CC BY
281
А. Ц. Портная, Д. Р. Шарафутдинова, Н. Б. Березин,
Н. Н. Симонова, А. Г. Лиакумович, |Ю. Я. Ефремов
ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕСВЯЗАННЫХ ВЕЩЕСТВ В МЕДИЦИНСКИХ РЕЗИНОВЫХ ПРОБКАХ И ПРИМЕСЕЙ, ПЕРЕШЕДШИХ В ВОДНЫЕ ВЫТЯЖКИ (ИМИТАТОРЫ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ)
АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Ключевые слова: медицинские резиновые пробки, идентификация веществ, хромато-масс-спектрометрия, масс-спектрометрия электронной и химической ионизации. medical rubber stoppers, identification of substances, hromato-mass spectrometry, mass spectrometry of
electronic and chemical ionization.
Проведены исследования по идентификации каучуков и ингредиентов, входящих в состав резиновых смесей для изготовления медицинских пробок, перешедшие в водные вытяжки высокочувствительными аналитическими методами.
Researches in identification of rubbers and components which are a part of rubber compounds for manufacturing medical stoppers, transferred in water extracts are conducted by high-sensitivity analytical methods.
Медицинские резиновые пробки, используемые для герметизации лекарственных средств, вводимых непосредственно в кровь, должны отвечать самым высоким требованиям относительно содержания токсических и других выделяемых веществ, которые могут взаимодействовать с ними, влиять на функциональные свойства, снижать или вообще трансформировать их фармакологические характеристики [1,2,3].
Если анализ самих лекарственных препаратов осуществляется по разработанным методикам, то анализ примесей и оставшиеся непрореагированные ингредиенты в каучуках, а затем и в резине, требуют более сложного и всестороннего подхода при исследованиях из-за многочисленных побочных реакций, протекающих при получении исходных каучуков, затем резиновых смесей, воздействия различных видов санитарно-химических обработок и совместной стерилизации с лекарственными средствами [9].
Анализ литературных и патентных исследований в области производства медицинских резиновых пробок, учитывая особенности их применения, показал, что для их производства используется бутилкаучуки (и галобутилкаучуки на его основе), разработанные целенаправленно для производства автомобильных шин, где в первую очередь, обеспечивается целый ряд необходимых свойств: износостойкость, морозостойкость, мягкость и бесшумность езды, хорошие тормозящие показатели на мокрых и обледенелых дорогах и др. Все эти показатели обеспечиваются введением целого ряда химических веществ с различными классами опасностями и токсичности, которые вводятся в состав, как самого каучука, так и в состав резины [7,8,].
Практически отсутствие достоверных данных по составу образующихся веществ в медицинских резиновых пробках после вулканизации, воздействия химических веществ, используемых для санитарно-химической предстерилизационной обработки, режимов паро-водяного автоклавирования при высоком давлении и температуре, совместной стерилизации с лекарственными препаратами и в процессе хранения готовых лекарственных форм [4,5].
Не установлены, какие вещества переходят в водные вытяжки (в имитаторы лекарственных форм), соответственно, не исследованы процессы их взаимодействия с лекарственными препаратами и лекарственная токсикология [6].
Проведенные сравнительные исследования медицинских резиновых пробок по окисляемости, изменению мутности, оптической плотности, изменению рН, газо- и влаго-проницаемости, усилию прокола, и самогерметичности, не дают достаточных и необходимых данных, по которым можно оценить химические, гигиенические и токсиологические показатели [8]. Для достоверной оценки необходимо знать, какие конкретно вещества образуются в процессе вулканизации резины и остаются непрореагированными, какие вещества и примеси образуются или претерпевают изменения под действием химических веществ и физических параметров (температура, давление) санитарно-химической обработки, совместной стерилизации с лекарственными препаратами и в дальнейшем при хранении готовых лекарственных форм.
Каучуки и резины - это сложные органические композиции и, как показали литературные и патентные исследования, свойства медицинских резиновых пробок на основе бутил - и галобутилкаучуков мало изучены [6,9].
