ХИРАЛЬНЫЕ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТОВ ХИТОЗАНА ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНАНТИОМЕРОВ АТЕНОЛОЛА И ТИРОЗИНА
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
Заключение 26
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 28
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
Заключение 26
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 28
Актуальность темы исследования. Распознавание и определение энантиомеров лекарственных соединений - одна из наиболее важных задач аналитической и фармацевтической химии, клинического анализа, контроля качества пищевых продуктов и судебно-медицинской экспертизы. Известно, что основная масса синтетических лекарственных препаратов, представленных на рынке, является рацемической смесью энантиомеров, при этом один из энантиомеров может иметь желаемые физиологические, фармакологические, фармакодинамические и фармакокинетические свойства, в то время как другой энантиомер зачастую проявляет нежелательную роль и активность в биохимических процессах. Кроме того, разработка энантиочистых лекарственных средств, которые изначально были одобрены в виде рацематов, открыла новую рыночную стратегию, позволяющую производителю получить патент на отдельный энантиомер. В связи с этим необходим простой и экспрессный контроль энантиомерной чистоты веществ на различных стадиях производства и реализации лекарственных препаратов, пищевых добавок и т. д. В настоящее время для этих целей в основном используются спектральные и хроматографические методы, а также капиллярный электрофорез. Однако они недостаточно экспрессные, требуют наличия высококвалифицированных специалистов, являются относительно дорогими и не позволяют работать в полевых условиях in situ. Для простого и недорого распознавания и определения энантиомеров биологически активных веществ все чаще используются электрохимические энантиоселективные сенсоры. Основными
преимуществами таких сенсоров являются относительная простота конструкции, дешевизна оборудования и расходных материалов, а также возможность миниатюризации и применения сенсоров в режимах как on line, так и in situ непосредственно на контролируемом объекте.
Все это обуславливает необходимость поиска новых решений в области конструирования и исследования возможностей применения энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров (ЭВС) и сенсорных систем, позволяющих решать конкретные аналитические задачи.
Степень разработанности темы исследования. Для
электрохимической дискриминации аналитических откликов оптических изомеров необходимы электроды, модифицированные соответствующими хиральными селекторами. Существуют различные способы модифицирования электродов, включая формирование хиральных матриц на поверхности электрода, полимеры с молекулярными отпечатками, композитные материалы из проводящих полимеров и углеродных материалов и др. Хитозан представляет особый интерес в качестве модификатора электродов, пленки которого используются для энантиоселективного распознавания лекарственных и биологически активных соединений из-за изначальной хиральности их поверхности. Однако растворимость и недостаточная стабильность пленок хитозана в водных растворах ограничивает их использование при создании хиральных электрохимических сенсоров. Для повышения эффективности распознавания энантиомеров обычно проводят структурную модификацию хитозана путем осаждения на поверхность электрода гидроксипропилхитозана, ковалентно связанного с многослойными углеродными нанотрубками и сульфированного хитозана, а также модификацию электродов пленками хитозана, легированными углеродными наноточками и графеном. Помимо гидроксипропил- и сульфированного хитозана существуют другие производные, такие как О- карбоксиметил- и Ы-карбоксиметилхитозан. Имеются сведения о высокой способности хитозана к хиральному распознаванию на основе его полиэлектролитных комплексов с натрий-карбоксиметилцеллюлозой и нанокристаллами целлюлозы. Эффективность хирального распознавания хитозана заметно повышается также при введении таких хиральных селекторов, как циклодекстрины, хорошо известные своей способностью образовывать стабильные комплексы включения хозяин-гость или при использовании хиральных наноструктурированных супрамолекулярных сборок органических и биологических молекул, образующихся за счет межмолекулярных взаимодействий. К сожалению, сами по себе циклодекстрины редко используются в качестве модификаторов в вольтамперометрических сенсорах из-за присущих им недостатков - плохой электропроводности и растворимости в воде. Следует заметить, что распознавание энантиомеров селекторами на основе полисахаридов в качестве хиральных элементов привлекает к себе большое внимание из -за их доступности и обширных источников получения, однако агрегация полисахаридов, обусловленная межмолекулярными взаимодействиями, снижает эффективность распознавания и ограничивает их практическое применение. Так, например, макромолекула поликатиона хитозана в водных растворах разбухает и повышается ее вязкость. Рационализировать подходы к созданию сенсоров на основе хитозана можно с применением композитных материалов...
преимуществами таких сенсоров являются относительная простота конструкции, дешевизна оборудования и расходных материалов, а также возможность миниатюризации и применения сенсоров в режимах как on line, так и in situ непосредственно на контролируемом объекте.
Все это обуславливает необходимость поиска новых решений в области конструирования и исследования возможностей применения энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров (ЭВС) и сенсорных систем, позволяющих решать конкретные аналитические задачи.
