Содержание к диссертации
Введение
1. Проточный анализ объектов окружающей среды и биомедицины с амперометрическим детектированием (Литературный обзор) 13
1.1. Основы проточных методов анализа 13
1.1.1. Проточно-инжекционный анализ 13
1.1.2. Порционно-инжекционный анализ 15
1.1.3. Последователъно-инжекционный анализ 17
1.2. Проточный амперометрический метод анализа 19
1.2.1. Амперометрическое детектирование на углеродных и металлических электродах 21
1.2.2. Амперометрическое детектирование на химически модифицированных электродах с каталитическим откликом 22
1.3. Практическое применение проточного амперометрического метода анализа 25
1.3.1. Анализ объектов окружающей среды и продуктов питания 25
1.3.2. Анализ биологических объектов и лекарственных средств 33
2. Экспериментальная часть 42
2.2. Приборы и техника измерений 42
2.5. Методика измерений, расчеты 51
3. Электрокаталитическое окисление биогенных аминов, аминокислот и гидроксипуринов на модифицированных углеродных электродах 52
3.1. Электроокисление органических соединений на углеродных электродах53
3.1.1. Электроокисление биогенных аминов и их аминокислот-предшественников на углеродных электродах 53
3.1.2. Электроокисление гидроксипуринов на углеродных электродах 55
3.2. Электроокисление органических соединений на модифицированных углеродных электродах 59
3.2.1. Электрокаталитическое окисление серотонина и триптофана на углеродных электродах, модифицированных частицами золота и серебра 60
3.2.2. Электрокаталитическое окисление биогенных аминов и их аминокислот предшественников на углеродных электродах, модифицированных биметаллами золото-кобальт, золото-медь 72
3.2.3. Электрокаталитическое окисление гидроксипуринов на углеродных электродах, модифицированных смешановалентными оксидами металлов 79
3.2.4. Электрокаталитическое окисление кофеина на углеродных электродах, модифицированных смешановалентными оксидами металлов 82
3.2.5. Электрокаталитическое окисление мочевой кислоты и креатинина на углеродных электродах, модифицированных электроосажденными частицами золота 84
4. Применение электродов, модифицированных частицами металлов, биметаллов и смешановалентных оксидов металлов, для вольтамперометрического определения биогенных аминов, аминокислот и гидроксипуринов 87
4.1. Вольтамперометрическое определение серотонина и триптофана на электродах, модифицированных частицами золота 87
4.2. Вольтамперометрическое определение биогенных аминов и их аминокислот-предшественников на электродах, модифицированных биметаллами золото-кобальт и золото-медь 92
4.3. Вольтамперометрическое определение гидроксипуринов на электроде, модифицированном композитом на основе смешановалентных оксидов рутения и кобальта 96
4.4. Вольтамперометрическое определение кофеина на электродах, модифицированных композитами на основе смешановалентных оксидоврутения, иридия и кобальта 97
4.5. Вольтамперометрическое определение мочевой кислоты и креатинина на
5 . Использование электродов, модифицированных частицами металлов, биметаллов и смешановалентных оксидов металлов, для проточного амперометрического определения биогенных аминов, аминокислот игидроксипуринов 102
5.1. Проточное амперометрическое определение биогенных аминов намодифицированных электродах 102
5.7.7. Амперометрическое определение биогенных аминов и аминокислот-предшественников на модифицированных биметаллами планарных электродах в проточных системах 102
5.1.2. Амперометрическое определение двухкомпонентных систем дофамин/адреналин и дофа/тирозин на модифицированных биметаллом золото-кобальт двойных планарных электродах в проточно-инжекционной системе 107
5.7.5. Амперометрическое определение биогенных аминов на модифицированном частицами золота электроде в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии 109
5.1.4. Амперометрическое определение триптофана и пиридоксина на модифицированном частицами золота двойном планарном электроде в проточно-инжекционной системе 111
5.2. Проточное амперометрическое определение гидроксипуринов на модифицированных электродах 114
5.2.7. Амперометрическое определение гидроксипуринов на модифицированных смешановалентными оксидами металлов планарных электродах в проточно инжекционной системе 114
5.2.2. Амперометрическое определение двухкомпонентных систем гидроксипуринов на модифицированных смешановалентными оксидами металлов двойных планарных электродах в проточно-инжекционной системе 116
5.3. Проточное амперометрическое определение кофеина на модифицированных электродах 117
5.3.7. Амперометрическое определение кофеина на модифицированном смешановалентными оксидами металлов электроде в порционно-инжекционной
5.3.2. Амперометрическое определение кофеина и парацетамола на модифицированном смешановалентными оксидами металлов двойном планарном электроде в проточно-инжекционной системе 121
5.4. Проточное амперометрическое определение мочевой кислоты и креатинина на модифицированных углеродных электродах 123