Исследованию методом масс-спектрометрией электронной ионизации и хромато-масс-спектрометрией подвергались готовые медицинские пробки на основе бутилкаучука и хлорбутилкаучука отечественных производителей марок: 52-599/1; 27-599/3 и пробки фирмы «Хелвет» (Бельгия).
Для исследования отобранных образцов медицинских резиновых пробок и водных вытяжек из них, содержащих компоненты различных молекулярных масс и летучести, был применен не один, а несколько методов масс-спектрометрии [10-12].
1. Масс-спектрометрия электронной ионизации (ЭИ) прямого ввода вещества в источник ионов применена для идентификации веществ в широком диапазоне их летучестей. Здесь идет анализ всего набора компонентов, входящих в резины. При невысоких температурах идет анализ легколетучих добавок, далее - труднолетучих, и далее - до продуктов деструкции. В нашем случае, без применения метода ЭИ было бы невозможным установление структуры цинкосодержащих компонентов в резине, поскольку они не проходят хроматографические колонки, и появление серосодержащих веществ в хромато-масс-спектрометрическом анализе было бы невозможно объяснить.
2. Масс-спектрометрия химической ионизации (ХИ) применялась в случае отсутствия у компонентов пиков молекулярных ионов.
3. Проведение отдельного масс-спектрометрического анализа водных экстрактов из резин вызвана, во-первых, тем, что в водные экстракты из-за переработки исходных резин могли попасть недопустимые труднолетучие примеси, во-вторых, в водных экстрактах необходима идентификация всех компонентов, а не только легколетучих.
4. Хромато-масс-спектрометрический анализ в настоящее время стал использоваться в гостированных методиках, и был также применен для выявления легколетучих веществ, переходящих в водные вытяжки из резиновых пробок, а также для последующего сравнения полученных данных. Он ограничен теми компонентами, которые проходят через хроматографические колонки и не может быть применен для анализа труднолетучих компонентов и металлоорганических добавок, входящих в резины, которые, как видно из прилагаемых далее данных по идентификации веществ, входят в их состав и претерпевают химические изменения.
Экспериментальные исследования
На первом этапе исследований были проведены работы по идентификации самих каучуков, на основании которых изготовлены пробки и других ингредиентов, входящих в состав резиновых пробок.
Аналитический высокоразрешающий метод масс-спектрометрии электронной ионизации позволяет более полно рассматривать и выявлять весь спектр примесей, кроме того, этот метод анализа более четкий, с полной идентификацией веществ по молекулярной массе ионов по сравнению с другими методами масс-спектральных исследований. Он позволяет одновременно записывать спектры всех веществ, продуктов их распада, и всех примесей с одновременным определением их молекулярных масс (т/2) и записью их числовых значений. Затем рассчитываются молекулярные массы известных и неизвестных определяемых веществ, продуктов их распада (ели они есть) и проводится определение их наличия.
Выбор метода масс-спектрометрии ЭИ и ХИ был обоснован и тем, что концентрации тиурама й, серы и стеариновой кислоты, выделяющихся из резиновых пробок могут
быть очень низкими. Данный метод позволяет определять более полно весь спектр приме-
10
сей до содержания 10 г при прямом вводе веществ в ионный источник с точным определением масс молекулярных пиков при разрешении 10000 (цифровые значения масс молекулярных ионов) с ошибкой менее 0,0010 е.м. Кроме того, данный метод позволяет определять труднолетучие примеси, не проходящие через хроматографическую колонку и вещества, не имеющие молекулярные пики. При исследовании данным методом осуществлялся прямой ввод части резиновой пробки, которая помещалась непосредственно в анализируемую стеклянную пробирку прямого ввода ионного источника масс-спектрометра.
