АКТИВАЦИОННЫЙ ПОДХОД К ПОВЫШЕНИЮ ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 543.552.054.1

АКТИВАЦИОННЫИ ПОДХОД К ПОВЫШЕНИЮ ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНОСТИ КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ

© Л. Р. Кабирова*, Ю. А. Яркаева, Ю. Р. Проворова, Р. А. Зильберг, А. В. Сидельников, В. Н. Майстренко

Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, улица Заки Валиди, 32.

Тел.: +7 (347) 229 9712. *Email: kabirova.lian@yandex.ru

C использованием хиральных модификаторов стеклоуглеродных электродов и хемомет-рической обработки данных подобраны оптимальные условия регистрации вольтамперо-грамм энантиомеров пропранолола для повышения воспроизводимости результатов анализа.

Ключевые слова: вольтамперометрия, энантиомеры пропранолола, сходимость и воспроизводимость результатов анализа, полиариленфталидные композиты, хемометрика, метод главных компонент.

Введение

В настоящее время широкое применение для определения неорганических и органических соединений в различных объектах, в т.ч. для анализа лекарственных средств находит развивающийся метод электроаналитической химии - вольтамперометрия [1]. Высокая чувствительность и воспроизводимость вольтамперометрических измерений во многом зависят от свойств поверхности индикаторного электрода, вследствие чего большое внимание уделяется различным модификаторам электродов, способам регенерации электродов, определяющим область потенциалов поляризации, величину аналитического отклика [2]. Исследование направлено на улучшение воспроизводимости результатов анализа с помощью электрохимической регенерации рабочего электрода и подбора оптимального режима регистрации вольтамперограмм (ВАГ).

В предыдущих работах [3-10] было изучено влияние рН фонового электролита, скорости развертки потенциала, времени выдерживания рабочего электрода в растворе аналита на ток пика окисления в-адреноблокаторов на модифицированных полиариленфталидными (ПАФ) композитами стеклоуглеродных электродах (СУЭ). Наряду с этим во всех работах использовалась механическая регенерация рабочего электрода, включающая удаление пленки модификатора раствором М,М-диметил-формамидом (ДМФА), полирование пастой на основе 0,1-0,3 мкм Сг20з, промывание 0,1 М раствором ЭДТА для удаления микрочастиц Сг203, а затем этанолом перед сушкой. Наиболее часто в электрохимических методах анализа и исследованиях используют электрохимическую обработку. Электрод выдерживают при высоких положительных и отрицательных потенциалах (обычно выше рабочей области) для растворения продуктов реакции и десорбции. На основе анализа литературных данных предложена электрохимическая активация, которая приводит к более плотному, равномерному распределению модификатора на поверхности. Для

активации поверхности СУЭ (особенно при определении низких концентраций органических веществ) ее подвергают предварительной электрохимической обработке. Электрод поляризуют в растворах щелочи или кислоты при потенциалах до 2-5 В в течение 1-2 мин. В процессе этой обработки увеличивается эффективная площадь поверхности и поверхностная концентрация кислородсодержащих групп (карбонильной, карбоксильной и др.) [11-12]. Таким образом, поверхность СУЭ частично окисляется и становится более активной, и используемые в качестве модификаторов полимеры более прочно закрепляются на ней.

Методика измерений

Измерения проводили в стандартной термостатированной (25°С) трехэлектродной электрохимической ячейке с индикаторным стеклоуглерод-ным электродом (диаметр 2 мм), модифицированным ПАФ композитами. Используемый в качестве подложки ПАФ содержит в мономерных звеньях основной цепи полимера чередующиеся дифениле-ноксидные и дифениленсульфидные фрагменты. Циануровую кислоту (ЦК), в-циклодекстрины (в-ЦД) использовали в качестве модификаторов СУЭ в составе ПАФ композитов. Раствор для модифицирования готовили смешиванием растворов полимера и модификатора в соотношении 1:1. Навеску модификатора (9.4 мг) и полимера (9.4 мг) растворяли в 10 мл ДМФА, полученный раствор объемом 3 мкл наносили на зачищенную поверхность СУЭ с последующим испарением растворителя под ИК-лампой (80°С). В качестве электрода сравнения служил хлоридсеребряный электрод, вспомогательного - платиновый электрод.