5.4.1. Амперометрическое определение креатинина на модифицированном частицами золота электроде в порционно-инжекционной системе 123
5.4.2. Амперометрическое определение креатинина и мочевой кислоты на модифицированном частицами золота двойном планарном электроде в последователъно-инжекционной системе 125
Заключение 130
Список используемых библиографических источников
- Проточный амперометрический метод анализа
- Методика измерений, расчеты
- Электрокаталитическое окисление биогенных аминов и их аминокислот предшественников на углеродных электродах, модифицированных биметаллами золото-кобальт, золото-медь
- Амперометрическое определение биогенных аминов на модифицированном частицами золота электроде в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Совершенствование существующих и развитие новых экспрессных способов определения биологически активных соединений обусловлено необходимостью проведения массовых медико-биологических анализов. Особо важным представляется проведение многокомпонентного анализа. Перспективным направлением является развитие проточных способов определения биологически активных соединений как вариант автоматизации методов анализа. Среди используемых в проточных методах детекторов важное место занимают амперометрические детекторы. Использование химически модифицированных электродов (ХМЭ) с каталитическими свойствами для амперометрического детектирования позволяет значительно повысить чувствительность определений и в ряде случаев улучшить селективность метода. В качестве модификаторов хорошо зарекомендовали себя металлы 3d- и 4 d-переходного ряда, а также их биметаллы и оксиды. Комбинирование амперометрии на ХМЭ и проточных методов анализа позволяет улучшить чувствительность и селективность определений и повысить производительность анализа. На сегодняшний день ХМЭ чаще всего применяют в условиях проточно-инжекционного (ПИА), последовательно-инжекционного (ПослИА) и порционно-инжекционного анализа (ПрИА). В связи с этим разработка новых вольтамперометрических и проточных амперометрических способов определения органических соединений на ХМЭ является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на значительное количество разработанных способов определения органических соединений, примеров использования ХМЭ для проведения многокомпонентного анализа объектов биомедицины в проточных условиях ограничено. Поэтому создание новых высокочувствительных и селективных амперометрических детекторов для проведения анализа в условиях ПИА, ПослИА и ПрИА является перспективным направлением.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка новых
и совершенствование существующих вольтамперометрических и проточных
амперометрических способов определения некоторых биогенных аминов, их
аминокислот-предшественников и гидроксипуринов на электродах,
модифицированных частицами металлов, биметаллов и смешановалентных оксидов металлов.
В настоящей работе поставлены следующие задачи:
сопоставить вольтамперные характеристики ХМЭ с электроосажденными
микро- и наночастицами золота и серебра, коллоидными частицами металлов, в том числе включенными в золь-гель или осажденными на поверхности цистеина; определить условия получения ХМЭ с биметаллами золота (Аи-Со, Аи-Си), а также композитами на основе смешановалентных оксидов металлов (IrOx-RuOx, СоОх-
RuOx); методом атомно-силовой микроскопии (ACM) определить морфологию поверхности ХМЭ и размеры частиц модификатора;
установить особенности электроокисления биогенных аминов - дофамина (ДА), адреналина (АД), тирамина (ТА), серотонина (5-ГТ), их аминокислот-предшественников - тирозина (Тир), дофы, триптофана (Трп), гидроксипуринов -гипоксантина (ГКс), ксантина (Кс), мочевой кислоты (МК) и производного Кс -кофеина (КФ), а также креатинина (Кр) на ХМЭ с частицами золота, его биметаллов Аи-Со и Аи-Си, или металлоксидных композитов IrOx-RuOx и CoOx-RuOx; оценить влияние природы модификатора и способа его иммобилизации на каталитические свойства ХМЭ; выбрать способ иммобилизации модификатора на поверхность стеклоуглеродного электрода (СУ) и планарных углеродных электродов (ПЭ) для регистрации стабильного и чувствительного электрокаталитического отклика ХМЭ;
разработать новые способы вольтамперометрического и амперометрического определения в проточно-инжекционной, последовательно-инжекционной и порционно-инжекционной системах биогенных аминов, их аминокислот-предшественников и гидроксипуринов на ХМЭ с высокими аналитическими, метрологическими и эксплуатационными характеристиками;
разработать экспрессные способы определения двухкомпонентных систем некоторых органических соединений методом проточной амперометрии на модифицированных двойных планарных электродах (ДПЭ); апробировать разработанные способы определения органических соединений в анализе медико-биологических объектов.