Масс-спектры ЭИ сняты на приборе МАТ-212 фирмы «Ртш§ап». При вакууме 10"7 мм.рт.ст, энергии ионизирующих ионов - 60 эВ и токе эмиссии электронов - 0,3 тА включалась система регистрации масс-спектров, выделяющих из образца веществ. Далее запись масс-спектров велась непрерывно. Проба (часть пробки в стеклянной ампуле) нагревалась с 20 С до 470 С. Точное распределение масс молекулярных ионов выполнено методом совмещения пиков при разрешении 10 000.
Методом хромато-масс-спектрометрии исследовались экстракты веществ, перешедшие в водные вытяжки из резиновых пробок, после различных видов санитарнохимических обработок. Хроматограммы с записью масс-спектров в хроматографических пиках сняты на масс-спектрометре МАТ-212 с хроматографом «Уапап» на колонке БЕ-54,
о
длиной 50 м. Условия съемки хроматограмм: температура инжектора 240 С; начальная
^ ° температура колонки 100 С, скорость нагрева 10 С/мин, конечная температура колонки 240 С, газ-носитель - гелий. Условия съемки хроматограмм для определения труднолетучих компонентов: температура инжектора 280 С; начальная температура колонки 150 С;
о
время термостатирования при начальной температуре 2 мин; скорость нагрева 10 С/мин;
о
конечная температура колонки 270 С; время термостатирования при конечной температуре 30 мин. Масс-спектры в хроматографических пиках сняты при напряжении умножителя 3 кВ, газ-носитель - гелий.
Химические вещества имеют свои определенные физико-химические свойства, и поэтому для каждого вещества необходимо было определить вид и режим пробоподготов-ки для его растворения и концентрации с последующим введением в ионный источник в твердой фазе.
Предварительные экспериментальные исследования показали, что примеси из медицинских резиновых пробок очень быстро улетучиваются, и имеется опасность занижения, как числа примесей, так и их количества. Поэтому для получения наиболее достоверных данных были разработаны специальные методы пробоподготовки для снятия масс-спектров ЭИ и хромато-масс-спектров. Для удержания примесей в последующих экспериментальных исследованиях проводили экстракцию хлористым метиленом и бензолом с последующей концентрацией. Хлористый метилен - это общепринятый растворитель, используемый во всем мире в хромато-масс-спектрометрии.
Поскольку тиурам й и сера (Эе) являются наиболее токсичными и реакционноспособными, и было установлено, что они способны диффундировать из глубины изделия во времени. Поэтому для установления достоверных данных по миграции, методика подготовки экстрактов из пробок непосредственно и из водных вытяжек была доработана с учетом перехода вышеуказанных и других токсичных и химически активных веществ из всей массы изделий. Так для удержания серы, которая обладает низкой растворимостью и относится к легколетучим веществам - вводилось несколько видов углеводородов для более полного извлечения примесей разноплановой растворимости веществ, хотя они и обуславливали большой фоновый масс-спектр, но он не мешал идентификации тиурама й и серы.
Для извлечения органических примесей из бидистиллята даже в минимальных количествах использовался бензол (степень чистоты растворителя - специальная для хрома-то-масс-спектрометрии), который позволяет извлечь все примеси из бидистиллята, который прошел режим автоклавирования в виде контрольной пробы.
Для определения труднолетучих примесей, не проходящих через хроматографическую колонку, использовался метод масс-спектрометрии ЭИ и специальная пробоподго-товка с целью удаления тетраметилтиомочевины из водной вытяжки, которая препятствует их обнаружению.
1. Исследование методом масс-спектрометрии ЭИ из резины марки 27-599/3 показали, что основную часть составляют осколочные углеводородные ионы, характерные для бутилкаучука - т/2 41, 57, 97, 113, 153, 159. При прогреве выше 350 С наблюдались дуплеты пиков 133,8-134; 135,7-136 и появление пиков т/2 35,9 и 37,8, что свидетельствовало о
выделении молекулы НО! при прогреве. В экстракте хлористого метилена вещество расо
пределялось на две части- более летучая в пределах 50-200°С и труднолетучая ^ 200 С, что показывает на наличие хлорбутилкаучуков. Наблюдалось небольшое количество кислородосодержащих ионов т/2 60, 73, 256, 284, что свидетельствует о наличии пальмитиновой и стеариновой кислот или их производных [табл.1].
