Применение поляриметров VariPol, Polartronic V и UniPol V для анализа удельного вращения и идентификации фармацевтических субстанций

Показатель удельного вращения, занимающий в частных фармакопейных статьях всего одну строку с интервалом значений, считается одним из самых чувствительных рутинных испытаний в фармацевтической лаборатории. В пределах одной и той же серии испытаний на одном и том же приборе у двух аналитиков результаты могут расходиться более чем на единицу. Для получения воспроизводимых результатов исследований необходимо соблюдение ряда процедур, описанных в общей фармакопейной статье ОФС «Поляриметрия» ОФС.1.2.1.0018.15. В представленном материале рассмотрена методика удельного вращения со стороны практики, перечислены возможные источники погрешности и рекомендации по выбору поляриметра SCHMIDT + HAENSCH в зависимости от лабораторной задачи. 

Содержание:

1. Удельное вращение в фармацевтическом контроле
2. Цели нормирования удельного вращения
3. Нормативные требования к поляриметрическому методу

3.1. Российская фармакопея

3.2. Международные фармакопеи

3.3. Иерархия нормативных документов

3.4. Требования ОФС к прибору и процедуре измерения 

4. Источники погрешности при измерении удельного вращения
5. Какой поляриметр SCHMIDT + HAENSCH подходит под фармакопейную методику

5.1. Поляриметр VariPol 

5.2. Поляриметр Polartronic V 

5.3. Поляриметр UniPol V 

6. Чек-лист измерения удельного вращения
7. Распространенные вопросы
8. Заключение ​

Удельное вращение в фармацевтическом контроле

Явление оптической активности лежит в основе одного из наиболее востребованных методов фармацевтического анализа. Оптически активное вещество при прохождении через него плоскополяризованного света поворачивает плоскость поляризации. Направление вращения определяется пространственной конфигурацией молекул: при взгляде навстречу световому лучу поворот по часовой стрелке соответствует правовращающему веществу (знак «+»), поворот против часовой стрелки соответствует левовращающему веществу (знак «−»).

Сам угол, который показывает поляриметр, зависит от многих факторов: концентрации раствора, длины кюветы, длины волны, температуры и растворителя. Поэтому угол характеризует конкретное измерение, а не вещество как таковое. Чтобы получить константу вещества, угол приводят к единичной концентрации и единичной длине пути. Так получается удельное вращение (α).

В соответствии с действующей общей фармакопейной статьей ГФ РФ XV, формулы для расчета удельного вращения выглядят следующим образом:

• для вещества в растворе: [α]=100·α/(l·c), где α – измеренный угол в градусах при (20 ± 0,5) °C, l – длина кюветы в дециметрах, c – концентрация в граммах на 100 мл раствора;
• для жидкого вещества без растворителя: [α]=α/(l·ρ), где ρ – плотность в г/см³;
• для определения концентрации по известному удельному вращению: c=100·α/(l·[α]).

Приведение удельного вращения осуществляется без указания размерности, однако с обязательными условиями определения: растворитель и концентрация раствора, при которых получено значение. Данное требование имеет принципиальное значение, поскольку смена растворителя способна изменить не только величину, но и знак удельного вращения.​

Цели нормирования удельного вращения

Нормирование удельного вращения в фармацевтическом контроле обусловлено тремя аналитическими задачами, закрепленными в фармакопейной статье:

• Подлинность. Удельное вращение выступает одной из характеристик субстанции наряду со спектральными данными и температурой плавления. Значение, выходящее за пределы интервала, установленного частной фармакопейной статьей означает, что в работе не та субстанция или не та ее форма.
• Чистота. Энантиомеры (оптические изомеры, представляющие собой зеркальные отражения друг друга, несовместимые в пространстве) обладают равными по абсолютной величине, но противоположными по знаку углами вращения. Присутствие примеси второго энантиомера снижает наблюдаемое вращение, что позволяет количественно оценить оптическую чистоту. Данный подход лежит в основе фармакопейных испытаний на энантиомерную чистоту хиральных лекарственных субстанций.
• Концентрация. При наличии в растворе единственного оптически активного вещества угол вращения служит мерой его содержания. Расчетная формула применима исключительно в том интервале концентраций, где удельное вращение сохраняет постоянство. Выход за пределы диапазона приводит к погрешности определения.

