Металл-, металлооксидные электроды для определения глюкозы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

'?\ О V '•'

минйс^гййво ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи . УДК. 543.253.258.257.1

БАКАНИНА ЮЛИЯ НИКОЛАЕВНА

МЕТАЛЛ-, 1У1ЕТАЛЛОКСИДНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

02.00.02 - аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

КАЗАНЫ 998

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Казанского государственного университета.

Научные руководители: доктор химических наук, .

профессор Г. К. Будников доктор химических наук, профессор И. Ф. Абдуллин

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор М. И. Евгеньев кандидат химических наук, С. Г. Селянина

Ведущая организация: Башкирский государственный медицинский университет.

Защита состоится г. в^ часов на заседании

Специализированного ученого совета К 053.29.02. при Казанском государственном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, Казанский государственный университет, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного университета.

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

Автореферат разослан " 4У" ноября 1998 года. Ученый секретарь

Специализированного совета К 053.29.02.,

кандидат химических наук «^¿^ ✓'Н. Р. Федотова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Глюкоза является одним из наиболее распространенных компонентов живых систем. Содержание ее, например, в крови и других биологических средах отражает состояние углеводного обмена организма. Определение сахара в крови имеет важное диагностическое значение не только при распознавании сахарного диабета, но и при установлении диагноза и лечении некоторых эндокринных, нервно-психических и других заболеваний. Глюкоза является также главным компонентом питательных сред микроорганизмов и культивирования клеток теплокровных. И, наконец, глюкоза наряду с другими сахарами является важным составным энергетическим компонентом пищевых продуктов.

Применяемые в настоящее время в практике отечественных клинических лабораторий методы определения глюкозы в крови (орто-толуидиновый метод) имеют существенные недостатки, среди которых основными являются неспецифичность и относительная трудоемкость. В шестидесятых годах в связи с развитием энзимологии появились работы по определению глюкозы с помощью ферментов. Основным преимуществом ферментативных методов является высокая специфичность определения, обусловленная' особенностями ферментативного катализа. Но несмотря на очевидные достоинства ферментных электродов они не лишены недостатков, основным из которых является нестабильность в работе как самих устройств, так и довольно высокая стоимость иммобилизованных ферментов.

Интенсивные исследования, проводимые в последние годы и направленные на создание и совершенствование различных датчиков, устанавливающих присутствие глюкозы, свидетельствуют о том, что разработки новых экспрессных, точных и специфичных методов и устройств для ее- определения в различных объектах остается все еще актуальной проблемой. Поэтому актуальным остается и поиск других альтернативных методов определения глюкозы.

Целью работы явилось изучение и разработка электрохимических методов определения глюкозы в различных объектах, основанных на принципах использования металл-, металлоксидных электродов.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

•изучить вольтамперометрическое поведение различных металлических и металлоксидных электродов в щелочных растворах в присутствии глюкозы и

некоторых других углеводов; выявить природу амперометрического и потенциометрического отклика электродов на содержание глюкозы и некоторых других углеводов;

•найти рабочие условия и разработать способ вольтамперометрического определения глюкозы в стационарном и проточно-инжекционном режимах и оценить влияние ряда сопутствующих соединений и Сахаров на результаты определения;

•исследовать прямые и косвенные способы кулонометрического определения глюкозы.

Научная новизна. На основании вольтамперометрического исследования поведения металлических электродов на основе меди, медной амальгамы, серебра, золота, никеля, кобальта и свинца и некоторых металлоксидных электродов в растворах гидроксида натрия в присутствии глюкозы и ряда других углеводов установлено, что эти электроды дают амперометрический отклик на глюкозу и некоторые другие углеводы, линейно зависящий от их концентрации. Вольтамперометрический сигнал обусловлен каталитическим окислением глюкозы и других углеводов оксидами металлов в соответствующих степенях окисления в щелочных растворах. Предложены возможные схемы электродных и химических реакций катализирующих электрохимическое окисление!

Обнаружен потенциометрический отклик медного, серебряного, никелевого и кобальтового электродов, предварительно покрытых оксидными пленками, на глюкозу и другие сахара.

Практическая значимость. На основе проведенных исследований разработаны вольтамперометрические способы определения содержания глюкозы в сыворотке крови (в стационарном и проточно-инжекционном режимах) и содержание сахара в винах и виноматериалах. Разработанные методики кроме хорошей воспроизводимости (Б, не более 0,04) обеспечивают высокую производительность, что позволяет существенно сократить время анализа, отличаются простотой и не требуют больших экономических затрат.

Установлено, что электроды на основе меди, серебра, никеля и кобальта, предварительно покрытые оксидными пленками, могут быть использованы как потенциометрические детекторы на глюкозу и некоторые другие углеводы.

Разработаны кулонометрический способ определения кислорода в водах и полярных органических соединениях, а также косвенный кулонометрический метод определения глюкозы по кислороду.

