Модифицированный электрод для определения кофеина и способ его применения

Изобретение относится к области электроаналитической химии, физической химии, физики, может быть использовано в медицине, фармацевтической и пищевой промышленности для определения содержания кофеина в биологических жидкостях, лекарственных препаратах, пищевых продуктах. Модифицированный электрод для определения кофеина получают путем последовательного электроосаждения на поверхность рабочего стеклоуглеродного электрода оксидов рутения и иридия из растворов RuCl₃ и IrCl₃ при циклическом изменении потенциала на электроде от -1,0 до +1,5 В, при линейной скорости развертки потенциала 100 мВ/с, в течение 3-17 мин. Способ применения модифицированного электрода согласно изобретению заключается в том, что выполняют амперометрическое детектирование кофеина в условиях порционно-инжекционного анализа при наложении потенциала +1,2 В, при котором концентрацию кофеина вычисляют по уравнению регрессии, полученному по градуировочному графику стандартных растворов. Изобретение обеспечивает расширение перечня средств и способов для аналитического определения кофеина, повышение чувствительности и экспрессности способа определения кофеина, достоверности результатов определения, повышение производительности труда по определению кофеина, расширение области применения аналитических средств. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области электроаналитической химии, физической химии, физики, может быть использовано в медицине, фармацевтической и пищевой промышленности для определения содержания кофеина в биологических жидкостях, лекарственных препаратах, пищевых продуктах, как в сырье, так и в готовой продукции.

Кофеин (1,3,7-триметилксантин) - стимулятор центральной нервной системы, оказывает влияние на сердечно-сосудистую и нервную системы. Поэтому контроль содержания кофеина важен для оценки качества пищевых продуктов, лекарственных препаратов, для оптимизации дозы при лекарственной терапии.

Известен способ контроля кофеина в чае, заключающийся в экстракции чая горячей водой, выделении ароматобразующих веществ смесью пентана с диэтиловым эфиром, получение концентрата путем отгонки растворителя с последующим разделением и определением терпеновых соединений методом газовой хроматографии [1].

Недостатком способа [1] является загрязнение хроматографических колонок при анализе вследствие образования коллоидного раствора, что ухудшает точность, воспроизводимость и достоверность результатов определения.

Известен способ количественного определения кофеина путем обработки пробы анализируемого вещества последовательно - раствором хлороводородной кислоты концентрации 3 моль/л и 15% перекиси водорода. Полученный раствор выдерживают при комнатной температуре 20-25 мин, затем нагревают с последующим растворением в воде сухого остатка и фотометрированием полученного раствора [2].

Недостатком способа [2] является неудовлетворительно долгая продолжительность анализа и отсутствие стабильности отклика (аналитического сигнала) определения вследствие нестабильности перекиси водорода, что ухудшает воспроизводимость, точность и достоверность результатов определения.

Известен способ [3] извлечения кофеина из водного раствора, в котором определяют содержание кофеина методом УФ-спектрофотометрии при длине волны излучения λ=272 нм. Недостатком способа [3] является недостаточная чувствительность и неудовлетворительная достоверность способа [3] определения кофеина.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности, прототипом, является способ [4], включающий количественное определение кофеина путем помещения подготовленной пробы в ячейку, содержащую фотогенерированный йод в присутствии смеси сенсибилизаторов, фиксирования уменьшения во времени количества йода, осуществляемого амперометрически по изменению силы тока в ячейке, с последующим облучением светом поглотительного раствора до восполнения убыли йода и определения количества кофеина по изменению силы тока и времени генерации йода в ячейке. Недостатками способа [4] являются его высокая трудоемкость, продолжительность и многостадийность проведения анализа, а также неудовлетворительная точность и достоверность определения. Недостатки существенно ограничивают область применения прототипа [4].

Целью заявляемого изобретения является расширение перечня средств и способов аналитического определения кофеина, повышение чувствительности и экспрессности способа определения кофеина, достоверности результатов определения, повышение производительности труда по определению кофеина, расширение области применения аналитических средств.

Цели достигают путем модификации поверхности стеклоуглеродного (далее по тексту - СУ) электрода композитом на основе смешанновалентных оксидов рутения и иридия (IrO_x-RuO_x-СУ), который проявляет каталитическую активность при окислении кофеина, повышая тем самым чувствительность и селективность определения.

Далее приведены примеры модификации заявляемого электрода и его применения.

ПРИМЕР изготовления модифицированного электрода для определения кофеина

До начала процесса определения кофеина изготавливают модифицированный электрод, например, указанным ниже путем.

