CC BY
121
ОБЗОРЫ И ЛЕКЦИИ
УДК 553.243
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОАНАЛИЗЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И МЕДИЦИНСКИХ ПРЕПАРАТОВ
Т.М. Гиндуллина1, Г.Б. Слепченко1, О.А. Мартынюк1, Н.П. Пикула1, О.В. Шкуратова2
1ГОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2Филиал ФГУП "НПО "Микроген" Минздравсоцразвития России в г. Томск, "НПО "Вирион"
E-mail: slepchenkogb@mail.ru
NANOTECHNOLOGY IN ELECTROANALYSIS OF BIOLOGICAL OBJECTS AND MEDICAL DRUGS
T.M. Gindullina1, G.B. Slepchenko1, O.A. Martynyuk1, N.P. Pikula1, O.V. Shkuratova2
1Tomsk Polytechnic University
2"Virion" - Tomsk Branch of the Federal State Unitary Company "Microgen" Scientific Industrial Company for Immunobiological Medicines"
of the Ministry of Health and Social Development of the Russian Federation
Показано использование различных наноматериалов (углеродные материалы, органические материалы, нанокомпозиты, металлы и оксиды металлов) для электродов при вольтамперометрическом определении лекарственных веществ. Приведены результаты исследований по расширению числа определяемых органических веществ и лекарственных препаратов с использованием электродов, изготовленных с применением наноматериалов.
Ключевые слова: вольтамперометрия, определение веществ, органические вещества, лекарственные препараты, электроды, наноматериалы.
The study demonstrates the use of various nanomaterials (carbon materials, organic materials, nanocomposites, metals and metal oxides) for the electrodes in the voltammetric determination of drugs. The article presents the findings of the research aimed at increasing the number of identified organic compounds and pharmaceuticals using electrodes made of nanomaterials.
Key words: voltammetry, substance testing, organic substances, drugs, electrodes, nanomaterials.
Прогресс в области нанотехнологий привел к разработке наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, строительной, химической, электронной промышленности и научных исследований. Перспективной областью применения нанотехнологий являются инструментальные методы контроля, в т.ч. и для медицинской диагностики. Это связано с тем, что современные технологии позволяют работать с веществом в микрометро-вых и даже нанометровых масштабах. В последние годы для определения органических веществ и неорганических элементов при решении медико-биологических задач широкое применение находят электрохимические, в частности, вольтамперометрические (ВА), методы анализа. Преимущества этих методов заключаются в относительной простоте и невысокой стоимости анализа, они имеют высокую чувствительность, хорошую селективность и экспрессность, их можно автоматизировать, что позволяет решать задачи по контролю материалов меди-
цинской диагностики, в том числе биологических объектов, при определении широкого спектра органических веществ и неорганических элементов на уровне миллиграммов и микрограммов. Увеличение числа публикаций по вольтамперометрическому определению лекарственных веществ связано, главным образом, с расширением рынка лекарственных препаратов и, как следствие, возрастанием процента их фальсификации.
В последние годы наблюдается проникновение нанотехнологий в электроаналитическую химию для создания электродов нового поколения. В таблице 1 представлены результаты обзора литературных источников по данным ВИНИТИ за последние 5 лет.
Просмотрено около 300 публикаций, посвященных вольтамперометрическому определению различных веществ с помощью электродов на основе наноматериалов; примерно треть из них составляют статьи по вольтампе-рометрическому определению лекарственных веществ.
Как видно из таблицы 1, интерес к электродам на основе наноматериалов неуклонно растет с каждым годом, что отражается на частоте журнальных публикаций, пока что в основном зарубежных. Применение наноматериалов в электроанализе во многих случаях позволяет повысить возможности конкретных методов, в том числе обеспечить заданные метрологические характеристики и расширить круг определяемых лекарственных средств.