На защиту выносятся:

•интерпретация вольтамперометрического поведения различных металлических и металлоксидных электродов в щелочных растворах в присутствии глюкозы и некоторых других углеводов;

• совокупность результатов, характеризующих природу амперометрического и потенциометрического откликов электродов на глюкозу;

•установленные рабочие условия вольтамперометрического, потенциометрического и кулонометрического определения глюкозы и некоторых сахароз;

•разработанные методики определения глюкозы в сыворотке крови и сахара в винах и виноматериалах, кислорода в водах и полярных органических соединениях.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Всероссийских конференциях по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика (Краснодар, 1996 и 1998г.), Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 1997г.), Международной конференции "International congress on analytical chemistry" (Москва, 1997г.), на 3 республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов (Казань, 1997г.), на научной конференции Казанского государственного университета (1997 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 статей и 4 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста компьютерной верстки, . содержит введение, 6 глав, выводы, список цитируемой литературы и приложение. В качестве иллюстраций приведены 25 таблиц, 35 рисунков; библиография содержит 164 наименования В литературном обзоре (глава 1) приведены сведения по определению глюкозы различными методами. Перечислены существующие химические, электрохимические, спектральные, термические, электрические и унифицированные методы. Рассмотрены различные типы детекторов,

применяемые в проточно-инжекционном анализе глюкозы и других углеводов. Во второй главе приводятся данные о аппаратуре, электродах, реагентах, используемых в работе и описаны условия эксперимента. В четырех последующих главах изложены результаты исследования и их обсуждение.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Все измерения проводили на потенциостатах П-5827 М и ПИ-50-1.1 Для автоматической регистрации вольтамперных кривых использовали двухкоординатный регистрирующий прибор ПДА1. Вольтамперные кривые электродов снимали с линейной разверткой потенциала со скоростью поляризации 0,02 В/с начиная с их стационарного потенциала. Рабочие электроды из меди, серебра, золота, никеля, кобальта, висмута и свинца готовили из соответствующего металла чистоты не ниже 99,9%, видимая площадь поверхности которых составляет 2-6 мм2. Вспомогательный электрод состоял из платиновой проволоки, свернутой спиралью. В качестве фона выбраны щелочные растворы (0,1-1,0 М NaOH), в которых легко образуются пассивирующие оксидные пленки на металлах и облегчается окисление альдегидной функциональной группы.

Для установления конечной точки титрования в кулонометрических методах применяли амперометрический с двумя индикаторными электродами и потенциометрический способы индикации. Основными материалами рабочих электродов служили платина и медь; вспомогательного и индикаторных - платина.

Систему для проточночно-инжекционного анализа монтировали на базе перистальтических насосов типа «Zalimp» (Польша) и «ДЛВ-1» с проточными коммуникациями, внутренним диаметром 0,9 мм, инжектора, смесителя. Аналитические определения в проточно-инжекционном анализе проводили в трех электродном проточном детекторе, объемом 50,0 мкл.

Во всех измерениях в качестве электрода сравнения использовали водный насыщенный хл'оридсеребряный электрод.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И

УГОЛЬНО-ПАСТОВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОКСИДАМИ МЕТАЛЛОВ В ПРИСУТСТВИИ глюкозы.

Было изучено вольтамперометрическое поведение различных металлических и химически модифицированных угольно-пастовых электродов в

присутствии глюкозы и некоторых других углеводов (галактозы, мальтозы, лактозы, сахарозы и фруктозы) в 0,1-1,0 М растворах NaOH. Наиболее оптимальной была выбрана концентрация NaOH 0,5 М.

МЕДЬ. На вольтамлерных кривых медного электрода в фоновом растворе наблюдается максимум тока при. потенциале -0,23 В, обусловленный образованием на поверхности электрода оксида меди (I): 2Си + 20Н~ —Cu20 + Н20 (1).

В интервале потенциалов от 0 до 0,50 В электрод пассивируется за счет

образования оксида меди (II):

Си20 + 2(Ж —^->2Си0 + Н20 (2).

При потенциалах положительнее 0,50 В на электроде выделяется кислород (рис.1, кривая 1).

Рис.1. Вольтамперные кривые медного электрода в 0,5 М растворе №ОН (1), содержащего глюкозу различной концентрации (при комна+ной температуре): 3.3.10-4 М (2); 6,6.10"'' М (3); 9,7» Ю4 М (4) и 1,3»10"3 М (5).

При введении глюкозы в фоновый раствор на кривых поляризации медного электрода наблюдается уменьшение высоты максимума при потенциале -0,23 В и появляется волна окисления (У) глюкозы с Е1в=0,36 В (рис.1, кривые2-5), которая пропорциональна ее концентрации (X). Градуировочный график состоит из двух линейных участков в интервале концентраций 2,5-Ю.ОИО"4 и 1,0-10,0«10"3 М и описывается уравнениями : У=(-0,69±0,02)+(1397,28+28,33)»Х, г=0,999 (3); У=(1,08±0,29)+(-42,76±4,99)«Х, г=0,968 (4).

Было установлено, что внесение тартрата натрия или калия в фоновый раствор, как и в классическом реактиве Фелинга, при небольших концентрациях

П.СМСГ'М) приводит к понижению нижней границы определяемых концентраций глюкозы (до 1,0»10'5М).

Каталитическое электроокисление глюкозы на медном электроде протекает с участием оксида меди (II), образующимся на поверхности электрода при анодной поляризации. Следует отметить, что на графитовом и платиновом электродах окисления глюкозы не наблюдается.

На вольтамперных кривых угольно-пастовых электродов на основе СиО и

\

СигО регистрируются волны окисления глюкозы при Ец2=0,35-0,40 В, которые проявляются при концентрациях глюкозы выше 1,0»10"3 М (УПЭ на основе СиО) и 1,0*10"2 М (УПЭ на основе СигО). Волны окисления глюкозы на оксидно-пастовых электродах выражены хуже, чем на металлическом медном электроде. Это может быть связано с иной структурой и природой оксидов меди (1,И), образующихся на поверхности металлической меди и оксидно-пастового электрода при их анодной поляризации.

