ХИРАЛЬНЫЕ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ И СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНАНТИОМЕРОВ ПРОПРАНОЛОЛА И ТРИПТОФАНА
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14
1.1. Оптически активные вещества 14
1.2. Общие методы определения энантиомеров 17
1.3. Энантиоселективные сенсоры 20
1.4. Энантиоселективные сенсорные системы 34
Глава 2. АППАРАТУРА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 42
2.1. Оборудование, средства измерений и программное обеспечение 42
2.2. Реактивы и рабочие растворы 43
2.3. Методика модифицирования рабочих электродов 45
2.3.1. Модифицирование стеклоуглеродного электрода
полиариленфталидными композитами 45
2.3.2. Изготовление угольно-пастовых электродов 46
2.4. Приготовление анализируемых растворов 47
2.4.1. Приготовление модельных растворов и растворов реальных образцов47
2.5. Электрохимические измерения 48
2.6. Хемометрическая обработка данных 49
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 51
3.1. Энантиоселективные сенсоры для определения пропранолола 51
3.1.1. Распознавание пропранолола с использованием угольно¬пастовых электродов 52
3.1.1.1. Молекулярно-динамическое моделирование процессов
взаимодействия энантиомеров пропранолола с модифицированной урацилом поверхностью графита 53
3.1.1.2. Определение энантиомеров пропранолола с помощью
модифицированного урацилом угольно-пастового электрода 55
3.1.1.3. Распознавание энантиомеров пропранолола с помощью
модифицированного урацилом угольно-пастового электрода 59
3.1.2. Распознавание и определение пропранолола с использованием модифицированных полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты стелоуглеродных электродов 63
3.1.2.1. Молекулярно-динамическое моделирование процессов
взаимодействия энантиомеров пропранолола с полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты 64
3.1.2.2. Вольтампероетрическое и импедансметрическое исследование
поверхности сенсоров 67
3.1.2.3. Изучение морфологии поверхности сенсоров 69
3.1.2.4. Определение энантиомеров пропранолола на модифицированных
полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты стеклоуглеродных электродах 73
3.1.2.5. Распознавание энантиомеров пропранолола на модифицированных
полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты стеклоуглеродных электродах 82
3.2. Энантиоселективное распознавание и определение триптофана с использованием стеклоуглеродных электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-циклодекстринов 85
3.2.1. Молекулярно-динамическое моделирование процессов взаимодействия
энантиомеров триптофана с полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты 87
3.2.2. Вольтамперометрическое и импедансметрическое исследование
поверхности стеклоуглеродных электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-циклодекстринов 89
3.2.3. Изучение морфологии поверхности сенсоров 91
3.2.4. Определение энантиомеров триптофана на стеклоуглеродных
электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-цикло декстринов 102
3.2.5. Распознавание энантиомеров триптофана на стеклоуглеродных
электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-циклодекстринов 111
3.2.6. Распознавание и определение энантиомеров триптофана на стеклоуглеродных электродов, модифицированных полиариленфталидными
композитами а-, 0-, у-циклодекстринов, в реальных объектах 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14
1.1. Оптически активные вещества 14
1.2. Общие методы определения энантиомеров 17
1.3. Энантиоселективные сенсоры 20
1.4. Энантиоселективные сенсорные системы 34
Глава 2. АППАРАТУРА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 42
2.1. Оборудование, средства измерений и программное обеспечение 42
2.2. Реактивы и рабочие растворы 43
2.3. Методика модифицирования рабочих электродов 45
2.3.1. Модифицирование стеклоуглеродного электрода
полиариленфталидными композитами 45
2.3.2. Изготовление угольно-пастовых электродов 46
2.4. Приготовление анализируемых растворов 47
2.4.1. Приготовление модельных растворов и растворов реальных образцов47
2.5. Электрохимические измерения 48
2.6. Хемометрическая обработка данных 49
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 51
3.1. Энантиоселективные сенсоры для определения пропранолола 51
3.1.1. Распознавание пропранолола с использованием угольно¬пастовых электродов 52
3.1.1.1. Молекулярно-динамическое моделирование процессов
взаимодействия энантиомеров пропранолола с модифицированной урацилом поверхностью графита 53
3.1.1.2. Определение энантиомеров пропранолола с помощью
модифицированного урацилом угольно-пастового электрода 55
3.1.1.3. Распознавание энантиомеров пропранолола с помощью
модифицированного урацилом угольно-пастового электрода 59
3.1.2. Распознавание и определение пропранолола с использованием модифицированных полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты стелоуглеродных электродов 63
3.1.2.1. Молекулярно-динамическое моделирование процессов
взаимодействия энантиомеров пропранолола с полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты 64
3.1.2.2. Вольтампероетрическое и импедансметрическое исследование
поверхности сенсоров 67
3.1.2.3. Изучение морфологии поверхности сенсоров 69