Анализ литературных данных показал, что для детектирования лекарственных веществ чаще всего использу-
Таблица 1
Использование наноматериалов для электродов при вольтамперометрическом определении лекарственных веществ (ВИНИТИ, 2006-2010 гг.)
Год Общее число публикаций по вольтам-перометрии Число публикаций по ВА-пределению на электродах из наноматериалов Число публикаций по ВА-определению лекарственных веществ Доля (%) от общего числа публикаций
2006 420 33 16 3,8
2007 510 68 20 3,9
2008 414 66 15 3,6
2009 423 78 29 6,8
2010* 103 27 19 18,4
Примечание: * - данные за 2010 г. неполные.
Таблица 2
Наноматериалы для электродов при вольтамперометрическом определении лекарственных веществ
Углеродные
материалы
Одно- и многостеночные УНТ; фуллерен С(60); пористые стеклоуглеродные наноансамбли; нанопроволока из углеродной пасты
Органические материалы, нанокомпозиты
Наноструктурированная электрополиме-ризованная пленка 5-амино-2-меркапто-1,3,4-тиадиазола; нанотадструктуры; нановолокно из полиглутаминовой кислоты.
Монослои: 4-амино-2-меркаптопирими-дина; тиомолочной кислоты; п-аминотио-фенола и 4-формилборной кислоты; азидо- и гидроксилтерминированных тиолов и ДНК; цистеамина и наночастиц золота.
Композиты: одностеночные УНТ, наночастицы золота, ионные жидкости; мультистеночные УНТ и гексацианоферрат (2+); одностеночные УНТ и поли-о-фенил-ендиамин; многостеночные УНТ с привитым полианилином; УНТ и L-цистеиновая кислота; УНТ и односпиральная ДНК; УНТ и салофен Со; УНТ и тионин-нафион; УНТ и 2-(4-оксо-3-фенил-3,4-дигидрохиназо-линил)-М(')-фенилгидразинкарботиамид; УНТ и хитозан; УНТ и наночастицы кобальта; УНТ и оксид рутения; цистамин и наночастицы золота; поли-4-аминотиофенол и наночастицы золота; тиодипропионовая кислота и наночастицы золота; L-цистеин и наночастицы золота; сверхокисленный полипиррол и нанокластеры золота; холестериноксидаза и наночастицы оксида кобальта
ются дифференциальная импульсная, циклическая, квадратно-волновая вольтамперометрия.
При изготовлении электродов в качестве основы электрода (подложки), как следует из таблицы 2, большое применение находят углеродные материалы, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены, стеклоуглерод, пирографит и др., содержащие на поверхности большое количество функциональных групп; широко используются композитные материалы на основе УНТ и различных связующих. В ряде случаев поверхность электрода модифицируется монослоями и наноразмерны-ми пленками органических веществ разных классов, а также наночастицами металлов, оксидов и гидроксидов металлов.
Большое число публикаций, посвященных определению биологически активных веществ, обусловлено не только важностью проблемы их контроля в биологии, медицине и фармацевтике, но и тем, что с помощью вольтамперометрических методов анализа можно проводить экспрессную оценку состояния организма человека в острых ситуациях или при массовых обследованиях населения.
Важным объектом анализа биологически активных соединений являются нейропереносчики. На графитовых электродах допамин, адреналин, аскорбиновая и мочевая кислоты окисляются практически при одних и тех же потенциалах с перекрыванием соответствующих пиков. Основная проблема вольтамперометрического определения катехоламинов - низкая концентрация (~ 1 • 10-7 моль/л) на фоне высоких концентраций (~ ы0-4 моль/л) мочевой и аскорбиновой кислот [1].
