Электроанализ антиоксидантов в присутствии поверхностно-активных веществ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Зиганшина Эндже Ришатовна

ЭЛЕКТРОАНАЛИЗ АНТИОКСИДАНТОВ В ПРИСУТСТВИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

02.00.02 - аналитическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 2 МАЙ 2014

Казань-2014

00554845Ь

005548456

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Химического института им. A.M. Бутлерова федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет"

Официальные оппоненты Стожко Наталья Юрьевна

доктор химических наук, профессор,

заведующий кафедрой физики и химии ФГБОУ ВПО

Защита состоится « 24 » июня 2014 г. в 10°° ч. на заседании диссертационного совета Д 212.081.30 при Казанском (Приволжском) федеральном университете по адресу: ул. Кремлевская, 18, Химический институт им. A.M. Бутлерова, Бутлеровская аудитория.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в Научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета и на сайте КФУ (www.kpfu.ru).

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, КФУ, Научная часть.

Автореферат разослан <#3>(XAvjTJUAJl 2014 г.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Будников Герман Константинович

"Уральский государственный экономический университет", г. Екатеринбург

Фицев Игорь Михайлович,

кандидат химических наук, заместитель начальника отдела Экспертно-криминалистического центра Министерства внутренних дел РФ по Республике Татарстан, г. Казань

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Башкирский государственный

университет", г. Уфа

Ученый секретарь диссертационного О кандидат химических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В сложных объектах электрохимического анализа наряду с определяемыми компонентами могут присутствовать вещества, которые по своим свойствам близки к поверхностно-активным веществам (ПАВ) и способны влиять на конечные результаты. Для неорганических аналитов проблема решается кардинально - сопутствующие органические соединения, в том числе и ПАВ, разрушают до простых веществ с помощью химических реагентов или УФ-облучения. В случаях, когда определяют органические деполяризаторы, такой подход неприменим. Поэтому исследование электрохимического отклика органического аналита в присутствии ПАВ приобретает большое значение, особенно для систем сложного состава.

Многие биологически активные соединения, в том числе и некоторые антиоксиданты, малорастворимы в воде. Поэтому, их определение, как правило, проводят в органических средах, чаще всего неполярных растворителях (гексане, бензоле, толуоле, дихлормстане), которые имеют высокую токсичность и летучесть. Поэтому, исходя из принципов концепции «зеленой химии», является актуальной замена органических растворителей на менее токсичные или совсем нетоксичные среды, что имеет значение в органическом анализе. Такой подход особенно интересен применительно к системам с биологически активными соединениями, поскольку он позволяет приблизиться к условиям их функционирования в организмах.

Одним из путей его реализации является использование систем на основе ПАВ. Последние способны ассоциироваться в растворах с образованием мицелл, что с одной стороны, изменяет растворимость органических соединений в водной среде, а с другой - влияет на скорость и направление реакций, в частности, на электродах, то есть позволяет управлять аналитическим сигналом, а, следовательно, повышать чувствительность и селективность отклика на тот или иной аналит.

Известно, что антиоксиданты (АО), в частности, каротиноиды, токоферолы и фенольные соединен™ играют одну из ключевых ролей в системе антиоксидантной защиты живых организмов и широко представлены в составе продуктов питания и лекарственных средств. Реакции с участием АО включают перенос электронов, что позволяет использовать для их определения методы электроанализа. Так, с одной стороны, АО способны окисляться на поверхности электродов в условиях вольтамперометрии, а с другой - вступать в реакции с возникающими на электроде окислителями в растворе, в частности, с кулонометрическими титрантами.

С учетом вышесказанного, перспективными являются подходы, основанные на применении вольтамперометрии и гальваностатической кулонометрии в

Автор выражает искреннюю благодарность к.х.н., доценту кафедры аналитической химии Казанского (Приволжского) федерального университета Г.К. Зиятдиновои за помощь и консультации при постановке задач и обсуждении результатов исследовании.

самоорганизующихся средах на основе ПАВ для определения индивидуальных АО в различных объектах.

Цель работы: применение ПАВ различной природы в электроанализе АО и разработка новых способов их кулонометрического и вольтамперометрического определения в лекарственных формах и продуктах питания.

В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие задачи:

• найти условия электрохимической генерации кулонометрических титрантов в присутствии ПАВ различной природы и разработать способы кулонометрического определения липофильных АО в лекарственных формах;

• получить характеристики электрохимического окисления индивидуальных АО в ПАВ-содержащих средах и разработать способы их экстр аккионно-вольтамперометрического определения в лекарственных формах и продуктах питания;

• разработать вольтамперомерический сенсор на основе стеклоуглеродного электрода (СУЭ), модифицированного карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками и ПАВ различной природы, для определения морина.

Научная новизна. Найдены рабочие условия электрогенерации кулонометрических титрантов (галогенов и [Fe(CN)6]3"-HOHOB) в присутствии ПАВ со 100% выходом по току. Показано, что для эффективной генерации галогенов следует использовать достаточно низкие концентрации ПАВ. Электрогенерация [Fe(CN)6]3"-ионов не осложняется в субмицеллярной и мицеллярной средах ПАВ.

Получены вольтамперные характеристики АО (а-токоферола, ретинола, каротина, эвгенола, менадиона, ди- и тригидроксибензолов) в ПАВ-содержащих средах и предложены соответствующие схемы реакций. Оценено влияние природы и концентрации ПАВ различной природы на аналитический сигнал антиоксидантов.

Найдены условия экстракции липофильных АО из реальных объектов (лекарственных форм, растительного сырья и продуктов питания), обеспечивающие количественное извлечение аналитов.

Получены характеристики окисления морина на СУЭ, модифицированном карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками и ПАВ различной природы. Предложена схема реакции на электроде.

Практическая значимость. Разработаны новые способы кулонометрического определения а-токоферола, рутила и аскорбиновой кислоты в моно- и многокомпонентных лекарственных формах в присутствии ПАВ различной природы с величинами sr от 0.014 до 0.039.

Предложены способы экстракционно-вольтамперометрического определения а-токоферола, ретинола, p-каротина, эвгенола и менадиона в лекарственных формах,

косметических средствах и продуктах питания с использованием ПА В-содержащих сред; величина sr не превышает 0.082.

Показана возможность вольтамперометрического определения производных пирокатехина и пирогаллола при совместном присутствии в мицеллярной среде цетилпиридиний бромида.

Предложен способ определения морина, основанный на его окислении на СУЭ, модифицированном карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками и цетилпиридиний бромидом; величина sr не превышает 0.014.

Показано, что применение ПАВ в электроанализе АО позволяет улучшить аналитические характеристики их определения, а также в ряде случаев перейти к водным средам или средам с меньшим содержанием органических растворителей.

Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований были использованы методы гальваностатической кулонометрии, циклической и дифференциально-импульсной вольтамперометрии с трехэлектродиой ячейкой. Для характеристики поверхности электродов применяли сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), а для сопоставления результатов анализа - спектрофотометрию. На защиту выносятся:

1. Условия электрогенерации кулонометрических титрангов (галогенов и [l-e(CN)6] 'ионов) в присутствии ПАВ.

2. Способы определения АО в лекарственных формах методом гальваностатической кулонометрии с электрогенерированными галогенами и [Fe(CN)6]3-ионами в ПАВ-содержащих средах.

3. Характеристики вольтамперометрического поведения АО в присутствии ПАВ различной природы.

4. Способы экстракции ретинола, ß-каротина, эвгенола и менадиона из лекарственных форм и продуктов питания.

5. Вольтамперомегрические способы определения АО в лекарственных формах и продуктах питания в присутствии ПАВ.