3.1.2.4. Определение энантиомеров пропранолола на модифицированных
полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты стеклоуглеродных электродах 73
3.1.2.5. Распознавание энантиомеров пропранолола на модифицированных
полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты стеклоуглеродных электродах 82
3.2. Энантиоселективное распознавание и определение триптофана с использованием стеклоуглеродных электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-циклодекстринов 85
3.2.1. Молекулярно-динамическое моделирование процессов взаимодействия
энантиомеров триптофана с полиариленфталидными композитами меламина и циануровой кислоты 87
3.2.2. Вольтамперометрическое и импедансметрическое исследование
поверхности стеклоуглеродных электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-циклодекстринов 89
3.2.3. Изучение морфологии поверхности сенсоров 91
3.2.4. Определение энантиомеров триптофана на стеклоуглеродных
электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-цикло декстринов 102
3.2.5. Распознавание энантиомеров триптофана на стеклоуглеродных
электродов, модифицированных полиариленфталидными композитами а-, 0-, у-циклодекстринов 111
3.2.6. Распознавание и определение энантиомеров триптофана на стеклоуглеродных электродов, модифицированных полиариленфталидными
композитами а-, 0-, у-циклодекстринов, в реальных объектах 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 122
Актуальность темы исследования
Большинство лекарственных соединений существует в виде двух или нескольких пространственных изомеров - энантиомеров. Однако их фармакологическая активность обычно связана с действием лишь одного энантиомера. Другие или проявляют менее выраженное действие, или совсем не активны, а порой и вовсе имеют нежелательные побочные эффекты или могут быть токсичными. В истории известно много ярких примеров, когда использование рацемического лекарственного вещества привело к серьезным последствиям, болезням, а порой и к гибели людей. Поэтому в последнее время фармацевты значительное внимание уделяют не только получению новых лекарственных препаратов, но и созданию препаратов, содержащих один энантиомер, обладающий нужным терапевтическим эффектом. Следовательно, возникают вопросы определения и контроля оптической чистоты лекарственных препаратов на стадиях их производства и медико-биологического применения. Появление широкого круга энантиомерных препаратов требуют создания экспрессных, достаточно простых аналитических методов их распознавания и определения. Применяемые в этих целях спектральные методы, хроматографические методы и капиллярный электрофорез с использованием хиральных неподвижных фаз зачастую недостаточно экспрессны и относительно дороги для использования в рутинном анализе, особенно вне стационарных лабораторий. Тогда как энантиоселективные химические сенсоры и сенсорные системы могут применяться вне лабораторий после незначительной (или даже отсутствия) пробоподготовки. А измерения с помощью энантиоселективных химических сенсоров можно проводить как на стационарном лабораторном оборудовании, так и in situ, предполагающем регистрацию и обработку получаемой информации непосредственно на контролируемом объекте.
Вместе с тем, развитие сенсорных технологий, исследования и разработки в области химически модифицированных электродов и хемометрики позволяют рассматривать их как перспективное направление по созданию высокоэффективных аналитических методов для распознавания и определения биологически активных веществ и лекарственных препаратов, содержащих оптически активные соединения. К числу основных задач, для решения которых могут использоваться энантиоселективные вольтамперометрические сенсоры и сенсорные системы, относятся: разработка методов экспрессного контроля качества и идентификации лекарственных средств и биологических материалов, содержащих оптически активные вещества; скрининг лекарственных средств на присутствие фальсифицированной и контрафактной продукции, установление производителя; создание средств контроля хиральных компонентов в процессе их производства и медико-биологического применения.
Все это обуславливает необходимость поиска новых решений в области конструирования и исследования возможностей энантиоселективных вольтамперометрических химических сенсоров и сенсорных систем, позволяющих решать конкретные аналитические задачи.
Степень разработанности темы исследования
Применение электрохимических методов, позволяющих быстро и с высокой точностью определять оптически активные соединения, с использованием относительно недорогого оборудования, активно обсуждается в литературе. Применяют различные способы создания энантиселективных электрохимических сенсоров, в том числе модифицирование композитными материалами, содержащими хиральные селекторы, а также использование угольно-пастовых электродов.
С другой стороны, еще одним перспективным направлением является использование хемометрических методов обработки данных. Использование сенсорных систем, или так называемых «электронных языков», представляющих собой массив сенсоров с последующей хемометрической обработкой сигналов позволит разработать новые экспрессные, чувствительные и селективные методы распознавания оптически активных соединений.
