Электрохимические методы контроля в медицинской диагностике

* ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»,

** ГОУ ВПО «Сибирский государственный медицинский университет Росздрава», *** Филиал ФГУП «НПО «Микроген» МЗ РФ в г. Томск «НПО «Вирион»

Медицинская диагностика и контроль качества лекарственных средств основаны на проведении анализов различными методами. Стандартными методами определения органических веществ в биообъектах и фармацевтических препаратах, рекомендованными отечественной фармакопеей, являются спектрофотометрические и хроматографические, включая метод высокоэффективной жидкостной хроматографии. Несмотря на бесспорное лидерство этих инструментальных методов, для определения органических веществ и неорганических элементов в медицинской диагностике в последние годы все чаще используют электрохимические методы. Это обусловлено тем, что возросшие требования к контролю материалов медицинской диагностики, в том числе биологических объектов, диктуют аналитикам новые задачи разработки высокочувствительных методик, позволяющих определять широкий спектр органических веществ и неорганических элементов в очень малых количествах – от нескольких мкг до нескольких мг, что возможно при использовании электрохимических методов.

Авторами проведены обобщение за последние 5 лет и систематизация публикаций, посвященных анализу, выявлению тенденций и современных возможностей электрохимических методов в контроле различных биологических проб и лекарственных средств на содержание неорганических элементов и органических веществ. Выделено более 150 работ, посвященных электрохимическим методам биологических проб (кровь и её фракции, моча, мышечные ткани, волосы и др.) и лекарственных препаратов (таблетки, капсулы, инъекции и др.), используемых для медицинской диагностики, мониторинга и контроля за состоянием здоровья людей и животных. Среди этих публикаций использованию методов вольтамперометрии (и её вариантов) посвящено около 100 работ, потенциометрии – 25, амперометрии и кондуктометрии – по 12.

Обобщенные сведения по разработанным методикам анализа проб биологического и медицинского характера приведены в таблице 1, где определяемые неорганические компоненты и органические вещества расположены в алфавитном порядке, а также указаны объекты анализа и пределы обнаружения опре-

Таблица 1

Возможности электрохимических методов при анализе биологических объектов и лекарственных препаратов

Определяемый компонент (показатель)	Объект анализа	Предел обнаружения
Неорганические компоненты
Алюминий, анионы хлорида, нитрата, сульфата, железо, кадмий, кальций, кобальт, марганец, медь, мышьяк, никель, ртуть, палладий, пероксид водорода, рутений, селен, серебро, свинец, тиоцианат-ионы, фториды, цианид-ионы, цинк, цис- и оксоплатина: Pt(2+) и Pt(4+), платина, рН, катионы K, Na, Ca и Mg, аммония	Лекарственные препараты, кровь, моча, волосы, слюна, зубы и др. биосубстраты, лекарственные растения, печень овцы, бычья печень,межклеточное пространство мозга живых крыс	От 0,5 х 10-3 до 1,9 х 10-9 г/мл
Органические вещества
Противомикробные, противовирусные и противопаразиторные средства
Амикацин, аминогликозиды, ампициллин Антибиотики аминогликозидного ряда Артемизин, ацикловир Ацитромицин В-лактамные антибиотики, беназеприл гидрохлорид, бензилпенициллин, гатифлоксацин Гентамицин, имипенем, канамицин, левомицетин Ломефлоксацин, моноксифлоксацин, налидиксовая кислота, оксациллин, орфлоксацин, офлоксацин Противогрибковый кетоконазол, резорцин, салюзид Стрептомицин, тетрациклин, тобрамицин Цефподоксим-проксетил	Лекарственные препараты, пищевые продукты и биологические материалы	От 2 х 10 "6 до 1,84 х 10 " 10 моль/л

