對藥品的質(zhì)量控制非常重要，測定其中水分含量也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。水分的多少會影響藥品的貯存期限，藥品中的水分增加，水解和氧化等化學(xué)反應(yīng)就會加速，水分的研究是穩(wěn)定性研究中很重要的部分，藥品中水分含量的異常會影響藥品的質(zhì)量和功效，尤其是對于抗生素類藥品。監(jiān)控生產(chǎn)過程:不同生產(chǎn)步驟中藥品的水分含量有不同要求，通過測定可以監(jiān)督生產(chǎn)是否規(guī)范。因此，藥品中水分測定對于藥品質(zhì)量控制、穩(wěn)定性、藥效、生產(chǎn)過程和研發(fā)過程都非常重要。
本文從實(shí)驗(yàn)的多個(gè)方面對卡爾費(fèi)休水分測定方法進(jìn)行了總結(jié)和概括。
1、卡爾費(fèi)休化學(xué)反應(yīng)概述
水分測定基于R.W.Bunsen[1]描述的反應(yīng)：
卡爾費(fèi)休發(fā)現(xiàn)了此反應(yīng)可以在含有過量二氧化硫的無水環(huán)境中測定水分含量。實(shí)驗(yàn)證明甲醇是合適的溶劑。為了讓反應(yīng)平衡向右邊進(jìn)行，必須中和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的酸（HI和H2SO4）?？栙M(fèi)休用吡啶實(shí)現(xiàn)這
根據(jù)上述反應(yīng)式可見，甲醇不僅作為溶劑，并且直接參與反應(yīng)。在醇溶液中，碘和水按1：1反應(yīng)。在無醇溶液中，碘和水按1：2反應(yīng)：
J.C.Verhoff和E.Barenrecht[3]對卡爾費(fèi)休反應(yīng)進(jìn)一步研究表明：
•吡啶并沒有直接參與反應(yīng)，即：吡啶僅作為緩沖劑，并且可以被其他堿代替。
•卡爾費(fèi)休反應(yīng)速率k取決于介質(zhì)的pH值。
pH和反應(yīng)速率的這種關(guān)系的一種解釋是：它并非由于在水的影響下被碘氧化的二氧化硫本身，而是由于二氧化硫和甲醇反應(yīng)形成的甲基亞硫酸根離子。二氧化硫和甲醇的反應(yīng)如下：
溶液的pH值越高，就有更多的質(zhì)子被捕捉而形成更多的甲基亞硫酸根離子，卡爾費(fèi)休反應(yīng)的速度就越快。當(dāng)pH介于5.5至8之間時(shí)，所有的二氧化硫均可反應(yīng)形成甲基亞硫酸鹽，此時(shí)反應(yīng)速率最大。當(dāng)pH于8.5時(shí)，由于碘和氫氧根或甲基化離子之間的反應(yīng)，反應(yīng)速率會增大，但這將導(dǎo)致終點(diǎn)消失，并消耗更多的碘。
在這些理論的基礎(chǔ)上E.Scholz[4]采用咪唑作為堿的無吡啶卡爾費(fèi)休試劑。這種試劑不僅代替了有毒有刺激性氣味的含吡啶試劑，而且使反應(yīng)更快、更精確，因?yàn)檫溥蜉^吡啶的pH緩沖能力更強(qiáng)。E.Scholz研究的結(jié)果按卡爾費(fèi)休反應(yīng)最終產(chǎn)生了以下反應(yīng)式：
這樣就有了通用的化學(xué)平衡式：
E.Scholz的化學(xué)分析還揭示了乙醇、異丙醇、甲氧基乙醇等[5]夠提高試劑滴定度穩(wěn)定性的醇類物質(zhì)也可以代替甲醇。
2、容量法和庫侖法
容量法：含碘的溶液通過活塞驅(qū)動的滴定管添加；庫侖法：碘由杯中的電解電極產(chǎn)生。根據(jù)水分的預(yù)估量選擇不同的測定方法。
2.1 容量法試劑匯總
2.1.1 單組分卡爾費(fèi)休試劑
