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化学试剂水分测量方法研究进展

化学试剂中的水分大体上分为游离水 (吸咐水) 、结合水和结晶水。水分影响化学试剂的质量、保存期限、化学稳定性和活性[1]。水分含量的测定是化学试剂纯度测定的重要环节之一。对药品来说, 水分含量对一些药物活性成分的效用有重要的影响[2]。水分超过一定量时对某些药品是有害的, 必须把它除去;而某些药品中一定水分的存在, 对其生理活性起很大的作用, 必须把它保存下来[3]。从制药工艺来看, 药物活性成分和辅料中的水分是一个关键的工艺参数, 影响药品制造的多个工艺流程, 如造粒、运输、压实、干燥等[1]。因此包括药品在内的化学试剂工业, 需要准确、快速和方便的水分测量技术。

目前, 常见的化学试剂水分测定方法有干燥失重法、卡尔·费休滴定法、甲苯法和气相色谱法4种方法[4,5]。其中卡尔·费休滴定法和干燥失重法是最为常用的两种方法[6,7]。另外水分的测量方法有近红外光谱法和微波吸收法等。本文针对不同水分测量方法的原理、优缺点、应用及其研究进展进行简要综述。

1 卡尔·费休滴定法

卡尔费休分测定仪的基本原理是基于在非水溶剂体系下, 碘、二氧化硫和水按照1∶1∶1的化学计量比反应, 如下所示。

 

总反应式:

 

卡尔·费休滴定法包括库仑法和容量法两种方法。库仑法是通过阳极电解反应生成碘分子参与卡尔·费休反应;根据法拉第定律通过电量计算总碘量, 从而得到水分含量。容量法滴加已知浓度的碘溶液参与卡尔·费休反应, 根据碘溶液的浓度和体积计算总碘量, 从而得到水分含量。

1.1 卡尔·费休库仑法

卡尔·费休库仑法的电极反应如下[9]:

阳极:

阴极:

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在卡尔·费休反应中, 消耗的水和碘的物质的量之比为1∶1。依据法拉第电解定律可知:

 

式中:W是样品中所含水的质量, g;M是水的物质的量, 18 g/mol;Q是电解电量, C;F是法拉第常数, 96 485 C/mol;n是电子转移个数, n=2。

库仑法使用的电解电极分为有隔膜电极和无隔膜电极。电极隔膜将电解池分为阳极反应区和阴极反应区。库仑法卡氏试剂的主要组成是二氧化硫、碘离子、甲醇、有机碱 (通常为咪唑或吡啶) 以及有机溶剂。库仑法是一种直接测量方法, 即仪器可以不用校准, 根据电解电量直接计算样品水分含量。库仑法的主要优势是:可以不用校准;测量结果重复性好[11], 相对标准偏差可达0.2%;测量结果准确度高;适合检测含水量在0.01~10 mg范围内的样品;检测限低, 可达1μg。

姚斐报道[12]用库仑法测定样品中微量水分, 通过减少样品量、缩短滴定前搅拌时间、及时更换溶剂、优化仪器参数及减少副反应的影响, 可以得到较满意的结果。宋士涛等[11]报道, 用库仑滴定法测定样品中微量水分, 测量结果仅为27.4μg/g, 相对标准偏差为0.72%, 重复性良好。

1.2 卡尔·费休容量法

卡尔·费休容量法的计算公式如下:

 

式中, T是滴定剂的滴定度, g/L;m1是水分标样的质量, g;c是水分标样的水分含量;V1是标定时滴定剂的体积, L;x是样品水分含量;V2是测量时滴定剂的体积, L;m2是样品质量, g。

容量法卡尔·费休试剂分为单组分试剂和双组份试剂。单组分试剂将必需的化学成分集中在一个体系中 (滴定剂) , 溶剂则用于溶解样品。双组份试剂将必需的化学成分分配到两个体系中 (滴定剂和溶剂) 。这样就使试剂的保质期变长, 并且使滴定的反应速度加快。容量法适合于检测含水量在 (1~100 mg) 范围内的样品水分含量。容量法的主要优点是:水分测量范围宽;测量结果重复性较好, 相对标准偏差可达0.3%;测量结果准确性好。主要缺点是:滴定剂的滴定度需要经常用纯水或水分标准物质校准。

高占友等[13]报道用卡尔·费休容量法测烟酰胺中的水分, 结果表明水分回收率相对误差小, 准确度好。石占崇等[14]报道卡尔·费休容量法测定吗啉产品中水分, 取样量为2 g, 经统计两次平行测定结果之差≤0.02%。秦剑波等[15]报道卡尔·费休容量法测定利塞膦酸钠的水分, 简便, 快速, 准确性好。