Для повышения чувствительности и селективности определений предложены электроды, модифицированные нанораз-мерными частицами металлов, позволяющими снизить перенапряжение окисления органических соединений, что способствует разделению анодных пиков. Так, определение допамина в присутствии аскорбиновой кислоты стало возможным благодаря стеклоуглеродному электроду, покрытому L-цистеином и наночастицами золота; различие в потенциалах окисления допамина и аскорбиновой кислоты составляет ~ 200 мВ. Диапазоны линейности градуировочных графиков 6,0-10-8-8,5-10-5 моль/л (допамин) и 1,0-10-6-2,5-10-3 моль/л (аскорбиновая кислота), пределы обнаружения (ПО) составляют 2,0-10-8-3,0-10-7 моль/л соответственно. Методика применена при анализе сыворотки крови человека описана Hu G., Guo Y., Shao Sh. [7].
Перспективным направлением применения наночастиц в составе модифицирующих слоев является их включение в поли-
Металлы
и оксиды металлов
Наночастицы золота; нанотрубки золота; нанокластеры золота; наночастицы платино-свинцовых сплавов; ансамбль золотых наноэлектродов; нанопроволоки золота; оксид рутения; нанострукту рированный пористый оксид титана ТЮ2; золь-гель частицы фосфорилированно-го оксида циркония - диоксида кремния; наночастицы СиО; наностержни из СиО; наночастицы La(OH)з наночастицы гидроксида кобальта
мерные матрицы, получаемые как при электрополимеризации, так и из растворов в органических растворителях. При этом наночастицы обусловливают электропроводимость слоя, а молекулы полимера выполняют функции их стабилизации и фиксации. Электронный обмен между деполяризатором и электродом осуществляется в таких системах очень быстро. Наночастицы меди электрохимически внедрили в полипиррольную пленку, которую использовали для модифицирования поверхности стеклоуглеродного электрода [9]. Ток электрокаталитичес-кого окисления на данном электроде линеен при концентрациях 1-10-9-1-10-4 М мочевой кислоты и 1-10-91-10-7 М допамина на фоне фосфатного буферного раствора с рН 7,00 при использовании дифференциальной импульсной вольтамперометрии. Электрод обеспечивает предел обнаружения 8,5-10-10 М (допамин) и 8-10-10 М (мочевая кислота).
Стеклоуглеродный электрод, модифицированный фуллереном, применен для одновременного определения 2'-деоксиаденозина и аденина в крови и в моче пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой с использованием квадратно-волновой вольтам-перометрии [3]. По сравнению с непокрытым электродом у нового электрода потенциал окисления смещается в отрицательную область с одновременным увеличением сигнала для обоих анали-тов. Градуировочные графики линейны при концентрациях аналитов 10 нМ - 100 мкМ в 0,1 М фосфатном буферном растворе Бриттона-Робинсона (pH 7,2), пределы обнаружения 0,8-10-8 и 0,95-10-8 М соответственно. Модифицирование фул-лереном электрода из пирографита позволило достичь По 1,5 -10-11 М при определении нан-дролона методом квадратно-волновой вольтамперометрии в фосфатных буферных средах [4]. Градуировочный график линеен в области концентраций нандро-лона 0,01-50 нМ. Метод пригоден для определения нандролона в промышленных медицинских препаратах.
Другим перспективным нано-размерным объектом являются углеродные нанотрубки (УНТ).
Активные центры на боковых плоскостях УНТ, которые присутствуют в них на концах и вдоль оси в местах, где слои графита прерываются, являются основной причиной усиления электроката-литических эффектов при использовании углеродных нанотрубок [1]. Из числа просмотрен-
ных публикаций по вольтамперометрическому определению лекарственных веществ более 50% статей посвящены использованию УНТ в качестве материала или модификатора электрода.
Вольтамперометрический метод определения цинна-ризина на модифицированном многостенными углеродными нанотрубками стеклоуглеродном электроде описан в [6]. При определении в оптимальных условиях градуировочный график линеен в области концентраций цин-наризина 9,0-10-8-6,0-10-6 М с ПО 2,58-10-9 М. Метод применен для определений циннаризина в фармацевтических препаратах и моче.