В процессе анализа перед проведением измерений необходимо провести несколько циклов развертки потенциала на фоновом электролите для стабилизации величины остаточного тока. Для активации поверхности СУЭ проводили 5 циклов развертки потенциала при -1.5 ^ 2,5 В и скорости

развертки 2,5 В/с, затем регистрировали линейные вольтамперограммы энантиомеров пропранолола на фоне 0.1 М Н2Б04 в диапазоне потенциалов 0^1.8 В и скорости развертки 0.1 В/с после выдерживания индикаторного электрода в растворе ана-лита в течение 60 с при медленном перемешивании и нулевом потенциале.

В качестве исследуемых соединений выбрали Я- и ^-пропранолол. Для установления различий между энантиомерами пропранолола используется хемометрический метод главных компонент (МГК). В качестве базового принципа в нем рассматриваются схожести и различия между вольтамперо-граммами Я- и ^-пропранолола.

Результаты и их обсуждение

Циклическая активация служит предподготов-кой электрода, а линейные аналитические вольтам-перограммы - критерием сходимости. Основной задачей является выбор оптимального числа циклов для получения сходимых результатов. В качестве параметра сходимости использовалось расположение точек на графике счетов МГК-моделей, показывающий дрейф сигнала и кластеризацию. При этом важны не только воспроизводимые результаты, но и результаты, позволяющие отличить один энантиомер от другого. Для этого проводился экс-

перимент с регистрацией 5, 10, 20, 50, 100 ВАГ с циклической регенерацией. В случае 5 ВАГ получаем МГК, где нет разделения на кластеры, ВАГ расположены хаотично, подобная картина наблюдается при МГК-моделировании 10-20 ВАГ. При использовании 50-100 ВАГ в МГК-моделировании на графике счетов наблюдается четкое разделение энантиомеров на кластеры (рис. 1).

Анализируя графики из рис. 1, можно сделать вывод, что первые 20 циклов являются активаци-онным периодом для получения прецизионных результатов, позволяющих различить энантиомеры между собой. Размах кластеров небольшой. Дисперсия сигналов меньше чем расстояние между кластерами.

Исследование, включающее регистрацию 100 вольтамперограмм на указанных выше сенсорах показало, что после 20 измерения с циклической регенерацией вольтамперограммы становятся стабильными и имеют близкие сигналы-отклики, таким образом, выбрано оптимальное количество регистрации вольтамперограмм - 50. В качестве примера на рис. 2 представлены вольтамперограм-мы энантиомеров пропранолола на СУЭ модифицированном ПАФ. Для других модификаторов изученные зависимости имеют аналогичный характер.

Рис. 1. Графики счетов МГК-моделирования дифференциальных форм линейных вольтамперограмм, включающие 5 (а), 10 (б), 20 (в), 50 (г),100 (д) измерений Б- и Я- пропранолола на СУЭ, модифицированном ЦК/ПАФ.

I, мкА а I, мкА б

Рис. 2. Линейные вольтамперограммы растворов 5-пропранолола (а) и Л-пропранолола (б) на СУЭ модифицированном ПАФ, фоновый электролит 0,1 М Н2Б04, скорость развертки 0.1 В/с.

Рис. 3. Графики счетов МГК-моделирования дифференциальных форм линейных вольтамперограмм, включающие 100 измерений R-пропранолола (а) и Б-пропранолола (б) на СУЭ модифицированном ПАФ.

Для визуализации наблюдаемых закономерностей полученный массив вольтамперометрических данных обработали хемометрически с помощью метода главных компонент. Оптимальное число главных компонент выбирали таким образом, чтобы доля объясненной дисперсии была не ниже 90% (2-5 ГК). Из рис. 3 видно, что в левой части графиков присутствует шлейф сигнала, который исчезает после 20-30 измерений и вольтамперограммы становятся сходимыми.