Настоящая работа посвящена созданию вольтамперометрических сенсоров, энантиоселективных по отношению к биологически активным соединениям, применяемым в медицине, в частности пропранололу и триптофану. Работа включает в себя изготовление и исследование электрохимических и аналитических характеристик новых химически модифицированных оптически активными веществами (супрамолекулярные структуры урацила, меламина и циануровой кислоты, циклодекстрины (ЦД)) электродов на основе углеродных материалов (стеклоуглеродный электрод (СУЭ), угольно-пастовый электрод (УПЭ)) с последующей обработкой аналитических сигналов методами хемометрики (главных компонент, 81МСА, дискриминантного анализа), основанными на обработке большого массива экспериментальных данных, в том числе с использованием мультисенсорных систем типа "электронный язык", что позволяет существенно повысить селективность измерений, которые из-за схожести электрохимического поведения и близости электрохимических характеристик энантиомеров во многих случаях не позволяют применять указанные сенсоры в аналитических целях. Указанные методы позволяют не только распознавать оптически активные соединения, но устанавливать их соответствие стандартным образцам, контролировать качество, определять производителя и наличие фальсификатов.
Работа является частью исследований, проводимых на кафедре аналитической химии Башкирского государственного университета, поддержана грантами РНФ (№ 16-13-10257) и РФФИ (№ 15-03-01388-а, № 14-03-97067-р_поволжье_а, 17-43-020232-р_а).
Цель работы: исследование и разработка новых хиральных вольтамперометрических сенсоров и сенсорных систем для распознавания и определения энантиомеров пропранолола и триптофана и оценка их аналитических возможностей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка сенсоров на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и стеклоуглеродных электродов СУЭ, модифицированных полиариленфталидными (ПАФ) композитами меламина, циануровой кислоты, а-, 0-, у-ЦД.
2. Изучение морфологии поверхности модифицированных электродов и электрохимических характеристик предложенных сенсоров.
3. Исследование вольтамперометрического поведения энантиомеров пропранолола и триптофана на модифицированных электродах.
4. Распознавание и определение энантиомеров пропранолола и триптофана с использованием сенсоров на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина, циануровой кислоты, а-, 0-, у-ЦД.
Научная новизна
1. Методом молекулярно-динамического моделирования (МДМ) процессов взаимодействия энантиомеров пропранолола с урацилом показано, что 8-пропранолол образует с урацилом водородные связи через атомы кислорода и азота в то время как Я-пропранолол связывается с урацилом только через атом кислорода, что свидетельствует о том, что 8-энантиомер связывается с модифицированной урацилом поверхностью УПЭ прочнее, чем Я-энантиомер. Профили изменения свободной энергии при взаимодействии энантиомеров пропранолола с ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты также зависят от природы энантиомеров.
2. Установлена взаимосвязь между электрохимическими параметрами и характером процессов окисления энантиомеров пропранолола на СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты, и энантиомеров триптофана на СУЭ, модифицированных ПАФ- композитами а-ЦД, 0-ЦД, у-ЦД, оптимизированы условия формирования аналитических сигналов.
3. Методами вольтамперометрии показано, что лимитирующей стадией электрохимического окисления энантиомеров пропранолола и триптофана на модифицированных электродах является диффузия электроактивного вещества к поверхности электрода. Установлена линейная зависимость величины пика тока окисления от концентрации энантиомеров пропранолола и триптофана в растворе аналита.
4. Показано, что СУЭ, модифицированные ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты обладают перекрестной чувствительностью к энантиомерам пропранолола, а СУЭ, модифицированные ПАФ- композитами а-ЦД, 0-ЦД, у-ЦД, перекрестной чувствительностью к энантиомерам триптофана и могут использоваться в сенсорных системах, применение которых повышает вероятность распознавания энантиомеров пропранолола и триптофана по сравнению с единичными сенсорами.
5. Установлена возможность распознавания и определения энантиомеров пропранолола в модельных растворах и энантиомеров триптофана в реальных образцах с использованием предложенных сенсоров.
Теоретическая и практическая значимость
Разработаны сенсоры на основе УПЭ, модифицированного урацилом и сенсорная система на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты, для распознавания энантиомеров пропранолола, применяемого в кардиологической практике.
Предложена сенсорная система на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД, для экспрессного распознавания энантиомеров триптофана, содержащегося в лекарственных препаратах и пищевых добавках в виде Ь-энантиомера.
Положения, выносимые на защиту
1. Исследование и разработка сенсоров на основе угольно- пастового электрода, модифицированного супрамолекулярными структурами урацила, и стеклоуглеродных электродов, модифицированных ПАФ- композитами меламина, циануровой кислоты, а-, 0-, у-ЦД.