6. Способ вольтамперометрического определения морина.

Степень достоверности и апробация работы.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом

экспериментального материала с применением методов электроанализа на

сертифицированном оборудовании и сопоставлением результатов определений с

данными независимых стандартных методов и литературы.

Основные результаты работы представлены в устных и стендовых докладах на

Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского

университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2009, 2011, 2012),

Съездах апатит кои России "Аналитическая химия - новые методы и возможности"

5

(Москва, 2010, 2013), Республиканской научной конференции по аналитической химии с международным участием "АНАЛИТИКА РБ- 2010" (Минск, 2010), XI Medzinárodná konferencia "SÚCASNY STAV A PERSPEKTÍVY ANALYTICKEJ CHÉMIE V PRAXI" (Bratislava, 2010), Симпозиуме с международным участием "Теория и практика электроаналитической химии" (Томск, 2010), IV Международной конференции "Экстракция органических соединений" (ЭОС-2010) (Воронеж, 2010), International Conference "Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine" (St. Petersburg, 2011), XIX Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry (Volgograd, 2011), III Всероссийском симпозиуме "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (Краснодар, 2011), ISE Satellite Student Regional Symposium on Electrochemistry - First Student Meeting in Kazan (Kazan, 2011), V Всероссийской конференция "Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья" (Барнаул, 2012), VIII Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа "ЭМА-2012" (Уфа-Абзаково, 2012), 4th EuCheMS Chemistry Congress (Prague, 2012), IX Всероссийской конференции "Химия и медицина" (Уфа-Абзаково, 2013) и Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, из них 5 в зарубежных изданиях, и тезисы 18 докладов.

Диссертация выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-03-00395-а "Мицеллярные и предорганизованные медиагорные системы для электрохимического определения органических соединений" и входила в план научно-исследовательской работы Казанского федерального университета по теме "Антиоксидангы как объекты биоэлектроанализа: новые подходы (№ 01201364003)"

Личный вклад автора заключается в постановке и решении задач, получении экспериментальных данных, их интерпретации, обсуждении и систематизации результатов исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 142 страницах, содержит 33 таблицы, 30 рисунков и библиографию из 215 наименований. Работа состоит из введения, литературного обзора, четырех глав экспериментальной части, в которых описана постановка задачи, аппаратура, объекты и техника эксперимента и изложены результаты с их обсуждением, выводов и списка цитируемой литературы.

Во введении раскрыта актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

В литературном обзоре (глава 1) рассмотрены вопросы о применении ПАВ-содержащих сред в вольтамперометрии биологически активных соединений и АО, а также использовании ПАВ для модифицирования поверхности электродов.

Во второй главе представлены данные об объектах исследования, используемых методах и приборах, описаны условия проведения эксперимента.

Главы 3-5 посвящены обсуждению полученных результатов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Электрогенерацию брома осуществляли при постоянной силе тока 5.0 мА из 0.2 М (C2H5)4NBr в 0.1 М НСЮ4 в ацетонитриле и 0.2 М КВг в 0.1 М H2S04. Хлор и иод генерировали из водных 0.2 М раствора К.С1 в 0.1 М H2S04 и 0.1 М раствора KI в ацетатаном буферном растворе с рН=3.56. Электрогенерацию [Fe(CN)6]3--hohob проводили из 0.1 М K4[Fe(CN)6] в 2 М NaOH. Конечную точку титрования определяли биамперометрически (ДЕ=200 мВ).

Вольтамперометрические измерения проводили на анализаторе "Экотест-ВА" и потенциостате/гальваностаге (xAutolab Туре 111. Стеклоуглеродный электрод (СУЭ) и СУЭ, модифицированный карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками (ОУНТ-СООН/СУЭ) использовали в качестве рабочих. Все измерения проводили относительно насыщенного хлоридсеребряного электрода. Для модифицирования электрода использовали ОУНТ-СООН (Sigma-Aldrich, Germany) с внешним диаметром 4-5 нм и длиной 500-1500 нм.

Спектрофотометрическое определение АО проводили на спектрофотометре ПЭ-

5300 ВИ (НПО «Экрос», Россия).

Объектами исследования являлись 97.7% токоферола ацетат и 55% ретинола пальмитат фармакопейной чистоты, 95% рутин (Fluka, Germany), 93% p-каротин, 98% менадион и 85% морин гидрат (Sigma, Germany). 99% эвгенол (Aldrich, Germany. Остальные реактивы были марки х.ч. и этанол-ректификат.

Для формирования организованных сред использовали ПАВ различной природы (анионный додецилсульфат натрия (ДДС), катионные N-додецилпиридиний бромид (ДДПБ) и цетилпиридиний бромид (ЦПБ), неионогенные Brij® 35 и Triton Х100, а также неионогенный высокомолекулярный полимер ПЭГ 4000).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГАЛЬВАНОСТАТИЧЕСКАЯ КУЛОНОМЕТРИЯ В ПАВ-СОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ Электрохимическая генерация титраптов в присутствии ПАВ

Оценена эффективность кулонометрической генерации галогенов и Fe(CN)6 -ионов в присутствии катионных, анионных и неионогенных ПАВ в диапазоне от 1

мкМ до 10 мМ. Максимально допустимые концентрации ПАВ, не влияющие на электрохимическую генерацию галогенов, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Допустимая максимальная концентрация ПАВ, обеспечивающая 100% эффективность электрохимической генерации титрантов.

ПАВ СпАВ(тах), М

С12 Br2 h Fe(CN)ft3"

ДДПБ 1.0x10J l.OxlO"4 1.0x10° 1.0x10°

ЦПБ 1.0x10"' 1.0x10° 2.0x10'" 1.0x10°

Triton Х100 0 1.0x10° 2.2X10"4 1.0x10°

Brij® 35 0 1.0x10° 2.0xl0"4 1.0x10°

ПЭГ 4000 l.OxlO4 1.0x10° 4.0X10-4 l.OxlO"3

ДДС 5.0x10° 2.0x10-" 6.0x10" 1.0x10°

Установлено, что электрогенерированый хлор химически взаимодействует с ПАВ при высоких концентрациях последних, за исключением Triton Х100 и Brij-35, которые вступают в реакцию во всем исследуемом диапазоне концентраций ПАВ. Для эффективной генерации брома и иода следует использовать достаточно низкие концентрации ПАВ. В случае гексацианоферрат(Ш) ионов присутствие ПАВ в диапазоне концентраций от 1 до 1000 мкМ не оказывает влияния на эффективность генерации титрантов, что связано, вероятно, с размерным эффектом титранта, а также слабым электростатическим взаимодействием в сольватно разделенной ионной паре.

Кулонометрическое определение антиоксидантов в ПАВ-содержащих средах

Аскорбиновая кислота и рутин кулонометрически титруются галогенами и Fe(CN)63"-HOHaMH в ПАВ-содержащих средах. При этом анионные ПАВ дают завышенные результаты при титровании галогенами, а катионные ПАВ - в случае Fe(CN)63"-HOHOB, что связано с рН среды, в которой генерируются титранты, а также формой аналита в этих условиях. Кулонометрическое титрование жирорастворимых АО в ПАВ-содержащих водных средах позволяет проводить их определение в достаточно широком диапазоне концентраций. Наилучшие результаты были получены в среде ДДПБ.

Йа основе полученных результатов предложен способ определения а-токоферола, рутина и аскорбиновой кислоты в одно- и многокомпонентных лекарственных формах (Таблица 2). Варьирование титрантов (иода и Fe(CN)6 "-ионов) позволяет определять рутин в присутствии аскорбиновой кислоты в таблетках "Аскорутина". Аскорбиновую кислоту предварительно отгитровывали электрогенерированным иодом. Содержание компонентов не выходит за рамки допустимых отклонений и хорошо согласуется с результатами вольтамперометрического определения. Рассчитанные значения F-критерия позволяют говорить о равноточности методов.

