CC BY
152
УДК 535.37:546.65:543.8
Н. М. Селиванова, К. С. Васильева, Ю. Г. Галяметдинов ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИБУПРОФЕНА НА ОСНОВЕ СЕНСИБИЛИЗИРОВАННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
КОМПЛЕКСА ТЕРБИЯ (III)
Ключевые слова: тербий, ибупрофен, сенсибилизированная люминесценция, мицеллярные системы.
Изучены процесс комплексообразования и люминесцентные свойства хелата тербия (III) с нестероидным противовоспалительным препаратом - ибупрофеном в присутствии 1,10-фенантролина,
солюбилизированного мицеллярным раствором неионного ПАВ - монододецилового эфира декаэтиленгликоля. Показано, что введение ибупрофена приводит к образованию разнолигандного комплекса и увеличению интенсивности люминесценции иона тербия (III). Предложено использование данного комплекса в качестве аналитической формы для молекулярного распознавания ибупрофена с пределом обнаружения 5,3 х10~8моль/л.
Key words: terbium, ibuprofen, sensitized luminescence, micellar system.
The process of complexation and luminescent properties of terbium (III) chelate with non-steroidal anti-inflammatory drug - ibuprofen in the presence of 1,10-phenanthroline solubilized by micellar solution of nonionic surfactant -decaethylene glycol monododecyl ether were studied. The introduction of ibuprofen leads to the ternary complex formation and increasing in luminescence intensity of terbium ion. This complex allows for the determination of ibuprofen with the detection limit - 5.3*10~8 mol/L.
Введение
Активно развивающимся, перспективным направлением в биомедицинском анализе и молекулярном распознавании различных
лекарственных препаратов и их метаболитов является использование характеристической 4^ люминесценции ионов лантаноидов,
сенсибилизированной лигандным окружением центрального иона [1]. Ввиду уникальных фотофизических свойств ионов Ln, люминесцентные биозонды на их основе применяются в качестве высокочувствительных аналитических сенсоров, для визуализации различных поражений в клетках и тканях, а так же мониторинга доставки лекарств [2-4].
Трехвалентные ионы лантаноидов LnIII обладают узкой полосой эмиссии и высоким квантовым выходом люминесценции. Эмиссия лантаноидов покрывает спектр от УФ (Ceш, GdIII) до видимой (SmIII, EuIII, TbIII, DyIII, TmIII) и ближней инфракрасной области (Шп, ErIII, YbIII).
Однако наряду с упомянутыми достоинствами существует и главный недостаток -свободные ионы лантаноидов обладают очень слабой люминесценцией из-за низкой поглощающей способности, вследствие запрета на переходы между состояниями различной мультиплетности. В
комплексах лантаноидов данная проблема решается подбором органических лигандов, для
осуществления эффективного переноса энергии с лиганда на излучающий ион [5]. Проявляемая в данном случае сенсибилизированная
люминесценция комплексов лантаноидов связана с возбуждением электронов путем передачи им
энергии от триплетного уровня лигандов и
последующего перехода электронов на более низкие разрешенные состояния. Имеет место так
называемый «эффект антенны» [1]. Согласно [6], для эффективного переноса энергии возбуждения и
интенсивной сенсибилизированной люминесценции необходимо выполнение следующих условий: наличие у лиганда комплексообразующих групп высокой дентантности и светопоглощающей способности, миниальные дезактивирующие лигандные переходы и ^^^о, энергия
триплетного уровня лиганда приблизительно равна или больше резонансного уровня иона LnIII, минимизация безызлучательных переходов возбужденных ионов LnIII. Несмотря на большое число публикаций в данной области, вопрос поиска лигандов для эффективной сенсибилизированной люминесценции ионов лантаноидов остается открытым, что обусловлено дополнительными требованиями, предъявляемыми к самому комплексу, в частности стабильности при определенном биологическом значении рН, растворимости в водных средах, соответствии энергетических уровней детектируемых лигандов.
В аспекте молекулярного распознавания различных лекарственных средств выдвигаются требования к разработке простых, экспрессных и высокочувствительных методик их определения в дозированных лекарственных формах. В этом плане флуоресцентные комплексы ионов лантаноидов представляют значительный интерес. Большое время жизни возбужденного состояния иона Ьи позволяет использовать технику время-разрешенной спектроскопии, достигая очень низких пределов обнаружения и обеспечивая необходимую точность и экспресность определения [7].
Нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) представляют собой класс фармакологических агентов, терапевтическая активность которых связана с предотвращением развития или снижения интенсивности воспаления. В настоящее время насчитывается около 70 оригинальных противовоспалительных препаратов нестероидной структуры. Ибупрофен является типичным представителем группы НПВП;
представляет собой производное фенилпропионовой кислоты [(РБ)-2-(4-изобутилфенил)-пропионовая кислота], обладает противовоспалительным, анальгезирующим и жаропонижающим действием. Механизм действия и профиль безопасности ибупрофена хорошо изучены, его эффективность клинически апробирована, в связи, с чем данный препарат входит в список важнейших лекарственных средств. Широкое использование и растущее число новых препаратов, содержащих ибупрофен, требует простых, чувствительных, быстрых и воспроизводимых методик его определения в биологических жидкостях, в многокомпонентных и чистых лекарственных формах.
Вопросы идентификации ибупрофена на основе сенсибилизированной люминесценции тербия (III) были рассмотрены в работах [8,9] на примере комплекса хлорида тербия (III) с триоктилфосфинооксидом в метаноле и комплекса хлорида тербия (III) с 1,10-фенантролином в водных средах. Пределы обнаружения ибупрофена в первом случае составил 1,2-10" моль/л, во втором - 9,7 -10" моль/л.
С целью поиска более эффективных условий идентификации ибупрофена и его изоструктурных аналогов, в частности увеличении чувствительности определения и понижении предела обнаружения флуориметрическим методом, в данной работе были изучены процессы комплексообразования и люминесцентные свойства комплекса нитрата тербия (III) с лигандом - 1,10-фенантролином и ибупрофеном для применения сенсибилизированной люминесценции хелата тербия (III), солюбилизированного водным раствором неионного ПАВ - монододецилового эфира декаэтиленгликоля, в молекулярном распознавании ибупрофена в лекарственных препаратах.
Экспериментальная часть
Пентагидрат нитрата тербия
Tb(NO3)35H2O, 1,10-фенантролин Ci2H8N2 (Phen), монододециловый эфир декаэтиленгликоля
C-i2H250(CH2CH20)ioH (C-|2EOio) являлись коммерческими продуктами фирмы «Aldrich» и использовались без дополнительной обработки. Растворы всех основных и вспомогательных
химических реактивов готовили на
бидистиллированной воде и этаноле; исходная концентрация растворов составляла 1,6-10"3 моль/л.
Синтез комплекса Tb(Phen) осуществлялся в водной среде, содержащей 1,6-10"3 моль/л ПАВ, исходя из мольного соотношения компонентов 1:1, предварительно навеску фенантролина растворяли в 0,1 мл этанола.
Для приготовления раствора ибупрофена (Ibp) C13H18O2 десять таблеток фармпрепарта с содержанием ибупрофена 0,2 г растирали в ступке. Навеску порошка, эквивалентную средней массе таблетки (0,44 г) растворяли в 50 мл воды, взвесь перемешивали, разбавляли водой до 100 мл и
фильтровали. Полученный фильтрат разбавляли водой с подщелачиванием 0,1 М раствором NaOH до рН 7-8 до получения раствора с конечной концентрацией 200 мкг/ мл ибупрофена [9].
Для построения градуировочного графика в мерные пробирки емкостью 10 мл помещали 0,3;
0,5; 0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мл стандартного раствора ибупрофена (200 мкг/мл), добавляли по 1 мл 0,0016 М раствора пентагидрата тербия, 1 мл
0,0016 М 1,10-фенантролина, 1 мл 0,0016 М раствора монододецилового эфира
декаэтиленгликоля (Ci2EO-|0). Раствор в каждой пробирке перемешивали и измеряли интенсивность люминесценции при 545 нм.
Электронные спектры поглощения регистрировали на спектрофотометре «Lamda-9» фирмы Perkin-Elmer. Использовали кварцевые кюветы с длиной оптического пути 1 см.
Спектры люминесценции регистрировали на спектрофлуориметре «Cary Eclipse» фирмы Varian. Измерения проводили в кварцевой кювете с толщиной 1 см, сигнал регистрировали под углом 90° к возбуждающему свету. Светофильтры использовались в автоматическом режиме. Параметры дифракционной щели возбуждения 20 нм, излучения - 5 нм.
Значение рН растворов измеряли на рН -метре Knick (Германия).