СЕРЕБРО. На вольтамперных кривых серебряного электрода в фоновом растворе проявляются два максимума тока с потенциалами пиков 0,30 и 0,63 В, обусловленные образованием на поверхности электрода оксидов АдгО и АдО. При введении глюкозы в фоновый раствор на вольтамперной кривой серебряного электрода (рис. 2) появляется дополнительный максимум тока с потенциалом пика 0,16 В, образование которого регистрируется на электроде, покрытым оксидной пленкой. В отсутствии оксидной пленки этот максимум не образуется. С ростом концентрации глюкозы происходит увеличение «высот всех пиков. Кроме того, максимум тока при 0,3О В раздваивается, а максимум тока при 0,63 В значительно смещается в область более положительных значений потенциалов. Высота максимума тока (У) при 0,16 В пропорциональна концентрации глюкозы (X). Градуировочный график линеен в следующих интервалах концентраций 1,0-10,0»10"'* и 1,0-10,0»10"2 М и описывается следующими уравнениями :

У=(5,47±0,07)+(-1,13±0,03)*Х, г=0,999 (5);

У=(14,62±0,72) + (-5,12±0,37)«Х, г=0,995 (6).

Волна окисления глюкозы на серебряном электроде возникает за счет катализа оксидом Ад 2О, образующимся на поверхности электрода при анодной поляризации.

Рис.2. Вольтамперные кривые серебряного электрода в 0,5 М растворе ЫаОН (1), содержащего глюкозу различной концентрации (при'комнатной температуре): 4,2*10 3 М (2); 9.2*10 3 М (3); 1,9.10 2 М (4).

РТУТЬ. На вольтамперных кривых ртутного электрода в фоновом электролите (0,5 М №ОН и 0,5 М МаОН, содержащий 1»10~3 М Ю) окисления глюкозы не наблюдается. По-видимому, в данных условиях образование реактива Несслерз не происходит, что можно объяснить кинетическими затруднениями в комплексообразовании в системе НдО/Ю.

При вольтамперометрическом изучении медноамальгамного электрода в присутствии глюкозы, на котором может проявиться каталитический эффект, оказываемый как ионами меди, так и ртути, на фоне 0,5 М №ОН регистрируется волна окисления глюкозы при Е1/г=0,46 В, высота которой увеличивается с ростом концентрации глюкозы и находится в линейной зависимости в интервале концентраций 1,0-20,0»10~4 М.

ЗОЛОТО. При анодной поляризации золотого электрода начиная со стационарного значения потенциала при комнатной температуре (20°С) на вольтамперных кривых появляется небольшой ток (~1 мкА) (рис.3). Величина тока практически не изменяется до потенциала 0,60 В, а при потенциалах положительнее этого значения на электроде выделяется кислород.

^ КХА

25(30

•1500

¡00

О 0,2 0,4 0,6 0,8 Е, 0

Рис.3- Вольтамперные кривые золотого электрода в 0,5 М растворе ЫаОН при 50°С (1), в том же растворе при комнатной температуре (2) и содержащем глюкозу в концентрации : 1,0«10 3 М (3); 5,0.10'3 М (4); 7,0.10'3 М (5).

На вольтамперных кривых электрода, снятых при 50°С, появляются три ступени окисления при Е,;2=-0,49, -0,18 В и Еп=0,85 В. Величина тока при этом выше -в 5 раз. Появление тска в области потенциалов -0,80-^0,60 В обусловлено образованием электропроводящих тонких оксидных пленок Аи(1) на поверхности электрода. А наблюдаемый пик при 0,85 В при 50°С связан с переходом оксидов Аи(1) в Аи(Ш).

Аи(1) + 50Н —НАиОз2 + 2Н20 (7).

На вольтамперных кривых золотого электрода в присутствии глюкозы при ее концентрациях выше 5,0«10~3 М образуются три волны окисления со значениями потенциалов Ецг= -0,59 В, Еп=0,02 и 0,30 В. При этом высоты первых двух волн зависят от концентрации глюкозы. Высота первой волны (У) находится в линейной зависимости от концентрации глюкозы (X) в интервале 8,0-20,0«10"3 М и градуировочный график выражается следующим уравнением : У=(0,50±0.24) + (2000,001300,15)»Х, г=0,968 (8).

Согласно диаграмме Пурбе, при потенциалах положительнее стационарного на поверхности золотого электрода образуется оксид Аи(1), величина редокс-пары Аи(1)/Аи(0) составляет 1,692 В. Появление волн окисления глюкозы на золотом электроде обусловлено каталитическим влиянием оксида Аи(1). Как и в случае меди и серебра на поверхности золотого электрода, образуются активированные

комплексы глюкозы с соответствующими оксидами. Нельзя при этом исключить возможность участия ионов Cu(l), Ag(l) и Au(l) в образовании таких соединений. Косвенным подтверждением этому является полное исчезновение волн окисления глюкозы при введении в анализируемый раствор незначительного количества роданида калия (2,0»1Э~5М). При введении роданида калия, за счет образования устойчивого комплекса Au(SCN)2" наблюдается резкое понижение редокс-потенциала пары Аи(1)/Аи(0) до 0,660В и поверхность электрода перестает проявлять каталитическую активность.

НИКЕЛЬ. На анодной вольтамперной кривой никелевого электрода в фоновом растворе образуется максимум тока при потенциале 0,39 В (рис.4). При потенциалах -0,20-^0,20 В никелевый электрод находится в пассивном

состоянии, его поверхность покрывается оксидной пленкой N¡0. Появление максимума тока на вольтамперной кривой при 0,39 В обусловлено переходом оксида никеля (II) в оксид никеля (III):

2NiO + 20Н" —N¡203 + Н20 (9).

