好的方法对效率的提高有时候是成几何级数上升的,药物分析学也有自身的特点,不妨先学习一下方法再来学习知识。
药物分析化学科学研究的思路和方法
药物分析化学的研究对象
药物分析化学(pharmaceutical analytical chemistry)是分析化学在药学中的应用。
药物分析化学是研究药物化学组成的分析方法及有关理论的一门科学,是分析化学的一个重要分支。它的任务主要有三方面:鉴定药物的化学组成(或成分)、测定药物各组分的相对含量及确定药物的化学结构。因为药物分析化学能够培养学生观察判断问题的能力和精密地进行科学实验的技能,在药学教育中,各门专业课都要应用药物分析化学的理论和方法,以解决该门学科中的某些问题。例如,药物化学中的原料、中间体及成品分析,理化性质与化学结构关系的探索;药剂学中制剂的稳定性及生物利用度的测定;天然药物化学中天然药物有效成分的分离、定性鉴别及化学结构测定;药理学中药物分子的理化性质与药理作用、药效的关系及药物代谢动力学研究等,无不与药物分析化学研究有着密切的关系。
按照不同的分类方法,可将药物分析化学方法归属于不同的类别。按分析任务(或目的)分类,分为定性分析、定量分析与结构分析;按照分析对象分类,分为无机分析和有机分析;按照分析方法的原理分类,分为化学分析和仪器分析。
(一)结构分析、定性分析与定量分析
药物结构分析的任务是研究药物的分子结构或晶体结构;定性分析的任务是鉴定试样由哪些元素、离子、基团或化合物组成以及药物的真伪;测定试样中某组分的含量,则是定量分析的任务,在试样的成分已知时,可以直接进行定量分析,否则,需先进行定性分析,而后进行定量分析。对于新发现的化合物,需首先进行结构分析,以确定分子结构。
(二)无机分析与有机分析
无机分析的对象是无机药物,由于组成无机药物的元素多种多样,因此在无机分析中要求鉴定试样是由哪些元素、离子、原子团或化合物组成,以及各组分的相对含量。这些内容分属于无机定性及无机定量分析。有机分析的对象是有机药物,虽然组成有机药物的元素并不多(碳、氢、氧、氮、硫等),但化学结构却很复杂,不仅需要鉴定组成元素,更重要的是进行官能团分析及结构分析。同理,也可分为有机药物的定性与定量分析。
(三)化学分析与仪器分析
化学分析法是以药物的化学反应为基础的分析方法。被分析的药物称为试样(或样品),与试样起反应的物质称为试剂。试剂与试样所发生的化学变化称为分析化学反应。根据定性分析反应的现象和特征鉴定药物的化学组成;根据定量分析反应中试样和试剂的用量,可测定药物组成中各组分的相对含量。前者属于化学定性分析,后者为化学定量分析。化学定量分析又分为重量分析与滴定分析(或容量分析)。重量分析和滴定分析是化学定量分析法的两个组成部分,由于这两种方法最早用于定量分析,故称这些方法为经典分析方法。化学分析法所用仪器简单,结果准确,因而应用范围广泛。但也有一定的局限性,例如对于试样中痕量或微量杂质的定性或定量分析往往不够灵敏,常常不能满足快速分析的要求,而需用仪器分析方法来解决。
仪器分析根据被测药物的某种物理性质(如相对密度、相对温度、折射率、旋光度、及光谱特征等)与组分的关系,不经化学反应直接进行定性或定量分析的方法,叫做物理分析(physical analysis),如光谱分析等。根据被测药物在化学变化中的某种物理性质与组分之间的关系,进行定性或定量分析的方法叫做物理化学分析(physical-chemical analysis),如电位分析法等。由于进行物理和物理化学分析时,大都需要精密仪器,故这类分析方法又称为仪器分析法(instrumental analysis)。仪器分析是灵敏、快速、准确的分析方法,仪器分析法主要包括电化学分析、光学分析、质谱分析、色谱分析、放射化学分析及流动注射分析等,发展很快,应用很广。@
目前药物分析化学研究焦点:复杂介质中的微量(痕量)药物成分分析