Для изготовления модифицированного электрода берут известный стеклоуглеродный электрод, например, фирмы BASi (США). Поверхность стеклоуглеродного электрода модифицируют композитом на основе смешанновалентных оксидов рутения и иридия, например, IrO_x-RuO_x-СУ, с использованием электрохимической ячейки, подключенной к потенциостату или вольтамперометрическому анализатору, например, «Экотест-ВА» (Россия), Фиг. 1, где 1 - стеклоуглеродный рабочий электрод, 2 - электрод сравнения, 3 - вспомогательный электрод, 4 - электрохимическая ячейка. Вольтамперометрический анализатор на Фиг. 1 не указан как общеизвестный элемент конструкции.

Выполняют модификацию электрода путем электроосаждения оксидов металлов на поверхность стеклоуглеродного рабочего электрода. Для модификации электрода готовят два раствора: первый раствор, содержащий 5×10^-3 моль/л RuCl₃ и 1×10^-1 моль/л HNO₃, второй раствор, содержащий 5×10^-3 моль/л IrCl₃ и 1×10^-1 моль/л KNO₃.

В электрохимическую ячейку 4 заливают первый раствор, затем туда погружают стеклоуглеродный рабочий электрод 1, электрод сравнения 2, например, хлоридсеребряный и вспомогательный электрод 3, например, платиновый (Фиг. 1). Задают потенциал на рабочий электрод 1, скорость развертки потенциала и циклически изменяют потенциал, например, в диапазоне от минус 0,5 до +1,5 Вольт при линейной скорости развертки потенциала 50-100 мВ/с, с цикличностью 1-3 мин, в течение 3-17 мин и завершают модификацию стеклоуглеродного электрода оксидами рутения.

Далее модифицированный оксидами рутения электрод ополаскивают дистиллированной водой и помещают в электрохимическую ячейку, содержащую второй раствор для продолжения модификации - оксидами иридия. Затем аналогично модификации электрода оксидами рутения, задают потенциалы и скорость развертки и циклически изменяют потенциал на электроде, например в диапазоне от -1,0 до +1,5 В при линейной скорости развертки потенциала 50-100 мВ/с, в течение 3-17 мин. Таким образом завершают процесс модификации стеклоуглеродного электрода, получают модифицированный рабочий электрод, готовый к применению.

Полученный модифицированный электрод IrO_x-RuO_x-СУ ополаскивают дистиллированной водой и высушивают. В результате получают заявляемый модифицированный электрод (далее по тексту - рабочий электрод), Фиг. 2, где 5 - корпус электрода, 6 - стеклоуглеродный стержень, например - диаметром 2 мм, длиной 10 мм, 7 - контактный провод, 8 - каталитически активный слой модификатора IrO_x-RuO_x.

ПРИМЕР применения заявляемого модифицированного электрода

Полученный модифицированный электрод IrO_x-RuO_x-СУ используют в качестве детектора в порционно-инжекционном анализе, например - для амперометрического детектирования кофеина в лекарственном препарате «Кофетамин» (в таблетках).

Готовят анализируемый раствор препарата «Кофетамин». В качестве фонового электролита используют фосфатный буферный раствор с pH 6,86. Одну таблетку «Кофетамина», например - массой 0,34 г, растирают в ступе до получения порошка. Порошок взвешивают и растворяют в 50 мл фосфатного буферного раствора с pH 6,86.

Для амперометрического детектирования кофеина в лекарственном препарате в условиях порционно-инжекционного анализа собирают известную трехэлектродную ячейку типа отражающей стенки, состоящую из рабочего - заявляемого модифицированного электрода IrO_x-RuO_x-СУ, электрода сравнения, например, хлоридсеребряного и вспомогательного электрода, например, платинового, Фиг. 3, где 1 - рабочий модифицированный электрод, 2 - электрод сравнения, 3 - вспомогательный электрод, 9 - электронная микропипетка, 10 - слив. Выполняют инжекцию пробы на поверхность рабочего электрода, например - с помощью электронной автоматической микропипетки, непосредственно на поверхность рабочего электрода. Выбирают скорость инжекции пробы, например 10-18 мл/мин. При попадании анализируемого кофеин-содержащего раствора на поверхность рабочего электрода на измерительном приборе регистрируют сигнал.