Одновременное определение изомерных стероидов тестостерона и эпитестостерона осуществлено методом квадратно-волновой вольтамперометрии на модифицированном одностеночными углеродными нанотрубками электроде из пирографита. В оптимальных условиях градуировочные графики линейны в области концентраций 5-1000 нМ для тестостерона и эпитестостерона с пределом обнаружения 2,8-10-9 и 4,1-10-9 М соответственно. Результаты определений согласуются с данными ВЭЖХ.
Таблица 3
Определение лекарственных веществ
Определяемый компонент Определяемая концентрация
Средства, регулирующие метаболические процессы Аденозин, инозин одновременно; аскорбиновая кислота; аскорбиновая кислота, допамин одновременно в прис. цистеина, пеницилламина, глутатиона; гесперидин; гуанин; гуанозин в прис. гипоксантина, ксантана, мочевой и аскорбиновой кислот; 2'-деоксиаденозин, аденин; жирорастворимые антиоксиданты: б-токоферол, ретинол, кальциферолы; инсулин; катехин; креатин; липоевая кислота; метилпреднизолон; метилпреднизо-лон-ацетат; нандролон; никотиновая кислота; рутин; тестостерон, эпитестостерон одновременно; L-тирозин; L-триптофан; унитиол; фенольные эстрогенные соединения; флавоноиды (кверцетин, дайцеол, пуерарин); фолиевая кислота; циннаризин; L-цистеин в прис. аскорбиновой кислоты; эпине-фрин, в том числе в прис. норэпинефрина 1,5-10-||-6,1-10-4 М
Противомикробные, противовирусные, противовоспалительные и противопаразитарные средства Ацикловир, гидрохинон, катехин, резорцин одновременно; левофлоксан-гидрохлорид; никлозамид; нимесулид; пирокатехин; тербинафин; тетрациклин, окситетрациклин, хлортетрациклин, доксициклин; хлорамфеникол 5,0-10-9-1,0-10-5 М
Средства, действующие преимущественно на ЦНС Ацетаминофен в прис. дофамина, бруцина, эпинефрина, норэпинефрина; леводол; лоперамид; носкапин; парацетамол; пироксикам; цизаприд 1,0-10-8-4,0-10-3 М
Средства, действующие преимущественно на периферические нейромедиаторные процессы Адреналин; атенолол, допамин; гидрохлортиазид; допамин, аскорбиновая кислота одновременно в прис. цистеина, пеницилламина, глутатиона; допамин, серотонин одновременно в прис. аскорбиновой кислоты 2,1-10-||-|,6-10-4 М
Сердечно-сосудистые средства Митоксантрон; никотинат ксантинола; каптоприл 1,5-10-9-2,0-10-7 М
Средства для лечения онкологических заболеваний Адриамицин; колхицин
Средства разных фармакологических групп Глюкоза, в т.ч. в прис. сахарозы и амилама, аскорбиновой, мочевой и глюконовой кислот; гимехромон; даунорибицин; маннит, сахароза; прокаин; целекоксиб 0- -| , 0- М
Прочее Глутатион; ДНК; метморфин; мочевая кислота, в т.ч. в прис. аскорбиновой кислоты; холестерин 5-10-8-9,4 М
Метод применен для детектирования обоих аналитов в образцах мочи [5].
В клинической диагностике важной задачей является определение количественного состава аминокислот в биологических жидкостях, пищевых продуктах и лекарственных препаратах, поскольку нарушения в соотношении аминокислот в организме человека приводят к возникновению различных заболеваний. Электрод, модифицированный электроспряденными углеродными нановолокнами, проявляет высокую электрокаталитическую активность при окислении L-триптофана, L-тирозина и L-цистеина. Диапазоны линейности градуировочных графиков 0,1-119; 0,2-107 и 0,15-64 мкМ для триптофана, тирозина и цистеина соответственно; пределы обнаружения составляют 0,1 мкМ при использовании метода циклической вольтамперометрии. Электрод можно использовать для определения аминокислот при медицинских и клинических анализах [8].