1.3 卡尔·费休滴定法的主要问题

用卡尔·费休法测量微量水分时, 特别是采用直接进样方法时, 容易受到环境湿气的干扰。所用仪器应干燥, 操作宜在干燥处进行, 减少空气中水分的侵入[4]。由于卡尔·费休试剂本身极易与水反应, 因此该试剂在存贮和使用过程中要严格防水[16]。值得注意的是被测样品中的水分含量受样品本身的吸湿性和实验室环境的相对湿度影响很大[17]

用卡尔·费休法测量固体化学试剂水分时, 需要考虑样品的溶解性。如果采取直接进样, 针对一些特殊的样品 (不溶的粘性物质或者是难溶物) , 使用较多氯仿、二甲苯增溶, 并使用容量法来测量。

使用卡尔·费休法测量化学试剂水分时, 还需要考虑样品的化学特性, 是否会发生副反应;如果发生副反应, 应选用合适的试剂, 辅助试剂来抑制这种副反应。一些氧化剂, 如铬酸盐, 还原剂, 如硫代硫酸盐, 以及能与试液生成水的化合物, 如碱性氧化物或含氧弱酸盐等, 由于氧化还原反应或酸碱中和反应干扰测定。含有醛、酮的化合物能与试剂中的甲醇反应, 形成缩醛和水, 使测定结果偏高, 用乙二醇单甲醚代替甲醇可抑制缩醛反应[19], 但并不能完全避免。国家标准 (GB/T606化学试剂水分测量) 中明确规定, 含有活泼羰基的样品水分测定应使用乙二醇甲醚配制的卡尔·费休试剂[21]。杨铁金等[22]报道, 用由1, 2-丙二醇碳酸酯和试剂M (二乙二醇醚类物质) 制成的复合溶剂, 性质稳定、反应快速、结果准确、重复性好, 是一种适于测定醛类样品的卡尔·费休试剂。当滴定液中硫酸的浓度高于0.05%时可能产生逆反应, 影响测定结果[23]。滴定过程中要注意滴定液中有足够的甲醇和有机碱, 保证碘和水分子的化学计量比不变。测量有机酸时, 由于酸与甲醇易发生酯化反应, 应快速滴定并使用等物质量的甲醇与吡啶为溶剂[23]。应注意的是, 甲醇的溶解性能虽好, 但副反应较多, 稳定性差, 以甲醇作为溶剂的卡尔·费休试剂的水当量下降率每月为22%[24], 所以在试剂使用一段时间后应及时更换。

为了应对上述环境干扰、溶解性以及副反应的问题, 可以根据样品的特点采用加热蒸发进样或共沸蒸馏进样, 消除系统误差, 提高测量结果准确性[5]

另外, 卡尔·费休滴定过程中, 滴定池中的溶液量大体相同, 磁力搅拌器的速度要保持一致, 这样才能得到较好的测定精度[23]

1。4 卡尔·费休滴定法的校准

容量法需要用已知水分含量的水分标准物质或者纯水来校准滴定剂的滴定度, 即每单位体积滴定剂对应多少质量的水。纯水校准简便快速, 但是当水质量较小时, 质量不易称准, 重复性和准确性较差。一些标准推荐使用二水合酒石酸钠, 水分含量约为15.66%;但由于固体样品进样需要打开滴定池, 吸收环境湿气造成干扰, 另外二水合酒石酸钠溶解性较差, 校准结果不理想。液体水分标准物质由水的有机溶液构成, 水分含量分布范围宽 (0.01%到4.76%) , 进样方便, 可用于容量法的校准以及方法验证[5]。液体水分标准物质通常用库仑法和容量法联合定值, 量值溯源到纯水质量的国际单位 (SI单位) 上, 其证书给出水分的认定值及其不确定度。容量法测量样品水分结果的不确定度, 既要考虑测量结果重复性引入的A类不确定度, 也要考虑包括校准用标准物质不确定度在内的B类不确定度。

通常认为库仑法是直接测量方法, 不需要校准。但是滴定过程存在其他副反应, 例如Bunsen反应, 即水和碘分子按照化学计量比2∶1反应, 使得测量结果偏低;阳极电解出的碘分子, 可能与阴极直接反应, 造成碘的过多消耗, 使测量结果偏高, 特别是使用无隔膜电极时此副反应更显著[25];电极电解效率<100%等。因此, 为了更准确的测量样品中水分含量, 库仑法也需要用水分标准物质校准, 消除上述副反应引入的系统误差。