5,0»10"4 М (3); 1,0.10"3М (4).

В присутствии глюкозы в фоновом растворе на вольтамперной кривой никелевого электрода наблюдается увеличение высоты максимума тока и незначительное смещение его потенциала до 0,40 В. Рост тока на вольтамперной кривой обусловлен участием N¡(111) в окислении глюкозы до глюконовой кислоты по реакции (10) и далее электрохимическим окислением N¡(111) до N¡(11) по уравнению (9).

С6Н1206 + №203 = С6Н1207 + 2№0 I (10).

Высота максимума тока (У) находится в линейной зависимости от концентрации глюкозы (X) в интервалах 1,0-10,0*10"4 и 2,0-10,0*10"3 М в соответствии с корреляционными уравнениями (11, 12).

У= (1,94±0,05) + (4608,22+78,41)*Х, г=0,999 (11);

У=(4,77±0,95) + (1446,30+158,39)*Х, г=0,983 (12).

На вольтамперных кривых угольно-пастового электрода, модифицированного оксидом никеля (II) в 0,5 М растворе №ОН регистрируется волна с Еи2=0,31 В. При введении глюкозы (1,0*10~3 М) в фоновый раствор наблюдается увеличение высоты этой волны. Полученные результаты не противоречат данным, полученным на металлическом никелевом электроде, что можно считать косвенным подтверждением предложенного механизма электроокисления глюкозы на никелевом электроде в фоновом электролите. КОБАЛЬТ. На вольтамперных кривых кобальтового электрода в 0,5М растворе №ОН присутствуют три ступени окисления со значениями потенциалов полуволн -0,20; 0,01 и 0,26 В, появление которых связано с образованием на поверхности электрода различных оксидов кобальта [реакции (13-15]).

Со + 20Н" " - > СоО + Н20 (13), ЗСоО + 20Н" Со304 + Н20 (14),

2Со304 +20Н" —^ ЗСо203 + Н20 (15). При введении глюкозы в фоновый раствор высоты первой и второй волн практически не изменяются, а высота третьей волны возрастает. С увеличением концентрации глюкозы высота третьей волны пропорционально растет и происходит одновременное ее размывание. Возрастание волны при Е1а=0,26 на вольтамперной кривой кобальтового электрода при внесении глюкозы в фоновый раствор связано с участием оксида кобальта (III), образующегося в ходе реакции (16) в окислении глюкозь1 :

С6Н,205 + ЗСо203 = С6Н,207 + 2Соз04 (16).

Высота волны (У) при Е1д=0,26 В находится в линейной зависимости от концентрации глюкозы (X) в интервале 1,0-10,О^Ю"4 М в соответствии с корреляционным уравнением (17).

У=(4;06±0,13) + (5005,81 ±241,10)»Х, г=0,996 (17).

На вольтамперной кривой угольно-пастового электрода, модифицированного оксидом кобальта (II) регистрируются две волны с потенциалами полуволн 0,11 и 0,40 В, обусловленные образованием на поверхности данного электрода оксидов

С03О4 и Со203. При введении глюкозы (1,010"3 М) в фоновый раствор высота первой волны практически не изменяется, а высота волны при Ец2=0,А0 В увеличивается, что является косвенным подтверждением происходящих процессов на кобальтовом электроде в 0,5 М растворе №ОН в отсутствие и присутствии глюкозы.

СВИНЕЦ. При анодной поляризации свинцового электрода в фоновом электролите на вольтамперной кривой регистрируются три максимума тока при потенциалах-0,60; 0,50 и 0,64 В. Поверхность свинцового электрода покрывается толстой желто-коричневой оксидной пленкой. При внесении глюкозы в фоновый раствор на вольтамперной кривой наблюдается увеличение высот всех максимумов тока и небольшое смещение их потенциалов до -0,62; 0,53 и 0,72 В соответственно. При дальнейшем росте концентрации глюкозы высоты этих пиксз увеличиваются. Появление максимумов тока ' на вольтамперных кривых свинцового электрода связано с образованием на его поверхности оксидов РЬО; РВ3О4 и РвОг, а увеличение значений их токов при внесении глюкозы - с влиянием глюкозы на рост оксидных пленок свинца. Высота максимума тока (У) при 0,26 В находится в линейной зависимости от концентрации глйзкозы (X) в интервале 2,5-10,0»10"4 и 1,0-10,0»10"3 М в соответствии с корреляционными уравнениями (18,19).

У=(2,54±0,59) + (4020,05+810,18)«Х, г=0,994 (18),

У=(5,76±0,39) + (784,11±60,04).Х, г=0,999 (19).

На вольтамперной кривой графито-пастового электрода, модифицированного оксидом свинца (II) на фоне 0,5 М раствора №ОН регистрируются максимум тока при потенциале 0,63 В и волна с Е1/2=0,45 В, что связано с образованием на поверхности данного электрода оксидов РЬзС>4 и РЬОг. При введении глюкозы в фоновый раствор высота волны при Е1/2=0,45 В практически не изменяются, а высота максимума тока при 0,63 В увеличивается и происходит небольшое смещение потенциала до 0,69 В. С ростом концентрации глюкозы высота этого максимума увеличивается.