Для апробации предложенного способа регенерации рабочего электрода и оптимального режима регистрации вольтамперограмм весь ряд композитных электродов применили для решения задачи распознавания энантиомеров пропранолола. В электрохимическую ячейку помещали 12 мл исследуемого раствора. Массив данных для каждого об-

разца формировали из 3 параллельных измерений с регистрацией 50 вольтамперограмм (исключая 20 первых), включающих 1854 значений мгновенных токов при различных потенциалах.

На вольтамперограммах R- и S-пропранолола (рис. 4) видно, что на немодифи-цированном стеклоуглеродном электроде на фоне 0.1 М H2SO4 энантиомеры пропранолола окисляются в диапазоне потенциалов 0.9^1.2 В с образованием на вольтамперограммах соответствующих пиков, не отличающихся друг от друга (рис. 4а). При регистрации вольтамперограмм на композитных электродах, наблюдаются различия между энантиомерами пропранолола как по потенциалам окисления (рис. 4б), так и по значениям мгновенных токов (рис. 4б, 4в).

Рис. 4. Дифференциальная форма линейных вольтамперограмм Я-пропранолола (1) и 5-пропранолола (2) на немодифицированном СУЭ (а), на композитных модификаторах ЦК/ПАФ (б) и Р-ЦД/ПАФ (в), фоновый электролит 0.1 М Н2Б04, скорость развертки 0.1 В/с

Рис. 5. Графики счетов МГК-моделирования дифференциальных форм линейных вольтамперограмм энантиомеров пропранолола на немодифицированном СУЭ (а), на композитных модификаторах ЦК/ПАФ (б) и ß-ЦД/ПАФ (в).

Для наглядности, полученные вольтамперо-граммы перенесли в новую систему координат -систему главных компонент. На графике счетов МГК-моделирования видно, что энантиомеры про-пранолола делятся на два отдельных кластера на плоскости главных компонент в случае композитных электродов, наилучшее деление на графиках счетов по ГК2-ГК3 (рис. 5).

Вывод

Таким образом, были найдены оптимальные условия регистрации вольтамперограмм, повышающие сходимость и воспроизводимость результатов анализа. В дальнейшем планируется использование предложенных сенсоров и подобранных условий регистрации вольтамперограмм для создания «электронного языка» и экспрессной оценки состава и качества энантиочистых и рацемических лекарственных препаратов, что также позволит контролировать потери активности основных ком-

понентов при неправильном хранении и транспортировке, истечении срока годности, наличия примесей в лекарственных препаратах, содержащих пропранолол.

Работа выполнена при поддержке РНФ: грант №16-13-10257.

ЛИТЕРАТУРА

1. Будников Г. К., Евтюгин Г. А., Майстренко В. Н. Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010. C. 169.

2. Ozkan S. A. Electroanalytical methods in pharmaceutical analysis and their validation. // New York: HBN Publishing, 2011. С. 350.

3. Сидельников А. В., Яркаева Ю. А., Зильберг Р. А., Майстренко В. Н., Крайкин В. А. Идентификация антиаритмических препаратов с использованием пленочных электродов, модифицированных полиариленфталидами // Вестник Башкирского университета. 2014. Т. 19. №4. С. 1172-1176.

4. Sidel'nikov A. V., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Maistren-ko V. N., and Kraikin V. A. Voltammetric identification of an-

tiarrhythmic medicines using principal component analysis // Journal of Analytical Chemistry. 2015. Vol. 70. №10. P. 1261-1266.

5. Яркаева Ю. А., Зильберг Р. А., Хаблетдинова А. И., Си-дельников А. В., Майстренко В. Н. Вольтамперометриче-ская идентификация лекарственных средств на основе би-сопролола с использованием проекции на латентные структуры // Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №3. С. 635-641.

6. Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Sidel'nikov A. V., Maistren-ko V. N., Kraikin V. A., Gileva N. G. Voltammetric Determination of Bisoprolol on a Glassy Carbon Electrode Modified by Poly(Arylene Phthalide) // Journal of Analytical Chemistry. 2016. Vol. 71. №.9. P. 926-931.

