CC BY
11
УДК 543.55+ 612.1
Николенко К.В., Евсеев А.К., Царькова Т.Г., Горончаровская И.В.
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПРИ РАЗОМКНУТОЙ ЦЕПИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ
Николенко Кристина Владимировна, студентка 4 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Евсеев Анатолий Константинович, д.х.н., ведущий научный сотрудник лаборатории клеточных и физико-химических медицинских технологий, e-mail: anatolevseev@gmail.com
ГБУЗ «Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского ДЗМ», Москва, Россия
129090, Москва, Большая Сухаревская площадь, дом 3
Царькова Татьяна Григорьевна, к.х.н., профессор кафедры ТЭП,
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Горончаровская Ирина Викторовна, к.х.н., научный сотрудник лаборатории клеточных и физико-химических медицинских технологий
ГБУЗ «Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского ДЗМ», Москва, Россия 129090, Москва, Большая Сухаревская площадь, дом 3
Разработан модифицированный метод измерения потенциала платинового электрода при разомкнутой цепи в биологических средах. Модифицирование методики предварительной обработки рабочего электрода позволило снизить время анализа, что повысило экспрессность предлагаемого метода. При проведении измерений потенциала платинового электрода при разомкнутой цепи в образцах плазмы крови практически здоровых людей была показана высокая эффективность модифицированного метода.
Ключевые слова: потенциал при разомкнутой цепи, платиновый электрод, плазма крови
MODIFIED METHOD OF OPEN CIRCUIT POTENTIAL MEASUREMENT IN BIOLOGICAL MEDIA
Nikolenko K.V., Evseev A.K.*, Tsarkova T.G., Goroncharovskaya I.V.*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *N.V. Sklifosovsky Research Institute for Emergency Medicine, Moscow, Russia
A modified method for the platinum electrode open circuit potential measurement in biological media has been developed. Modification of the working electrode pretreatment procedure made it possible to reduce the analysis time, which increased the expressiveness of the proposed method. The high efficiency of the modified method for measuring of the platinum electrode open circuit potential in blood plasma samples of practically healthy people was shown.
Keywords: open circuit potential, platinum electrode, blood plasma
Введение
В последнее время в медицине отмечается рост исследований в области разработки новых и усовершенствовании существующих
электрохимических методов анализа. Данное обстоятельство связано с тем, что электрохимические методы обладают рядом таких существенных преимуществ как быстродействие, возможность анализировать окрашенные образцы и коллоидные среды перед широко
распространенными в медицине методами спектрофотометрии и хроматографии.
Одним из электрохимических методов, применяемых для оценки состояния пациентов с различными заболеваниями, является измерение потенциала при разомкнутой цепи (ПРЦ) в биологических средах [1-3]. Несмотря на то, что первые работы по измерению ПРЦ в биологических
средах были проведены еще в 20-х годах прошлого века [4] метод до сих пор претерпевает изменения с целью повышения точности и воспроизводимости измерений. Основной проблемой является сильное влияние индивидуальных особенностей
измерительного электрода (платина, золото) на величину потенциала при проведении измерений в слабых окислительно-восстановительных системах, которыми являются биологические среды (например, кровь, плазма и сыворотка крови) [4]. В связи с этим ведутся разработки в направлении минимизирования влияния особенностей
электродного материала [5-7].
С одной стороны это может быть осуществлено с помощью изменения самого электродного материала, с другой стороны путем измерения методики измерения. Так, в работе [5] предложено использовать нанопористые золотые электроды
вместо гладкого золота, что, по мнению авторов, позволяет избежать загрязнения поверхности электрода компонентами биологических сред, приводящих к снижению точности измерений.
В работах направленных на изменения методики измерения, предлагается, например, проводить измерения потенциала в гальваностатическом режиме (при токе 1 нА) [6]. Однако измеряемая таким образом величина уже не является в прямом смысле потенциалом при разомкнутой цепи. Более эффективный способ описан в работе [7], где авторами было предложено проводить предварительную обработку измерительного электрода перед каждым измерением в биологической среде, что позволило повысить воспроизводимость результатов измерений. В данном случае стоит отметить достаточно длительную процедуру предварительной обработки измерительного электрода.
Целью данной работы является модифицирование методики измерения потенциала платинового электрода при разомкнутой цепи в биологических средах.
Материалы и методы
В качестве объектов исследования использовали 0,14 М водный раствор №2Б04 и плазму крови практически здоровых людей в качестве биологический среды. Забор цельной крови осуществляли с помощью вакуумной системы с использованием пробирок Vacutainer® LH 102 1.и. (BD, Великобритания) с антикоагулянтом гепарином лития. Плазму крови получали центрифугированием при 1500g в течение 15 мин на центрифуге CR 3.12 Уоиап, Франция). Объем образцов полученной плазмы крови для исследования составлял 2 мл.
Измерение ПРЦ в водных и биологических средах проводили на платиновых электродах ЭПЛ-02 (ОАО «Гомельский завод измерительных приборов», Республика Беларусь),
хлоридсеребряный электрод (насыщ. КС1) использовали в качестве электрода сравнения. Потенциостат 1РС-СошраС (ЗАО «Кронас», Россия) использовали для измерения величины ПРЦ платинового электрода и записи зависимости изменения ПРЦ платинового электрода от времени. В качестве стандартной методики измерения ПРЦ в биологических средах использовали метод, описанный в [7].
Результаты и обсуждение
Как уже было отмечено выше, существует проблема измерения ПРЦ в слабых окислительно-восстановительных средах, к которым относят, в том числе, биологические среды, заключающаяся в различии показаний электродов из одного и того же материала, связанная с их индивидуальными особенностями.