Обсуждение результатов
Спектрально-оптические характеристики хелатов тербия (III)
Структурные формулы и оптические характеристики исследуемых лигандов
представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Оптические характеристики
лигандов в водных растворах
Лиганд Структурная формула J 4 J ]
Ибупрофен сн, i6Y 196 222 0,66 0,16 234 265 273 290
1,10 -фенантролин 200 228 264 1,64 1,22 326 364
Электронные спектры лигандов
характеризуются наличием полос поглощения в ультрафиолетовой области спектра. Ибупрофен содержит карбоксильную группу, которая может взаимодействовать с ионом лантаноида. Фенантролин
- известный комплексон ионов лантаноидов. Используемый нитрат тербия (III) в водной среде не обладает люминесценцией, ввиду слабой
поглощающей способности (£ = 20 л-моль"1) и дезактивационных процессов О-Н осцилляторов, входящих в его координационную сферу. Поэтому для сенсибилизации люминесценции использовался
1,10-фенантролин. Поскольку фенантролин не
растворим в воде, для его солюбилизации и
улучшения условий комплексообразования с ТЬ111 использовался мицеллярный раствор неионного ПАВ
- С12ЕО10. Изучение модельной системы ТЬ(РИеп) показало, что в электронных спектрах по сравнению с лигандом наблюдается значительное увеличение сигнала при Л = 200 нм с £ = 1,5-104 л-моль"1, Л = 224
нм £ = 2,07-104 л-моль"1 и Л = 264 нм £ = 2,25-104
"1
л-моль . Для полосы поглощения фенантролина (Л = 228 нм) наблюдается сдвиг (на 4 нм), что
подтверждает комплексообразование. Высокие значения молярного коэффициента поглощения внутрилигандных п—п* переходов будут определять эффективность сенсибилизирующего действия органического лиганда.
Анализ спектрально-люминесцентных
характеристик комплекса ТЬ(РИеп) (рис.1.), показал, что в спектре возбуждения в области 294-355 нм наблюдается широкая полоса с максимумами при Л = 307, 317 и 330 нм, которые могут быть отнесены к п——п* переходам в молекуле лиганда [10].
нм
Рис. 1 - Спектры возбуждения (I) и
люминесценции (II) комплекса Tb(Phen)
Спектр люминесценции комплекса Tb(Phen) характеризуется следующими излучательными переходами иона Tb: 1. 5D4-7Fe, 2. 5D4-7F5, 3. 5D4-7F4, 4. 5D4-7F3. Люминесценция на длине волны ^ макс -544 нм, соответствующая переходу 5D4-7F5 обуславливает зеленую эмиссию образцов. Анализ интенсивности люминесценции при варьировании мольного соотношения Tb:Phen от 0,5 до 2 показал, что максимальная эмиссия наблюдается при мольном соотношении компонентов 1:1.
Исследованием влияния рН среды на люминесценцию комплекса установлено, что эмиссия наблюдается в диапазоне 5,4 - 8, с максимумом при 6,6.
Спектры возбуждения и люминесценции системы Tb(Phen)-Ibp представлены на рисунке 2, 3.
Видно, что в присутствии ибупрофена наблюдается значительное увеличение интенсивности полос возбуждения комплекса Tb(Phen).
люминесценции системы ТЬ(РИеп)-!Ьр может быть связано с двумя факторами. Исследуемый хелат тербия ТЬ(РИеп) является координационно -ненасыщенным соединением и характеризуется достаточно малоинтенсивной эмиссией вследствие диссипации энергии возбуждения на ОН -группы молекул воды, имеющихся во внутренней координационной сфере.
700
250 300 350 400
нм
Рис. 2 - Спектр возбуждения системы Tb-Phen-Ibp
нм
Рис. 3 - Спектр люминесценции системы Tb-Phen-Ibp при Лвоз= 307 нм
Введение второго лиганда, в данном случае ибупрофена, как правило, увеличивает интенсивность сенсибилизированной люминесценции лантаноида либо за счет вытеснения из внутренней сферы иона металла остаточной гидратированной воды, либо в результате дополнительного переноса энергии и увеличения эффективности сенсибилизации люминесценции [11]. Согласно литературным данным [9], энергии триплетных (ЕТ) уровней исследуемых лигандов выше энергии возбужденного состояния иона Tb'" - 20500 см"1. При образовании комплекса Tb"Phen"Ibp возможно энергия возбуждения передается от фенантролина (ЕТ = 22075 см"1) на триплетный уровень ибупрофена (ЕТ = 20530 см ) и затем на резонансный уровень иона Tb . Таким образом, рост интенсивности люминесценции
системы ТЬ"РИеп-!Ьр возможно обусловлен проявлением, так называемого «эффекта антенны».