Таблица 2. Результаты кулонометрического и вольтамперометрического

определения антиоксидан гов в лекарственных формах (п-5; Р 0.95).

Объект анализа Аналит Кулонометрия Вольтамперометрия Ркр

Найдено, %, мг* вг Найдено, %, мг*

а-Токоферола ацетат (раствор в масле) а-Токоферол 28±1 0.028 29.5±0.5 0.014 1.96

а-Токоферола ацетат (раствор в масле) Рутин (таблетки) "Аскорутин" (таблетки) а-Токоферол Рутин Рутин 10.6±0.2 20±1* 50±1* 0.014 оТо39 0.020 9.8±0.3 20±1* 50±1* 0.026 0.052 0.021 1.22 5.64 3.34

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ АНТИОКСИДАНТОВ В ПАВ-СОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ Вольтамперометрия в ПАВ-содержащих средах была использована для определения различных АО на стационарном СУЭ.

а-Токоферол. Оценено влияние ПАВ на вольтамперные характеристики окисления а-токоферола в водно-ацетонитрильной среде (6:4) (Рисунок 1). Установлено, что ПАВ приводит к увеличению токов окисления а-токоферола но мере увеличения концентрации ПАВ в растворе, при этом потенциал окисления практически не меняется. Наилучшие вольтамперные характеристики получены в 1 мМ ДДПБ и ТпЮп Х100 и 0.5 мМ ЦПБ.

Рисунок 1. Влияние ПАВ на вольтамперные характеристики окисления а-токоферола в водно-ацетонитрильной среде (6:4).

Параметры градуировочных зависимостей и аналитические характеристики определения а-токоферола приведены в таблице 3. Использование ПАВ позволяет расширить диапазон и предел обнаружения а-токоферола. Однако, в случае ЦПБ, аналитический диапазон достаточно узок, что не даст значительных преимуществ для

определения а-токоферола.

Таблица 3. Аналитические характеристики определения а-токоферола в присутствии ПАВ на фоне 0.1 М 1лСЮ4 в среде ацетонитрил/Н20 (6:4)

!5

.-.±11

ПАВ

_ДДПБ_

ТгНопXI00 ЦПБ

Спав, мМ

1

0.5

Предел обнаружения, мкМ

17.0

1.02

J .02 2.04

Диапазон концешраций, мкМ

34-70.9

2.0

140

100

2.0__

■1.1 -10.0

1 = ан ЬС

а, мкА

0.24±0.04

0.69±0.06 0.16±0.09

-0.18±0.05

Ь*10 , мкА/М

2Ш

18±1

35±2

120±7

Я

0.9951

0.9948

0.9938 0.9982"

На основе полученных данных предложен вольтамперометрический способ определения а-токоферола в лекарственных препаратах и косметических средствах (таблица 4).

Таблица 4. Результаты вольтамперометрического определения а-токоферола в лекарственных формах и косметических средствах в присутствии 1 мМ ПАВ на фоне 0.1 М иСЮ4 в среде ацегонитрил/Н20 (6:4) (п=5; Р=0.95).

Объект анализа ПАВ Содержание, % Найдено, % Sr

Раствор а-токоферола ацетата в масле ДДПБ 30 29±] 0.03!

Triton X100 28±2 0.060

Раствор а-токоферола ацетата в масле ДДПБ 10 10.4±0.2 0.016

Triton X100 10±1 0.070

Aqualia antiox (Vichy Laboratoires) Triton X100 4.22±0.02 0.004

Effaclar-M (La Roche-Posay) Triton X100 0.326±0.002 0.005

Ретинол. На вольтамперограммах ретинола в водной среде наблюдается выраженная ступень окисления при потенциале 0.79 В (Рисунок 2), соответствующая образованию ретиналя (Схема 1). Но градуировочиая зависимость линейна в достаточно узком диапазоне 29-392 мкМ ретинола.

Рисунок 2. а) Циклические вольтамперограммы ретинола на СУЭ на фоне 0.1 М 1лСЮ4 в 7% этаноле: 1 - 0; 2 -4.9x10"'; 3 - 9.8x10"5; 4 - 3.92х10~4 М ретинола. Скорость изменения потенциала 100 мВ/с. б) Градуировочная зависимость тока окисления от концентрации а-токоферола.

Для улучшения аналитических характеристик использовали ПАВ различной природы. Установлено, что только анионный ДДС приводит к увеличению токов окисления ретинола. Наилучшие характеристики получены при 0.11 мМ ДДС. ПАВ позволяет понизить пределы обнаружения и расширить диапазон определяемых содержаний ретинола (Таблица 5).

Таблица 5. Аналитические характеристики определения ретинола на фоне 0.1 М 1лС104 в 7% этаноле.

ПАВ Спав- мМ Предел обнаружения, мкМ Диапазон концентраций, мкМ I =а+ЬС r2

а, мкА ЬхЮЛ мкА/М

- 0 30.0 49.0-392 0.15±0.03 0.46±0.01 0.9992

ДДС 0.11 15.0 29.4^980 0.09±0.04 4.10±0.07 0.9991

Предложены способы определения ретинола в лекарственных средствах и дерматологической косметике (таблица 6), а также продуктах питания.

Таблица 6. Результаты вольтамперометрического определения ретинола в лекарственных средствах и кремах (п=5; Р=0.95).

Объект анализа Производитель Содержание, % Найдено, % Sr

Раствор ретинола пальм итата в масле ОАО "Марбиофарм" 3.44 3.1±0.2 0.043

Раствор ретинола пальмитата в масле (годен до 2009 г.) ОАО "Фармацевтическая фабрика Санкт-Петербурга" 3.44 1.5±0.2 0.105

Раствор ретинола пальмитата в масле ЗАО "Ретиноиды" 5.50 5.43±0.08 0.011

Aqualia antiox Vichy Laboratoires - -

Hyséac "Active Care with AHA" Uriage Eau Thermale 0.159±0.002 0.001

Effaclar-M La Roche-Posay - -

Design Lift Visage Payot - -

Design Lift Nilit Payot - -

Для определения содержания ретинола в пищевых продуктах найдены рабочие условия его экстракции ацетонитрилом. Установлено, что количественное извлечение достигается при однократной экстракции в течение 10 мин при соотношении масло:ацетонитрил 1:2. Проведено определение ретинола в продуктах питания (Таблица 7).

Таблица 7. Определение ретинола в продуктах питания в присутствии 0.11 мМ ДДС на фоне 0.1 М LiC104 в 7% этаноле (п=5; Р=0.95). _

Объект анализа Найдено, мг/100 г Sr

Морковь сырая - -

Морковь вареная 45.79±0.03 0.026

Говяжья печень 61.16±0.02 0.016

Подсолнечное масло - -

- -

- -

Льняное масло 14.18±0.02 0.015

21.29±0.02 0.016

Сливочное масло < ПрО -

Ретинол не был обнаружен в сырой моркови, что объясняется тем, что объекты растительного происхождения содержат не ретинол, а его предшественник - р-каротин, который при попадании в организм под действием ферментов превращается в ретинол. Кроме того, Р- каротин расщепляется с образованием ретинола при термической обработке, что согласуется с полученными результатами для вареной моркови. Подсолнечное масло также не содержит ретинол, что объясняется отсутствием в нем (V каротина. Присутствие ретинола в льняном масле связано с разрушением п процессе изготовления масла содержащегося в нем р-каротина.