Исследование пробок из резины 52-599/1 показали, что основную часть составляют углеводородные ионы, характерные для бутилкаучука - т/2 41, 57, 97, 99, 113, 153, 155 и т.д.
При исследовании пробок фирмы «Хелвет» (Бельгия) установлено, что подавляющую часть составляют углеводородные ионы т/2 41, 57, 97, 113, 153, 159 и т.д., характерные для бутилкаучука. В кислородсодержащих ионах наряду со стеариновой кислотой наблюдалось выделение пальмитиновой кислоты и также молекулярный ион непрореагиро-ванной свободной серы (Эе) с т/2 255,8. При прогреве выше 350°С наблюдалось появление дуплетов пиков т/2 133,8-134, 135-136. Однако интенсивность пиков, соответствующих соляной кислоте (т/2 35,9 и 37,8) была в два раза меньше. В экстрактах хлористого метилена разделение образца не наблюдалось. Все ионы соответствовали углеводородам бутилкаучука.
2. Сравнительный анализ масс-спектров ЭИ этих же пробок, но прошедших санитарно-химическую обработку, автоклавирование в дистиллированной воде и стерилизацию в бидистилляте показал их идентичность.
3. Проведены исследования методом масс-спектрометрии ЭИ экстрактов, полученных путем экстрагирования непосредственно хлористым метиленом резиновых пробок, прошедших цикл санитарно-химических обработок, автоклавирование в дистиллированной воде и стериализацию в бидистилляте.
Анализ экстракта резины марки 52-599/1 в хлористом метилене показал наличие углеводородных ионов, характерных для бутилкаучука - т/2 41, 57, 97, 99, 113, 153, 155 и т.д. Обнаружен пик с т/2 88, характерный для распада ускорителей вулканизации на основе дитиокарбаминовой кислоты, а также элементарная сера (Эе) с т/2 250, фталаты с характерным ионом т/2 149 и вещество с распределением ионов 304:306:308 =
100:80:60. Масс - спектр вещества идентичен масс-спектру диметилдитиокарбомату цинка (циамата). Определение состава этого иона подтвердило это предположение Мопред= 303,9823, Мвычисл= 303,9813.
Резиновые пробки производства «Хелвет» (Бельгия) по составу примесей сходна с отечественными медицинскими пробками, но имеет и отличия. В пробках присутствуют больше примесей разветвленных углеводородов и использован стабилизатор 1-пропан,1-(3-метоксифенил) в сочетании с бутилированным гидрокситолуолом, пластификатор - мо-нооктилфталат.
Исследования пробок отечественных производителей показал, что для их производства использовались бутиловые и хлорбутиловые каучуки разных производителей, но одного состава.
Хромато-масс-спектральные исследования экстрактов из водных вытяжек показал, что из резины марки 27-599/3 в большом количестве мигрируют эфиры фталевых кислот с характерным ионом т/2 149 стабилизатор 3-(3,5-дитретбутил-4 гидроксифенил), пропио-новая кислота (ш^ 256,3) ,с характерными ионами т/2 263,219,147 и углеводороды.
В экстрактах водных вытяжек из резины марки 52-599/1 в большом количестве присутствовали тетраметилмочевина т/2 132, продукты с характерным ионом распада бути-лированого гидроокситолуола, пальмитиновая кислота (т/2 256,2 скан 410), сера (Эе), эфиры фталевой кислоты диоктилфталат т/2 149.
В экстракте водной вытяжки из пробок фирмы «Хелвет», установлена миграция эфиров фталевой кислоты с т/2 149, 1-пропанол,1-(3 метоксифенола) с т/2 164, бутилиро-ваного гидроокситолуола т/2 220, монооктилфталата т/2 194, дибутилфталата т/2 390, диоктилфталата т/2 390 с характерным ионом т/2 149, тетрометилмочевины т/2 132 и т/2 88, разветвленных углеводородов.