Степень разработанности темы исследования. Для
электрохимической дискриминации аналитических откликов оптических изомеров необходимы электроды, модифицированные соответствующими хиральными селекторами. Существуют различные способы модифицирования электродов, включая формирование хиральных матриц на поверхности электрода, полимеры с молекулярными отпечатками, композитные материалы из проводящих полимеров и углеродных материалов и др. Хитозан представляет особый интерес в качестве модификатора электродов, пленки которого используются для энантиоселективного распознавания лекарственных и биологически активных соединений из-за изначальной хиральности их поверхности. Однако растворимость и недостаточная стабильность пленок хитозана в водных растворах ограничивает их использование при создании хиральных электрохимических сенсоров. Для повышения эффективности распознавания энантиомеров обычно проводят структурную модификацию хитозана путем осаждения на поверхность электрода гидроксипропилхитозана, ковалентно связанного с многослойными углеродными нанотрубками и сульфированного хитозана, а также модификацию электродов пленками хитозана, легированными углеродными наноточками и графеном. Помимо гидроксипропил- и сульфированного хитозана существуют другие производные, такие как О- карбоксиметил- и Ы-карбоксиметилхитозан. Имеются сведения о высокой способности хитозана к хиральному распознаванию на основе его полиэлектролитных комплексов с натрий-карбоксиметилцеллюлозой и нанокристаллами целлюлозы. Эффективность хирального распознавания хитозана заметно повышается также при введении таких хиральных селекторов, как циклодекстрины, хорошо известные своей способностью образовывать стабильные комплексы включения хозяин-гость или при использовании хиральных наноструктурированных супрамолекулярных сборок органических и биологических молекул, образующихся за счет межмолекулярных взаимодействий. К сожалению, сами по себе циклодекстрины редко используются в качестве модификаторов в вольтамперометрических сенсорах из-за присущих им недостатков - плохой электропроводности и растворимости в воде. Следует заметить, что распознавание энантиомеров селекторами на основе полисахаридов в качестве хиральных элементов привлекает к себе большое внимание из -за их доступности и обширных источников получения, однако агрегация полисахаридов, обусловленная межмолекулярными взаимодействиями, снижает эффективность распознавания и ограничивает их практическое применение. Так, например, макромолекула поликатиона хитозана в водных растворах разбухает и повышается ее вязкость. Рационализировать подходы к созданию сенсоров на основе хитозана можно с применением композитных материалов...
Разработаны вольтамперометрические энантиоселективные сенсоры на основе композитов полиэлектролитного комплекса хитозана с а-, [)-. у- ЦД и ПТКК для распознавания и определения энантиомеров атенолола и тирозина. Установлен оптимальный состав композитов: содержание а-. [)-. у-ЦД в объеме полимера - 5 г/л, соотношение (масс.) ПЭК:ГС-ПТКК - 1:0.01. Оптимальный объем наносимого на поверхность СУЭ композита составил 10 мкл.
Методами ЦВ и СЭИ изучены электрохимические характеристики сенсоров и рассчитаны эффективные площади их поверхности. Методами АСМ и СЭМ изучена морфология поверхности разработанных сенсоров. Показано, что при введении циклодекстринов в пленку полиэлектролитного комплекса хитозана на АСМ и СЭМ изображениях наблюдаются включения наносферических зерен циклодекстринов с диаметром от 10 до 40 нм. При нанесении на поверхность СУЭ композита ПЭК-ГС-ПТКК наблюдается неровная зернистая поверхность с равномерно распределенными зернами ПТКК диаметром 300-400 нм и высотой 100-150 нм.
Установлены оптимальные условия электрохимического окисления энантиомеров атенолола и тирозина на предложенных сенсорах: pH 9.18 и 6.86, соответственно, скорость развертки 0.02 В/с. Показано, что лимитирующей стадией электродного процесса является скорость диффузии энантиомеров атенолола и тирозина к поверхности электрода.
Показана возможность распознавания энантиомеров атенолола с использованием предложенных вольтамперометрических
энантиоселективных сенсоров на основе композитов полиэлектролитного комплекса хитозана с а-, [1-. у-ЦД и сенсорной системы, сформированной из них. Установлено, что наибольшую энантиоселективность имеет сенсор на основе 0-ЦД. Получены линейные зависимости аналитического сигнала от концентрации энантиомеров атенолола в растворе в диапазоне от 0.008 до 0.5 мМ с пределами обнаружения 2.03 мкМ и 2.98 мкМ. Использование вольтамперометрической сенсорной системы позволяет повысить количество правильно распознанных образцов атенолола.
Показано, что вольтамперометрический энантиоселективный сенсор на основе СУЭ, модифицированного композитом полиэлектролитного комплекса хитозана с нанокластерами ПТКК позволяет распознать и определить энантиомеры тирозина в линейном диапазоне концентраций от 6.25 до 1000 мкМ, с чувствительностью к Ь- и И-энантиомерам 5.59 мкА/мМ и 6.73 мкА/мМ и пределами обнаружения 2.39 мкМ и 2.03 мкМ, соответственно. Относительное стандартное отклонение не превышало 5.4 %.