2 干燥失重法

干燥失重法是常见的水分测量方法, 包括经典的干燥失重法、热重分析法和便携式快速干燥失重法。

2。1 经典干燥失重法

该法测量常压或减压的条件下经干燥后所减少的质量, 失重部分除有极小量的有机溶剂外主要是水分。取样时, 应注意要混合均匀, 如为较大的结晶, 应捣碎成粒径较小的颗粒;一般均在105℃干燥恒重;由减少的质量和取样质量计算所测样品的干燥失重, 即水分[4]。被测样品称重之后置于烘箱内干燥, 干燥后取出, 于干燥器中冷却, 然后称质量。若被测样品未达规定的干燥温度即熔化时, 一般先将所测样品在低于熔点5~10℃的温度下干燥至大部分水分除去后, 再按规定条件干燥。干燥器中常用的干燥剂为五氧化二磷、无水氯化钙或硅胶;恒温减压干燥器中常用的干燥剂为五氧化二磷。干燥剂应及时更换[4]

干燥失重法能够准确测定大部分化学试剂的水分含量, 但当样品中含有结晶水, 尤其是当结晶水与药物分子结合紧密时, 测定的结果往往不是样品中水的总量, 而只是吸附水[7]。其优点是对设备要求不严;缺点是费时、费力、综合费用高, 尤其对于含水量较小的样品, 所需样品量大, 且检测结果并不精确可靠。高温下烘干可能导致物质的分解, 造成水分含量偏高。另一方面, 在温度不够高的情况下烘干, 有可能导致样品中的部分水分没有被检测到。由于这两种效应的彼此冲突, 可能找不到适当的加热温度, 来对样品进行干燥。另外, 干燥时间对样品的水分含量也有一定的影响, 加热时间过长不仅对水分检测完整性有影响还能造成分解反应[26]

2。2 热重分析法

热重分析法是在程序控制温度下, 测量物质重量与温度关系的一种技术。该方法优点在于所需样品的量较小, 分析时间较短, 数据处理更方便, 获得的信息量大;但当结晶水与化合物分子结合紧密时, 结晶水在化合物分解时才释放, 此时的测定结果易造成样品中不含结晶水的假象[7]。在热重曲线上我们可根据在同温度上失重量的大小或在同一失重量时对应的温度高低来衡量和比较物质的热稳定性[3]

Redman-Furey等[27]报道, 利用热重分析法来鉴别化合物中水的结合形态 (游离水、结合水和结晶水) 。结晶水在化合物中可以按照化学计量来计算, 并且在一定的湿度下是稳定不变的。而化合物的游离水和结合水含量取决于相对湿度且没有化学计量可以遵循。同结晶水相比, 结合水容易流失, 能量也很低, 在加热的初期水分就开始丢失。相比较而言, 结晶水在达到一定的温度下才开始脱水, 原因在于晶格遭到破坏所致[27]。与经典干燥失重法一样, 热重法也受易挥发性成分含量的影响, 例如样品中残留的有机溶剂。热重分析仪可与其他分析仪器联用, 拓展了其在化学试剂分析中的应用[28]

2.3 便携式干燥失重法

随着现代工业的发展, 便携式的干燥失重法水分仪越来越受到科技工作者的推崇, 在不影响测量精度的前提下, 使操作更加灵活、简单, 测量更加准确。加热方式多样, 例如, 红外陶瓷加热器和石英加热器的组合, 红外陶瓷加热器能够温和加热整个样品表面, 尤其适合测量对温度敏感的样品;而石英加热器则能缩短加热时间;还有微波加热器, 使得测量过程缩短至几分钟。

总体来看, 干燥失重方法测量过程简单, 测量结果重复性较好;其主要缺点是易挥发成分造成的系统误差, 以及样品热稳定性的影响。

3 气相色谱法

气相色谱仪的基本原理是将样品汽化后, 以惰性气体为流动相, 利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离以及定量检测[29]。气相色谱法测量化学试剂水分时, 通常需要把样品溶解在溶剂中进样;通常使用3 mm直径, 2~3 m长的不锈钢柱, 以多孔聚合物GDX型固定相对样品进行分离;通常以热导检测器检测水分含量;由于水分子与非极性固定相吸附能力弱, 因此在色谱图上水的色谱峰最先流出[29]

为了准确的测量化学试剂水分, 需要对气相色谱仪进行校准。通常使用外标法, 即用重量法制备水分含量不同的一系列标样, 用气相色谱法测量其水分含量, 绘制工作曲线, 然后再测量未知样品的水分。也可以使用内标法, 即以某种有机物为内标, 根据标样中水分含量、水和内标的色谱峰面积之比, 绘制工作曲线, 然后再测量未知样品的水分。通常外标法测量过程更简便, 内标法测量精度更高[29-32]