Проанализировав вольтамперные кривые свинцового и угольно-пастсвого электрода, модифицированного РЬО, можно заключить, что увеличение высот максимумов при потенциалах 0,64 и 0,63 В на вольтамперных кривых этих

электродов связано с участием РЬОг, образующегося на их поверхности, в окислении глюкозы.

Из-за больших значений фонового тока свинцовый электрод нецелесообразно использовать для определения глюкозы. ВИСМУТ. В аналогичных условиях было исследовано вольтамперометрическое поведение висмутового электрода. На волатамперных кривых висмутового электрода на фоне 0,5 М NaOH проявляется лишь одна волна с Еш= -0,40 В, обусловленная образованием оксида В^Оз. Образование соединений висмута в высших степенях окисления, а также окисление углеводов не зафиксировано.

Таким образом, проведенные вольтамперометрические исследования различных металл-, металлоксидных электродов позволяют их свести в две группы. Первую группу составляют электроды на основе золота, серебра и меди. При анодной поляризации в щелочных средах они пассивируются с образованием соответствующих оксидов. В присутствии глюкозы и некоторых других углеводов на этих электродах возникает дополнительная волна, обусловленная каталитическим электроокислением глюкозы и ее производных. По-видимому, на поверхности этих электродов образуются активированные комплексы с непосредственным участием оксидов металлов и альдегидной функциональной группы субстратов. Нельзя при этом исключить возможное участие ионов Ag(l), Аи{1) и Cu(ll) в образовании таких комплексов, так как эти оксиды в щелочных растворах могут находиться в равновесии с ионами металлов, создавая таким образом на поверхности электродов аналоги соответствующих реактивов Фелинга и Толленса. Более детально механизм катализа может быть установлен после проведения дополнительных исследований. Каталитическая активность первой группы электродов по отношению к глюкозе определяется, главным образом, окислительной способностью образующихся на поверхности электродов соединений. Вторую группу электродов составляют никель, кобальт и свинец, на вольтамперных кривых которых имеются волны окисления, обусловленные образованием оксидов металлов в высоких степенях окисления. В присутствии глюкозы и некоторых других углеводов на этих электродах наблюдается значительный рост тока в области потенциалов образования соответствующих оксидов, что объясняется участием этих оксидов в окислении глюкозы и ее производных.

Вольтамперомтерическому определению глюкозы могут мешать соизмеримые количества галактозы, мальтозы, лактозы на предложенных электродах, а также фруктозы на медном и сахарозы на никелевом электродах. Установлено, что на предложенных электродах происходит окисление и других органических соединений, имеющих в своем составе альдегидную группу, но не являющихся углеводами. Была проведена оценка мешающего влияния на вольтамперомтерическое определение глюкозы таких веществ, как мочевая, молочная, аскорбиновая кислоты и некоторые аминокислоты, такие как глицин, аланин, 1_-аспарагин,4-гистидин, Ь-цистеин и О.Ьметионин, которые могут присутствовать совместно с глюкозой в некоторых анализируемых объектах. На основе проведенных исследований предложены рабочие условия определения глюкозы в различных объектах в присутствии мешающего компонента на соответствующих электродах. Например, вольтамперометрическое определение глюкозы целесообразнее проводить в сыворотке крови (т.е. в безбелковом фильтрате крови), а не в цельной крови и тем более не в плазме на медном, медноамальгамном, никелевом и кобальтовом элеткродах.

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ САХАРА В СЫВОРОТКЕ КРОВИ, В ВИНАХ И ВИНОГ.1ЛТЕРИАЛАХ.

На основе проведенных исследований были разработаны во/ яакперометрическио методики определения содержания сахара в сыссрстке крови, в-винах и киноматериалах.

Вольтамперометрическое определение глюкозы в сыворотке крови проводили в стеклянной ячейке объемом 7,0 мл. В качестве рабочего электрода были выбраны электроды из меди, никеля и кобальта, а также медноамальгамный электрод. Фоновым раствором служил 0,5 М №ОН и 0,5 М КОН при использовании медноамальгамного электрода.

Оказалось, что градуировочныё графики, построенные на стандартных растворах глюкозы не подходят для вольтамперометрическсго определения глюкозы в сыворотке крови на предложенных электродах из-за возникающей систематической ошибки. Использование метода добавок тоже не дало положительных результатов. Вероятно, это связано с влиянием самой сыворотки на вольтамперометрическиэ характеристики электродов. Поэтому для определения глюкозы использовали графики, состроенные по образцам сыворотки с известным содержанием глюкозы Определение проводили сразу

после взятия, крови и приготовления сыворотки. Полученные результаты определения глюкозы в образцах сыворотке крови представлены в табл. 1. Параллельно сыворотку анализировали на полуавтоматическом анализаторе РР-901 (Финляндия). Как видно из табл. 1, полученные двумя методам результаты хорошо согласуются между собой и наилучшие результаты получены на медном и никелевом электродах (вг ~0,04).

Табл. 1. Результаты вольтамперометрического определения глюкозы в сыворотке крови (п=5, Р=0,95, Т=20,0±0,5°С).