2. Результаты изучения морфологии поверхности и электрохимических характеристик предложенных сенсоров.
3. Результаты распознавания и определения энантиомеров пропранолола с помощью модифицированного урацилом УПЭ и модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты СУЭ и сенсорной системы на их основе.
4. Результаты энантиоселективного распознавания и определения триптофана с использованием модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД СУЭ и сенсорной системы на их основе.
Методология и методы исследований
В основе диссертационной работы лежат электрохимические методы определения лекарственных препаратов, а также современные методы изучения поверхности электродов.
В условиях вольтамперометрии и импедансной спектроскопии оценены аналитические характеристики сенсоров, установлены оптимальные условия регистрации аналитического сигнала. Методом молекулярно-динамического моделирования показана возможность образования супрамолекулярных структур урацила, меламина, циануровой ктслоты и рассмотрено их взаимодействие с энантиомерами пропранолола.
Молекулярно-динамическое моделирование процессов взаимодействия энантиомеров При с урацилом, меламином и циануровой кислотой осуществляли с помощью программного пакета Сготась с использованием силового поля ОЯОМО896 54а7. Топологию структур генерировали с использованием сервиса АТВ.
Морфологию поверхности модифицированных электродов изучали методом атомно-силовой микроскопии.
Для обработки экспериментальных данных были использованы МГК, проекция на латентные структуры с дискриминантным анализом (ПЛС-ДА), метод 81МСА.
Степень достоверности и апробация работы
Достоверность полученных данных определяется использованием в работе современных физико-химических методов исследования и высокотехнологичного оборудования, а также статистической обработкой полученных результатов.
Результаты исследований были представлены на научных конференциях: IX Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа с международным участием и молодежной научной школой «ЭМА 2016» (Екатеринбург - Леневка, 2016); Международная школа- конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2016); XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016); IX Международная школа- конференция для студентов, аспирантов и молодых учёных «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2016); IV Всероссийская научная конференция «Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров» (Уфа, 2016); Третий Междисциплинарный Симпозиум по Медицинской, Органической и Биологической Химии и Фармацевтике (Севастополь, 2017); International Conference on Electrochemical Sensors (Матрафуред, Венгрия, 2017); Третий съезд аналитиков России (Москва, 2017).
Публикации:
По материалам диссертации автором опубликовано 17 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, входящем в базы цитирования Scopus и Web of Science, 3 статьи в российских рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК. Представленные публикации в основном отражают содержание диссертации.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии в проведении исследований и общей постановке задач, в разработке сенсоров, изучении их электрохомических характеристик, проведении анализа энантиомеров пропранолола и триптофана и статистической и хемометрической обработке полученных результатов, а также в написании статей и докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация содержит введение, 3 главы, выводы и список цитируемой литературы, состоящий из 171 наименования. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, включая 69 рисунков, 13 таблиц.
Во введении изложены основные положения об актуальности и степени разработанности темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту диссертации.
В первой главе приведены основные мировые достижения в области разработки вольтамперометрических энантиоселективных сенсоров и сенсорных систем для распознавания оптических изомеров биологически активных соединений и лекарственных средств, рассмотрены новые подходы и решения по их разработке и практическому применению. Также даны основные понятия в области оптической изомерии и рассмотрены общие способы определения энантиомеров лекартвенных средств и биологичски активных соединений. Приведены основные способы модифицирования электродов энантиоселективными селекторами. Приведены основные аналитические характеристики некоторых сенсоров и сенсорных систем для распознавания и определения энантиомеров в различных объектах. Также в этой главе описаны основные хемометрические методы - МГК, ПЛС, ПЛС- ДА, 81МСА.
Во второй главе представлены сведения о реактивах, материалах, методологической и инструментальной базе диссертационного исследования. Приведены методики модифицирования электродов, приготовления растворов, способы хемометрической обработки данных.
Третья глава включает в себя два основных раздела, посвященных определению и распознаванию энантиомеров пропранолола и триптофана. В данной главе приведены результаты исследований поверхности модифицированных электродов, результаты МДМ процессов взаимодействия энантиомеров с модифицированными поверхностями электродов, результаты вольтамперометрического и импедансметрического исследования поверхности сенсоров, обсуждаются результаты вольтамперометрического распознавания и определения энантиомеров пропранолола и триптофана с использованием хиральных вольтамперометрических сенсоров и сенсорных систем и хемометрических методов обработки данных.