7. Зильберг Р. А., Сидельников А. В., Яркаева Ю. А., Кабиро-ва Л. Р., Майстренко В. Н. Идентификация лекарственных средств на основе бисопролола с использованием вольтампе-рометрического «электронного языка» // Вестник Башкирского университета. 2017. Т. 22. №2. С.356-363.

8. Zilberg Rufina A., Sidelnikov Artem V., Maistrenko Valery N., Yarkaeva Yulia A., Khamitov Edward M., Kornilov Viktor M., and Maksutova Elza I. A Voltammetric Sensory System for Recognition of Propranolol Enantiomers Based on Glassy

Carbon Electrodes Modified by Polyarylenephthalide Composites of Melamine and Cyanuric Acid // Electroanalysis. 2017. №.29. P. 1-8.

9. Яркаева Ю. А., Кабирова Л. Р., Проворова Ю. Р., Зильберг Р. А., Гилева Н. Г. Энантиоселективное распознавание пропранолола на стеклоуглеродном электроде, модифицированном циклодекстринами // Доклады Башкирского университета. 2017. Т. 2. №3. С.375-379.

10. Sidel'nikov A. V., Maistrenko V. N., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Khamitov E. M. An enantioselective voltammetric sensor for the recognition of propranolol stereoisomers // Journal of Analytical Chemistry. 2017. Vol. 72. №5, P. 575-581.

11. Слепченко Г. Б., Захарова Э. А., Акенеев Ю. А. Электроды в электрохимических методах контроля учебно-методическое пособие по курсу «Современные проблемы аналитического контроля и мониторинга», Томск.: изд-во ТПУ. 2008. 35 с.

12. Шабалина А. В., Лапин И. Н., Светличный В. А.. Электрод из стеклоуглерода, модифицированный медными наноча-стицами, для одновременного определения аскорбиновой кислоты и дофамина // Электрохимия. 2015. Т 51. №7. C. 780-783.

Поступила в редакцию 05.02.2018 г.

AN ACTIVATION APPROACH TO INCREASE

OF THE ENANTIO-SELECTIVITY OF COMPOSITE ELECTRODES IN CONDITIONS OF CYCLIC VOLTAMPEROMETRY

© L. R. Kabirova*, Yu. A. Yarkaeva, Yu. R. Provorova, R. A. Zilberg, A. V. Sidelnikov, V. N. Maistrenko

Bashkir State University 32 Zaki Validi Street, 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

*Email: kabirova. lian@yandex. ru

The study is focused on a problem of increasing the reproducibility of results of vol-tammetric identification of propranolol enantiomers on previously developed polyaryle-nephthalide composite sensors containing melamine, cyanuric acid, and p-cyclodextrins. Electrochemical activation of glassy carbon electrode surface by cyclic voltammetry measurements with 5 cycles at 1.5^2.5 V and scan rate 2.5 V/s was proposed. Due to application of the proposed method, the effective surface area and surface concentration of oxygen containing groups were increased. Score plots of principal component analyses of 5, 10, 20, 50, and 100 voltammograms were used as the parameter of convergence. The precise results were obtained after the first 20 measurements with cyclic regeneration. Approbation of the proposed method of regenerating the working electrode using of the entire series of composite electrodes showed that on an unmodified glassy carbon electrode, the proprano-lol enantiomers were oxidized in the range of potentials of 0.9-1.2 V with the formation on the voltammograms of corresponding peaks that did not differ from one another. There were differences between R- and S-propranolol both in oxidation potentials and in the values of instantaneous currents on composite electrodes. The propranolol enantiomers were identified by subsequent chemometric treatment of voltammetric data. Thus, the operating conditions for the proposed sensors were determined. The results of the study will be used in development of a multi-sensor system.