Еще одним фактором, повышающим интенсивность люминесценции, является
солюбилизация комплексов лантаноидов в наноразмерных организованных средах - мицеллах ПАВ. Комплексы в данном случае могут фиксироваться на мицеллах ПАВ за счет поверхностной солюбилизации. Это способствует концентрированию, сближению реагирующих компонентов, повышению устойчивости комплексов [11]. Кроме того, как показано в работе [12], неионный ПАВ - Тритон Х-100 может участвовать в передаче энергии и сообщать дополнительную энергию иону лантаноида. Согласно развиваемой в наших работах концепции, ион лантаноида взаимодействует с оксиэтилированными группами С12ЕО10, вытесняя гидратированную воду и тем самым, повышая интенсивность люминесценции [1315].
В таблице 2 представлены сравнительные люминесцентные характеристики исследуемых комплексов ТЬ111. Для обоих комплексов характерна биэкспоненциальная зависимость кинетики затухания, в присутствии второго лиганда -ибупрофена время жизни (т) возрастает в 3,3 раза, что является подтверждением эффективной передачи энергии от лигандов к иону ТЬ111. Однако анализ отношения интенсивностей основных излучательных переходов иона тербия 1(5й4-7Р5)/1(5й4-7Р6)- п показал незначительное изменение этого параметра при переходе к билигандному комплексу.
Таблица 2 - Люминесцентные свойства хелатов ТЬ(!!!), Лвоз = 330 нм
Определение ибупрофена в лекарственном препарате
Содержание основного вещества в лекарственном препарате определяли по градуировочному графику в координатах «интенсивность люминесценции -концентрация ибупрофена», представленного на рисунке 4. В области концентраций 0,05 - 2 мкг/мл график линеен и описывается уравнением у = 149,46х + 291,51 (Р2=0,99).
Согласно [16], предел обнаружения, т.е. минимальное содержание определяемого вещества в пробе, сигнал от которого можно надежно отличить от фона, в случае линейной зависимости корректно определяется по 36 критерию, согласно которому минимальное содержание вещества отклонение определяется по уравнению:
Ст1п = 3Б0/Ь (1),
где Б0 - стандартное отклонение при измерении сигнала холостого опыта, Ь - коэффициент
инструментальной чувствительности,
характеризующий изменение сигнала с изменением концентрации, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка градуировочной прямой.
Стандартное отклонение определялось по уравнению
Э0 пц 2 (х1 - х)2, (2Х
где п - объем выборки, Х| - I элемент выборки, х -среднее арифметическое выборки.
c(Ibp), мкг/мл
Рис. 4 - Градуировочный график для определения содержания ибупрофена
Используя уравнения 1 и 2, найденный предел обнаружения ибупрофена составил 5,3• 10"8 моль/л, что на порядок меньше известных аналогов [8,9].
Заключение
Таким образом, изучены процесс
комплексообразования и люминесцентные свойства хелата тербия (III) с 1,10-фенантролином и нестероидным противовоспалительным препаратом -ибупрофеном в мицеллярных системах ПАВ -монододецилового эфира декаэтиленгликоля.
Показано, что на основе сенсибилизации люминесценции иона тербия (III), вследствие образования разнолигандного комплекса и проявления «эффекта антенны» данный комплекс эффективен в молекулярном распознавании ибупрофена с пределом обнаружения 5,3-10"8 моль/л.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 11-03-00679-а
Литература
1. Bunzli G. J.-C. Lanthanide Luminescence for Biomedical Analyses and Imaging/ J.-C. G. Bunzli//Chem. Rev. - 2010.
- 110. - P. 2729-2755.
2. Eliseeva V. S. Lanthanide Luminescense for Functional Materials and Biosciences/ S. V. Eliseeva, J.-C. G. Bunzli// Chem. Soc. Rev. - 2010. - 39. - P. 189-227.
3. Liu Guozhen. Lanthanide Oleates: Chelation, Self-assembly and Exemplification of Ordered Nanostructured Colloidal Contrast Agents for Medical Imaging/ Guozhen Liu, Charlotte E. Conn, Calum J. Drummond//J. Phys. Chem. B.