Данное утверждение подтверждается тем, что одни и те же промышленно выпускаемые платиновые электроды могут обладать различной величиной потенциала в тестируемой среде, кроме того, наблюдается достаточно высокий разброс измеряемых значений, что делает невозможным
использование данных электродов для точных измерений.
Так, было обнаружено, что при измерении ПРЦ по стандартной методике [7] на двух платиновых электродах ЭПЛ-02 в 0,14 М водном растворе Ка2Б04 стандартное отклонение значений ПРЦ для одного электрода составило 3,06, в то время как для другого электрода стандартное отклонение составило 9,59, что значительно превышает рекомендуемое значение < 5 [7]. В связи с этим было предложено модифицировать стандартную методику измерения ПРЦ в биологических средах для получения более точных результатов. Во-первых, было сокращено с 50 до 20 количество циклов обработки в режиме циклической развертки потенциала в диапазоне от -600 до +600 мВ, а также вместо шага проверки в 0,14 М водном растворе Ка2Б04 введен шаг потенциостатической обработки. Потенциостатическая обработка проводилась при области потенциалов от -50 до +150 мВ. Данная область соответствует началу образования на поверхности платины оксидов и изменяя режим обработки в данной области можно ожидать получения одного и того же состояния поверхности электрода. Время обработки варьировалось от 1 до 10 минут.
Результаты измерений величин ПРЦ платинового электрода в зависимости от режима предварительной обработки представлены на рис. 1.
Рис. 1. Средние величины ПРЦ платинового электрода в 0,14 М водном растворе в зависимости от режима
потенциостатической обработки: А - без обработки, ♦ - -50 мВ, ■ - 0 мВ, ▲ - +50 мВ, • - +100 мВ, х - +150 мВ. Стандартные отклонения величин ПРЦ показаны в виде планок погрешностей
В ходе анализа полученных данных было обнаружено, что по мере смещения потенциала, при котором происходила потенциостатическая обработка, в область более положительных значений, а также увеличения времени обработки, снижалось значение стандартного отклонения величины ПРЦ платинового электрода. Наиболее воспроизводимые результаты были получены при значениях потенциала в диапазоне от +50 до +150 мВ при времени обработке не менее 3 минут. Отмечено также, что при указанных выше потенциалах увеличение времени обработки с 3 до 10 минут приводит к снижению стандартного
отклонения на величину от 0,44 до 0,53, т.е. увеличение времени обработки более 3 минут не приводит к заметному увеличению воспроизводимости метода.
Подчеркнем, что применение
модифицированной методики за счет сокращения времени обработки электрода в режиме циклической развертки потенциала и замены шага проверки на обработку в потенциостатическом режиме позволяет снизить длительность предварительной обработки. Так, при проведении дополнительного шага предварительной обработки платинового электрода в потенциостатическом режиме в течение 5 минут общее время обработки снижается с 8,3 минут до 6,5 минут, а при обработке в течение 3 минут до 4,5 минут, т.е. практически в два раза по сравнению со стандартной методикой.
Для проведения исследований ПРЦ платинового электрода в биологических средах была выбрана обработка исходя из условия минимального соотношения времени обработки и
воспроизводимости, в связи с этим был выбран режим с потенциостатированием при +150 мВ в течение 3 минут.
При исследовании эффективности предлагаемого модифицированного метода при проведении измерений в плазме крови были получены достаточно воспроизводимые результаты (рис. 2). Стандартное отклонение величины ПРЦ платинового электрода в плазме крови составляло не более 3,40, что соответствует результатам, полученным с применением данной методики в водных средах.
Рис. 2. Воспроизводимость ПРЦ платинового электрода в плазме крови.
Выводы
1. Предложен модифицированный метод измерения ПРЦ платинового электрода в водных и биологических средах, характеризующийся высокой воспроизводимостью результатов измерений (стандартное отклонение величины ПРЦ < 5).
2. На примере измерений в плазме крови показана эффективность модифицированного метода измерения ПРЦ платинового электрода.
Список литературы
1. Rael L.R., Bar-Or R., Aumann R.M. et al. Oxidation-reduction potential and paraoxonase arylesterase activity in trauma patients // Biochemical and Biophysical Research Communications. - 2007. - Vol. 361, N 2. - P. 561-565.
2. Goldin Michael. M., M.S. Khubutiya, Evseev A.K. et al. Noninvasive diagnosis of dysfunctions in patients after organ transplantation by monitoring the redox potential of blood serum // Transplantation. - 2015. -Vol. 99, N 6. - P. 1288-1292.
3. Lee J.-H., Jang A., Bhadri P.R., Myers R.R. et al. Fabrication of microelectrode arrays for in situ sensing of oxidation reduction potentials // Sensors and Actuators B. - 2006. - Vol. 115. - P. 220-226
4. Михаэлис Л. Окислительно-восстановительные потенциалы и их физиологическое значение. М.: ГХТИ; 1932. - 160 с.
5. Farghaly A.A., Lam M., Freeman C.J. et al. Potentiometric measurements in biofouling solutions: comparison of nanoporous gold to planar gold // Journal of The Electrochemical Society. - 2016. - Vol. 163, N 4. - P. H3083-H3087.
6. Rael L.T., Bar-Or R., Kelly M.T. et al. Assessment of Oxidative Stress in Patients with an Isolated Traumatic Brain Injury Using Disposable Electrochemical Test Strips // Electroanalysis. - 2015. - Vol. 27, N 11. - P. 2567-2573.
7. Хубутия М.Ш., Евсеев А.К., Колесников В.А. и др. Измерения потенциала платинового электрода в крови, плазме и сыворотке крови // Электрохимия. -2010. - Т. 46, № 5. - С. 569-573.