Обнаруженные закономерности
В экстрактах водных вытяжек содержание эфиров фталевой, стеариновой, пальмитиновой кислот значительно выше, чем в самой резине. Тетраметилтиомочевина обнаруживается, в основном, в водных вытяжках в больших количествах. В некоторых образцах ее содержание было выше содержания растворителя - хлористого метилена. Во всех исследованных отечественных и импортных образцах обнаружены продукты распада пластификаторов на основе фталевых кислот, которые в значительных количествах переходят в водные вытяжки. В экстрактах из резин на основе хлорбутилкаучуков содержание эфиров фталевых кислот значительно выше, чем на основе бутилкаучуков.
Установлено, что непрореагированные вещества, входящие в состав резины, а также введенные в каучуки стабилизаторы, пластификаторы, мягчители диффундируют из глубины слоя, в больших количествах после различных видов обработки, поэтому для установления достоверных данных, по миграции веществ при токсикологических исследованиях, методами масс-спектрометрии и хромато-масс-спектрометрии, методики подготовки водных вытяжек (имитаторов лекарственных препаратов) были доработаны в части расчета навесок, исходя из веса в г/100 см3.
Установлено влияние количества и видов стабилизаторов (антиоксидантов), вводимых в каучуки на замедление (снижение) реакционных процессов взаимодействия серы, тиурама, стеариновой и пальмитиновых кислот при вулканизации резиновой смеси. В резине остаются непрореагированными сера(Эе), диметилдитиокарбомат цинка, с молекулярным ионом (т/2 304-308), диметилтиокарбомат с характерным осколочным ионом т/2 88, стеариновая (т/2 284), пальмитиновая (т/2 256) кислоты, пластификаторы каучуков: мо-нооктилфталат, диоктилфталат, дибутилфталат с характерным осколочным ионом т/2 149.
Установлено влияние пароводяной обработки под давлением (автоклавирование) на гидролиз вышеуказанных веществ с образованием примесей и новых веществ (в водных вытяжках имитаторах лекарственных препаратов), таких как тетраметилтиомочевина, а также происходит количественное увеличение эфиров фталевых кислот. Тетраметилтиомочевина - легколетуча и при масс-спектральных и хромато-масс-спектральных исследованиях образует фон, который мешает обнаружению других веществ и примесей. Для исследования вышеуказанными методами других примесей в водных вытяжках ее необходимо удалять, поэтому была разработана специальная предварительная пробоподготовка.
Установлено разрушающее действия влияние различных химических растворов санитарно-химической обработки и процессов обработки в пароводяной среде при повышенных температурах и давлении (автоклавирование) на медицинские пробки.
- В масс - спектрах пробок ЭИ, не подвергнутых санитарно-химическим обработкам и автоклавированию интенсивность пиков ионов m/z 284, соответствующих свободной стеариновой кислоте была меньше, чем в пробках, подвергнутых санитарнохимическим обработкам и автоклавированию.
- Масс-спектры экстрактов в хлористом метилене были также более информативны из пробок, подвергнутых санитарно-химическим обработкам и автоклавированию.
- В масс-спектрах экстрактов в хлористом метилене ток ионов от труднолетучей части уменьшается, а ток ионов от легколетучей части увеличивается. Несвязанные компоненты веществ резины в экстракте проявлялись более четко.
Установлено, что жидкостная хроматография не позволяет определять труднолетучие вещества, такие как сероводород, т.к. сульфиды деструктируют при температуре выше 270°С, а хроматограммы снимаются в интервале температур от 100 (начальная) до 240°С, а также цинкосодержащие органические вещества, стабилизаторы, пластификаторы каучуков.