Автор выражает признательность и искреннюю благодарность своему научному руководителю д.х.н., проф. Майстренко Валерию Николаевичу (Башкирский государственный университет), а также д.х.н. Сидельникову Артему Викторовичу (Башкирский государственный университет), д.х.н. Крайкину Владимиру Александровичу, д.х.н. Гилевой Наталье Георгиевне (Институт органической химии Уфимского научного центра Российской Академии Наук), д.х.н. Корнилову Виктору Михайовичу (Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы), к.х.н. Хамитову Эдуарду Маратовичу и к.х.н. Гуськову Владимиру Юрьевичу (Башкирский государственный университет) и всему научному коллективу кафедры аналитической химии Башкирского государственного университета.
Большинство лекарственных соединений существует в виде двух или нескольких пространственных изомеров - энантиомеров. Однако их фармакологическая активность обычно связана с действием лишь одного энантиомера. Другие или проявляют менее выраженное действие, или совсем не активны, а порой и вовсе имеют нежелательные побочные эффекты или могут быть токсичными. В истории известно много ярких примеров, когда использование рацемического лекарственного вещества привело к серьезным последствиям, болезням, а порой и к гибели людей. Поэтому в последнее время фармацевты значительное внимание уделяют не только получению новых лекарственных препаратов, но и созданию препаратов, содержащих один энантиомер, обладающий нужным терапевтическим эффектом. Следовательно, возникают вопросы определения и контроля оптической чистоты лекарственных препаратов на стадиях их производства и медико-биологического применения. Появление широкого круга энантиомерных препаратов требуют создания экспрессных, достаточно простых аналитических методов их распознавания и определения. Применяемые в этих целях спектральные методы, хроматографические методы и капиллярный электрофорез с использованием хиральных неподвижных фаз зачастую недостаточно экспрессны и относительно дороги для использования в рутинном анализе, особенно вне стационарных лабораторий. Тогда как энантиоселективные химические сенсоры и сенсорные системы могут применяться вне лабораторий после незначительной (или даже отсутствия) пробоподготовки. А измерения с помощью энантиоселективных химических сенсоров можно проводить как на стационарном лабораторном оборудовании, так и in situ, предполагающем регистрацию и обработку получаемой информации непосредственно на контролируемом объекте.
Вместе с тем, развитие сенсорных технологий, исследования и разработки в области химически модифицированных электродов и хемометрики позволяют рассматривать их как перспективное направление по созданию высокоэффективных аналитических методов для распознавания и определения биологически активных веществ и лекарственных препаратов, содержащих оптически активные соединения. К числу основных задач, для решения которых могут использоваться энантиоселективные вольтамперометрические сенсоры и сенсорные системы, относятся: разработка методов экспрессного контроля качества и идентификации лекарственных средств и биологических материалов, содержащих оптически активные вещества; скрининг лекарственных средств на присутствие фальсифицированной и контрафактной продукции, установление производителя; создание средств контроля хиральных компонентов в процессе их производства и медико-биологического применения.
Все это обуславливает необходимость поиска новых решений в области конструирования и исследования возможностей энантиоселективных вольтамперометрических химических сенсоров и сенсорных систем, позволяющих решать конкретные аналитические задачи.
Степень разработанности темы исследования
Применение электрохимических методов, позволяющих быстро и с высокой точностью определять оптически активные соединения, с использованием относительно недорогого оборудования, активно обсуждается в литературе. Применяют различные способы создания энантиселективных электрохимических сенсоров, в том числе модифицирование композитными материалами, содержащими хиральные селекторы, а также использование угольно-пастовых электродов.
С другой стороны, еще одним перспективным направлением является использование хемометрических методов обработки данных. Использование сенсорных систем, или так называемых «электронных языков», представляющих собой массив сенсоров с последующей хемометрической обработкой сигналов позволит разработать новые экспрессные, чувствительные и селективные методы распознавания оптически активных соединений.
Настоящая работа посвящена созданию вольтамперометрических сенсоров, энантиоселективных по отношению к биологически активным соединениям, применяемым в медицине, в частности пропранололу и триптофану. Работа включает в себя изготовление и исследование электрохимических и аналитических характеристик новых химически модифицированных оптически активными веществами (супрамолекулярные структуры урацила, меламина и циануровой кислоты, циклодекстрины (ЦД)) электродов на основе углеродных материалов (стеклоуглеродный электрод (СУЭ), угольно-пастовый электрод (УПЭ)) с последующей обработкой аналитических сигналов методами хемометрики (главных компонент, 81МСА, дискриминантного анализа), основанными на обработке большого массива экспериментальных данных, в том числе с использованием мультисенсорных систем типа "электронный язык", что позволяет существенно повысить селективность измерений, которые из-за схожести электрохимического поведения и близости электрохимических характеристик энантиомеров во многих случаях не позволяют применять указанные сенсоры в аналитических целях. Указанные методы позволяют не только распознавать оптически активные соединения, но устанавливать их соответствие стандартным образцам, контролировать качество, определять производителя и наличие фальсификатов.