/¡-Каротин. Установлено, что р-каротин необратимо окисляется при

потенциалах 0.50 и 0.94 В на фоне 0.1 М иСЮ4 в этаноле. Однако при увеличении

11

концентрации p-каротина более 50 мкМ образуется гетерогенная система, что не позволяет проводить определение.

Для гомогенизации среды использовали ПАВ, которые электрохимически неактивны в исследуемой области потенциалов. Внесенне ПАВ приводит к смещению потенциала окисления p-каротина по первой ступени к меньшим значениям (0.470.48 В) и улучшению формы аналитического сигнала (Рисунок 3). Анионный и катионный ПАВы не оказывают заметного влияния на токи окисления Р-каротина в исследуемой области концентраций ПАВ. В случае неионогенных ПАВ (Triton X100 и Brij® 35) наблюдается увеличение тока окисления p-каротина только в мицелляриой среде (при концентрации ПАВ 10 мМ).

Рисунок 3. Влияние ПАВ на ток (А) и потенциал (Б) окисления 100 мкМ р-каротина.

Наилучшие параметры получены в случае Triton XI00. Диапазон определяемых концентраций p-каротина составляет 10-380 мкМ. Предел обнаружения и нижняя граница определяемых содержаний P-каротина равны 2.5 и 8.3 мкМ, соответственно, что указывает на высокую чувствительность предложенного метода

Для определения содержания p-каротина в ягодах и овощах найдены рабочие условия его экстракции дихлорметаном на примере моркови и тыквы (Рисунок 4). Оценено влияние объема дихлорметана, времени и кратности экстракции. Количественное извлечение p-каротина достигается при однократной экстракции 8 мл дихлорметана в течение 10 мин с последующим испарением растворителя до 2 мл. В этих условиях степень извлечения p-каротина составляет 100%.

ш

щ;

¡¡¡1 в

рй

1Ш

¡¡Я Шр

щ

г •V в

%а; мл Кратность экстракции I. мин

Рисунок 4. Эффективность экстракции Р-карогина из овощей дихлорметаном. Влияние объема экстрагента (А), кратности (Б) и времени (В) экстракции.

Результаты определения р-каротина в ягодах и овощах представлены в таблице 8. Данные, полученные методом градуировочного графика и методом добавок в

условиях циклической вольтамперометрии, сходятся между собой и с результатами независимого снектрофотометрического определения.

Объект анализа Циклическая вольтамперометрия _ Спектрофотомегрия

Содержание р-каротинаа, мг/100 г Sr Содержание [5-каротина6, мг/100 г Sr Содержание р-каротина1, мг/100 г sr

Морковь 9.9±0.3 0.025 9.7±0.2 0.019 9.8±0.4 0.032

Тыква 2.9±0.1 0.018 3.0±0.1 0.022 2.9±0.1 0.025

Рябина 7.8±0.1 0.010 7.9±0.1 0.010 7.9±0.1 0.013

Плоды шиповника 2.9±0.1 0.028 2.9±0.1 0.034 2.8±0.1 0.036

Петрушка 5.5±0.2 0.022 5.6±0.2 0032 5.4±0.2 о.оТП

1 Метод градуировочного графика Метод добавок

Эвгенол. Наилучшие вольтамперные характеристики эвгенола получены в мицеллярных средах неионогенных ПАВ. При этом эвгенол необратимо окисляется при 0.66 и 0.77 В в среде Brij® 35 и Triton X100, соответственно (Рисунок 5).

А Б

■§

Е.ыВ Е, «В

Рисунок 5. Циклические вольтамперограммы эвгенола на СУЭ. А - 38.5 (кривая 2), 196 (3), 385 (4), 714 (5), 910 (6) и 1230 (7) мкМ эвгенола в 0.1 М Triton Х100 на фоне 0.1 М LiC104 (кривая 1); Б - 39.8 (кривая 2), 99 (3), 196 (4) и 291 (5) мкМ эвгенола в 0.1 М Brij® 35 на фоне 0.1 М LiC104 (кривая 1). Скорость изменения потенциала 200 мВ/с.

Установлено, что эвгенол окисляется с участием 2 электронов с образованием соответствующего о-хинона (Схема 2).

(2)

Градуировочная зависимость линейна в диапазоне 15.0-1230 мкМ эвгенола с пределом обнаружения 3.8 мкМ. Разработан способ прямого вольтамперомегрического определения эвгенола в эфирных маслах (Таблица 9). Отсутствие матричного влияния показано на примере масла гвоздики с добавками эвгенола. Результаты определения хорошо согласуются с данными спеюгрофотометрии. ^

Таблица 9. Результаты определения эвгенола в эфирных маслах (п=5; Р=0.95).

Эфирное масло Торговая марка Содержание эвгенола, мг/г

Вольтамперометрия Sr Спектрофотометр™ Sr

Гвоздика "Styx" 757±12 0.012 0.013 166+1 0.007

"Аспера" 731 ±12 743±16 0.017

Базилик обыкновенный "Аспера" 1.8±0.2 0.082 2.1+0.2 0.070

Потенциал полуволны эвгенола в 0.1 M Triton XI00 в 10% этаноле равен 0.6 В. Диапазон определяемых содержаний эвгенола составляет от 20 до 1000 мкМ с пределом обнаружения 10 мкМ. Предложен экстакционно-вольтамперометрический способ определения эвгенола в специях, основанный на предварительной экстракции этанолом с регистрацией сигнала в указанных условиях. Найдены условия количественного извлечения эвгенола из специй при однократной экстракции в течение 10 мин. Соотношение сырье/экстрагент зависит от специй. Так, для гвоздики и мускатного ореха максимальное извлечение наблюдается при добавлении 3 мл экстрагента на 1 г специи, а для остальных специй (корицы, лаврового листа и базилика) - 6 мл (Рисунок 6).

S. ° в

Н 0.4

S 02

Рисунок 6. Влияние объема экстрагента на экстракцию эвгенола из специй.

Установлено, что наибольшее содержание эвгенола характерно для гвоздики и корицы, что хорошо согласуется с литературными данными (Таблица 10). Сопоставление результатов вольтамперометрического определения эвгенола с данными независимого метода показывает хорошую сходимость (максимальное отличие составляет 6 %). Однако спектрофотометрический метод характеризуется большей величиной относительного стандартного отклонения (до 8.3 %) при малых содержаниях эвгенола в объекте анализа.

Таблица 10. Результаты определения эвгенола в специях (п=5; Р=0.95).

Специи Содержание эвгенола, мг/г 1-кра F-кр6

Вольтамперометрия Sr Спектрофотометрия Sr

Гвоздика 48±1 0.021 49±2 0.027 1.64 2.16

Корица 12.3±0.7 0.048 12.7±0.5 0.032 1.58 1.93

Мускатный орех 0.71±0.03 0.042 0.75±0.05 0.067 1.12 3.88

Лавровый лист 0.40±0.02 0.050 0.38±0.03 0.079 0.83 1.03

Базилик 1.23±0.07 0.049 1.2±0.1 0.083 1.25 11.39

Менадион. На вольтамперограммах менадиона в среде 0.1 М Н3Р04, содержащей 10% этанола, наблюдается пара катодно-анодных ступеней с разностью потенциалов (АЕ) 0.343 В. Высота катодной ступени в два раза выше высоты анодной. Оценено влияние мицеллярных сред ПАВ на вольтамперные характеристики менадиона (Таблица 11). Приемлемые соотношение токов пиков и ДЕ получены в среде ДДС.