滴定劑含有碘、二氧化硫、咪唑，溶于醇溶液。溶劑是甲醇，也可以使用適合于樣品的混合甲醇溶劑。
試劑大約可以存儲兩年。試劑若保存在密封瓶中，滴定度大約以每年0.5mg/mL的速度下降。
2.1.2 雙組分卡爾費(fèi)休試劑
滴定劑含有碘和甲醇。溶劑含有二氧化硫、咪唑和甲醇。
雙組分試劑能使滴定速度快至原先的二至三倍。雙組份試劑的滴定劑和溶劑在存儲時(shí)均極為穩(wěn)定。如果滴定劑瓶密封性好，其滴定度也是比較穩(wěn)定的，
2.1.3 含吡啶試劑
除確保快速精確進(jìn)行卡爾費(fèi)休滴定的無吡啶試劑外，含吡啶的試劑因其價(jià)格低廉及生產(chǎn)工藝簡單而仍然廣泛應(yīng)用。
2.1.4 醛酮專用試劑
醛（RCHO）和酮（RCOR）與通常的含甲醇試劑反應(yīng)生成縮醛和縮酮，反應(yīng)中產(chǎn)生的水同時(shí)被滴定，從而導(dǎo)致水分含量升高甚至終點(diǎn)消失，因此有了不含甲醇的單組分試劑解決這個(gè)問題，醛酮專用試劑的滴定時(shí)間比常規(guī)卡爾費(fèi)休試劑稍長。注意可能需要在滴定方法中調(diào)整終點(diǎn)值以適應(yīng)這些試劑。此專用試劑還適合胺等與甲醇反應(yīng)的物質(zhì)。
2.1.5 含乙醇的卡爾費(fèi)休試劑
由于乙醇比甲醇毒性低，1998年上市了含乙醇的雙組分卡爾費(fèi)休試劑。因?yàn)橥谝掖贾行纬煽s酮的速度遠(yuǎn)比在甲醇中形成的速度慢，這些試劑也可用于酮的滴定。
2.2 庫侖法滴定用的試劑和溶劑
為測得全部含水量，樣品必須完全溶解在陽極液中，如果樣品不完全溶解，即會形成乳濁液，這樣部分含水量就無法測得，因此測得的結(jié)果低于樣品的實(shí)際含水量，此種情況下陽極液必須馬上更換。
陽極液分很多種，用于溶解不同類型的樣品。另外，陽極液中還可以加入多種輔助溶劑。
2.2.1溶于甲醇或乙醇的樣品
烴（至C10）、鹵代烴（至C10）、醇、醚、酯、硝基化合物、乙酰胺等。
2.2.2微溶于甲醇或乙醇的樣品
醚油、食用油、膏藥、烴（C10至C20）等。
可以在陽極液中加入辛醇或己醇，增加樣品的溶解性，但最多不能超過總體積的30%，以免電導(dǎo)率太低。
2.2.3不溶于甲醇或乙醇的樣品
石油、變壓器油、硅油、烴（高于C20）等。
必須在陽極液中加入氯仿，以增加樣品的溶解性，但最多不能超過總體積的30%，以免電導(dǎo)率太低。
2.2.4 醛酮類樣品
酮和醛與甲醇反應(yīng)，形成縮醛或縮酮，并產(chǎn)生水。這類樣品必須使用無甲醇的專用試劑。
測定酮類樣品時(shí)需注意：
Ø從常規(guī)試劑更換成醛酮類試劑時(shí)，整個(gè)滴定杯必須徹底清洗，因?yàn)榧幢闶俏⒘考状家矔?dǎo)致嚴(yán)重的干擾。
Ø如果需要經(jīng)常測試酮類樣品，建議再購買一個(gè)滴定杯專用于酮類測試。
Ø如果已經(jīng)滴定了許多酮類樣品，漂移值會因?yàn)榫徛母狈磻?yīng)而逐漸增大。在待機(jī)較長時(shí)間后，陽極液有可能會在幾天后消耗殆盡，即便沒有任何樣品測定。
Ø選擇相對較小的樣品量，樣品量越大，副反應(yīng)的作用就越發(fā)明顯，即樣品的漂移逐漸變大以致終點(diǎn)很難測定。
Ø酮專用試劑還適用其他樣品。特別需要注意的是，能與酮反應(yīng)的醇不能在該試劑中滴定。測定醛類樣品時(shí)需要注意：
Ø短鏈醛（如乙酰胺）在陽極氧化并產(chǎn)生水，庫侖法不能用，但可以用容量法測定。
Ø芳香醛（如苯甲醛）也可以用庫侖法測定。需要注意的是，二硫化物與芳香醛的加成反應(yīng)非常強(qiáng)烈，因此需要等二硫化物反向分解的反應(yīng)發(fā)生后才終止滴定（以確保漂移值降至初始值）。
