘,但所需的碘不再是用已标定过的含碘试剂去进行滴定,而是通过电解过程,使溶液中的碘离子在阳极氧化为碘:
2I¯
—2e─→I2
所产生的碘又与样品中的水反应。
其终点用双铂电极指示。
当电解液中碘浓度恢复到原定浓度时,停止电解。
然后根据法拉第电解定律:
CMi·
t
m=---------×
-----=---------
96500n10722
计算出待测试样的水分含量。
容量法和库仑法的最大区别在于I2的来源不同,容量法中的I2来自于滴定剂,而库仑法中I2则通过电解含I-离子的电解液产生。
通过电解池的电量与I量是有着严格的定量关系的,因此库仑法有着更高的测量精度。
因此,就应用而言,容量法更适用于水分含量高的样品的测量,而库仑法则仅适用于微量、痕量水的测定。
当要测量的样品含水在1000ppm以下时,用卡氏库仑法水分仪测量比较理想,
当要测量的样品含水在1000ppm以上时,用卡氏容量法水分仪测量比较理想,
卡氏水分仪的测量原理都是一样的:
ROH+SO2+RN→(RNH)•SO3R
(RNH)•SO3R+2RN+I2+H2O→(RNH)•SO4R+2(RNH)I
不同的地方是卡氏库仑法水分仪的I2是电解产生的,电解的速度有限,所以
而卡氏容量法水分仪的I2是由滴定剂中直接加入的,滴定剂的浓度现在市场主要有5mg/ml、2mg/ml、1mg/ml的,而5mg/ml的应用最为广范,
电解的速度有限,所以当须要测量的样品含水量比较低时,用卡氏库仑法水分仪,检测的速度不但快,而且数据的平行性很好;
当须要测量的样品含水量比较高时,用卡氏容量法水分仪,滴定剂用5mg/ml的,结果很理想;
当要测量的样品含水在1000ppm以下时,结果不如用卡氏库仑法水分仪的,如果在样品含水量比较低时,用容量法,须要用低浓度的卡氏试剂:
1mg/ml或2mg/ml的滴定剂,卡氏试剂的浓度本来就是不稳定的,何况是低浓度的,这样就会使得结果更不稳定。
7、二部药典水分测定法介绍
水分测定方法有许多种,我们在选择时要根据食品的性质来选择。
常采用的水份测定方法如下:
1、热干燥法:
①常压干燥法(此法用的广泛);
②真空干燥法(有的样品加热分解时用);
③红外线干燥法;
④真空器干燥法(干燥剂法);
2、蒸馏法
3、卡尔费休法
4、水分活度AW的测定
下面我们分别讲述测定水分的方法。
一、常压干燥法
1、特点与原理
⑴特点:
此法应用最广泛,操作以及设备都简单,而且有相当高的精确度。
⑵原理:
食品中水分一般指在大气压下,100℃左右加热所失去的物质。
但实际上在此温度下所失去的是挥发性物质的总量,而不完全是水。
2、干燥法必须符合下列条件(对食品而言):
⑴水分是唯一挥发成分
这就是说在加热时只有水分挥发。
例如,样品中含酒精、香精油、芳香脂都不能用干燥法,这些都有挥发成分。
⑵水分挥发要完全
对于一些糖和果胶、明胶所形成冻胶中的结合水。
它们结合的很牢固,不宜排除,有时样品被烘焦以后,样品中结合水都不能除掉。
因此,采用常压干燥的水分,并不是食品中总的水分含量。
⑶食品中其它成分由于受热而引起的化学变化可以忽略不计。
例:
还原糖氨基化合物△→变色(美拉德反应)H2O↑
还有H2C4H4O6(酒石酸)2NaHCO3→NaC4H4O6(酒石酸钠)2H2O2CO2
发酵糖(NaHCO3KHC4H4O6)△→H2OCO2NaKC4H4O6
高糖高脂肪食品不适应
只看符合上面三点就可采用烘箱干燥法。
烘箱干燥法一般是在100~105℃下进行干燥。
我们讲的上面三点,应该是具体的具体分析,对于一个分析工作人员,或者是一个技术员,虽然干燥法必须符合三点要求,那么我们在只有烘箱的情况下,而且蓑红样品不见得符合以上讲的三点,难道就不测水分吗?
例如,啤酒厂要经常测啤酒花的水分,啤酒花中含有一部分易挥发的芳香油。
这一点不符合我们的第一点要求,如果用烘箱法烘,挥发物与水分同时失去,造成分析误差。
此外,啤酒花中的α—酸在烘干过程中,部分发生氧化等化学反应,这又造成分析上的误差,但是一般工厂还是用烘干法测定,他们一般采取低温长时间(80~85℃烘4小时),或者高温短时(105℃烘1小时)
所以应根据我们所在的环境和条件选择合适的操作条件,当然我们应该首先明白有没有挥发物和化学反应等所造成的误差。
3、烘箱干燥法的测定要点
⑴取样(称样)
在采样时要特别注意防止水分的变化,对有些食品例如奶粉、咖啡等很容易吸水,在称量时要迅速,否则越称越重。
⑵干燥条件的选择
三个因素:
①温度;
②压力(常压、真空)干燥;
③时间。
一般是温度对热不稳定的食品可采用70~10
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