其主要特点:1.复杂介质。即所研究的药物成分不是处于纯净状态,而是处在复杂的混合体系中。比如各种药物制剂(包括复方制剂)、天然药物(包括中成药)、生化药物和体液中的药物等。2.所研究药物成分的量是微量(痕量)的。
在药物分析化学中,根据试样用量的多少,分析方法可分为常量分析、半微量分析、微量分析和超微量分析。各种方法所需试样量列于表l-1。
表1-1各种分析方法的取样量。
方法试样重量试液体积
常量分析>0.1g>10ml
半微量分析 0.1~ 0.01g 10~1m1
微量分析 l0~ 0.1mg 1~ 0.01m1
超微量分析<0.1mg <0.01ml
在无机定性分析中,多采用半微量分析方法;在药物定量化学分析中,一般采用常量分析方法。进行微量分析及超微量分析时,多需采用仪器分析方法。还需指出,根据试样被测组分的百分含量,可粗略地分为常量组分(>1%)、微量组分(0.01~1%)及痕量组分(<0.01%)。这些组分的分析又分别称为常量组分分析、微量组分分析及痕量(组分)分析。这种分类法与按取样量分类法的角度不同,两种概念不可混淆;采用哪种取样量的分析方法,应考虑组分的含量,但两者并不存在直接对应关系。
痕量组分的含量还常用ppm(parts permillion;10-6 W/W或v/v.百万分率)、ppb(parts perbillion;10-9 W/W 或V/V;十亿分率)及ppt(parts pertrillion;10-12 W/W或V/V;万亿分率)表示。它们是百分含量的一种表示方法,与重量单位ug(10-6g)、ng (10-9g)及pg(10-12g)不同。
随着现代科学的不断发展,分析样品正变得越来越复杂,分析任务也变得越来越艰巨。进入21世纪,人们将逐渐告别单一组成的分析,越采越多地面临复杂样品的分离分析,“组成一结构一功能”将是人们关心的焦点,复杂样品将是摆在人们面前的分析难题.
复杂样品是指组分种类多、含量差别大、已知信息少,几乎为一黑箱的复杂混合物。这样的样品在生物、环境、材料中占大多数.例如中药提取物或环境污染物,来源于自然界,常常含有从无机到有机、从离子性、强极性到非极性、从小分子到大分子、从位置异构体到对映体、从常量到痕量的上百种成分,而且这些成分大都是未知的,即使是曾被发现的成分,也很难获得纯品或对照品,与大量未知物混于一体,无异于未知化合物。
复杂样品的分析,首先需要弄清组成这一样品体系的各种组成及其比例关系,了解组成这一体系的基本组分分布,在此基础上,还需对每一组成进行详细了解,如结构确定,为最终阐明组成一结构一功能提供依据(或根据组成一功能关系,先确定有效组成,再确定这些有效组成的结构).因此,对复杂样品的分离分析,可按三个层次进行研究:(1)利用高效色谱进行复杂混合物的系统分离分析,获得基本组成色谱峰及其比例关系:(2)混合物组成成分的结构鉴定,这包括离线各种光谱、质谱的综合鉴定及色谱和各种技术的在线联用,尤其是联用技术不仅可以进行快速鉴定,而且由于减少了处理步骤,避免了处理过程造成的组分损失,因此具有更高的定量可靠性,对含量少的组分也可以进行定性(这些含量少的组分是比较难于得到纯品的);(3)尽管高效色谱和各种光谱、质谱的联用技术可以极大地促进复杂混合物的分析,但应该看到联用技术一般要求色谱能分离获得纯色谱峰,才能较好地获得其光谱、质谱,进行较好的分析.由于样品组分复杂,在实际分离中即使采用多柱系统在最优化条件下,仍会有大量的不同程度重叠峰,因此,利用先进的算法和计算机,结合色谱和各种光谱、质谱规律,进行多维分析信号与信息的综合处理,解决重叠峰的解析和定性、定量,最终完成复杂样品的分析任务,
分析化学的研究热点也就是药物分析化学的研究热点