12.4.5 對于酸和堿（pH值）
如果滴定曲線噪音大或終點(diǎn)遲遲不能出現(xiàn)，則說明pH值出現(xiàn)偏移。這時(shí)需要測定陽極液的pH值。
用緩沖溶液校正過的pH電極測定pH值，從滴定杯中取出1份陽極液，由于電極會帶入許多水分，測量過程不能直接在滴定杯中進(jìn)行。
pH試紙也可以大概了解陽極液的pH值。
爾費(fèi)休滴定酸性或堿性樣品，陽極液的pH值必須控制在5.5?7。
對于酸性樣品，如乙酸、甲酸等：使用咪唑后陽極液的pH值會很高。一般在陽極池中加入大約80 mL陽極液和20 mL HYDRANAL @ buffer。
對于堿性樣品，如銨鹽：堿性樣品必須用水楊酸或苯甲酸中和，一般在陽極池中加入大約90 mL陽極液和5 g水楊酸或苯甲酸。
2.3 容量法的滴定劑
建議每天標(biāo)定滴定劑的濃度。在一些國家，白天的溫度變化比較大，并且實(shí)驗(yàn)室沒有空調(diào)系統(tǒng)，最好2~4小時(shí)標(biāo)定一次滴定劑的濃度。
2.4 庫倫法的滴定劑
庫侖法滴定測得的水分含量是通過計(jì)算用于電解產(chǎn)生碘所消耗的電量（庫侖，C）。產(chǎn)生1摩爾化學(xué)物質(zhì)需要的單個(gè)電子的數(shù)量：96485C。96485C/moL就是法拉第常數(shù)。因此反應(yīng)中1moL水需要2*96485C。水的摩爾質(zhì)量是18.015g/moL，可以得到：1mg水消耗10.712C電子。
對于電化學(xué)優(yōu)化的卡爾費(fèi)休滴定池，電流轉(zhuǎn)化產(chǎn)生碘的效率幾乎為100%。由于電流和時(shí)間都能量化和精確測量，故無需標(biāo)定庫侖法卡爾費(fèi)休試劑，因此這是一種絕對的方法。因而庫侖法卡爾費(fèi)休分析是一種水分含量測定的參考方法。不過還是建議定期用標(biāo)準(zhǔn)水樣品檢查庫侖儀的狀態(tài)。
3、卡爾費(fèi)休反應(yīng)的影響因素
3.1 速率由PH決定
由于卡爾費(fèi)休反應(yīng)的最大速率在5.5到8的pH范圍之間，在實(shí)際操作過程中應(yīng)避免pH值小于4和大于8。滴定酸性或堿性樣品時(shí)，應(yīng)加入緩沖試劑調(diào)節(jié)pH值（用咪唑作為堿性緩沖試劑，用水楊酸作為酸性緩沖試劑）。
3.2 樣品溶劑
Eberius[6]研究發(fā)現(xiàn)溶劑里的甲醇含量大于等于20%時(shí)碘和水按1：1的比例反應(yīng)，因此甲醇的量始終不得少于要求的最低量。如果必須使用不含甲醇的滴定劑（滴定醛和酮），可以選用其他的伯醇，例如乙二醇
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醇溶液
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H2O：I2=1：1
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如：甲醇
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無醇溶液
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H2O：I2=2：1
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如：二甲基甲酰胺
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3.3 水分含量