Научная новизна работы:
сопоставлены вольтамперные характеристики ХМЭ на основе наночастиц золота и серебра, полученных различными способами такими, как электроосаждение (AuHaHO, AgHaHO), сорбция на самоорганизующийся монослой цистеина (Аинано-Цис, AgHaHo-Цис), включение в золь-гель матрицу, выбраны ХМЭ с Аинано и Аинано-Цис, обладающие лучшими электродными характеристиками; определены условия получения электродов, модифицированных биметаллами Аи-Со, Аи-Си и металлоксидными композитами IrOx-RuOx, CoOx-RuOx; методом АСМ установлено образование на поверхности ХМЭ частиц модификатора нанометрового диапазона;
показано, что электроосажденные наночастицы золота и биметалла Аи-Со проявляют высокую каталитическую активность при электроокислении некоторых биогенных аминов - ДА, АД, ТА, 5-ГТ, аминокислот - Тир, дофы, Трп и также Кр, а металлоксидные композиты IrOx-RuOx, CoOx-RuOx - при электроокислении гидроксипуринов ГКс, Кс, МК и также КФ;
предложены способы вольтамперометрического определения биогенных аминов ДА, АД, ТА, 5-ГТ и аминокислот Тир, дофы, Трп на электродах, модифицированных биметаллом Au-Co, а также гидроксипуринов ГКс, Кс, МК и КФ на электродах, модифицированных металлоксидным композитом CoOx-RuOx; установлена возможность селективного определения по одной вольтамперограмме двух-, трех-и четырехкомпонентных систем таких, как Тир, дофа, ДА и АД; Трп и пиридоксин; ГКс, Кс и МК; МК и Кр; КФ, ацетилсалициловая кислота (АСК) и парацетамол (ПЦ);
разработаны экспрессные и высокопроизводительные способы амперометрического определения рассматриваемых органических соединений на разработанных ХМЭ в проточно-инжекционной, последовательно-инжекционной и порционно-инжекционной системах; показано увеличение чувствительности определения биогенных аминов, аминокислот-предшественников и гидроксипуринов на один-два порядка в зависимости от типа проточной системы; продемонстрирована возможность проведения анализа двухкомпонентных систем (Тир и дофа, ДА и АД, Трп и пиридоксин, ГКс и Кс, Кс и МК, МК и ГКс, МК и Кр, КФ и ПЦ) методом проточной амперометрии на модифицированных ДПЭ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны высокочувствительные способы вольтамперометрического и проточного амперометрического определения биогенных аминов ДА, АД, ТА и 5-ГТ, аминокислот Тир, дофы и Трп на ХМЭ с биметаллом Аи-Со и гидроксипуринов ГКс, Кс, МК и КФ на ХМЭ с металлоксидным композитом CoOx-RuOx, а также Кр, МК, Трп и пиридоксина на ХМЭ с наночастицами золота. Показана возможность использования разработанных способов для селективного определения двух-четырех соединений (Тир, дофа, ДА и АД; ГКс, Кс и МК; МК и Кр; КФ, АСК и ПЦ) по одной вольтамперограмме. Разработаны способы проточного амперометрического определения двух соединений (ДА и АД, дофа и Тир, Трп и пиридоксина, ГКс и Кс, Кс и МК, МК и ГКс, МК и Кр, КФ и ПЦ) на модифицированном ДПЭ, которые использованы при анализе конкретных лекарственных средств и биологических жидкостей.
Методология и методы исследования. При проведении исследования использовали различные варианты вольтамперометрии, метод АСМ, а также амперометрию в условиях ПИА, ПослИА, ПрИА.
На защиту выносятся:
способы изготовления ХМЭ на основе электроосажденных частиц золота и
серебра, коллоидных частиц металлов, в том числе включенных в золь-гель или
осажденных на поверхности цистеина, биметаллов золота (Аи-Со, Аи-Си), а также
композитов на основе смешановалентных оксидов металлов (IrOx-RuOx, CoOx-RuOx);
выбор рабочих условий получения ХМЭ с лучшими электродными характеристиками;
результаты изучения электроокисления органических соединений таких, как Тир, дофа, ДА, АД, ТА, Трп, 5-ГТ и ГКс, Кс, МК, КФ, а также Кр на разработанных ХМЭ с каталитическими свойствами, нахождение условий регистрации максимального каталитического эффекта;
новые способы вольтамперометрического определения и амперометрического детектирования в порционно-инжекционной, проточно-инжекционной и последовательно-инжекционной системах рассматриваемых органических соединений на разработанных модифицированных одно- и двухэлектродных системах; аналитические и метрологические характеристики ХМЭ, данные о чувствительности, селективности, воспроизводимости аналитического сигнала в стационарном режиме и в проточных системах.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечена использованием современных методов вольтамперометрии, амперометрии в условиях ПИА, ПослИА, ПрИА, а также математической статистики.
Результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и российских конференциях и изложены в материалах: VII и VIII Всероссийской конференции молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием по химии "Менделеев-2013" и "Менделеев-2014" (Санкт-Петербург, 2013, 2014), IV Всероссийском симпозиуме "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (Краснодар, 2014), XXVI Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Казань, 2014), Всероссийской школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Материалы и технологии XXI века" (Казань 2015, 2016), X Всероссийской конференции "Химия и медицина" с Молодежной научной школой (Уфа-Абзаково, 2015), I Всероссийской конференции c международным участием "Химический анализ и медицина" (Москва, 2015), IX Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа с международным участием "ЭМА 2016" (Екатеринбург- Линевка, 2016), ХХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016).
Публикации. По результатам работы опубликовано 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение и 15 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в выполнении эксперимента, обработке, обсуждении и обобщении полученных результатов. Основная часть экспериментальной работы выполнена лично автором. Опубликованные работы написаны в соавторстве с научным руководителем
Шайдаровой Л.Г., научными консультантами Будниковым Г.К. и Челноковой И.А., а также научными работниками Гедминой А.В. и Махмутовой Г.Ф., студентом Лексиной Ю.А., которые принимали участие в выполнении некоторых экспериментов.
Автор являлся исполнителем грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 12-03-97031, 13-03-01101).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, трех глав результатов исследований и их обсуждения, заключения, списка сокращений и списка используемой литературы. Работа изложена на 158 страницах, содержит 49 рисунков, 39 таблиц и список литературы из 178 наименований. Первая глава (литературный обзор) дает представление о применении проточных методов анализа и уровне развития этих методов применительно к органическому электроанализу. Во второй главе описываются условия проведения эксперимента. Третья глава посвящена разработке способов получения ХМЭ на основе частиц металлов, биметаллов и смешановалентных оксидов металлов и изучению особенностей электроокисления биогенных аминов, их аминокислот-предшественников и гидроксипуринов на полученных ХМЭ. В четвертой главе приведены разработанные способы вольтамперометрического определения органических соединений на ХМЭ. В пятой главе описаны способы амперометрического определения биогенных аминов, аминокислот и гидроксипуринов на предложенных ХМЭ на основе ПЭ и ДПЭ в условиях ПИА, ПослИА и ПрИА и продемонстрирована возможность использования разработанных методик в анализе реальных объектов.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору химических наук, профессору Шайдаровой Л.Г., научным консультантам: академику РАЕН и МАНВШ, доктору химических наук, профессору Будникову Г.К., кандидату химических наук Челноковой И.А.
Проточный амперометрический метод анализа
В первое время в проточных ячейках в качестве детектирующих устройств применяли ртутные электроды, например, ртутный капающий электрод [20], позднее стали использовать электроды из других металлов и углерода [21, 22]. Наиболее часто применяют золотые, платиновые электроды, электроды из стеклоуглерода (СУ), углеситалла (УС), графита, углеродного волокна (УВ) или угольно-пастовые электроды (УПЭ). Проточные ячейки с рабочими электродами из углеродных материалов и металлов используют в основном для анодного детектирования органических соединений, а проточные ячейки с ртутными электродами служат скорее для определения следов элементов методом проточной инверсионной вольтамперометрии.
В настоящее время при амперометрическом детектировании органических соединений отдается предпочтение углеродным материалам [22]. Электрохимические свойства СУ позволяют проводить исследования в области потенциалов порядка 2.0 В (примерно от -0.8 до 1.2 В), при этом возможное расширение катодной области зависит от рН раствора электролита.
Одной из главных проблем в использовании амперометрических детекторов является изменение свойств поверхности рабочего электрода за счет необратимой адсорбции органических веществ и/или продуктов их превращения. Как известно, это приводит к уменьшению чувствительности детектора, ухудшает воспроизводимость измерений и другие характеристики. Регенерацию электродной поверхности осуществляют химически или электрохимически.
Для упрощения процедуры измерений в последнее время применяют одноразовые электроды, которые изготавливают промышленным способом. Миниатюризация твердых электродов является перспективным направлением, поскольку позволяет решить ряд проблем, связанных с сокращением объема выборки, портативностью и эффективностью расхода реактивов. Внедрение новых технологий привело к смене традиционных электрохимических ячеек с объемными электродами на миниатюризированные ячейки малых объемов с использованием планарных («screen-printed») электродов. Планарные электроды (ПЭ) - это электроды, «напечатанные» на полимерных или керамических подложках с помощью струйных принтеров, в состав красящего порошка которых входят частицы углеродсодержащих материалов, серебра и др. Технология трафаретной печати является хорошо отработанной технологией для изготовления экономичных, портативных и одноразовых систем электродов. Вся система электродов, в том числе вспомогательный, электрод сравнения и рабочий электроды могут быть напечатаны на поверхности одной подложки. Таким образом, вместо трех объемных электродов стало возможным использование одного ПЭ, на котором размещены рабочий, вспомогательный электроды и электрод сравнения, что позволяет значительно упростить и миниатюризировать проточную ячейку. С помощью таких электродов также решается проблема обновления поверхности твердофазных электродов. Воспроизводимость характеристик печатных электродов достаточно высока, поэтому они широко используются при разработке химических сенсоров и биосенсоров для детектирования различных органических соединений [9, 23-25].