Таблица 11. Вольтамперные характеристики 0.1 мМ менадиона на СУЭ в мицеллярной среде ПАВ. Фоновый электролит - 0.1 М Н,Р04в 10% этанолу

ПАВ

ЦПБ

Тпюп XI00 ДДС_

Спав, мМ_

0

2.0

0.3 9.0

Ет, В

-0.084

0.027

0.077 0.067

1„„, мкА

-0.40

-0.21

-1.21 -1.74

Е„а, В

0.259

0.168

0.118

0.128

1™, мкА

0.48

1.01

2.47

1.75

Оценено влияние концентрации ДДС в диапазоне 8-12 мМ на вольтамперные характеристики менадиона. Наилучшие характеристики наблюдаются в 9 мМ ДДС. В этих условиях менадион обратимо восстанавливается по одноэлектронному механизму с образованием стабильного анион-радикала.

Разработан способ определения менадиона в препарате «Аекол», основанный на экстракции менадиона этанолом. Количественное извлечение достигается при однократной экстракции в течение 10 мин при соотношении маслохпирт 1:3. Эффективность экстракции оценена методом вольтамперометрии методом стандартных добавок кристаллического менадиона в экстракционную систему (степень извлечения составляет 100 %). Результаты определения менадиона в «Аеколе» представлены в таблице 12. Найденные количества менадиона хорошо согласуются с результатами определения по стандартному методу (Фармакопея).

Таблица 12. Результаты определения менадиона в лекарственной форме "Аекол"

(п=5; Р=0.95).

Образец

Содержание, г

0.05

Найдено вольгамперо-метрически, г

0.050+0.002

0.049±0.003

Найдено стандартным методом, г /-кра

0.029 _(1048+0.004 (Х036 1.59 Тзг

0,049 0.050+0.004 0.034 Г 0.79 2.04

/та6=2.45 при Р = 0.05 и ё/=6

/-„6=6.94 при Р = 0.05 и с!/|= 4, 4/2=2

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ ПАВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРИНА СУЭ, модифицированный ОУНТ-СООН и ПАВом предложен в качестве амперометрического сенсора для определения морина в среде фосфатного буферного раствора. Оценено влияние природы и концентрации ПАВ на вольтамперные характеристики окисления морина (Рисунок 7). Усыновлено, что максимальный ток

окисления морина регистрируется на стеклоуглеродном модифицированном ОУНТ-СООН и 1 мкМ ЦПБ.

электроде СУЭ,

Рисунок 7. Влияние природы и концентрации ПАВ на потенциал (А) и ток (Б) окисления морина на ПАВ/ОУНТ-СООН/СУЭ на фоне 0.1 М фосфатного буферного раствора рН 7.0. Скорость изменения потенциала 100 мВ/с.

На циклических вольтамперограммах морина наблюдаются две необратимые ступени окисления (первая ступень имеет форму пика) в диапазоне рН 4.8-9.0. Увеличение рН приводит к катодному сдвигу потенциалов окисления и увеличению токов окисления морина Наилучшие характеристики наблюдаются при рН 8.0.

На основе зависимости потенциала окисления от рН фонового электролита предложен механизм окисления морина на ЦПБ/ОУНТ-СООН/СУЭ, являющегося необратимым двухступенчатым процессом, протекающего с участием одного электрона и одного протона на каждой ступени. На основе полученных результатов и литературных данных предложена следующая схема окисления морина (Схема 3).

Для количественного определения морина использовали метод дифференциально-импульсной вольтамперометрии. На вольтамперограммах наблюдаются два пика окисления при 0.176 и 0.75 В на фоне фосфатного буферного раствора рН 8.0 (Рисунок 8).

Рисунок 8. Дифференциально-импульсная

вольтамперограмма 250 мкМ морина (кривая 2) на ЦПБ/ОУНТ-СООН/СУЭ на фоне фосфатного буферного раствора рН 8.0 (кривая 1).

Е. 0

Высота первого пика окисления морина линейно связана с его концентрацией. Диапазоны определяемых содержаний морина составляют 0.1-100 и 100-750 мкМ с пределом обнаружения и нижней границей определяемых содержаний 28.9 и 96.0 нМ, соответственно. Полученные аналитические характеристики сопоставимы, а в ряде случаев лучше, чем полученные с использованием других электродов и режимов вольтамперометрии.

Таким образом, использование ПАВ в электроанализе органических соединений позволяет улучшить аналитические характеристики их определения, а

также в ряде случаев перейти к водным средам или средам с меньшим содержанием органических растворителей. При этом ПАВ оказывают различное действие на систему электрод - раствор. С одной стороны, они обеспечивают растворимость аналита, а с другой - влияют на его электрохимические реакции, что позволяет управлять характеристиками отклика Кроме того, модификация поверхности электрода путем адсорбции подходящих ПАВ позволяет проводить концентрирование молекул аналита (за счет электростатического или гидрофобного взаимодействия), а значит понизить пределы обнаружения и нижние границы определяемых содержаний. В целом, использование ПАВ в электроанализе расширяет его возможности при решении аналитических задач.

ВЫВОДЫ

1. Эффективность электрохимической генерации кулонометрических титрантов в присутствии ПАВ (ДДПБ, ЦПБ, ДДС, Triton Х100, Brij® 35 и неионогенного высокомолекулярного полимера ПЭГ 4000) зависит от их природы и концентрации. Электрогенерированый хлор взаимодействует с Triton Х100 и Bnj® 35 в диапазоне концентраций от 1 мкМ до 10 мМ, а с остальными ПАВ лишь при высоких концентрациях последних (>0.1 мМ). Электрогенерация брома и иода со 100% выходом по току наблюдается при достаточно низких концентрациях ПАВ. Электрогенерация [Fe(CN)6]3"-hohob не осложняется в широком диапазоне концентраций (1-1000 мкМ) ПАВ, то есть в субмицеллярной и мицеллярной средах.

2. Разработаны новые способы прямого определения а-токоферола, рутина и аскорбиновой кислоты в лекарственных формах, основанные на их реакциях с электрогенерированными бромом и [Fe(CN)6]3-HOHaMH в ПАВ-содержащих средах. Титрование электрогенерированным иодом позволяет селективно определить аскорбиновую кислоту в присутствии рутина. Величина sr составляет 0.014-0.039.

3. Найдены условия вольтамперометрического определения а-токоферола, ретинола, p-каротина, эвгенола и менадиона в предмицеллярных и мицеллярных средах ПАВ и предложены соответствующие схемы электродных реакций, отвечающих аналитическим сигналам. Варьирование природы и концентрации ПАВ позволяет улучшить форму кривых, повысить обратимость электродной реакции и аналитический отклик. Пределы обнаружения аналитов находятся в диапазоне от 1.02 до 15.0 мкМ. Показана возможность вольтамперометрического определения производных пирокатехина и пирогаллола при совместном присутствии в

мицеллярной среде ЦПБ.

4. Найдены условия экстракции липофильных антиоксидантов из лекарственных форм, растительного сырья и продуктов питания, обеспечивающие

количественное извлечение аналитов. Предложены комбинированные способы экстракционно-вольтамперометрического определения а-токоферола, ретинола, f5-каротина, эвгенола и менадиона в лекарственных формах, косметических средствах и продуктах питания с использованием ПАВ-содержащих сред с величиной sr, не превышающей 0.082, характеризующиеся низким расходом реагентов и временем экстракции.

5. Морин окисляется на СУЭ, модифицированном карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками и ПАВ различной природы, необратимо с отрывом двух электронов. В условиях дифференциально-импульсной вольтамперометрии предел обнаружения и нижняя граница определяемых содержаний составляют 28.9 и 96.0 нМ морина, соответственно. Для модельных растворов величина sr не превышает 0.014.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Ziyatdinova, G. Cyclic voltammetry of retinol in surfactant media and its application for the analysis of real samples / G. Ziyatdinova, E. Giiiiyatova (Зиганшина), H. Budnikov // Electroanalysis. 2010,- V.22.- № 22,- P.2708-2713.