H2O：I2的摩爾比還受樣品含水量的影響。J.C.Verhoff 和E.Barendrecht[7]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水分含量大于1mol/L時(shí)滴定度將提高。然而實(shí)際操作中并不多見，因?yàn)槿軇┑暮课⒑跗湮ⅰ?/span>
4、方法學(xué)驗(yàn)證
4.1 精度和檢測限
下表顯示了基于儀器技術(shù)規(guī)范可以達(dá)到的理論值。
4.2 準(zhǔn)確性
準(zhǔn)確性不但取決于儀器的技術(shù)規(guī)范，而且取決于上節(jié)提到的所有因素：取樣（如需，包括樣品存儲）、樣品預(yù)處理；預(yù)計(jì)水含量和選擇適合的儀器；選擇最佳樣品量；卡爾費(fèi)休試劑的情況，如新鮮試劑、預(yù)滴定、低漂移值；滴定杯和管路的密封性；測量電極的情況；庫侖法：電解電極的情況；滴定方法的參數(shù)設(shè)置等等。
為了測得非常接近樣品真實(shí)值的結(jié)果，必須通過滴定標(biāo)準(zhǔn)水或已知含水量的樣品來驗(yàn)證測量。準(zhǔn)確度最關(guān)鍵的因素是最佳含水量和樣品量，以及優(yōu)化控制條件。
4.3 重復(fù)性
相同樣品連續(xù)測量得到的結(jié)果的接近程度可用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（srel）來表示，以％計(jì)。在最佳樣品量和優(yōu)化控制的測試條件下，重復(fù)測量可以得到以下結(jié)果。圖中顯示了不同含水量的srel，通常樣品系列的重復(fù)性會隨著含水量的減小而增大。注意含水量小于10 ppm時(shí)，建議不要采用容量法滴定。
下圖分別是容量法和庫倫法不同含水量樣品的srel與樣品量的函數(shù)關(guān)系。
上述舉例中，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著樣品量的減小而增大，為得到重復(fù)性高的結(jié)果必須優(yōu)化樣品量。特別對于低含水量的樣品，增大樣品量是個(gè)不錯(cuò)的優(yōu)化方向。
5、注意事項(xiàng)
5.1 碘的添加或產(chǎn)生速度
碘的添加或產(chǎn)生必須控制，理想的狀況是碘的添加或產(chǎn)生越快越好并且在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)剛好停止，然后才可以按所需精度測量滴定劑的消耗或產(chǎn)生碘的量，轉(zhuǎn)換成水的含量。
5.2 卡爾費(fèi)休反應(yīng)的速度
卡爾費(fèi)休反應(yīng)速度取決于：水的濃度、二氧化硫的濃度、碘的濃度
對于容量法卡爾費(fèi)休滴定，使用的單組分滴定劑中，加入的二氧化硫僅比碘滴定溶液略微過量。而使用的雙組分試劑中，溶劑中的二氧化硫大量過量。這樣雙組分試劑比單組分試劑的反應(yīng)速度快2倍，因此卡爾費(fèi)休滴定使用雙組分試劑比使用單組分試劑的反應(yīng)速度明顯更快。
對于庫侖法卡爾費(fèi)休分析，陽極液中二氧化硫大量過量，隨著測試樣品數(shù)目的增加，二氧化硫濃度逐漸下降，因此使用過很長時(shí)間的陽極液，其反應(yīng)速度必然很慢。
5.3 攪拌和樣品溶液的混勻速度
混合均勻是卡爾費(fèi)休滴定快速、準(zhǔn)確的必要條件?；旌鲜軘嚢杷俣?、滴定劑加入點(diǎn)（容量法）滴定杯形狀（容量法）的影響。
當(dāng)看見明顯的漩渦時(shí)即達(dá)到最佳攪拌速度。如果速度太慢，滴定速度也會很慢并且不穩(wěn)定或者出現(xiàn)過滴定。如果溶液中產(chǎn)生氣泡，則攪拌速度太快了，氣泡會干擾測量值。