В последнее время для проведения многокомпонентного анализе стали использовать многоэлектродные системы, что значительно расширяет возможности проточного электроанализа.
Недостатком амперометрических детекторов считается недостаточная селективность. Тем не менее, существуют возможности для расширения сферы применения амперометрических детекторов. С этой целью применяют ХМЭ [26-28]. Наиболее широко распространены методы, основанные на иммобилизации некоторых соединений или определенных химических групп на поверхности рабочего электрода. Эти соединения называются модификаторами, роль которых заключается в химическом взаимодействии с определяемым веществом и в изменении скорости электродной реакции. При этом преследуются две основные цели: повышение чувствительности детектора за счет ускорения медленных редокс-реакций и увеличение избирательности отклика при нанесении на поверхность электрода веществ, специфически взаимодействующих с определяемыми соединениями.
Иммобилизация модификатора может быть осуществлена различными способами: необратимая адсорбция на поверхности электрода, химическое связывание с фиксацией модификатора через различные функциональные группы с образование ковалентных связей, нанесение полимерной пленки с электронопроводящими, ионообменными или мембранными свойствами, включение модификатора в состав полимерной пленки (получение композитной пленки), введение в объем композита или пасты из углеродных материалов, электрохимический синтез на поверхности электрода.
При выборе способа модифицирования электрода преследуют несколько целей: обеспечение прочной связи электроактивного соединения с поверхностью и осуществление обмена электронами между подложкой и субстратом в объеме раствора или на поверхности электрода с высокой скоростью, необходимость создания высокой концентрации активных центров на поверхности для получения больших величин тока.
Примечательно, что наиболее высокая чувствительность при определении органических соединений в проточных условиях достигается с детекторами на основе ХМЭ с электрокаталитическим откликом [14-16, 29]. Такие модифицированные электроды содержат иммобилизованные медиаторы электронного переноса. Они ускоряют электродные реакции, которые контролируются кинетикой переноса электронов на поверхности электрода. Осуществление медиаторных процессов предполагает взаимодействие между медиатором (М) и электродом с образованием активных частиц М . Перенос заряда происходит между закрепленными на электроде активными частицами медиатора (М#) и растворенным субстратом (S) в ходе окислительно 24 восстановительной реакции. Это взаимодействие приводит к образованию восстановленных/окисленных продуктов реакции, тогда как медиатор регенерируется и вновь вступает в электродную реакцию. Механизм реакции можно представить следующей схемой:
Методика измерений, расчеты
ПИА находит широкое применение для определения биологически активных соединений, входящих в состав различных пищевых добавок, в том числе L-цистеина, 5-гидрокситриптофана и йохимбина [70-72].
Способность L-цистеина электроокисляться на золотом электроде положена в основу разработанного амперометрического способа детектирования данного соединения в условиях ПИА, описанного в работе [70]. Подход основан на реакции хемосорбции серосодержащего фрагмента цистеина на поликристаллической поверхности золотого электрода и последующем его восстановлении при десорбции. Предел обнаружения L-цистеина при детектировании в ПИА составил 5.0x10" М, при этом регистрируемый сигнал обладает высокой воспроизводимостью, а производительность достигает 23 проб/час. Предложенный электрод был использован при анализе пищевых добавок.
Для определения 5-гидрокситриптофана (5-НТР), который является естественной аминокислотой, а также метаболическим промежуточным соединением в биосинтезе нейромедиаторов серотонина и мелатонина из триптофана, предложен индий-оловооксидный электрод, поверхность которого модифицирована гексацианоферратом Со (ГЦФ Со), включенного в мезопористую полимерную пленку золь-геля, покрывающего поверхность электрода [71]. Присутствие полимерной пленки на электроде препятствует адсорбции на поверхности электрода продуктов реакции, обладающих пассивирующим действием, что улучшает воспроизводимость регистрируемых сигналов окисления 5-НТР, а гексацианоферрат Со катализирует его электроокисление. Модифицированный электрод был использован в качестве детектора для определения 5-НТР в ПИА. Диапазон концентраций, в котором регистрируемый сигнал линейно зависит от концентрации аналита 0.50-60 мкМ, предел обнаружения составил 17 нМ. Предложенный способ может быть использован для определения 5-НТР в пищевых добавках, в которые его вводят в качестве антидепрессанта, средства для подавления аппетита или снотворного.