Содержание глюкозы, мМ

Электрод № пробы Найдено на ' РР-901, мМ Найдено на ПИ-50-1.1, мМ ХСр±1р»8/\/л Б,

Си 1 4,15 4,36±0,17 0,03

2 7,17 6,80±0,23 0,03

3 4,56 4,97+0,20 0,04

4 ' 3,59 3,40+0,21 0,05

5 4,61 4,53±0,15 0,03

6 4,54 4,97+0,17 0,03

7 6,32 5,97+0,23' 0,03

8 3,86 3,40±0,14 0,04

Си/Нд 1 .4,81 4,43±1,25 0,15

2 3,28 3,20±0,35 0,06

3 5,50 5,37±0,20 0,02

4 4,53 4,25±1,20 0,16

5 5,92 5,21±0,36 0,04

6 4,26 4,10+0,20 0,03

7 3,84 3,72+0,21 0,03'

8 5,30 5,11±0,60 0,06

№ 1 3,22 3,08±0,28 0,05

2 3,36 3,15+0,35 0,06

3 3,53 3,24±0,36 0,06

4 3,61 3,48±0,31 0,05

5 4,20 3,56±0,27 0,04

6 4,82 4,29±0,39 0,05

7 4,47 4,63+0,34 0,04

8 5,25 4,99±0,37 0,04

Со 1 3,22 3,15±0,09 0,02

2 3,36 3,16±0,33 0,06

3 3,53 3,72+1,34 0,19

4 4,20 3,56±0,98 0,15 '

5 4.82 4,45±1,62 0,19

6 5,25 5,25±1,93 0,20

7 5,61 | 5,95±0,85 0,08

Был разработан проточно-инжекционный способ определения глюкозы с вольтамперометрическим детектированием на медном электроде, показавший наилучшие результаты. Результаты определения глюкозы в сыворотке крови этим способом представлены в табл. 2. Разработанный способ имеет хорошую воспроизводимость, обеспечивает производительность свыше 50 проб б час, требует небольших материальных и временных затрат по сравнению с ферментативными методами, которые используются в настоящее время Табл. 2. Результаты проточно-инжекционного определения содержания глюкозы в сыворотке крови с вольтамперометрическим детектированием на медном электроде (п=5, Р=0,95, иподачи=0,27 мл/мин).

Найдено (мМ ) глюкозы на анализаторе РР-901 Найдено (мМ) глюкозы в П НА с вольтамперометрическим детектором ХсрИр'Э/л'/;

4.15 4,3б±0,15 0,03

4,17 6,80+0,15 0,02

4.56 4.97±0,17 0,03

4.61 4,53+0,10 0,02

4,54 4,93±0,14 0,03

6,32 5,93±0,20 0,03

3,86 3,40±0,15 0,04

4,71 4,10±0,14 0,03

4,61 4,36±0,17 0,03

Методика вольтамперометрического определения содержания сахара в винах и виноматериалах основывается на предварительной инверсии сахарозы с последующей регистрацией волн окисления глюкозы и фруктозы. В качестве рабочего электрода был выбран медный электрод, на котором протекает окисление как глюкозы, так и фруктозы. В качестве фонового электролита использовали 0,5 М раствор ЫаОН. Градуировочный график для определения сахара в винах и виноматериалах строили по стандартным растворам сахарозы после ее предварительной инверсии. В качестве аналитического сигнала использовали высоту суммарной волны окисления глюкозы и фруктозы при Е1д=0,30 В. Градуировочный график линеен в следующем интервале концентраций инвертного сахара: 1,0»10"4 + 1,0»10~3 М, корреляционное уравнение которого имеет вид : У=(6,11 • 103±4,7» 102)«Х + (2,15±0,29), г=0,996 (20).

Правильность предложенной методики проверена по ГОСТ 13192-84 методом. Бертрана. Результаты вольтамперометрического определения сахара в винах и • виноматериалах на медном электроде, представленные в табл. 3 и 4, показывают хорошую воспроизводимость (вг не превышает 0,04) и, кроме того, существенно сокращается время анализа (до 20 мин, с учетом инверсии сахарозы), определению не мешают дубильные и красящие вещества. Табл. 3. Результаты вольтамперометрического определения содержания сахара в

винах.

Найдено, % Найдено, %

Вино вопьтамперометри- sr ГОСТ 13192-84

чески (п=5, р=0,95) (п=3)

"Агдам" (РТ ПО 8,21±0,195 0,02 8,85

Татспиртпром)

"Салмачи" (РТ ПО 7,06±0,23 0,03 7,00

Татспиртпром)

"Кагор Шемаха" 22,44±0,26 0,01 21,70

(Азердбайжзн)

"Мираж" (Гродненский 2,82±0,09 0,03 3,00

ликероводочный завод)

"Ахашени" (Грузия) 3,96+0,11 0,02 4,00

"Земфира" (Молдавия) 8,08+0,09 0,01 8,00

"Монастырская трапеза" 2,46±0,06 0,01 2,50

(Москвинкомбинат)

"Шампанское полусладкое" 2,46+0,06 0,03 —

(Молдавия)

Табл.4. Результаты вольтамперометрического определения сахара в виноматериалах.

№ Виноматериал Найдено, % S, Найдено, %

габы вольтамперомет- ГОСТ 13192-84

рически (п=5, р=0,95) (п=3).....

1 "Агдам"(амфера-5) 8,02+0,28 0,03 7,90

2 "Агдам" (амфера-7) 8,32+0,18 0,02 8,30

3 "Акстафа"(чан-26) 11,80+0,21 0,02 12,90

4 "Кызыл Шербет" 15,51+0,40 0,02 15,50

(амфера-3)

5 "Кагор Араплы" 23,42+0,45 0,02 22,00

(амфера-4)

6 "Акстафа"(чан-31) 12,34±0,24 0,02 12,90

7 "Кагор Шемаха" 20,07+0,21 0,01 20,30

(амфера-6)

8 "Портвейн 777" 10,48+0,25 0,02 10,70

(амфера-1)

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛЮКОЗЫ

Было установлено, что в щелочных средах (0,1-1,0 М №ОН) значения стационарных потенциалов медного, серебряного, никелевого и кобальтового электродов зависят от содержания глюкозы. Для модельных растворов глюкозы в 0,5 М ЫаОН измерены значения стационарных потенциалов на этих электродах. Зависимости потенциала индикаторного электрода от логарифма концентрации глюкозы носят линейный характер в следующих интервалах концентраций: 1,0*10'3-1,0»10"1 М на медном (г=0,998); 1,0»10"*-1,0»Ю"2 М на серебряном (г=0,993); З.ОЮ"4 -5,0»10"3 М на никелевом (г=0,998) и 1,0»10"4-10 3 М на кобальтовом (г=0,985) электродах.