2. Зиятдинова, Г.К. Использование неионогенных поверхностно-активных веществ в вольтамперометрии эвгенола в водно-органической среде / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), Г.К. Будников // Бутлеровские сообщения. 2011.- Т.24, № 4,-С.66-71.

3. Зиятдинова Г.К. Вольтамперометрическое определение а-токоферола в присутствии поверхностно-активных веществ / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), Г.К. Будников // Жури, аналит. химии. 2012,- Т.67, Xs 5,- С.524-530.

4. Зиятдинова Г.К. Использование поверхностно-активных веществ в вольтамперометрическом анализе (Обзор) / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Зиганшина, Г.К. Будников // Журн. аналит. химии. 2012,- Т.67, № 11,- С.968-979.

5. Ziyatdinova G. Surfactant media for constant-current coulometry. Application for the determination of antioxidants in pharmaceuticals / G. Ziyatdinova, E. Ziganshina, H. Budnikov // Anal. Chim. Acta. 2012. - V.744. - P.23-28.

6. Ziyatdinova G. Voltammetric determination of p-carotene in raw vegetables and berries in Triton XI00 media / G. Ziyatdinova, E. Ziganshina, H. Budnikov // Talanta. 2012. - V.99. -P. 1024-1029.

7. Ziyatdinova G. Voltammetric sensing and quantification of eugenol using nonionic surfactant self-organized media / G. Ziyatdinova, E. Ziganshina, H. Budnikov // Anal. Methods. 2013,-V.5, № 18. - P.4750-4756.

8. Ziyatdinova G. Electrochemical reduction and quantification of menadione in sodium dodecyl sulfate micellar media / G. Ziyatdinova, E. Ziganshina, H. Budnikov // J. Solid State Electrochem. 2013.- V.17, № 10,- P.2679-2685.

9. Гиниятова Э.Р. (Зиганшина) Вольтамперометрическое определение а-токоферола в организованных средах / Э.Р. Гиниятова, Г.К. Зиятдинова // IX Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века" (7-8 декабря 2009). Казань, 2009.- Тез. докл. - С.ЗЗ

10. Зиятдинова, Г.К. Кулономегрическое определение а-токоферола в лекарственных формах в присутствии ПАВ / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), Г.К. Будников // Съезд аналитиков России "Аналитическая химия - новые методы и возможности" (26-30 апреля 2010). Москва, 2010.- Тез. докл. - С.121-122.

11. Зиятдинова, Г.К. Использование поверхностно-активных веществ в электроанализе липофильных антиоксидантов / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), Г.К. Будников // Республиканская научная конференция по аналитической химии с международным участием "АНАЛИТИКА РБ-2010" (14-15 мая 2010). Минск, 2010. - Тез. докл. - С.ЗО.

]2. Ziyatdinova, G. Voltammetry of natural lipophilic antioxidants in surfactant media / G. Ziyatdinova! E. Giniyatova (Зиганшина), H. Budnikov // XI Medzinarodna konferencia " Siiiasny stav a pcrspektivy analytickej chemie v praxi" (May, 9-12, 2010). Bratislava, 2010,-Chem. Listy.- V.104, № 4s - P.s533-s534.

13. Зиятдинова. Г.К. Вольтамперометрия ретинола в среде поверхностно-активных веществ / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), Г.К. Будников // Симпозиум с международным участием "Теория и практика электроанали-тической химии" (13-17 сентября 2010). Томск, 2010,- Сб. трудов,- С.105-106.

14. Зиятдинова, Г.К. Применение экстракции в электроанализе липофильных антиоксидантов / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), А.А. Гайнетдинова, Г.К. Будников // IV Междунар. конф. "Экстракция органических соединений" (ЭОС-2010) (20-24 сентября 2010). Воронеж, 2010,- Кат. докл.- С.261.

15. Гиниятова (Зиганшина), Э.Р. Определение ретинола в пищевых продуктах и лекарственных формах с использованием вольтамперометрии в ПАВ содержащих средах/ Э.Р. Гиниятова, Г.К. Зиятдинова // X Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского (Приволжского) федерального университета "Материалы и

технологииХХ1 века" (28-29 марта2011). Казань, 2011.-Тез. докл.-С.37.

16. Ziyatdinova, G.K. Evaluation of eugenol antioxidant properties and its content in spices using cyclic voltammetry / G.K. Ziyatdinova, E.R. Giniyatova (Ziganshina), H.C. Budnikov // International Conference "Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine" (June, 21-24, 2011). St. Petersburg, 2011,- Book of Abstr.- P.260.

17. Ziyatdinova G.K. Voltammetry of p-carotene in organic media in presence of surfactants / G.K. Ziyatdinova, E.R. Giniyatova (Ziganshina), H.C. Budnikov // XIX Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry (September, 25-30, 2011). Volgograd, 2011,- Book of Abstr.-V.4.- P.490.

18. Зиятдинова Г.К. Экстракционно-электрохимическое определение фенольных антиоксидантов в специях / Г.К. Зиятдинова, A.M. Низамова, Э.Р. Гиниятова (Зиганшина), Г.К. Будников // Ш Всероссийский симпозиум "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (2-8 октября 2011). Краснодар,

2011,-Тез. докл.- С.245.

19 Ziganshina E.R. Application of surfactants in electroanalysis of some carotenoids in real samples / E.R. Ziganshina, G.K. Ziyatdinova, H.C. Budnikov // ISE Satellite Student Regional Symposium on Electrochemistry - First Student Meeting in Kazan (November, 17-18, 2011).

Kazan, 2011,- Book Abstr.- P.6.

20. Зиятдинова Г.К. Антиоксидантные свойства морина в лекарственном растительном сырье по данным вольтамперометрии / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Зиганшина, Г.К. Будников // V

Всероссийская конференция "Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья" (24-26 апреля 2012). Барнаул, 2012. -Матер, конф. -С.190-191.

21. Галиева A.A. Циклическая вольтамперометрия менадиона в организованных средах / A.A. Галиева, Э.Р. Зиганшина, Г.К. Зиятдинова // XI Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского (Приволжского) федерального университета "Материалы и технологии XXI века" (17 мая 2012). Казань, 2012.- Тез. докл.- С.24.

22. Оськина К.С. Вольтамперометрия ионола в организованных средах и ее аналитическое применение / К.С. Оськина, Э.Р. Зиганшина, Г.К. Зиятдинова // XI Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра КФУ "Материалы и технологии XXI века" (17 мая 2012). Казань, 2012,- Тез. докл.- С.53.

23. Зиятдинова Г.К. Циклическая вольтамперометрия эвгенола в самоорганизующихся средах и ее аналитическое применение / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Зиганшииа, Г.К. Будников // VIII Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа "ЭМА-2012" (3-9 июня 2012). Уфа-Абзаково, 2012. - Тез. докл.- С.92.

24. Ziyaldinova G. Voltammetry of Antioxidants in Surfactant Media and Its Analytical Application / G. Ziyatdinova, E. Ziganshina, H. Budnikov // 4lh EuCheMS Chemistry Congress (August 2630, 2012). Prague, 2012,- Chem. Listy.- V.106, № s3.- P.S597.

25. Зиятдинова Г.К. Электроанализ антиоксидантов в лекарственных формах / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Зиганшина, Г.К. Будников // IX Всероссийская конференция "Химия и медицина" (4-8 июня 2013). Уфа-Абзаково, 2013. - Тез. докл. - С.61-62.