Актуальным на сегодняшний день остается разработка новых экспрессных и чувствительных способов определения пестицидов и инсектицидов в объектах окружающей среды. Высокочувствительный способ определения инсектицида манкоцеба удалось разработать при использовании электрода из легированного бором алмаза в качестве детектора в ПрИА и регистрации сигнала в режиме импульсной амперометрии [73]. Наилучшие результаты были получены при использовании фосфатного буферного раствора с рН 9.0, регистрации сигнала при Е 0.3 В, скорости инжекции пробы 160 мкл/с и объеме вводимой пробы 100 мкл. Регистрируемый сигнал линейно зависит от концентрации манкоцеба в интервале 40-650 мкМ с пределом обнаружения 5.14x10" М. Результаты определения манкоцеба в образцах инсектицидов на 95 % согласуются с результатами, полученными при стандартном определении методом йодометрического титрования.
Для амперометрического детектирования пестицида диэтилдитиокарбамата цинка (зирама) в реальных образцах в условиях ПИА был также использован в качестве рабочего электрода легированный бором алмаз [74].
С целью разработки высокочувствительного и селективного сенсора для определения карбофурана и диурона был предложен УПЭ, модифицированный гемином, Ni+ и оксидом графена (ГО) [75]. Для повышения экспрессности определений и автоматизации процесса был предложен способ ПИА на данном модифицированном электроде. Окисление карбофурана и диурона на данном электроде происходит при Е 0.45 и 0.80 В соответственно. Разработанный способ был применен в анализе почвы и моркови, полученные результаты были сопоставлены с результатами, полученными методом ВЭЖХ. Предел обнаружения карбофурана и диурона составил 1.7 мкМ и 0.2 мкМ соответственно. 1.3.2. Анализ биологических объектов и лекарственных средств
Значительная часть публикаций, посвященных модифицированным электродам, относится к определению биологически активных веществ. Это обусловлено не только важностью проблемы их контроля в биологии, медицине и фармацевтике, но и тем, что с помощью модифицированных электродов можно проводить экспрессную оценку состояния здоровья человека в острых ситуациях или при массовых медицинских обследованиях населения. Клиническая диагностика - одна из основных областей применения модифицированных электродов [76-81]. Некоторые примеры использования амперометроических детекторов в проточных методах анализа медико-биологических объектов приведены в таблице 1.2.
К настоящему времени большое количество исследовательских работ посвящено разработке экспрессных методов определения глюкозы [82-87], в том числе в проточных условиях [83-87]. К примеру, для порционно-инжекционного определения глюкозы использовали ХМЭ на основе оксо- и гидроксо-форм Со на поверхности металлического Со и пленки ГЦФ Со, электроосажденных на поверхности СУ [85]. Электродный процесс включает образование каталитически активных оксо- и гидроксо-форм Со (III), участвующих в окислении глюкозы. Больший каталитический эффект получен при электроокислении глюкозы на электроде, модифицированном пленкой ГЦФ Со. Зависимость величины -6 аналитического сигнала от концентрации глюкозы линейна в интервале 5x10 с v л л-3 л д
В другом случае ПЭ, модифицированный СиО и графеном был интегрирован в проточную ячейку для детектирования глюкозы в условиях ПИА [86]. Авторы сообщают, что хорошо диспергированные частицы СиО на поверхности графена проявляют высокую каталитическую активность по отношению к глюкозе. При оптимальных условиях проточной системы возможно определение глюкозы в диапазоне от 0.122 мкМ до 0.5 мМ с пределом обнаружения 34.4 нМ. Предлагаемый сенсор обладает хорошей воспроизводимостью и не подвержен влиянию некоторых соединении, включая
МК, АК, ДА, лактозу и фруктозу. Разработанный ХМЭ обладает высокой чувствительностью, селективностью и стабильностью отклика в течение часа. В другом случае в качестве детектора на глюкозу в проточно-инжекционной системе использовали никелевый электрод [87]. Авторами был исследован электрокаталитический механизм окисления глюкозы на этом электроде. Электроокисление глюкозы на данном электроде наблюдалось при Е 550 мВ, регистрируемый ток при этом зависит от концентрации аналита в диапазоне 0.1 2.5 мМ с пределом обнаружения 0.04 мМ и коэффициентом корреляции 0.9991. При определении глюкозы в сыворотке крови относительное стандартное отклонение составляет 4.3%. Определение глюкозы предложенным способом можно проводить в присутствии МК и АК, а также ДА и эпинефрина.