Keywords: voltammetry, propranolol enantiomers, repeatability and reproducibility of measurements, polyarylenephthalide composites, principal component analysis.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Budnikov G. K., Evtyugin G. A., Maistrenko V. N. Modifitsirovannye elektrody dlya vol'tamperometrii v khimii, biologii i meditsine [Modified electrodes for voltammetry in chemistry, biology, and medicine]. Moscow: BINOM. Laboratoriya znanii. 2010. Pp. 169.

2. Ozkan S. A. Electroanalytical methods in pharmaceutical analysis and their validation. New York: HBN Publishing, 2011. Pp. 350.

3. Sidel'nikov A. V, Yarkaeva Yu. A., Zil'berg R. A., Maistrenko V N., Kraikin V A. Identifikatsiya antiaritmicheskikh preparatov s ispol'zovaniem plenochnykh elektrodov, modifitsirovannykh poliarilenftalidami. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2014. Vol. 19. No. 4. Pp. 1172-1176.

4. Sidel'nikov A. V., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Maistrenko V. N., and Kraikin V. A. Voltammetric identification of antiarrhythmic medicines using principal component analysis. Journal of Analytical Chemistry. 2015. Vol. 70. No. 10. Pp. 1261-1266.

5. Yarkaeva Yu. A., Zil'berg R. A., Khabletdinova A. I., Sidel'nikov A. V, Maistrenko V N. Vol'tamperometricheskaya identifikatsiya lekarstvennykh sredstv na osnove bisoprolola s ispol'zovaniem proektsii na latentnye struktury. Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2016. Vol. 21. No. 3. Pp. 635-641.

6. Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Sidel'nikov A. V, Maistrenko V. N., Kraikin V A., Gileva N. G. Voltammetric Determination of Bisoprolol on a Glassy Carbon Electrode Modified by Poly(Arylene Phthalide). Journal of Analytical Chemistry. 2016. Vol. 71. No. .9. Pp. 926-931.

7. Zil'berg R. A., Sidel'nikov A. V, Yarkaeva Yu. A., Kabirova L. R., Maistrenko V. N. Identifikatsiya lekarstvennykh sredstv na osnove bisoprolola s ispol'zovaniem vol'tamperometricheskogo «elektronnogo yazyka». Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2017. Vol. 22. No. 2. Pp. 356-363.

8. Zilberg Rufina A., Sidelnikov Artem V., Maistrenko Valery N., Yarkaeva Yulia A., Khamitov Edward M., Kornilov Viktor M., and Maksutova Elza I. A Voltammetric Sensory System for Recognition of Propranolol Enantiomers Based on Glassy Carbon Electrodes Modified by Polyarylenephthalide Composites of Melamine and Cyanuric Acid. Electroanalysis. 2017. No. .29. Pp. 1-8.

9. Yarkaeva Yu. A., Kabirova L. R., Provorova Yu. R., Zil'berg R. A., Gileva N. G. Enantioselektivnoe raspoznavanie propranolola na stek-louglerodnom elektrode, modifitsirovannom tsiklodekstrinami. Doklady Bashkirskogo universiteta. 2017. Vol. 2. No. 3. Pp. 375-379.

10. Sidel'nikov A. V., Maistrenko V. N., Zil'berg R. A., Yarkaeva Yu. A., Khamitov E. M. An enantioselective voltammetric sensor for the recognition of propranolol stereoisomers. Journal of Analytical Chemistry. 2017. Vol. 72. No. 5, Pp. 575-581.

11. Slepchenko G. B., Zakharova E. A., Akeneev Yu. A. Elektrody v elektrokhimicheskikh metodakh kontrolya uchebno-metodicheskoe posobie po kursu «Sovremennye problemy analiticheskogo kontrolya i monitoringa» [Electrodes in electrochemical methods of control: textbook for the course "Modern problems of analytical control and monitoring"]. Tomsk: izd-vo TPU. 2008.

12. Shabalina A. V., Lapin I. N., Svetlichnyi V. A.. Elektrod iz steklougleroda, modifitsirovannyi mednymi nanochastitsami, dlya odnovre-mennogo opredeleniya askorbinovoi kisloty i dofamina. Elektrokhimiya. 2015. T 51. No. 7. Pp. 780-783.

Received 05.02.2018.