Линейная зависимость Ест-Р(1дС) в определенном интервале концентраций на этих электродах наблюдается для галактозы, лактозы, мальтозы, а также для фруктозы на медном и серебряном электродах.

В условиях эксперимента на поверхностях медного, серебряного, никелевого и кобальтового электродов образуются токопроводящие оксидные пленки. Потенциалопределяющими парами являются Си20/Си0, Ад20/Ад. №20з/№0, Со2Оз/СоО, что косвенно подтверждается и значениями окислительно-восстановительных потенциалов. Соответствующие оксиды на поверхностях электродов получены путем предварительного анодного окисления металлов в 0,5 М №ОН. На электродах, где нет оксидной пленки, линейная зависимость отсутствует.

Результаты потенциометрического определения глюкозы в модельных растворах представлены в табл.5. Эти электроды пригодны в качестве лотенциометрических детекторов для анализа углеводов после их предварительного разделения. Результаты прямого потенциометрического определения глюкозы в сыворотке крови' плохо воспроизводятся из-за незначительного количества растворимых белков. Азотсодержащие соединения, образующие устойчивые комплексы с ионами меди, серебра, никеля и кобальта влияют на равновесие на электроде и осложняют зависимость стационарного потенциала от концентрации глюкозы.

Табл. 5. Результаты потенциометрического определения глюкозы в модельных растворах в 0,5 М ЫаОН (п=5, Р=0,95).

Электрод Взято на анализ, мМ Найдено, мМ Хср ±Э»1Р/ 4/1

Си 3.30 3,80 23,0 3,06+0,24 3,73+0,20 20,0±1,0 0,06 0,05 0,05

Ад 3,30 9,50 23,0 3,50+0,23 11,04±0,83 21,2±1,7 0,06 0,07 0,06

N1 0,90 2,00 4,80 1,10±0,06 2,52±0,17 4,29+0,24 0,05 0,06 0,06

Со 0,50 0,90 0,73±0,06 1,31+0,10 0,07 0,07

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ КУЛОНОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ГЛЮКОЗЫ.

Распространенные химические методы определения глюкозы с использованием феррицианида, реактива Фелинга и гипобромит-ионов, к сожалению, перевести в кулонометрический вариант определений не удалось.

Было предложено косвенное кулонометр^ческое определение глюкозы по ферроцианид-иону, концентрация которого пропорциональна концентрации глюкозы в анализируемом растворе. Определение ферроцианида калия проводили кулонометрически с помощью электрогенерированного брома. Полученные результаты представлены в табл.6.

Табл. 6. Результаты косвенного кулонометрического определения глюкозы по

ферроцианиду калия.

Взято на анализ, Найдено, мг

мг Хср+БМрУ^/;

0,165 й, 168+0,05 0,02

0,197 0,200+0,05 0,02

0,244 0,244+0,06 0,02

Наиболее распространенная методика определения глюкозы в биохимических исследованиях основывается на реакции 21, СбН,г07 + 02 > С6Н12О7 + Н202 (21).

Содержание глюкозы определяют амперометрическими или потенциометринескими датчиками на кислород или пероксид водорода. Была

предпринята попытка определения глюкозы кулонометрически по расходу кислорода. Разработан способ кулонометрического определения растворенного кислорода, основанный на реакции электрогенерированных ионов Си(1) с кислородом. Конечную точку титрования можно определять как амперометрически, так и потенциометрически. Результаты кулонометрического определения глюкозы по кислороду представлены в табл.7. Как видно из полученных результатов^ кулонометрический метод определения глюкозы не имеет особых преимуществ Ьеред другими способами определения глюкозы.

Табл. 7. Результаты косвенного кулонометрического определения глюкозы по

кислороду (п=3, Р=0,95, Т=17,0±0,5°С, Ратм=755±15 мм.рт.ст.).