Измеряемым сигналом является величина тока, протекающего между рабочим модифицированным электродом 1 и вспомогательным электродом 3 при потенциале +1,2 В. С помощью вольтамперометрического анализатора, например, «Экотест-ВА» (Россия), регистрируют аналитический сигнал в форме пика (Фиг. 4), высота которого пропорциональна концентрации кофеина. Концентрацию кофеина в анализируемом растворе определяют, подставив показанное измерительным прибором значение тока в предварительно найденное уравнение регрессии зависимости тока от концентрации стандартных растворов кофеина в логарифмических единицах [Фиг. 5; lgI=f(lgC)], полученное по градуировочному графику стандартных растворов.

Заявителями установлено, что величина тока прямо пропорциональна концентрации кофеина в интервале от 5×10^-8 до 5×10^-3 моль/л. Так завершают процесс определения содержания кофеина в анализируемой пробе. В вышеуказанных условиях время отклика составляет 20 сек, что приводит к существенному сокращению времени анализа и повышению производительности труда в сравнении с прототипом. Так, при использовании заявляемого модифицированного электрода и автоматической микропипетки для инжекции пробы производительность труда - 180 проб/час, по прототипу - 20 проб/час.

Результаты определения кофеина в препарате «Кофетамин» и других кофеинсодержащих лекарственных препаратах представлены в Табл. 1. Наблюдается высокая сходимость результатов анализа (относительное стандартное отклонение S_r<4%).

Осуществление заявляемого способа, по сравнению с прототипом, выполняется с 3…9-кратным сокращением продолжительности процесса определения кофеина. При этом существенно повышаются, по сравнению с прототипом, чувствительность определения и экспрессность анализа, существенно снижается трудоемкость процесса и повышается производительность труда. Так, предел обнаружения кофеина составляет 5×10^-8 моль/л, что более чем в 100 раз ниже по сравнению с прототипом (Табл. 2). То есть заявляемое изобретение позволяет определять содержание кофеина, 100-кратно меньшее, чем определяемое прототипом.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую чувствительность, разрешающую способность, точность и, следовательно - достоверность результатов анализа, сокращение времени регистрации сигнала и, следовательно, увеличение производительности анализа, отличается простотой осуществления, менее трудоемок, осуществляется с использованием общедоступного оборудования и материалов. Еще одним достоинством заявляемого изобретения является широкий диапазон определяемых концентраций анализируемого вещества.

Заявляемое изобретение позволяет определять кофеин в лекарственных препаратах, пищевых продуктах и биологических жидкостях, что обеспечивает возможность достоверного контроля содержания кофеина. Достоверное определение кофеина обеспечивает оптимизацию дозы при проведении лекарственной терапии, выявлении фальсифицированных лекарственных препаратов и пищевых продуктов. Анализ в порционно-инжекционных условиях позволяет минимизировать трудовые затраты на выполнение массовых анализов (производительность определения до 180 проб/час), повысить производительность труда. Приведенные особенности заявляемого изобретения расширяют область применения средств аналитического определения кофеина. Таким образом, достигаются все объявленные цели предлагаемого изобретения.

Приведенный пример применения предлагаемого изобретения показывает его полезность для аналитических работ в различных областях хозяйственной деятельности. Применение заявляемого изобретения способствует производству высококачественной продукции, выявлению недоброкачественной продукции. Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявляемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявляемое техническое решение можно реализовать в промышленном производстве аналитического и диагностического оборудования, в деятельности организаций здравоохранения, фармацевтической и пищевой промышленности посредством использования известного стандартного оборудования. Это соответствует предъявляемому к изобретениям критерию «промышленная применимость».

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Патент SU 822018, G01N 33/02. Приоритет от 15.04.1981. Описание патента.

2. Патент SU 1133514, G01N 21/78. Приоритет от 07.01.1985. Описание патента.

3. Патент RU 2490629, G01N 33/15, B01D 11/04, G01N 21/33. Приоритет от 28.08.2013.

Описание патента.

4. Патент RU 2404428 C1, G01N 33/02. Приоритет от 20.11.2010. Описание патента.

1. Модифицированный электрод для определения кофеина, полученный путем последовательного электроосаждения оксидов рутения и иридия из растворов RuCl₃ и IrCl₃ при циклическом изменении потенциала на электроде от -1,0 до +1,5 В, при линейной скорости развертки потенциала 100 мВ/с, в течение 3-17 мин.

2. Способ применения модифицированного электрода по п. 1, заключающийся в том, что выполняют амперометрическое детектирование кофеина в условиях порционно-инжекционного анализа при наложении потенциала +1,2 В, при котором концентрацию кофеина вычисляют по уравнению регрессии, полученному по градуировочному графику стандартных растворов.