Современные поляриметры реализуют полутеневой метод измерения, обеспечивающий высокую точность за счет уравнивания яркостей двух половин поля зрения . Оптическая схема включает монохроматический источник излучения (натриевая лампа, λ = 589,3 нм), поляризатор, кювету с исследуемым раствором, анализатор и систему регистрации . Точность современных автоматических приборов достигает ± 0,0002°.

​

Нормативные требования к поляриметрическому методу

Поляриметрический метод в различных фармакопейных системах регулируется общими фармакопейными статьями (ОФС), однако некоторые условия метода имеют ряд различий. Для лабораторий, работающих в рамках нескольких фармакопейных систем, такие несоответствия могут определять успешность переноса методик и сопоставимость данных.​

Российская фармакопея

Метод описан в общей фармакопейной статье ОФС.1.2.1.0018 «Оптическое вращение» ГФ РФ XV издания. Действующая статья пришла на смену ОФС.1.2.1.0018.15 «Поляриметрия» XIV издания. XV издание вступило в силу 1 сентября 2023 года. Переходный период для приведения нормативной документации в соответствие с новыми требованиями был установлен до 1 сентября 2026 года. Если в СОП лаборатории стоит ссылка на «Поляриметрию» ГФ XIV, ее следует обновить.​

Международные фармакопеи

В Европейской фармакопее метод изложен в Ph. Eur. 2.2.7 «Optical rotation». В Американской фармакопее изложен в USP ⟨781⟩ «Optical Rotation». Требования к методу в документах согласованы, однако раcходятся в двух позициях, и именно на этих расхождениях могут возникать ошибки при переносе методик.

Ph. Eur. 2.2.7 предписывает расчет удельного вращения, исходя из концентрации, выраженной в г/л, с множителем 1000 в формуле. ГФ XV и USP ⟨781⟩ используют г/100 мл с множителем 100. Второе существенное расхождение касается температуры по умолчанию: Ph. Eur. 2.2.7 и ГФ XV устанавливают температуру 20 °C, тогда как USP ⟨781⟩ устанавливает 25 °C. Следовательно при переходе с Ph. Eur. на ГФ или обратно требуется пересчитать концентрацию, иначе результат сместится в десять раз. Также, если лаборатория работает и по ГФ, и по USP , термостат прибора должен уверенно держать и 20, и 25 °C. ​

Иерархия нормативных документов

В фармакопейной системе частная фармакопейная статья (ЧФС) имеет приоритет над общей статьей. Если ЧФС на конкретную субстанцию устанавливает иной растворитель, иную длину волны, иную длину кюветы или иную температуру, работа ведется в соответствии с ней. Общая статья применяется в части, не урегулированной ЧФС. Это соотношение должно быть зафиксировано в документации по валидации и переносу методик с указанием, используются ли условия общей статьи или учитываются  отклонения, заданные частной статьей.​

Требования ОФС к прибору и процедуре измерения

ОФС.1.2.1.0018.15 предъявляет к поляриметру и ходу измерения следующие требования:

• точность определения угла не менее ± 0,02°;
• температура измерения 20 ± 0,5 °C;
• источник излучения 589,3 нм, кювета длиной 1,0 дм, система контроля температуры;
• проверка шкалы сертифицированными кварцевыми пластинами, линейность шкалы по растворам сахарозы;
• определение нулевой точки или поправки с кюветой, заполненной чистым растворителем, для жидких веществ с пустой кюветой;
• основное измерение повторяют не менее 3 раз, показания алгебраически складывают с поправкой;
• растворы измеряют в течение 30 минут с момента приготовления, раствор должен быть прозрачным;
• удельное вращение считают в пересчете на безводное вещество и (или) вещество, свободное от органических растворителей, как указано в частной статье.