Работа является частью исследований, проводимых на кафедре аналитической химии Башкирского государственного университета, поддержана грантами РНФ (№ 16-13-10257) и РФФИ (№ 15-03-01388-а, № 14-03-97067-р_поволжье_а, 17-43-020232-р_а).
Цель работы: исследование и разработка новых хиральных вольтамперометрических сенсоров и сенсорных систем для распознавания и определения энантиомеров пропранолола и триптофана и оценка их аналитических возможностей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка сенсоров на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и стеклоуглеродных электродов СУЭ, модифицированных полиариленфталидными (ПАФ) композитами меламина, циануровой кислоты, а-, 0-, у-ЦД.
2. Изучение морфологии поверхности модифицированных электродов и электрохимических характеристик предложенных сенсоров.
3. Исследование вольтамперометрического поведения энантиомеров пропранолола и триптофана на модифицированных электродах.
4. Распознавание и определение энантиомеров пропранолола и триптофана с использованием сенсоров на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина, циануровой кислоты, а-, 0-, у-ЦД.
Научная новизна
1. Методом молекулярно-динамического моделирования (МДМ) процессов взаимодействия энантиомеров пропранолола с урацилом показано, что 8-пропранолол образует с урацилом водородные связи через атомы кислорода и азота в то время как Я-пропранолол связывается с урацилом только через атом кислорода, что свидетельствует о том, что 8-энантиомер связывается с модифицированной урацилом поверхностью УПЭ прочнее, чем Я-энантиомер. Профили изменения свободной энергии при взаимодействии энантиомеров пропранолола с ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты также зависят от природы энантиомеров.
2. Установлена взаимосвязь между электрохимическими параметрами и характером процессов окисления энантиомеров пропранолола на СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты, и энантиомеров триптофана на СУЭ, модифицированных ПАФ- композитами а-ЦД, 0-ЦД, у-ЦД, оптимизированы условия формирования аналитических сигналов.
3. Методами вольтамперометрии показано, что лимитирующей стадией электрохимического окисления энантиомеров пропранолола и триптофана на модифицированных электродах является диффузия электроактивного вещества к поверхности электрода. Установлена линейная зависимость величины пика тока окисления от концентрации энантиомеров пропранолола и триптофана в растворе аналита.
4. Показано, что СУЭ, модифицированные ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты обладают перекрестной чувствительностью к энантиомерам пропранолола, а СУЭ, модифицированные ПАФ- композитами а-ЦД, 0-ЦД, у-ЦД, перекрестной чувствительностью к энантиомерам триптофана и могут использоваться в сенсорных системах, применение которых повышает вероятность распознавания энантиомеров пропранолола и триптофана по сравнению с единичными сенсорами.
5. Установлена возможность распознавания и определения энантиомеров пропранолола в модельных растворах и энантиомеров триптофана в реальных образцах с использованием предложенных сенсоров.
Теоретическая и практическая значимость
Разработаны сенсоры на основе УПЭ, модифицированного урацилом и сенсорная система на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты, для распознавания энантиомеров пропранолола, применяемого в кардиологической практике.
Предложена сенсорная система на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД, для экспрессного распознавания энантиомеров триптофана, содержащегося в лекарственных препаратах и пищевых добавках в виде Ь-энантиомера.
Положения, выносимые на защиту
1. Исследование и разработка сенсоров на основе угольно- пастового электрода, модифицированного супрамолекулярными структурами урацила, и стеклоуглеродных электродов, модифицированных ПАФ- композитами меламина, циануровой кислоты, а-, 0-, у-ЦД.
2. Результаты изучения морфологии поверхности и электрохимических характеристик предложенных сенсоров.
3. Результаты распознавания и определения энантиомеров пропранолола с помощью модифицированного урацилом УПЭ и модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты СУЭ и сенсорной системы на их основе.
4. Результаты энантиоселективного распознавания и определения триптофана с использованием модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД СУЭ и сенсорной системы на их основе.
Методология и методы исследований
В основе диссертационной работы лежат электрохимические методы определения лекарственных препаратов, а также современные методы изучения поверхности электродов.
В условиях вольтамперометрии и импедансной спектроскопии оценены аналитические характеристики сенсоров, установлены оптимальные условия регистрации аналитического сигнала. Методом молекулярно-динамического моделирования показана возможность образования супрамолекулярных структур урацила, меламина, циануровой ктслоты и рассмотрено их взаимодействие с энантиомерами пропранолола.