26. Зиятдинова Г.К. Электроанализ антиоксидантов в самоорганизующихся средах / Г.К. Зиятдинова, Э.Р. Зиганшииа, Г.К. Будников // Второй съезд аналитиков России (23-27 сентября, 2013). Москва, 2013. - Тез. докл. - С. 11.

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 22.04.2014 г. Лет.л. 1,25 Заказ № К-7389. Тираж 100 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет"

................На правах рукописи

ЗИГАНШИНА ЭНДЖЕ РИШАТОВНА

ЭЛЕКТРОАНАЛИЗ АНТИОКСИДАНТОВ В ПРИСУТСТВИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

02.00.02- Аналитическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: академик РАЕН и МАНВШ, доктор химических наук, профессор Будников Г.К.

Казань-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. 4

Глава 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

1.1. Общие замечания......................................................... 10

1.2. Применение ПАВ-содержащих сред в вольтамперометрии биологически активных соединений............................................. 12

1.2.1. Влияние ПАВ на электрохимическое поведение

антиоксидантов............................................................. 26

1.4. ПАВ в качестве модификаторов электродов в

вольтамперометрии...................................................... 32

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Приборы................................................................................... 46

2.2. Электроды......................................................................................... 46

2.3. Растворы и реактивы....................................................................... 47

2.4. Объекты исследования................................................... 49

2.5. Рабочие условия проведения эксперимента.................................. 51

Глава 3. ГАЛЬВАНОСТАТИЧЕСКАЯ КУЛОНОМЕТРИЯ В ПАВ-СОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

3.1. Электрохимическая генерация титрантов в присутствии ПАВ 54

3.2. Кулонометрическое определение антиоксидантов в ПАВ-содержащих средах....................................................... 56

3.3. Применение кулонометрии в ПАВ-содержащих средах в

фармацевтическом анализе.............................................. 61

Глава 4. ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ АНТИОКСИДАНТОВ В ПАВ-СОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

4.1. а-Токоферол................................................................. 64

4.2. Ретинол...................................................................... 71

4.3. |3-Каротин......................................................................................................................................79

4.4. Эвгенол..........................................................................................................................................86

4.5. Менадион........................................................................................................................................96

Глава 5. ВОЛЬТА МПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СЕНСОР НА

ОСНОВЕ ПАВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРИНА....................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................................................117

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В сложных объектах электрохимического анализа наряду с определяемыми компонентами могут присутствовать вещества, которые по своим свойствам близки к поверхностно-активным веществам (ПАВ) и способны влиять на конечные результаты. Для неорганических аналитов проблема решается кардинально - сопутствующие органические соединения, в том числе и ПАВ, разрушают до простых веществ с помощью химических реагентов или УФ-облучения. В случаях, когда определяют органические деполяризаторы, такой подход неприменим. Поэтому исследование электрохимического отклика органического аналита в присутствии ПАВ приобретает большое значение, особенно для систем сложного состава.

Многие биологически активные соединения, в том числе и некоторые антиоксиданты, малорастворимы в воде. Поэтому, их определение, как правило, проводят в органических средах, чаще всего неполярных растворителях (гексане, бензоле, толуоле, дихлорметане), которые имеют высокую токсичность и летучесть. Поэтому, исходя из принципов концепции «зеленой химии», является актуальной замена органических растворителей на менее токсичные или совсем нетоксичные среды, что имеет значение в органическом анализе. Такой подход особенно интересен применительно к системам с биологически активными соединениями, поскольку он позволяет приблизиться к условиям их функционирования в организмах.

Одним из путей его реализации является использование систем на основе ПАВ. Последние способны ассоциироваться в растворах с образованием мицелл, что с стороны, изменяет растворимость

органических соединений в водной среде, а с другой - влияет на скорость и направление реакций, в частности, на электродах, то есть позволяет управлять аналитическим сигналом, а, следовательно, повышать чувствительность и селективность отклика на тот или иной аналит.

Известно, что антиоксиданты, в частности, каротиноиды, токоферолы и фенольные соединения играют одну из ключевых ролей в системе антиоксидантной защиты живых организмов и широко представлены в составе продуктов питания и лекарственных средств. Реакции с участием антиоксидантов включают перенос электронов, что позволяет использовать для их определения методы электроанализа. Так, с одной стороны, антиоксиданты способны окисляться на поверхности электродов в условиях вольтамперометрии, а с другой - вступать в реакции с возникающими на электроде окислителями в растворе, в частности, с кулонометрическими титрантами.

С учетом вышесказанного, перспективными являются подходы, основанные на применении вольтамперометрии и гальваностатической кулонометрии в самоорганизующихся средах на основе ПАВ для определения индивидуальных АО в различных объектах.

Цель работы: применение ПАВ различной природы в электроанализе антиоксидантов и разработка новых способов их кулонометрического и вольтамперометрического определения в лекарственных формах и продуктах питания.

В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие задачи:

• найти условия электрохимической генерации кулонометрических титрантов в присутствии ПАВ различной природы и разработать способы кулонометрического определения липофильных антиоксидантов в лекарственных формах;

• получить характеристики электрохимического окисления индивидуальных антиоксидантов в ПАВ-содержащих средах и разработать способы их экстракционно-вольтамперометрического определения в лекарственных формах и продуктах питания;

• разработать вольтамперомерический сенсор на основе стеклоуглеродного электрода (СУЭ), модифицированного

карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками и ПАВ различной природы, для определения морина.

Научная новизна. Найдены рабочие условия электрогенерации кулонометрических титрантов (галогеног и [Fe(CN)6]3"-HOiiOB) в присутствии ПАВ со 100 % выходом по току. Показано, что для эффективной генерации галогенов следует использовать достаточно низкие концентрации ПАВ. Электрогенерация [Fe(CN)6]3"-HOHOB не осложняется в субмицеллярной и мицеллярной средах ПАВ.

Получены вольтамперные характеристики антиоксидантов (а-токоферола, ретинола, Р-каротина, эвгенола и менадиона) в ПАВ-содержащих средах и предложены соответствующие схемы реакций. Оценено влияние природы и концентрации ПАВ различной природы на аналитический сигнал антиоксидантов.

Найдены условия экстракции липофильных антиоксидантов из реальных объектов (лекарственных форм, растительного сырья и продуктов питания), обеспечивающие количественное извлечение аналитов.

Получены характеристики окисления морина на СУЭ, модифицированном карбоксилированными однослойными углеродными нанотрубками и ПАВ различной природы (предложена схема реакции на электроде).

Практическая значимость. Разработаны новые способы кулонометрического определения а-тоюферола, рутина и аскорбиновой кислоты в моно- и многокомпонентных лекарственных формах в присутствии ПАВ различной природы с величинами sr от 0,014 до 0,039.

Предложены способы экстракционно-вольтамперометрического определения а-токоферола, ретинола, Р-каротина, эвгенола и менадиона в лекарственных формах, косметических средствах и продуктах питания с использованием ПАВ-содержащих сред; величина sr не превышает 0,082.

Предложен способ определения морина, основанный на его окислении на СУЭ, модифицированном карбоксилированными однослойными

углеродными нанотрубками и цетилпиридиний бромидом; величина не превышает 0,014.

Показано, что применение ПАВ в электроанализе антиоксидантов позволяет улучшить аналитические характеристики их определения, а также в ряде случаев перейти к водным средам или средам с меньшим содержанием органических растворителей.

Методология и методы исследования. В рамках проведенных исследований были использованы методы гальваностатической кулонометрии, циклической и дифференциально-импульсной вольтамперометрии с трехэлектродной ячейкой. Для характеристики поверхности электродов применяли сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), а для сопоставления результатов анализа -спектрофотометрию.