Взято на анализ Найдено глюкозы, г в,

глюкозы, г ч/л

4,50x10"5 . (4,80+0,85)хЮ"5 0,09 •

5,40х10"5 (5,44+0,72)хЮ"5 0,07

9,00х10"5 (9,86±0,72)х10*5 0,04

ггбхю-4 (1,31±0,29)х10"* 0,12

1,44*10"4 (1,61±0,54)х10'* ; 0,18

1,80x10"* (1,59±0,92)х10"4 * 0,31

3,60x10Ч (4,06±0,55)х10"< 0,07

9,00x10"* (8,08±0,55)х10"4 0,04

Косвенное кулонометрическое определение глюкозы проводили следующим образом. В бюкс вносили 15,0 мл фосфатного буферного раствора с рН 6,84, 5 мл фермента глюкозооксидазы и соответствующую аликвоту стандартного раствора глюкозы. Бюкс плотно закрывали крышкой. Время выдержки составляло от 3 до 15 мин. В ячейку для кулонометрического титрования объемом 50,0 мл вводили 20,0 мл фонового электролита ( 1,0 М ЫаСЮд и NN3, 0,01 М ЭДТА), помещали вспомогательный и рабочие электроды и оттитровывали растворенный кислород в фоновом электролите. Затем в электрохимическую ячейку вносили определенный объем исследуемого раствора и определяли оставшийся после реакции кислород. Конечную точку титрования определяли амперометрически с двумя платиновыми индикаторными электродами (ДЕ= 150-200 мВ) или потенциометрически (хлоридсеребряный и платиновый электроды). Количество глюкозы рассчитывали по количеству израсходованного на реакцию кислорода.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что металлические электроды из меди, серебра, золота, никеля, кобальта и свинца в щелочных растворах (0,1-1,0 М №ОН) дают амперометрический отклик на глюкозу, линейно связанный с ее концентрацией в интервалах 2,5-10,0*10"4'и 1,0-10,ОНО"3 М (медь, свинец); 1,0-10,0*10"3 и 1,0-10,0»10"2 М (серебро); 8,-20,0.103 М (золото); 1,0-10.0*10'4 и 2,0-10,0.103 М (никель); 1,0-10,0*10"4 М (кобальт). Амперометрический отклик обусловлен каталитическим электроокислением глюкозы оксидами металлов в соответствующих степенях окисления, образующихся на поверхности электродов при их поляризации.

2. Найдены рабочие условия и предложен вольтамперометрический метод определения глюкозы в сыворотке крови на медном, медноамальпамном, никелевом и кобальтовом электродах, причем, наилучшие результаты получены на медном и никелевом электродах.

<

3. Разработан проточно-инжекционный способ определения глюкозы в сыворотке крови с вольтамперомегрическим детектированием на медном электроде, который при величине Бг не более 0,04 обеспечивает производительность свыше 50 проб/час.

4. Разработан вольтамперометрический способ определения содержания сахара в винах и виноматериалах (Б, не превышает 0,04), что позволяет существенно сократить время анализа.

5. Установлено, что стационарный потенциал медного, серебряного, никелевого и кобальтового электродов в щелочных растворах зависит от концентрации глюкозы и некоторых других углеводов, что обеспечивает потенциометрический отклик на эти углеводы. Зависимости Ест.-Р(1дСгт>кмы) носят линейный характер в следующих интервалах концентраций: 1,0»10~3-1,0.10~1 М на медном; 1,0»104-1,0*103 М на серебряном; 3,0*10^-5,0«10"3 М на никелевом и .1,0.10^-1,0*10'3 М на кобальтовом электродах.

6. Предложен кулонометрический способ определения содержания кислорода, на основе которого возможно косвенное определения глюкозы. Нижняя граница определяемого содержания кислорода составляет 0,12 мг/л.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Вольтамперометрическое поведение глюкозы и других углеводов на металлических элекгродахУ Абдуллин И. Ф., Будников Г. К., Баканина Ю. Н./У Журн. общей химии,- 1998;-Т. 68. №8,-С. 1383-1388.

2. Медный и серебряный электроды для потенциометрического и вольтамперометрического определения глюкозы и других углеводов./ Абдуллин И. Ф., Будников Г. К., Баканина: Ю„ Н., Кукушкина Н. Н.//Журн. аналит. химии - 1998,Т. 53, № 10,-С, 1075-1080.

3. Проточно-инжекционное вольтамперометрическое определение глюкозы в сыворотке крови./ Фицев И. IVL„ Баканина Ю. Н., Абдуллин И. Ф., Будников Г. К.11 Заводская лаборатория,-1№ 7.- С. 6-7.

4. Кулонометрическое определение растворенного кислорода в' полярных органических соединениях электрогенерированными ионами меди (II)./ Абдуллин И. Ф., Будников Г. К., Филюшина С. С., Баканина Ю. Н.// Журн. аналит. химии,-1998,- Т. 53, № 6,- С. 646-449.

5. Кулонометрическое определение кислорода в природных водах/ Абдуллин И.Ф., Будников Г. К., Баканина Ю. Н.// В сб. Тезисы докладов Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-96".-Краснодар.- 1996,-С. 189.

6. Application possibility of copper and silver electrodes in glucose electrochemical detection on the catalytic current/ Abdullin I. F., Budnikov G. K., Bakanina Yu. N., Fitsev I. M.// International congress on analytical chemistry. - Russia. Moscow, June 15-21. - 1997. - Vol. 1, F-13.

7. Применение каталитических реакций в проточном анализе./ Фицев И. М., Баканина Ю. Н., Торопова В. Ф., Будников Г. К.// В сб. Тезисы докладов Всероссийской конференции молодых ученых " Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии",- Саратов.- 1997.- С. 218-220.

8. Вольтамперометрическое определение сахара в сыворотке крови и в винах на металлоксидных электродах/ Баканина Ю. Н., Абдуллин И. Ф., Будников Г. К., Фицев И. ММ В сб. Тезисы докладов Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-98".- Краснодар.- 1998.- С. 196.

9. Вольтамперометрическое определение сахара в винах и виноматериалах на медном электроде./ Баканина Ю. Н., Абдуллин И. Ф., Будникова Г. К., Фицев И. М., Хабибуллин М, Д.//Заводская лаборатория.-"1998. Епечати.

Заказ «г 3-6. Тираж 100. Объеи 1,5 п.л. Форнаг.60x84 1/16

Ротапринг КИПКК

г.Казань,Волгоградская,49.