Молекулярно-динамическое моделирование процессов взаимодействия энантиомеров При с урацилом, меламином и циануровой кислотой осуществляли с помощью программного пакета Сготась с использованием силового поля ОЯОМО896 54а7. Топологию структур генерировали с использованием сервиса АТВ.
Морфологию поверхности модифицированных электродов изучали методом атомно-силовой микроскопии.
Для обработки экспериментальных данных были использованы МГК, проекция на латентные структуры с дискриминантным анализом (ПЛС-ДА), метод 81МСА.
Степень достоверности и апробация работы
Достоверность полученных данных определяется использованием в работе современных физико-химических методов исследования и высокотехнологичного оборудования, а также статистической обработкой полученных результатов.
Результаты исследований были представлены на научных конференциях: IX Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа с международным участием и молодежной научной школой «ЭМА 2016» (Екатеринбург - Леневка, 2016); Международная школа- конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2016); XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016); IX Международная школа- конференция для студентов, аспирантов и молодых учёных «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2016); IV Всероссийская научная конференция «Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров» (Уфа, 2016); Третий Междисциплинарный Симпозиум по Медицинской, Органической и Биологической Химии и Фармацевтике (Севастополь, 2017); International Conference on Electrochemical Sensors (Матрафуред, Венгрия, 2017); Третий съезд аналитиков России (Москва, 2017).
Публикации:
По материалам диссертации автором опубликовано 17 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, входящем в базы цитирования Scopus и Web of Science, 3 статьи в российских рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК. Представленные публикации в основном отражают содержание диссертации.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии в проведении исследований и общей постановке задач, в разработке сенсоров, изучении их электрохомических характеристик, проведении анализа энантиомеров пропранолола и триптофана и статистической и хемометрической обработке полученных результатов, а также в написании статей и докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация содержит введение, 3 главы, выводы и список цитируемой литературы, состоящий из 171 наименования. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, включая 69 рисунков, 13 таблиц.
Во введении изложены основные положения об актуальности и степени разработанности темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту диссертации.
В первой главе приведены основные мировые достижения в области разработки вольтамперометрических энантиоселективных сенсоров и сенсорных систем для распознавания оптических изомеров биологически активных соединений и лекарственных средств, рассмотрены новые подходы и решения по их разработке и практическому применению. Также даны основные понятия в области оптической изомерии и рассмотрены общие способы определения энантиомеров лекартвенных средств и биологичски активных соединений. Приведены основные способы модифицирования электродов энантиоселективными селекторами. Приведены основные аналитические характеристики некоторых сенсоров и сенсорных систем для распознавания и определения энантиомеров в различных объектах. Также в этой главе описаны основные хемометрические методы - МГК, ПЛС, ПЛС- ДА, 81МСА.
Во второй главе представлены сведения о реактивах, материалах, методологической и инструментальной базе диссертационного исследования. Приведены методики модифицирования электродов, приготовления растворов, способы хемометрической обработки данных.
Третья глава включает в себя два основных раздела, посвященных определению и распознаванию энантиомеров пропранолола и триптофана. В данной главе приведены результаты исследований поверхности модифицированных электродов, результаты МДМ процессов взаимодействия энантиомеров с модифицированными поверхностями электродов, результаты вольтамперометрического и импедансметрического исследования поверхности сенсоров, обсуждаются результаты вольтамперометрического распознавания и определения энантиомеров пропранолола и триптофана с использованием хиральных вольтамперометрических сенсоров и сенсорных систем и хемометрических методов обработки данных.
Автор выражает признательность и искреннюю благодарность своему научному руководителю д.х.н., проф. Майстренко Валерию Николаевичу (Башкирский государственный университет), а также д.х.н. Сидельникову Артему Викторовичу (Башкирский государственный университет), д.х.н. Крайкину Владимиру Александровичу, д.х.н. Гилевой Наталье Георгиевне (Институт органической химии Уфимского научного центра Российской Академии Наук), д.х.н. Корнилову Виктору Михайовичу (Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы), к.х.н. Хамитову Эдуарду Маратовичу и к.х.н. Гуськову Владимиру Юрьевичу (Башкирский государственный университет) и всему научному коллективу кафедры аналитической химии Башкирского государственного университета.
Разработаны хиральные вольтамперометрические сенсоры и сенсорные системы на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина, циануровой кислоты и а-, 0-, у-ЦД для определения энантиомеров пропранолола и триптофана.
Методом АСМ изучена морфология поверхности предложенных сенсоров. Показано, что на поверхности СУЭ осаждаются ПАФ-композиты, имеющие включения модификаторов в виде кристаллитов в случае меламина и циануровой кислоты и наносферические зерна в случае а-, 0-, у-ЦД.