Продемонстрировано, что предложенные сенсоры позволяют определять энантиомеры атенолола и тирозина в биологических жидкостях с относительными стандартными отклонениями, не превышающими 3.3 % и 7.3 %, соответственно.
Показано, что сенсор на основе композитов полиэлектролитного комплекса хитозана с нанокластерами ПТКК позволяет с высокой вероятностью определить соотношение энантиомеров тирозина в их смеси, что подразумевает возможность практического применения разработанной сенсорной платформы для хирального распознавания энантиомеров лекарственных препаратов и биологически активных веществ.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследований заключаются в расширении круга лекарственных средств и биологически активных добавок, а также разработке новых хиральных материалов на основе композитов хитозана для создания энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров. Кроме того, планируется проведение исследований по апробации предложенных сенсоров в реальных условиях с целью оценки правильности определения энантиомеров атенолола и тирозина в смесях их энантиомеров в биологических жидкостях (кровь, моча).
Полученные результаты можно использовать в качестве основы для создания вольтамперометрических экспресс-анализаторов для быстрого и точного определения энантиомеров биологически активных и лекарственных соединений.
Методами ЦВ и СЭИ изучены электрохимические характеристики сенсоров и рассчитаны эффективные площади их поверхности. Методами АСМ и СЭМ изучена морфология поверхности разработанных сенсоров. Показано, что при введении циклодекстринов в пленку полиэлектролитного комплекса хитозана на АСМ и СЭМ изображениях наблюдаются включения наносферических зерен циклодекстринов с диаметром от 10 до 40 нм. При нанесении на поверхность СУЭ композита ПЭК-ГС-ПТКК наблюдается неровная зернистая поверхность с равномерно распределенными зернами ПТКК диаметром 300-400 нм и высотой 100-150 нм.
Установлены оптимальные условия электрохимического окисления энантиомеров атенолола и тирозина на предложенных сенсорах: pH 9.18 и 6.86, соответственно, скорость развертки 0.02 В/с. Показано, что лимитирующей стадией электродного процесса является скорость диффузии энантиомеров атенолола и тирозина к поверхности электрода.
Показана возможность распознавания энантиомеров атенолола с использованием предложенных вольтамперометрических
энантиоселективных сенсоров на основе композитов полиэлектролитного комплекса хитозана с а-, [1-. у-ЦД и сенсорной системы, сформированной из них. Установлено, что наибольшую энантиоселективность имеет сенсор на основе 0-ЦД. Получены линейные зависимости аналитического сигнала от концентрации энантиомеров атенолола в растворе в диапазоне от 0.008 до 0.5 мМ с пределами обнаружения 2.03 мкМ и 2.98 мкМ. Использование вольтамперометрической сенсорной системы позволяет повысить количество правильно распознанных образцов атенолола.
Показано, что вольтамперометрический энантиоселективный сенсор на основе СУЭ, модифицированного композитом полиэлектролитного комплекса хитозана с нанокластерами ПТКК позволяет распознать и определить энантиомеры тирозина в линейном диапазоне концентраций от 6.25 до 1000 мкМ, с чувствительностью к Ь- и И-энантиомерам 5.59 мкА/мМ и 6.73 мкА/мМ и пределами обнаружения 2.39 мкМ и 2.03 мкМ, соответственно. Относительное стандартное отклонение не превышало 5.4 %.
Продемонстрировано, что предложенные сенсоры позволяют определять энантиомеры атенолола и тирозина в биологических жидкостях с относительными стандартными отклонениями, не превышающими 3.3 % и 7.3 %, соответственно.
Показано, что сенсор на основе композитов полиэлектролитного комплекса хитозана с нанокластерами ПТКК позволяет с высокой вероятностью определить соотношение энантиомеров тирозина в их смеси, что подразумевает возможность практического применения разработанной сенсорной платформы для хирального распознавания энантиомеров лекарственных препаратов и биологически активных веществ.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследований заключаются в расширении круга лекарственных средств и биологически активных добавок, а также разработке новых хиральных материалов на основе композитов хитозана для создания энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров. Кроме того, планируется проведение исследований по апробации предложенных сенсоров в реальных условиях с целью оценки правильности определения энантиомеров атенолола и тирозина в смесях их энантиомеров в биологических жидкостях (кровь, моча).
Полученные результаты можно использовать в качестве основы для создания вольтамперометрических экспресс-анализаторов для быстрого и точного определения энантиомеров биологически активных и лекарственных соединений.
ХИРАЛЬНЫЕ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТОВ ХИТОЗАНА ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНАНТИОМЕРОВ АТЕНОЛОЛА И ТИРОЗИНА