- 2009. - V.113. - N. 49. - P. 15949-15959.
Система т, мкс n
C12EO10/Tb/Phen/H2O 1:1:1 99 1,98
C12EO1o/Tb/Phen/Ibp/H2O 1:1:1:1 331 2,12
4. KangX. / X.Kang, Z. Cheng, C. Li, D. Yang, M. Shang, P. Ma, G. Li, N. Liu, J. Lin// J. Phys. Chem. C. - 2011. - V. 115. - N. 32. - P. 15801-15811.
5. Binnemans K. Lanthanide-based Luminescent Hybrid Materials/ K. Binnemans// Chem. Rev. - 2009. - 109. - P. 4283-4374.
6. Егорова А. В. Сенсибилизированная люминесценция ионов лантанидов и ее применение в биоанализе/ А. В. Егорова, Ю.В. Скрипинец, Д. И. Александрова, В. П. Антонович// Методы и объекты химического анализа. -2010. - Т. 5. - № 4. - С.180-201.
7. Bunzli G. J.-C. New Opportunities for Lanthanide Luminescense/ J.-C. G. Bunzli, S. Comby, A.-S. Chauyin, C. D. B. Vandevyver// Journal of Rare Earths. - 2007. - V. 25. - I. 3. - P. 257-274.
8. Al-Kindy M. Z. Salma. Determination of Ibuprofen in Pharmaceutical Formulations Using Time-resolved Terbium
- Sensitized Luminescence/ Salma M. Z. Al-Kindy, Fakhr Eldin O. Suliman// Luminescence. - 2007. - 22. - P. 294301.
9. Теслюк О. И. Комплексные соединения тербия (III) с некоторыми нестероидными противовоспалительными препаратами и их аналитическое применение/ О. И. Теслюк, С. В. Бельтюкова, А. В. Егорова, Б. Н. Ягодкин// Журнал анал. химии. - 2007. - Т. 62. - № 4. -С. 369-375.
10. Паркер, С. Фотолюминесценция растворов/ С. Паркер; пер. с англ. Н. Л. Комиссарова, Б. М. Ужинова. - М.: Мир, 1972. - 512 с.
11. Смирнова Т.Д. Перенос энергии возбуждения в хелате европия с доксициклином в присутствии второго лиганда в мицеллярных растворах неионных ПАВ/ Т. Д. Смирнова, С. H. Штыков, В. И. Кочубей, Е. И. Хрячков// Оптика и спектроскопия. - 2011. - Т. 110. - №
1. - С. 65-71.
12. Теслюк О. И. Люминесцентное определение сорбиновой кислоты в соках и безалкогольных напитках/ О. И. Теслюк, С. В. Бельтюкова, Е. О. Ливенцова// Методы и объекты хим. анализа. - 2010. -Т. 5. - № 1. - С. 43-48.
13. Селиванова Н. М. / H. М. Селиванова, М. А. Кузовкова,
A.И. Галеева, Ю. Г. Галяметдинов// Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011. - Т. 14, № 18. - С.19-26.
14. Selivanova M. N. Mesogenic and Luminescent Properties of Lyotropic Liqiud Crystals Containing Eu(III) and Tb(III) Ions/ N. M. Selivanova, A. I. Galeeva, A. T. Gubaydullin, V. S. Lobkov, Y. G. Galyametdinov// J. Phys. Chem. -2012. - V. 116. - № 2. - P. 735-742.
15. Селиванова Н. М. Жидкокристаллические свойства и
структурная организация лиотропных
лантаноидосодержащих систем в ряду Ln(III) - La, Nd, Eu, Dy, Er / H. М. Селиванова, В. В. Осипова, Д. Е. Дановский, Ю. Г. Галяметдинов// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2007. - №5. - С.30-35.
16. Экспериандова Л. П. Еще раз о пределах обнаружения и определения/ Л. П. Экспериандова, К. H. Беликов, С.
B. Химченко, Т. А. Бланк// Журнал анал. химии. - 2010.
- Т. 65. - № 3. - С. 229-234.
© Н. М. Селиванова - канд. хим. наук, доц. каф. физической и коллоидной химии КНИТУ, natsel@mail.ru; К. С. Васильева -магистр КНИТУ, ildaisy@rambler.ru; Ю. Г. Галяметдинов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. физической и коллоидной химии КНИтУ, yugal2002@mail.ru.