Установлены оптимальные условия электрохимического окисления пропранолола и триптофана на предложенных сенсорах. Показано, что лимитирующей стадией электродного процесса является скорость диффузии пропранолола и триптофана к поверхности электрода.
Показана возможность распознавания энантиомеров пропранолола с использованием хиральных вольтамперометрических сенсоров на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и сенсорной системы на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты. При использовании вольтамперометрической сенсорной системы число правильно распознанных образцов достигает 100%.
Показано, что хиральные вольтамперометрические сенсоры на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД, позволяют определить энантиомеры триптофана. Установлено, что наибольшую чувствительность и энантиоселективность имеет сенсор на основе 0-ЦД. Получены линейные зависимости аналитического сигнала от концентрации энантиомера Три в растворе, предел обнаружения 4-7><10'6 М. Относительное стандартное отклонение не превышает 7.3%.
Установлено, что вольтамперометрическая сенсорная система на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД, однозначно распознает В- и Ь-энантиомеры Три. Использование сенсорной системы повышает процент правильно распознанных образцов на 40-59% по сравнению с регистрацией вольтамперограмм на одном модифицированном электроде. Данная сенсорная система позволяет распознать Ь-Трп в присутствии вспомогательных веществ в образцах лекарственных препаратов, а также распознать биологически активные добавки, содержащие Ь-Трп, различных производителей.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследований заключаются в расширении круга лекарственных средств и биологически активных добавок. Кроме того, планируется проведение исследований по апробации предложенных сенсоров для определения энантиомеров пропранолола и триптофана в биологических жидкостях (кровь, моча).
Преобразованные методом главных компонент вольтамперограммы энантиомеров пропранолола и триптофана могут использоваться также как “виртуальные отпечатки” для контроля качества лекарственных средств. Предложенные сенсоры и сенсорные системы после проведения дополнительных исследований могут быть применены для оценки энантиомерной чистоты лекарственных средств, содержащих пропранолол или триптофан, в том числе при неправильном хранении и транспортировке, истечении срока годности и др.
Методом АСМ изучена морфология поверхности предложенных сенсоров. Показано, что на поверхности СУЭ осаждаются ПАФ-композиты, имеющие включения модификаторов в виде кристаллитов в случае меламина и циануровой кислоты и наносферические зерна в случае а-, 0-, у-ЦД.
Установлены оптимальные условия электрохимического окисления пропранолола и триптофана на предложенных сенсорах. Показано, что лимитирующей стадией электродного процесса является скорость диффузии пропранолола и триптофана к поверхности электрода.
Показана возможность распознавания энантиомеров пропранолола с использованием хиральных вольтамперометрических сенсоров на основе УПЭ, модифицированного урацилом, и сенсорной системы на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами меламина и циануровой кислоты. При использовании вольтамперометрической сенсорной системы число правильно распознанных образцов достигает 100%.
Показано, что хиральные вольтамперометрические сенсоры на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД, позволяют определить энантиомеры триптофана. Установлено, что наибольшую чувствительность и энантиоселективность имеет сенсор на основе 0-ЦД. Получены линейные зависимости аналитического сигнала от концентрации энантиомера Три в растворе, предел обнаружения 4-7><10'6 М. Относительное стандартное отклонение не превышает 7.3%.
Установлено, что вольтамперометрическая сенсорная система на основе СУЭ, модифицированных ПАФ-композитами а-, 0-, у-ЦД, однозначно распознает В- и Ь-энантиомеры Три. Использование сенсорной системы повышает процент правильно распознанных образцов на 40-59% по сравнению с регистрацией вольтамперограмм на одном модифицированном электроде. Данная сенсорная система позволяет распознать Ь-Трп в присутствии вспомогательных веществ в образцах лекарственных препаратов, а также распознать биологически активные добавки, содержащие Ь-Трп, различных производителей.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследований заключаются в расширении круга лекарственных средств и биологически активных добавок. Кроме того, планируется проведение исследований по апробации предложенных сенсоров для определения энантиомеров пропранолола и триптофана в биологических жидкостях (кровь, моча).
Преобразованные методом главных компонент вольтамперограммы энантиомеров пропранолола и триптофана могут использоваться также как “виртуальные отпечатки” для контроля качества лекарственных средств. Предложенные сенсоры и сенсорные системы после проведения дополнительных исследований могут быть применены для оценки энантиомерной чистоты лекарственных средств, содержащих пропранолол или триптофан, в том числе при неправильном хранении и транспортировке, истечении срока годности и др.