滴定劑加入點(diǎn)滴定劑應(yīng)該在湍流最大的地方加入可以獲得最佳的混合效果。另外加入點(diǎn)應(yīng)該遠(yuǎn)離電極以便有充分的反應(yīng)時(shí)間。否則電極直接測量到加入的碘分子，將導(dǎo)致滴定速度變慢、滴定時(shí)間更長。
錐形的滴定杯和短的攪拌棒可以在滴定劑加入點(diǎn)處形成湍流而使滴定劑充分分散。這將加快反應(yīng)速度，使滴定時(shí)間縮短。
如果攪拌棒過長，不會形成湍流，而分散效果也會減弱。碘不會分散到溶液的上層，而在底部聚集被電極直接測量到。
5.4 工作環(huán)境
空氣濕度是導(dǎo)致卡爾費(fèi)休滴定出現(xiàn)誤差的最主要因素。濕氣可以進(jìn)入樣品、滴定劑和滴定臺。大多數(shù)的空調(diào)系統(tǒng)僅僅可以冷卻空氣，但不能吸收更多的濕氣，所以，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該配有水分冷凝器?？栙M(fèi)休滴定儀的安裝位置不能距空調(diào)太近！
5.5 滴定系統(tǒng)
滴定系統(tǒng)必須盡可能的密封，防止空氣中的水分進(jìn)入。首次安裝滴定臺時(shí)，滴定杯的玻璃表面和內(nèi)置部件均會附著水分，滴定杯內(nèi)部的空氣也會有水分。
然而，有時(shí)預(yù)定至無水狀態(tài)后漂移值仍然很高，原因是玻璃表面和內(nèi)部空氣中的水分緩慢地?cái)U(kuò)散到陽極液（溶劑）內(nèi)，可能要持續(xù)1?3小時(shí)?？梢酝ㄟ^緩慢地?fù)u晃滴定杯，帶動內(nèi)部液體形成漩渦來吸收附著在玻璃表面上的水分，將總的水分快速滴定。但注意搖晃不要太用力，防止溶劑濺出。
干燥劑可以吸收水分防止水分進(jìn)入滴定杯，但干燥劑的干燥能力是有限的，這取決于空氣的濕度，一般可以持續(xù)2~4周（通過硅膠顏色變化指示）。
6、故障處理
6.1 庫侖法
6.2 容量法
7、參考文獻(xiàn)
[1]BUNSEN，R.W.，LiebigsAnn.Chem.86，265(1853).
[2]SMITH，.M.；.M.BRYANT；.MITCHELLjr.z''AnalyticalProceduresEmployingKarlFischerReagentI.
[3]VERHOFF，J.C.；E.BARENDRECHT，MechanismandreactionrateoftheKarlFischertitrationreaction.PartI.Potentiometricmeasurements"，
[4]SCHOLZ.E.z"KarlFischerReagentienohnePyridin\FreseniusZ.Anal.Chem.303z203207(1980).
[5]GRUNKE，S.；WUNSCH，G.z.KineticsandstoichiometryintheKarlFischersolution"，F(xiàn)reseniusJ.Anal.Chem368，139147(2000).
[6]EBERIUS，E.zZ/WasserbestimmungmitKarlFischerLosung\1.Auflage，erlagChemieWeinheim(1954)/(inGerman).
[7]VERHOFF，J.C.；E.BARENDRECHT，''MechanismandreactionrateoftheKarlFischertitrationreaction.PartI.Potentiometricmeasurements"
京公網(wǎng)安備11010802046783號