На защиту выносятся:

1. Условия электрогенерации кулонометрических титрантов (галогенов и

о

в присутствии ПАВ.

2. Способы определения антиоксидантов в лекарственных формах методом гальваностатической кулонометрии с электрогенерированными галогенами и [Ре(СЫ)6]3"-ионами в ПАВ-содержащих средах.

3. Характеристики вольтамперометрического поведения антиоксидантов в присутствии ПАВ различной природы.

4. Способы экстракции ретинола, р-каротина, эвгенола и менадиона из лекарственных форм и продуктов питания.

5. Вольтамперометрические способы определения антиоксидантов в лекарственных формах и продуктах гитания в присутствии ПАВ.

6. Способ вольтамперометрического определения морина. Степень достоверности и апробация работы.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом экспериментального материала с применением методов электроанализа на сертифицированном оборудовании и сопоставлением

результатов определений с данными независимых стандартных методов и литературы.

Основные результаты работы представлены в устных и стендовых докладах на Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ Казанского университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2009, 2011, 2012), Съездах аналитиков России "Аналитическая химия -новые методы и возможности" (Москва, 2010, 2013), Республиканской научной конференции по аналитической химии с международным участием "АНАЛИТИКА РБ- 2010" (Минск, 2010), XT Medzinárodná konferencia "SÚCASNY STAV A PERSPEKTÍVY ANALYTICKEJ CHÉMIE V PRAXI" (Bratislava, 2010), Симпозиуме с международным участием "Теория и практика электроаналитической химии" (Томск, 2010), IV Международной конференции "Экстракция органических соединений" (ЭОС-2010) (Воронеж, 2010), International Conference "Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine" (St. Petersburg, 2011), XIX Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry (Volgograd, 2011), III Всероссийском симпозиуме "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (Краснодар, 2011), ISE Satellite Student Regional Symposium on Electrochemistry - First Student Meeting in Kazan (Kazan, 2011), V Всероссийской конференция "Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья" (Барнаул, 2012), VIII Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа "ЭМА-2012" (Уфа-Абзаково, 2012), 4th EuCheMS Chemistry Congress (Prague, 2012), IX Всероссийской конференции "Химия и медицина" (Уфа-Абзаково, 2013) и Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, из них 5 в зарубежных изданиях, и тезисы 18 докладов.

Диссертация выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-03-00395-а "Мицеллярные и предорганизованные медиаторные системы для

электрохимического определения органических соединений" и входила в план научно-исследовательской работы Казанского федерального университета по теме "Антиоксиданты как объекты биоэлектроанализа: новые подходы (№ 01201364003)".

Личный вклад автора заключается в постановке и решении задач, получении экспериментальных данных, их интерпретации, обсуждении и систематизации результатов исследований.

Глава 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

(Литературный обзор)

1.1. Общие замечания

Способность ПАВ проявляться на поляризационных кривых при внесении их в исследуемые растворы обычно связывают с изменением свойств двойного электрического слоя. Еще на заре развития полярографии и вольтамперометрии нейтральные органические ПАВ использовали для подавления полярографических максимумов. Алифатические спирты, имеющие в структуре молекул от шести до восьми атомов углерода, проявлялись на вольтамперограммах на ртутных электродах в виде емкостных пиков, что позволяло их использовать для разработки методов определения по так называемой депрессии дифференциальной емкости. Эти работы вошли во многие книги по электрохимии и вольтамперометрии второй половины прошлого века, например [1].

Эффекты адсорбции ПАВ проявлялись не только при подавлении полярографических максимумов, но и при торможении собственно электрохимических стадий процесса, вызывавшем смещение потенциалов волн или пиков на вольтамперограммах к более высоким значениям или расщепление многоэлектронной волны на несколько ступеней. Аналитические приложения таких адсорбционных эффектов имели ограниченное распространение. В частности, их использовали для определения остаточных количеств ПАВ в водных объектах анализа. Сейчас подобные исследования имеют скорее исторический характер. Однако адсорбционные эффекты собственно частиц аналита в целях повышения чувствительности их определения применяются достаточно широко.

Эти вопросы подробно обсуждены в недавно опубликованной обзорной статье в «Журнале аналитической химии» [2]. Материал этого обзора отражен и в настоящей главе.

Разнообразие современных ПАВ и чх свойств позволяет использовать эту группу соединений для управления аналитическим сигналом в вольтамперометрии, а, следовательно, решать задачи повышения чувствительности и селективности амперометрического отклика на тот или иной аналит.

Некоторые амфифильные органические молекулы, как известно, могут существовать в водных средах в различных формах, что давно привлекает внимание химиков. Эти формы связывают со свойствами, которыми обладают поверхностно-активные вещества (ПАВ), в структуре молекул которых содержатся отрицательно (-80з~, -ЗОГ, -800") или положительно (-М(СНз)з+) заряженная группа, или полярная оксиэтиленовая цепь (-ОСгН4)п и длинный неполярный углеводородный радикал, содержащий от 8 до 18 атомов углерода. В воде молекулы ПАВ прежде всего заполняют ее поверхность, образуя мономолекулярную пленку, а при достижении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) происходит спонтанное образование агрегатов молекул ПАВ - мицелл, что позволяет классифицировать растворы ПАВ как самоорганизующиеся системы [3,4].

Как известно, ПАВ делятся на три класса: анионные, катионные и неионогенные.

Анионные ПАВ

О

Додецилсульфат натрия (ДДС)

Додецилбензил сульфонат

натрия

Катионные ПАВ

О

в г

вг

СН2(СНг)14СНз

Н20

CH.

I

Br

H3C(H2C)15-N+-CH3 СНя

N-Додецилпиридиния бромид (ДДПБ)

Цетилпиридиния Цетилтриметиламмония бромид (ЦПБ) бромид (ЦТАБ)

Неионогенные ПАВ

СН3(СН2)10СН2(ОСН2СН2)ПОН

Brij® 35

но

Н3С _ ,

НзС^Х^

Н3С Н3С СН3

ТГ

H

СНгССНгЬСНз

Triton XI00

Tween 20

Физико-химические свойства и процессы, протекающие в растворах ПАВ, подробно рассмотрены ранее в работах [5,6].

В настоящее время ПАВ активно используются в аналитической химии, в частности, в спектральных методах [7], титриметрии, различных видах хроматографии [8], экстракции, капиллярном и гелевом электрофорезе и других методах разделения и определения органических и неорганических веществ. Эти вопросы детально рассмотрены в [9].

В последние несколько десятилетий разнообразные по природе и свойствам ПАВ стали использоваться и в методах электроанализа [10-13].

1.2. Применение ПАВ-содержащих сред в вольтамперометрии биологически активных соединений

Водные мицеллярные растворы и микроэмульсии, в частности самоорганизующиеся системы на основе ПАВ, активно используются вместо

органических растворителей в электроанализе соединений различной природы [14, 15].

ПАВ обеспечивают солюбилизацию органических соединений, в том числе участвующих в редокс-реакциях, которые моделируют процессы, протекающие в живых системах [16-19]. Известно, что использование мицеллярных сред в электрохимических реакциях приводит к возникновению двух эффектов [17]. Во-первых, ПАВ могут стабилизировать ион-радикалы и интермедиаты, что оказывает влияние на механизм электродной реакции. Во-вторых, присутствие молекул ПАВ изменяет структуру двойного электрического слоя [ 19] и константу скорости переноса заряда, о чем свидетельствуют сдвиги потенциалов ступеней или пиков соответствующих процессов. В ряде случаев эти изменения приводят к улучшению аналитических характеристик, в частности, повышению степени обратимости электрохимической реакции и чувствительности определения [20-23].

Различные моноцепные ионогенны