气相色谱法的测量结果准确可靠, 因此被列入了中国药典 (2010版) [4]。但该方法也存在一些缺点:测量过程较为繁琐;样品需要用有机溶剂溶解, 溶剂本身含有一定水分, 因此该法测量水分含量低的化学试剂时, 测量结果的重复性和准确性不够理想;溶剂种类的选择, 溶解的方式 (浸泡或超声) , 溶解时间以及空白溶剂水分含量的测定等因素, 影响测量结果的再现性。

4 近红外光谱法

近红外光谱的波长范围是780~2 526 nm, 对应的波数范围是3 959~12 820 cm-1[33]。该范围内的近红外光谱, 包含了O—H, N—H, C—H和S—H等键的振动的倍频与合频。水分子O—H键的伸缩振动的合频在5 150 cm-1和8 197cm-1, 一级倍频在6 993~7 092 cm-1。样品在这几个特征波数上的红外吸收强度, 随着其水分含量的增加而增大, 因此可以利用近红外光谱快速测量样品的水分含量[33-37]

通常先以待测样品为基体制备水分含量不同的一系列校准用标样, 用卡尔·费休法或重量法测定其水分含量标准值;在测定系列标样的近红外光谱后, 对光谱进行预处理, 选取数个水分子特征吸收波数为主因子, 结合多元线性回归或偏最小二乘法建立红外吸收光谱与水分含量的数学模型;测量未知样品时, 根据其红外光谱和已知的数学模型, 计算其水分含量。

近红外光谱法广泛用于包括药品在内的化学试剂以及食品中的水分测量。该方法的优点是:测量快速;无损检测, 不破坏样品;可以实现在线测量。该方法的缺点是:测量结果的准确性受校准用标样的水分测量结果影响, 也受筛选的波数和数据分析模型影响;受样品颜色影响;红外光谱仅分析样品表面信号, 测量结果缺乏代表性。

近红外光谱法是一种快速分析方法, 适合化学试剂水分的快速测量和在线测量, 不适合高准确度定值。

通常认为近红外光谱法测量水分时, 只能用相同基体、不同水分含量的标样校准[37];但是, Grohganz等[37]研究发现, 用基体组成相近, 但并不完全相同的标样校准, 也可以测量样品水分含量, 这将明显提高该方法的效率。

5 微波吸收法

纯水的介电常数大, 在微波频率为10 GHz时约为60, 远高于常见物质;因此含水混合物的介电常数随着其水分含量的增加而增大[1,38-41]。极性水分子在微波作用下极化, 改变了微波电场的强度、相位和频率, 通过检测微波电场的相关变化, 可以计算样品中水分含量[38]。微波吸收法包括微波透射法、微波反射法和微波谐振腔法[38]。其中, 微波谐振腔法通过记录微波谐振腔内有、无物料两种情况下的频率和带宽的变化, 计算样品水分含量, 具有较高的测量精度[38]

微波吸收法广泛用于粮食、烟叶、纸张、织物、润滑油和煤炭等水分测量, 也可以用于化学试剂水分测定[38-41]。微波吸收法测量样品水分, 通常需要水分含量不同的被测对象的标样或标准物质对仪器进行校准。微波吸收法的优点是测量快速, 通常1 s左右即可完成检测;无损检测, 不破坏样品;抗干扰能力强, 受样品颜色、颗粒粒径和盐分污染等因素影响较小。与近红外吸收法相比, 微波吸收法中微波穿透样品, 属于深度检测, 测量结果更具有代表性。微波吸收法的缺点是需要用被测对象的标样进行校准, 测量结果的精度受标样的水分含量范围和精度的影响;受零漂、温度和样品密度的影响。

微波吸收法由于原理所限, 不适合化学试剂水分的高准确度定值, 但是该法适合样品水分的快速检验, 特别是在线检测。

Corredor等[1]报道, 微波谐振腔法可以准确测量水分含量在 (0.5%~5%) 范围内的粉状和片剂药品水分含量, 并且证明该法可以测量与标样组分相近、有效成分不同的样品水分。

综上所述, 卡尔·费休法和干燥失重法是化学试剂水分测量的常用方法。其中, 卡尔·费休法测量结果准确, 重复性好, 是水分测量的仲裁方法;干燥失重法测量过程简单, 结果重复性较好, 应用广泛。气相色谱法、近红外吸收法和微波吸收法, 满足了化学试剂检测在线、快速或无损分析的要求, 具有一定发展潜力。