Несоблюдение каждого из приведенных пунктов может спровоцировать расхождения между результатами разных аналитиков и между сериями.​

Источники погрешности при измерении удельного вращения

Требования ОФС.1.2.1.0018 к процедуре измерения умещаются в короткий список и кажутся простыми. Однако короткая последовательность операций включает цепочку факторов, способных в совокупности значительно сместить результат. Каждый из факторов, начиная стемпературы пробы и точности навески, заканчивая пересчетом на сухое вещество, вносит вклад в десятые доли единицы смещения. В сумме они определяют, уложится ли результат в фармакопейный интервал или выйдет за его пределы, будет ли результат воспроизводимым. Далее рассмотрим возможные источники погрешности, чаще всего встречающиеся в рутинной работе лаборатории, и разберем правила, позволяющие их контролировать и не допускать.

• Малый угол и точность прибора. Точность поляриметра и величина измеряемого угла связаны обратной зависимостью, которую редко учитывают при выборе оборудования. Фармакопейный допуск на погрешность угла измеряется в абсолютных градусах. Чем меньше угол, который дает методика, тем большую долю от измеряемой величины составляет эта погрешность и тем весомее ее вклад в итоговое удельное вращение. При малых углах приборная погрешность может достигать нескольких процентов от измеряемой величины. Следовательно, чем меньше угол, характерный для методики, тем выше требования к классу прибора. Прибор с запасом по точности оставляет больше ресурса интервала для других источников неопределенности и снижает риск брака хорошей серии в результате инструментальной погрешности.
• Температура пробы, а не помещения. Удельное вращение зависит от температуры, поэтому ГФ РФ XV задает окно 20 ± 0,5 °C. Раствор, только что доведенный до метки, кювета из шкафа и оптический блок прибора имеют разную температуру. Рабочее правило состоит в том, чтобы термостатировать саму пробу в кювете и измерять температуру внутри кюветы. Приборы с элементом Пельтье приводят пробу к заданной температуре и держат ее, а датчик в кювете позволяет подтвердить, что измерение шло в окне ОФС. Таким образом, измерение следует проводить после стабилизации, а не сразу после заливки. Отдельная ловушка сушествует для лабораторий, работающих по USP, где требованиями установлена температура 25 °C. Соответственно результат, полученный при 20 °C, для отчета по методике USP не подходит.
• Концентрация и пересчет на сухое вещество. Ошибка концентрации переходит в удельное вращение один к одному. Промах навески на 1 % дает сдвиг результата на 1 %. Чаще всего теряется пересчет на безводное вещество, поэтому значение воды или потери в массе при высушивании берут из той же серии и того же дня, а не из сертификата поставщика. Необходимо соблюдение следующих условий: навеска на аналитических весах, доведение до метки при температуре измерения, полное растворение без видимых частиц.
• Время после приготовления. ОФС требует измерить раствор в течение 30 минут с момента приготовления. За это время некоторые растворы успевают измениться: идет мутаротация у восстанавливающих сахаров, медленное растворение, гидролиз. Если частная статья для конкретного вещества предписывает выдержку или добавку, ускоряющую установление равновесия, исследование необходимо проводить согласно частной статье.
• Длина кюветы. Угол пропорционален длине пути. Базовая кювета по ГФ составляет 1,0 дм, то есть 100 мм. Кювета на 200 мм при той же концентрации дает вдвое больший угол (если забыть поставить в формулу l=2, результат удвоится). Короткие кюветы на 50 мм нужны, когда субстанции мало или раствор сильно поглощает. Их используют в случаях, когда частная статья допускает другую длину пути, или пересчитывают по формуле с фактическим l.
• Прозрачность и пузырьки. Мутный раствор рассеивает свет, в результате чего показания начинают плавать. ОФС требует прозрачности раствора, поэтому мутное фильтруют, а не измеряют в текущем состоянии. Пузырек воздуха в оптическом канале дает тот же эффект. Кювету заполняют без пузырьков, для вязких растворов удобны трубки с ловушкой для пузырьков, а у трубок с центральной заливной чашей воздух уходит в чашу.
• Грязная оптика. Налет на покровных стеклах кюветы дает медленный дрейф нуля, который легко принять за особенность субстанции. Покровные стекла и эластичные шайбы относятся к расходным материалам. Их следует заменить при царапинах и налете.
• Вращение и большие углы. Плоскость поляризации повторяет себя каждые 180°. Для прибора вращение на +100° и на −80° выглядят одинаково. Если методика дает угол вблизи ± 90° и больше, знак и величину проверяют разбавлением. При уменьшении концентрации вдвое истинный угол +100° станет +50°, а −80° станет −40°. Автоматические поляриметры с программным смещением квадранта позволяют работать в диапазоне до ± 360°, но при первой постановке методики проверка разбавлением обязательна.​