Электрокаталитическое окисление биогенных аминов и их аминокислот предшественников на углеродных электродах, модифицированных биметаллами золото-кобальт, золото-медь
Для уменьшения размера получаемых наночастиц металлов на поверхности ХМЭ, обладающих высокой каталитической активностью, были получены коллоидные растворы золота и серебра путем химического восстановления цитратом натрия золотохлористоводородной кислоты и нитрата серебра соответственно. При этом цитрат натрия является и восстановителем и стабилизатором коллоидных частиц. Суммарные реакции цитратного восстановления можно представить следующим образом [158]: 2АиС1з + ЗКазСбН507 — 2Аи + ЗКагСзЫдОз + ЗСОг + 3NaCl + ЗНС1 (3.20) 6AgNC 3 + ЗКазСбН507 — 6Ag + 3Na2C5H405 + ЗСО2 + 3NaNC 3 + 3HNO3 (3.21) В случае коллоидного золота получали раствор, окрашенный в рубиново-красный цвет, что свидетельствует о размерах частиц порядка 15-40 нм [159]. В случае коллоидного серебра получали раствор, окрашенный в светло-жёлтый цвет, что свидетельствует о размерах частиц порядка 15-18 нм [156].
Для иммобилизации коллоидных частиц золота и серебра на поверхности СУ использовали следующие способы: электроосаждение из коллоидных растворов металлов, нанесение наночастиц металла по золь-гель технологии, сорбция наночастиц металлов на самоорганизующийся монослой цистеина.
Электроосаждение наночастиц золота и серебра из коллоидных растворов на поверхности углеродных электродов проводили путем потенциостатического электролиза.
Золь-гель получали путем смешивания тетраметоксисилана, этанола и коллоидного раствора золота или серебра. Образование золь-геля происходит в несколько стадий [160]. Сначала происходит образование золя в результате гидролиза и поликонденсации мономерных соединении кремния:
Затем формируется пространственная сетка геля. При этом наблюдается резкое увеличение вязкости раствора. В результате старения геля происходит уплотнение структуры геля, сжимание сетки и выделение из геля растворителя. Полученный золь-гель наносили на поверхность СУ и высушивали при температуре 4С в течение 24 часов. Схему модификации поверхности СУ можно представить следующим образом: ХМЭ на основе самоорганизующихся монослоев с наночастицами благородных металлов получали в результате адсорбции частиц золота на концевых сульфгидрильных группах самоорганизующегося монослоя цистеина, образованного на поверхности электрода по схеме 3.18.
Циклические вольтамперные кривые, полученные на композитных электродах с иммобилизованными коллоидными частицами металлов в золь-гель матрице или на самоорганизующемся монослое цистеина по форме похожи. В качестве примера на рисунке 3.7-а приведены циклические вольтамперные кривые, полученные на электродах АиКОллоид-ЗГ-СУ и АиКОЛлоид-Цис-СУ на фоне 0.1 М H2SO4. a (1) и в присутствии (2) серотонина (С = 5x10" М) на фоне 0.1 М H2SO4
На анодной и катодной ветвях этих вольтамперных кривых регистрируются небольшие максимумы тока при Еп 0.40 В, что вероятно, связано с уменьшением размера частиц металла до нанометрового диапазона (регистрируемые токи соизмеримы с токами, наблюдаемыми на ХМЭ с наночастицами золота). На циклической вольтамперной кривой, полученной на композитном электроде АиКоллоид-Цис-СУ в кислой среде, на анодной ветви помимо сигнала при Еп 0.40 В присутствует небольшой сигнал при Еп 0.80 В (рисунок 3.7-а кривая 2).
Методом АСМ было установлено, что при потенциостатическом электроосаждении частиц золота или серебра на углеродной подложке из раствора, содержащего коллоидные частицы металла, образуются наночастицы со средним диаметром 50-100 нм и 50-80 нм соответственно с(рисунок 3.8-а, в). При использовании золь-гель технологи на поверхности электрода формируются частицы золота размером 40-80 нм или серебра размером 70-100 (рисунок 3.8-6, г).
ACM изображения поверхности ВОПГ с электроосажденными из коллоидного раствора частицами серебра (а) или золота (в) и ВОПГ с иммобилизованными по золь-гель технологии частицами серебра (б) или золота (г)
На вольтамперных кривых, полученных на ХМЭ на основе коллоидных частиц металлов, при окислении 5-ГТ и Трп наблюдается один пик при потенциалах, характерных для модификаторов. В качестве примера на рисунке 3.7-6 приведена вольтамперная кривая, полученная при электроокислении 5-ГТ на электроде АиКОЛлоид-ЗГ-СУ на фоне 0.1 М H2SO4.
При сопоставлении каталитических свойств ХМЭ с коллоидными частицами золота и серебра, полученных по золь-гель технологии, путем электроосаждения или сорбции (таблица 3.3), установлено, что наибольший каталитический эффект получен на электродах, модифицированных частицами металла на самоорганизующемся монослое цистеина, что, вероятно, связано с более равномерным распределением наночастиц металла меньшего размера.
Амперометрическое определение биогенных аминов на модифицированном частицами золота электроде в условиях высокоэффективной жидкостной хроматографии
Вольтамперометрические способы определения гидроксипуринов автором изложены в работах [120, 126, 131].