Таблица 1 - Предполагаемая структура компонентов экстрактов, выделенных непосредственно из резиновых медицинских пробок на основе бутилкаучуков и хлорбу-тилкаучуков и водных вытяжек из них
№ т/г Состав Структура Название
1 2 3 4 5
1 132 СО сч И о сч X о о /у\ 8 тетраметилтиомочевина
2 304 C6H12N2S4Zn Б Б Б "к П / \ диметилдитиокарбамат цинка
1 2 3 4 5
3 256 Эе Б'-'^'Б / \ Б Б ' Б ББ Б-Б сера
4 164 С10Н12О2 I О 1-пропанон, 1-(3-метоксифенил)
5 164 С10Н12О2 О оХ>^ 1-пропанон, 1-(4-метоксифенил)
6 278 О 2 2 Н со С1 О дибутилфталат
7 390 С22Н38О4 о О диоктилфталат
8 194 С10Н10О4 Д0 / о о \ диметилфталат
9 278 С17Н26О3 3-(3,5 дитретбитил-4-гидроксифенил) прпионовая кислота
10 220 С15Н24О ОН у1 бутилированный гидрокситолуол
11 284 С18Н36О2 СН3-(СН2)16-СООН стеариновая кислота
12 256 С16Н32О2 СН3-(СН2)14-СООН пальмитиновая кислота
13 219 С14Н21ЫО 6-этокси,1,2,3,4-тетрагидро,2,2,4- триметилхинолин
Литература
1. Перечень веществ, продуктов, производственных процессов, бытовых и природных факторов, канцерогенных для человека: Гигиенические нормативы ГН1.1.725-98 : утв. МЗ Рос. Федерации.-М.: 1999.
2. Предельно допустимые количества химических веществ, выделяющихся из материалов, контактирующих с пищевыми продуктами: Гигиенические нормативы ГН 2.3.3.972-00: утв. МЗ Рос. Федерации.- М.: 2000. - 12с.
3. Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ: утв. МЗ Рос. Федерации.- М.: 2000.
4. Инструкция по санитарно-химическому исследованию изделий, изготовленных из полимерных и других синтетических материалов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами: Главное санитарно-эпидемиологическое управление: утв. МЗ СССР. - М.: 1972.-86с.
5. Методические указания по санитарно-химическому исследованию резин и изделий из них, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами. М.: МЗ СССР. Главное санитарноэпидемиологическое управление, 1988.
6. Курляндский, Б.А. Общая токсикология / Б.А. Курляндский, В.А. Филов. - М.:Медицина, 2002.
- 607с.
7. Лазарев, Н.В. Справочник вредные вещества в промышленности: в 3т. / Н.В. Лазарев, И.Д. Га-даскина. - Л.: Химия, 1977.Т.1,2
8. Курляндский, Б.А. Вредные химические вещества. Азотосодержащие органические соединения / Б.А. Курляндский - Санкт-Петербург.: Химия, 1992. - 432с.
9. Блох, Г.А. Органические ускорители вулканизации каучуков / Г.А. Блох - Л.: Химия, 1972. -560с.
10. Заикин, В.Г. Основы масс-спектрометрии органических соединений / В.Г. Заикин, А.В. Варламов, А.И Микая, Н.С. Простаков. - М.: МАИК Наука/Интерпериодика, 2001. - 286 с.
11. Полякова, А.А. Масс-спектрометрия в органической химии / А.А. Полякова, Р.А. Хмельницкий.
- Л.: Химия, 1972. - 368с.
12. Бейнон, Дж. Масс-спектрометрия и ее применение в органической химии / Дж. Бейнон. - М.: Мир, 1964. - 702с.
© А. Ц. Портная - асп. каф. технологии синтетического каучука КГТУ; Д. Р. Шарафутдинова -канд. хим. наук, ст. науч. сотр. ИОФХ им. Арбузова; Н. Б. Березин - д-р хим. наук, проф. каф. технологии электрохимических производств КГТУ; Н. Н. Симонова - ст. науч. сотр. Центра по разработке эластомеров КГТУ; А. Г. Лиакумович - д-р техн. наук, проф. каф. технологии синтетического каучука КГТУ; Ю. Я. Ефремов - канд. хим. наук, вед. спец. ИОФХ им. Арбузова. Б-шаі1:ка2апа11а@шаі1.ги.