Окончание таблицы 1

Средства, регулирующие метаболические процессы Α-токоферол (витамин Е), ангиотензин II, антиоксидантная емкость, антитоксин холеры, аскорбиновая кислота, бактериальные антигены (Аг) streptococcus pyogenes и staphylococcus aureus, бутопрофид,низкомолекулярные тиолы, витамины В1, В2 и В6 (тиамин, рибофлавин, пиридоксин), гепарин, глутатион, даназол, дезоксирибонуклеиновая кислота, этинилэстрадиол, инсулин, креатинин-ионы, кумарин натрия, липеколовая кислота, метаболиты полициклических ароматических углеводородов, метилтиоурацил, морин, мочевая кислота, олигодеоксинуклеотиды, пропилтиоурацил, ретинол эргокальциферол и холекальциферол, варфарин натрия, рибонуклеаза, сывороточный альбумин, тирозин, триптофан, физиоло-гически активные амины, холестерин, цистеин, цистин Биологические материалы, диагностика злокачественных заболеваний, фармацевтические препараты От 4х10-5 до 5,9х10-10 моль/л Средства, действующие на сердечно-сосудистую систему Спираприл гидрохлорид, амиодарон, дротаверина гидрохлорид, изосорбид-динитрат, нибентан, нифедипин верапамил, фозиноприл натрия, эналаприл, этамзилат Кровь, моча, лекарственные препараты От 4,0х10-7 до 5х10-10 моль/л Препараты, применяемые для лечения онкологических заболеваний Колхицин, флударабин Фармацевтические препараты, водные, биологические среды 0,4 нг/мл Средства, действующие на периферические нейромедиаторные процессы Допамин, димедрол, пирибедил, серотонин, фамотидин Фармацевтические препараты, моча, растворы и комбинированные препараты От 9х10-8 до 1х10-8 моль/л Средства, действующие на центральную нервную систему Амидопирин, аминазин, ацетилсалициловая кислота, баклофен, бенорилат, гидрохлорид, диклофенак, домперидон, дотиепин гидрохлорид, имипрамин, лупентиксол, метоклопрамид, моклобемид, парацетамол, петилил, пиразидол, пироксикам, трамадол, рамадола, флуфеназин, хлоргидрат, этамзилат Фармацевтические препараты, сыворотка крови, чистые субстанции От 1,7х10-5 до 5,4х10-11 моль/л Средства, действующие в области чувствительных нервных окончаний Галазолин, новокаин, эфедрин Растворы, таблетки и комбинированные препараты От 3,9 до 5,1 рС Препараты разных фармакологических групп Гиполипидемическое средство (бетаин гидрохлорид), сахара (глюкоза, лактат, глутамат, фукоза) Мозг крыс, лекарственные препараты, биологические жидкости От 3,18х10-5 до 7,94х10-6 М деляемых компонентов. Определяемые органические вещества сгруппированы по функциональному назначению в соответствии с классификацией, используемой в медицинской практике.

Методы потенциометрии и амперометрии, применяемые в медицине, основаны на использовании различных металлических и модифицированных электродов, а также специально изготовленных сенсоров и биосенсоров. Например, сенсоры на основе углеродных пастовых, стеклоуглеродных и стеклоуглеродных модифицированных электродов используют при амперометрическом определении в моче и крови различных анионов. Амперометрические биосенсоры применяют для определения содержания микро- количеств свинца, кадмия и железа в сыворотке крови. Разработан ряд потенциометрических и амперометрических микросенсоров на основе Si-датчиков для непрерывного контроля за различными медицинскими параметрами (рН, концентрация Na, Ca, K метаболитов глюкозы и лактата) в крови пациентов. Одновременное определение содержаний Ca, Pb, Tl в гемодиализных растворах предложено проводить потенциометрическим способом.

Для потенциометрического контроля биообъектов и фармпрепаратов применяют биосистемы для определения следовых органических веществ и неорганических элементов, таких как кадмий, медь, цинк, свинец, кобальт, никель, и др.

Среди вольтамперометрических методов используются такие варианты, как адсорбционная, инверсионная, дифференциальная импульсная, циклическая, квадратноволновая вольтамперометрия. Применяются электроды различных типов: ртутно-капаю-щие, ртутно-пленочные, пирографитовые, стеклоуглеродные. В ряде случаев возможно применение для анализа модифицированных угольно-пастовых электродов, чувствительных к определенному типу органических соединений, что позволяет избежать стадии их выделения или разделения. Методы инверсионной вольтамперометрии применимы для определения многих органических веществ и, прежде всего, тех, которые образуют нерастворимые соединения с ионами ртути на поверхности ртутных электродов, поляризованных при потенциалах анодного растворения ртути. Соединения удаляют с поверхности электрода при катодной поляризации, поэтому катодную инверсионную вольтамперометрию можно рассматривать как метод, пригодный для определения ряда органических соединений на уровне микро- и нанограммовых содержаний. Одним из радикальных путей повышения чувствительности определения многих органических соединений является предварительное электрохимическое концентрирование определяемого компонента раствора в электрохимической ячейке на выбранном индикаторном электроде, в оптимальном фоновом электролите при необходимом потенциале электролиза.

Использование разнообразных модификаций вольтамперометрического метода позволяет проводить серийные анализы в мутных и окрашенных средах, определять 10-7–10-5 моль/л примесей с высокой разрешающей способностью при малых объемах или навесках биологических субстанций, фармпрепаратов.