Электрод CoOx-RuOx-ПЭ с электрокаталитическими свойствами был использован для вольтамперометрического определения ГКс, Кс и МК на фоне фосфатного буферного раствора с рН 6.9. Концентрацию определяемых органических соединений находили по градуировочным графикам. Интервалы линейных зависимостей каталитического тока от концентрации аналитов в логарифмических координатах и уравнения регрессии для этих зависимостей приведены в таблице 4.9. Как видно, логарифмические зависимости регистрируемого на ХМЭ тока от концентрации аналитов линейны в широких диапазонах.
Полученные результаты показывают, что использование ХМЭ с электрокаталическими свойствами по сравнению с немодифицированным электродом приводит к повышению чувствительности определения (таблица 4.9) - к уменьшению нижней границы определяемых содержаний на 2 порядка.
Установлена возможность селективного вольтамперометрического определения ГКс, МК и Кс при совместном присутствии на композитном электроде CoOx-RuOx-ПЭ. Таблица 4.9 - Аналитические характеристики вольтамперометрического определения ксантина, гипоксантина и мочевой кислоты на электроде CoOx-RuOx-ПЭ на фоне фосфатного буферного раствора с рН
Разность потенциалов пиков окисления гидроксипуринов при их совместном присутствии составляет 400 мВ, что позволяет проводить совместное определение МК, Кс и ГКс по одной вольтамперной кривой (рисунок 4.5).
Электрокаталитический отклик ХМЭ на основе смешановалентных оксидов рутения, кобальта и иридия был использован для разработки вольтамперометрического способа определения КФ. Аналитические характеристики определения КФ представлены в таблице 4.10. Таблица 4.10 - Аналитические характеристики вольтамперометрического определения кофеина, парацетамола и ацетилсалициловой кислоты на ХМЭ на фоне фосфатного буферного раствора с рН 6.9
Использование IrOx-RuOx и CoOx-RuOx в качестве модификаторов позволяет значительно повысить чувствительность метода (до нижней границы определяемых содержаний 5x10" М, в то время как на немодифицированном электроде КФ не окисляется).
Вольтамперные кривые, полученные при электроокислении парацетамола и кофеина (а) или парацетамола и кофеина и ацетилсалициловой кислоты (б) (С = 5хЮ моль/л) при совместном присутствии на электроде СоОх-RuOx-ПЭ на фоне фосфатного буферного раствора с рН 6.9
В связи с необходимостью аналитического контроля КФ в комбинированных лекарственных средствах, содержащих ПЦ и АСК, рассмотрена возможность селективного определения этих соединений на ХМЭ с композитом CoOx-RuOx. Установлено, что КФ, ПЦ и АСК на электроде СоОх-RuOx-ПЭ окисляются при Е 1.30, 0.50 и 0.90 В соответственно (рисунок 4.6).
Разность потенциалов пиков окисления этих органических соединений составляет 400 мВ, поэтому с помощью этого ХМЭ возможно совместное определение КФ, ПЦ и АСК по одной вольтамперной кривой. Разработанный способ вольтамперометрического определения ПЦ, АСК и КФ на этом ХМЭ использовали при анализе некоторых лекарственных средств. Методика определения парацетамола, кофеина, ацетилсалициловой кислоты в лекарственных средствах. Для приготовления анализируемого раствора таблетки предварительно измельчали и растирали. Навеску порошка растертых таблеток растворяли в 5 мл раствора фосфатного буферного раствора с рН 6.9 и переносили в мерную колбу на 50 мл, встряхивали и доводили до метки фоновым электролитом. Раствор тщательно перемешивали и фильтровали, затем раствор переносили в электрохимическую ячейку. В исследуемый раствор погружали ПЭ с композитом CoOx-RuOx и регистрировали вольтамперограмму. Измеряли величину тока окисления КФ, ПЦ и АСК при Е 1.30, 0.50 и 0.90 В соответственно. Результаты определения КФ, ПЦ и АСК и на электроде СоОх RuOx-ПЭ в некоторых лекарственных средствах приведены в таблице 4.11.
Присутствие других матричных компонентов (сорбитол, бикарбонат натрия, повидона, лаурилсульфат натрия, диметикон, лимонная кислота, карбонат натрия) не мешает определению КФ, ПЦ и АСК.
Электрокаталитический отклик электрода с электроосажденными наночастицами золота был использован для вольтамперометрического определения Кр и МК. Вольтамперометрическое определение Кр и МК проводили на электроде Аинано-СУ на фоне 0.1 М раствора H2SO4, поскольку только на этом ХМЭ и в этих условиях удалось получить четкий пик электроокисления Кр. Интервалы линейных зависимостей каталитического тока от концентрации аналитов в логарифмических координатах и уравнения регрессии для этих зависимостей приведены в таблице 4.12. Логарифмические зависимости величины каталитического тока от концентрации аналитов линейны в широких интервалах.