Какой поляриметр SCHMIDT + HAENSCH подходит под фармакопейную методику

Эффективность лабораторной работы в значительной степени зависит от правильно подобранного под конкретные задачи оборудования. Исправный и высококачественный прибор может стать причиной погрешностей в случае, если его возможности не соответствуют реальным требованиям. Такая несогласованность встречается, в том числе в поляриметрии. Если одной лаборатории достаточно быстро получать значение угла для входного контроля сырья, то другой необходимо работать в условиях строгого температурного контроля, выбирать длину волны и обеспечивать прослеживаемость данных. В третьей лаборатории могут быть важны чувствительность и широкий диапазон. Описанные задачи относятся к  измерению оптического вращения, но предъявляют к приборам разные требования. Далее представлено сопоставление трех наиболее востребованных моделей поляриметров производителя SCHMIDT + HAENSCH по параметрам, значимым для фармакопейной методики: точность угла, термостатирование, длина волн, работа с данными.​

Поляриметр VariPol 

VariPol занимает верхнюю позицию в линейке SCHMIDT + HAENSCH по степени интеграции в фармацевтический контроль качества, изначально спроектированный под требования фармакопейных лабораторий.

Поляриметр VariPol SCHMIDT + HAENSCH 

Длина камеры для образцов (кюветного отделения) поляриметра VariPol составляет 130 мм, что позволяет работать с измерительными поляриметрическими трубками длиной до 100 мм. Длина оптического пути в 1,0 дм задана в ГФ XV как базовая. Дополнительный запас в 30 мм оставляет место для трубок с воронкой, проточных трубок и трубок с интегрированным температурным датчиком. Материалы смачиваемых частей (стекло, нержавеющая сталь) закрывают коррозионно-активные растворители и агрессивные среды.

Даже младшая в линейке модель VariPol C с точностью ± 0,01° перекрывает фармакопейное требование ОФС (± 0,02°) с двукратным запасом. VariPol B с точностью ± 0,003° дает запас более чем шестикратный. Этот класс прибора имеет смысл рассматривать для методик с малым углом вращения, где приборная погрешность составляет заметную долю от измеряемой величины. Диапазон ± 89,9° с программным смещением квадранта позволяет работать и с большими углами. Термостатирование пробы является ключевым отличием VariPol от приборов, где температура лишь измеряется. Прибор оснащен встроенной системой Пельтье, которая термостатирует саму измерительную камеру. Система Пельтье меняет температуру на 10 °C за 30 секунд, само измерение после стабилизации занимает 6–8 секунд. 