Для вольтамперометрического определения водорастворимых витаминов (В1, В2 и С) и флавоноидов (кверцетин и рутин) авторами впервые использованы графитовый и стеклоуглеродный электроды, модифицированные тозилатными солями арилдиазония. Методом электронной микроскопии установлено, что модификатор неравномерно распределяется по поверхности электрода, образуя ковалентно связанные с углеродом органические слои на активных центрах и дефектах поверхности. Новый электрод обеспечивает предел обнаружения 10-6 мг/дм3 при определении витаминов С, В1, В2, для квер-цетина и рутина эта величина составляет 10-5 мг/дм3.
Применение новых органо-модифицированных электродов в анализе биологических жидкостей и лекарственных препаратов позволило значительно увеличить чувствительность (примерно в 3-4 раза) и селективность определения, что было подтверждено на примере определения водорастворимых витаминов в грудном молоке. Погрешность определения водорастворимых витаминов и флавоноидов на органо-модифицированных электродах составляет 14-18% [2].
Возможность применения метода вольтамперометрии в определении широкого круга лекарственных средств представлена в таблице 3.
Заключение
Таким образом, широкое использование нанотехнологий в электроанализе позволяет значительно расширить возможности контроля лекарственных препаратов
и биологических субстанций: снизить предел обнаружения и расширить круг определяемых компонентов. Созданные на основе наноматериалов электроды нового поколения обеспечивают высокую чувствительность и селективность при одновременном определении ряда лекарственных веществ в биологических средах, что открывает широкие перспективы электроанализа в медицинской диагностике.
Литература
1. Будников Г.К., Евтюгин Г.А., Майстренко В.Н. Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009.
- 416 с.
2. Слепченко Г.Б., Мартынюк О.А., Постников П.С. и др. Новые возможности вольтамперометрического определения фармацевтических препаратов на органо-модифицированных электродах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - Т. 75, № 12. - C. 10-14.
3. Goyal R. N., Chatterjee S., Bishnoi S. Voltammetric determination of 2'-deoxyadenosine and adenine in irine of patients with hepatocellular carcinoma using fullerene-C[60]-modified glassy carbon electrode // Electroanalysis. - 2009. - Vol. 21(12). -P. 1369-1378.
4. Goyal R. N., Chatterjee S., Bishnoi S. Effect of substrate and embedded metallic impurities of fullerene in the determination of nandrolone // Anal. chim. acta. - 2009. - Vol. 643(1-2). -P. 95-99.
5. Goyal R. N., Gupta V. K., Chatterjee S. Electrochemical investigations of corticosteroid isomers - testosterone and epitestosterone and their simultaneous determination in human urineделение в моче человека // Anal. Chim. Acta. - 2010. -Vol. 657(2). - P. 147-153.
6. Hegde R. N., Hosamani R. R., Nandibewoor Sh. T. Voltammetric oxidation and determination of cinnarizine at glassy carbon electrode modified with multi-walled carbon nanotubes // Colloids and Surfaces. B. - 2009. - Vol. 72(2). - P. 259-265.
7. Hu G., Guo Y., Shao Sh. Simultaneous determination of dopamine and ascorbic acid using the nano-gold self-assembled glassy carbon electrode // Electroanalysis. - 2009. - Vol. 21(10).
- P. 1200-1206.
8. Tang X., Liu Y., Hou H. et al. Electrochemical determination of L-Tryptophan, L-Tyrosine and L-Cysteine using electrospun carbon nanofibers modified electrode // Talanta. - 2010. -Т. 80(5). - P. 2182-2186.
9. Ulubay S., Dursun Z. Cu nanoparticles incorporated polypyrrole modified GCE for sensitive simultaneous determination of dopamine and uric acid // Talanta. - 2010. - Vol. 80(3). -P. 1461-1466.
Поступила 21.04.2011