20世纪以来,由于现代科学技术的发展,相邻学科间的相互渗透,分析化学的发展经历了三次巨大变革。第三次变革是由70年代末至今,分析化学吸收了当代科学技术的最新成就,利用物质一切可以利用的性质,建立分析化学的新方法与新技术。当前分析化学有七个活跃的领域(热点):生物分析与生命科学、光谱分析、电化学分析、色谱分析、质谱及联用技术、流动注射分析法等,是分析化学的前沿或最重要组成部分。在第三次变革中,特别值得指出的是计算机技术、化学计量学、激光技术及联用技术等,对分析化学的发展起了巨大的推动作用。计算机广泛用于分析仪器,已成为分析仪器的重要组成部分,不仅为实现仪器的自动化提供了条件,而且为向智能化发展提供了基础。具有专家系统的智能色谱仪及具有光谱解析功能的智能光谱仪商品已经问世,使实验条件的优化及分析数据的处理或分析结果的解析速度,大为提高、正确率增加。化学计量学(chemometrics)是一门新兴的科学,它应用数学来选择最优的测量程序和实验方法,并通过解析化学数据而获得最大限度的信息。在分析化学领域里,化学计量学是用数学和统计方法、最佳方式获得关于物质系统的有关信息。随着人们广泛深入的探讨,它的研究内容不断充实与扩大。目前它的研究内容包括:分析信息理论、采样理论、分析试验设计、误差理论、分析仪器讯号的变换与解析、化学数据库与专家系统等内容。从其研究内容,可见化学计量学对分析化学发展的重要性,计算机对分析仪器发展的贡献,也应并入化学计量学的范畴。联用技术是指两种分析技术联用,取长补短,互相补充,解决复杂成分样品的分析问题。目前常见的有:色谱-光谱联用、色谱-质谱联用及色谱-色谱联用(二维色谱)。以色谱-光谱(质谱)联用为例,色谱作为分离手段,光谱(质谱)充当鉴定工具,各用其长,是当今复杂混合物各组分定性、定量分析的最有力方法。现代分析化学已经突破了纯化学领域,它将化学与数学、物理学、计算机学、生物学及精密仪器制造科学紧密结合起来,发展成为一门多学科性的综合性边缘科学。从二十世纪70年代末到现在,以计算机应用为主要标志的信息时代来临,分析化学已经发展到分析科学阶段.
第二节药物分析化学的研究思路
一、课题方向选择
根据“药物分析化学”性质和任务的规定,药物分析化学主要有两个大的科研课题方向。
(一)方法学研究
在药物分析化学中目前用到的任何一种分析方法(包括经典分析方法和现代分析方法),从严格意义上说,都处于它自身发生、发展的变化过程中;现代科学特别是与这些方法相关的现代科学的发展,为这些方法向更科学,更完善、更先进的方向发展,提供了广阔的空间;广大药学工作者,在其生产和科学实验的伟大实践中,经常会感受到现有方法在面临更为复杂问题时存在的缺陷,迫切需要改进、提高甚至希望有新的分析方法。
在很多传统的药物分析工作者眼里,分析方法的改进、提高甚至提出新的分析方法,不是他们的任务,或者说这是高不可攀,是他们没有办法做的事,其实不然。任何一种原始创新,从根本上说,其源动力均来自现实需要,因此药物分析工作者是药物分析方法学研究的主体。如何从“需要”出发,从“可能”着手,研究改进、提高现有分析方法甚至提出新的分析方法,就成为药物分析化学重要而最具创新潜力的科研课题方向。
(二)应用研究
药物分析化学的“应用研究”是指应用现有的药物分析方法研究药物在生产、流通、使用过程中(体内和体外、动态和静态、在线和离线、有损和无损),数量和质量的变化,为临床药物是否合理、有效、稳定、可控提供信息保证。
由于待检药物组分及其存在环境的多样性、复杂性和可持续发展性,决定了“应用研究”是药物分析化学永恒的科研课题方向。其中有如何应用法定方法控制特定药物质量的问题;有为了控制特定药物质量,如何选择最佳分析方法的课题;更有在条件许可的情况下,追求采用最先进的分析仪器和技术解决特定药物质量控制的问题。
二、科学性、先进性、可行性论证