Стандартная конфигурация длины волны VariPol  составляет 589 нм. Дополнительно доступны модули на 365, 405, 436, 546 нм. Прибор поддерживает одну или две фиксированные длины волны. Сменные волновые модули позволяют адаптировать прибор под частные статьи. VariPol соответствует 21 CFR Part 11.​

Поляриметр Polartronic V 

Высокоточный круговой поляриметр Polartronic V представляет собой полностью автоматический универсальный прибор. Polartronic V спроектирован для лабораторий, где поляриметр должен отвечать разным типам задач. Производитель позиционирует Polartronic V как прибор для сахарной промышленности, пищевых лабораторий и целлюлозно-бумажного производства. Фармацевтические задачи (тестирование хиральности, определение энантиомерного избытка) указаны как дополнительная область применения. 

Поляриметр Polartronic V CHMIDT + HAENSCH 

Длина кюветного отделения в поляриметре Polartronic V составляет 235 мм. Кюветное отделение рассчитано на использование поляриметрических трубок длиной до 200 мм включительно (также поддерживаются трубки длиной 10, 50 и 100 мм), что критично для методик с длинным оптическим путем. Точность ± 0,005° является важной характеристикой прибора.  Polartronic V перекрывает требование ОФС.1.2.1.0018 к точности угла (± 0,02°) четырехкратно . Для методик, где угол вращения мал и приборная погрешность составляет значимую долю интервала, такой запас имеет практическое значение. Диапазон ± 360° (в отличие от ± 89,9° у VariPol) позволяет работать с оптически плотными средами и большими углами вращения без разбавления или смещения квадранта . Это важно для сахарной промышленности, где °Z могут достигать сотен единиц.

Стандартная конфигурация включает одну или две фиксированные длины волны на 589 нм и 882 нм . Дополнительно доступны 405, 435, 546, 578, 633 нм. Длина волны 882 нм также является отличительной характеристикой прибора. Она предназначена для анализа темных, прежде всего сахарных растворов, где на длине волны 589 нм поглощение слишком велико. Скорость измерения составляет ≤ 4 секунды на всем диапазоне. Polartronic V измеряет температуру пробы, но не регулирует ее встроенной системой Пельтье. Это принципиальное отличие прибора от VariPol. Для обеспечения окна 20 ± 0,5 °C, требуемого ОФС, Polartronic V необходимы внешний термостат и термостатируемые трубки. Polartronic V соответствует 21 CFR Part 11. ​

Поляриметр UniPol V 

Поляриметр UniPol V представляет собой надежный прибор, отвечающий базовым задачам поляриметрического анализа. Производитель позиционирует UniPol V как инструмент для пищевой промышленности, где нужен быстрый и надежный результат без сложной конфигурации. Не является фармакопейным поляриметром, но при правильной комплектации (термостатируемые трубки, внешний термостат) способен выполнять определенные фармакопейные измерения. Для фармацевтической лаборатории не считается выбором первой линии, но для выполнения ряда задач использования UniPol V может быть достаточно.

Поляриметр UniPol V CHMIDT + HAENSCH

Длина кюветного отделения в поляриметре UniPol V составляет 235 мм, что позволяет использовать трубки длиной до 200 мм. Материалы трубок: стекло, нержавеющая сталь, кислотостойкая сталь.

Точность прибора составляет ± 0,01°, что укладывается в требование ОФС. Прибор измеряет температуру пробы с помощью NTC-датчика, встроенного непосредственно в поляриметрическую трубку. Программное обеспечение автоматически корректирует длину трубки в зависимости от измеренной температуры. Термостатирование осуществляется внешним циркуляционным термостатом. Для работы в окне 20 ± 0,5 °C, требуемом ОФС, дополнительно необходимы внешний термостат, термостатируемые поляриметрические трубки, циркуляция теплоносителя через рубашку трубки. Без этого контура прибор проводит измерение при температуре окружающей среды, что допустимо для входного контроля сырья с более широким температурным диапазоном. Опционально доступны трубки со встроенным элементом Пельтье, которые позволяют регулировать температуру без внешнего водяного контура. Стандартная конфигурация длины волны составляет 589 нм. Опционально доступна 882 нм для анализа темных растворов. Другие длины волн (405, 435, 546, 578 нм) доступны по запросу. UniPol V соответствует 21 CFR Part 11.​

Чек-лист измерения удельного вращения

Воспроизводимость результата в поляриметрии определяется не только точностью прибора, но и дисциплиной выполнения методики. Решающее значение имеет последовательность и точность операций, которые аналитик выполняет каждый раз заново. Далее приводим сжатый чек-лист этапов измерения, составленный по требованиям ОФС.1.2.1.0018.