从上述科研课题方向中具体选择研究课题时,首先要明确课题意义,明确它对促进人类进步,科学技术发展,促进国民经济或国防建设的意义。在这基础上,要进行科学性、先进性、可行性论证。一般认为“科学性”是前提,反科学、伪科学的所谓“研究”当然在禁止之列;科学性不强的课题也是不应该做的。“先进性”是体现课题水平的标志,低水平重复的研究不值得做;模仿性的研究不提倡做。“可行性”是对研究课题前景的预测以及对课题成果执着追求的信心所在。实际上,这三条是同等重要的,不符合其中任何一条,其结果要么毫无意义,要么不可能成功。多数科研工作者往往有意无意的对“可行性”重视不够,故耗费了人力物力,难以得到预期的结果。
三、创新是科学研究的生命;要有为探索真理而忘我的精神
真正有意义的科学研究应该具有“创新性”。不同的课题,创新性有大有小,应该允许;没有创新性的课题应该摒弃。近年来,国家一再强调“科技创新”,就是强调要用有限人力物力,去争取具有自主知识产权的、具有原始创新性的科研成果,以增强我国的综合国力和国际地位,实现“科技是第一生产力”的真正含义。所以,在从事任何科学研究时,怎么强调“创新性”也不过分。正是从这个意义上可以说,创新是科学研究的生命。
从事“创新性”的科学研究是一件十分艰苦的工作。因为是“创新”,没有前人的研究成果可供直接借鉴;因为是“创新”,失败的几率往往大得让人沮丧;因为是“创新”,往往会备受自感“山穷水尽”和自感“柳暗花明”反反复复的煎熬。要耐得住寂寞,要有为探索真理而忘我的精神。只有那些能在探索真理的艰苦道路上体味出无穷乐趣的人,“只有那些在崎岖的小路上不断攀登的人,才有希望达到光辉的顶点”。
四、文献研读
“文献研读”是一个知识传递过程。由于著作者与读者在文字表达能力、阅读理解能力、语言识别能力等环节存在巨大差异,中间有个“误差传递”问题,将直接影响文献研读的质量,而文献研读的质量在某种程度上决定了课题研究的质量。所以要特别注意这里的关键词“研读”两字。
第三节药物分析学科研方法思考例
一、跟踪国内外先进的技术
(一)样品预处理的方法学研究
样品预处理的准确度、精确度直接影响着整个色谱分析的结果,但现在预处理技术却远远落后于色谱技术。常用预处理方法无法高效地实现净化、浓缩、预分离,且存在步骤繁多费时、溶剂污染等缺点。近期发展的几种预处理新技术,包括固相微萃取、液相萃取(液液萃取中的支持液膜萃取、电萃取、逆流分配,浓固萃取中的加速溶剂萃取、微波辅助溶剂萃取、自动索氏萃取)和膜萃取(吸着剂界面)技术。预处理技术的趋势是发展少(不)用有机溶剂、简单快速的方法,能够尽量集采样、萃取、净化、浓缩、预分离于一身。
色谱技术日新月异,除了新的色谱方法如高效毛细管电泳、超临界流体色谱等不断涌现,传统方法如高效液相色谱、气相色谱等也在多种方法联用(色谱�色谱、色谱�光谱)、自动化、智能化等方向上有新的进展。分析方法中对灵敏度、选择性和速度要求的不断提高,也促使样品预处理技术跟上步伐,因为它的准确度、精确度将直接影响分析结果。但是色谱分析预处理技术却远远地落在了后面,常用的有机溶剂萃取方法很难同时高效地完成净化、浓缩(尤其对痕量组分)、预分离的任务,而且通常步骤繁多费时(引起待测物损失、引入多步误差)、溶剂昂贵(损害操作者健康、污染环境)、较难自动化(无法完成大批样品快速分析)。很多分析工作者已经在这一领域内做了大量工作,而且将大有可为。
(二)定性、定量方法学的研究
分离分析:HPLC-DVD、GC-MS、LC-MS、SFC、HPCE
不分离分析:利用专属性强的化学反应、物理(物理化学)特性以及化学计量学的分析方法。
二、现有分析方法的改革创新
容量分析的自动化
褶合光谱分析法
色谱标准化的薄层扫描法
三、参与药学重大科研项目(应用创新)
新药研究(中药现代化、化学药物和生化药物新药研究)
临床药学(临床药物监测、临床毒物检测)
参考文献
[1]汪尔康主编,21世纪的分析化学,科学出版社,1999.
[2]孙毓庆主编,分析化学,人民卫生出版社,1999.
[3]吴玉田等,褶合曲线分析法的理论和实践,药物分析杂志,1995.(增刊)
[4]陆峰等,色谱分析前处理新技术 1999