1. Выпишите из частной статьи растворитель, концентрацию, температуру, длину волны, длину кюветы и требование к пересчету на сухое вещество.
2. Проверьте, по какой фармакопее методика: ГФ и Ph. Eur. по умолчанию 20 °C, USP 25 °C. Сверьте единицы концентрации в формуле.
3. Проверьте прибор по кварцевой пластине и запишите результат.
4. Приготовьте раствор точной навеской, доведите до метки при температуре измерения. Отметьте время приготовления.
5. Если раствор мутный, отфильтруйте.
6. Установите нулевую точку по чистому растворителю в той же кювете.
7. Заполните кювету без пузырьков, дождитесь стабилизации температуры пробы в окне 20 ± 0,5 °C.
8. Проведите не менее трех измерений и уложитесь в 30 минут от приготовления, если частная статья не говорит иначе.
9. Рассчитайте удельное вращение с учетом воды или потери в массе при высушивании той же серии.
10. Сохраните результат в системе прибора с автором, временем и условиями, без ручного переписывания.​

Распространенные вопросы 

Чем угол вращения отличается от удельного вращения?

• Угол показывает прибор для конкретного раствора в конкретной кювете. Удельное вращение получается из угла пересчетом на концентрацию и длину кюветы и характеризует само вещество в заданном растворителе.

Какая длина кюветы нужна?

• Согласно ГФ XV базовая длина составляет 1,0 дм, то есть 100 мм. Другую длину используют в случае если ее задает частная статья. Тогда подставляют в формулу фактическое значение l.

Сколько раз повторять измерение?

• Не менее трех раз после установки нулевой точки, согласно требованию ОФС.1.2.1.0018.

Нужна ли кварцевая пластина, если прибор поверен?

• Да. Поверка подтверждает состояние прибора на дату поверки, а пластина показывает его актуальное состояние на текущий момент. Журнал проверок по пластине позволяет заметить дрейф до того, как он скажется на результатах.

Подойдет ли поляриметр с автоматической температурной компенсацией вместо термостатирования?

• Нет, автоматическая температурная компенсация не является полноценной заменой термостатированию. Термостатирование физически поддерживает температуру образца, а компенсация только математически корректирует результат измерения.​

Заключение

Анализ удельного вращения, простой по формуле и требовательный в исполнении, определяется строгим соблюдением условий, среди которых: температура пробы, точная концентрация с пересчетом на сухое вещество, правильная длина кюветы и класс прибора. Решающее значение также имеет дисциплина: прозрачный раствор без пузырьков, чистая оптика, три измерения в пределах 30 минут, контроль по кварцевой пластине и данные, которые не переписываются руками.

Три поляриметра SCHMIDT + HAENSCH закрывают разные задачи, и выбор между ними определяется рабой, для которой будет использовано оборудование. Поляриметр VariPol представляет собой фармакопейный инструмент с встроенным термостатированием Пельтье. Поляриметр Polartronic V является универсальным инструментом для широкого спектра лабораторных задач. Поляриметр UniPol V эффективен для решения базовых задач пищевой промышленности и входного контроля сырья.

Глювекс предлагает своим клиентам широкий выбор оборудования SCHMIDT + HAENSCH, представленный в каталоге в разделе производителя на сайте.

Для заказа оборудования и расходных материалов SCHMIDT + HAENSCH оставьте заявку по адресу sales@gluvex.com или свяжитесь с нами по телефону 8 (495) 291-39-19.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы быть в курсе новостей сервисного центра Глювекс и новых поступлений на склад, полезных и интересных публикаций на тему лабораторного оборудования и расходных материалов.