Среди способов предварительной подготовки проб сложного химического состава, к которым можно отнести биологические пробы, не потеряли значения методы классического мокрого озоления, а также разрабатываемые более быстрые и эффективные способы пробоподготовки с использованием микроволновых, ультрафиолетовых и ультразвуковых воздействий. Все большее внимание для контроля медицинских объектов электроаналитиков привлекают методы пробоподготовки, не связанные с полным озолением матрицы. Перспективным на этом этапе представляется использование различных экстракционных систем с воздействием электромагнитных и акустических полей. Остатки органических веществ успешно изолируют путем создания модифицированных электродов, которые одновременно селективно и чувствительно реагируют на определяемый компонент. Увеличилось внимание электроаналитиков к созданию полностью автоматизированных и миниатюрных систем контроля сложных биологических объектов в условиях длительного или дистанционного мониторинга, in situ, в режиме real time. 104

Одной из ведущих в России школ, занимающихся развитием и внедрением электрохимических методов анализа, является созданная более 40 лет тому назад научно-исследовательская лаборатория микропримесей Томского политехнического университета. В аккредитованной научно-исследовательской лаборатории микропримесей занимаются научнотеоретическим и практическим развитием таких электрохимических методов, как потенциометрия, амперометрия и вольтамперометрия. Эти методы занимают в настоящее время устойчивое передовое место среди других физико-химических методов анализа благодаря своей высокой чувствительности, экономичности, простоте и дешевизне оборудования, автоматизации и компьютеризации анализа.

Основной задачей электроаналитического контроля для целей медицинской диагностики является расширение возможности определения как неорганических, так и органических компонентов в широкой области диапазона определяемых концентраций. Например, разработке и применению вольтамперометрической методики многоэлементного анализа проб волос на содержание 9 микроэлементов (Cd, Co, Cu, Ni, Mn, As, Pb, Se, Zn) посвящена работа [1].

Предложен оригинальный алгоритм проведения анализа, включающий все этапы, начиная от предварительной подготовки проб до выдачи результатов анализа, исходя из одной навески образца, проводя измерения с использованием различных электродов и фоновых электролитов для определения содержания микроэлементов. Предварительно пробу волос обезжиривают ацетоном и промывают бидистилли-рованной водой. Из высушенной пробы берут аналитическую навеску волос (0,05 г), которую обрабатывают смесью азотной кислоты и перекиси водорода в присутствии нитрата магния. Затем проводят измерения методом вольтамперометрии. Разработанная методика вольтамперометрического анализа волос человека позволяет определить элементы в следующих диапазонах: цинк – от 0,01 до 1000; кадмий – от 0,01 до 50; свинец от 0,05 до 50; медь – от 0,01 до 20; железо – от 5 до 150; мышьяк – от 0,02 до 5; марганец – от 0,5 до 50; никель – от 0,5 до 50; селен – от 0,05 до 10 мг/кг с относительной погрешностью, не превышающей 30%. Методика аттестована и внесена в Федеральный реестр методик выполнения измерений, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.

Выполнены исследования, на основе которых разработана вольтамперометрическая методика определения урана в моче на уровне 0,0001 мг/л (5x10-1° моль/л) [2]. Такое низкое содержание урана можно определить только после отделения его от матрицы пробы и подбора условий адсорбционного концентрирования урана (уранила) на поверхности электрода. Проведены исследования по использованию метода амперометрического титрования для контроля содержания некоторых компонентов: ионов цинка, кальция, фторид- и хромат-ионов, аскорбиновой кислоты в ряде фармацевтических и биологических объектов.

Изучено электрохимическое поведение методами вольтамперометрии ряда основных микроэлементов (ртути, йода, селена, мышьяка и железа), а также органических веществ-антибиотиков (левомицетина, стрептомицина, тетрациклина, азитромицина и др.), витаминов (В1, В2, С, Е и др.) и флавоноидов (кверцетина, рутина, гесперидина и др.). Для многих органических веществ вольтамперные кривые для концентрации на уровне 10-7–10-9 моль/л получены впервые. Применение модифицированных золотом графитовых электродов в режиме in situ позволило улучшить метрологические характеристики для селена (получение воспроизводимых результатов) и для ртути (повышение чувствительности). Впервые модифицированные электроды стали применяться в серийных анализах благодаря тому, что были отработаны условия их получения, регенерации и оптимизированы условия получения аналитических сигналов элементов. Установлены условия количественного определения водорастворимых витаминов В1, В2, В6, С, РР, антибиотиков – левомицетина, тетрациклина гидрохлорида, фторурацила, адриабластина и других лекарственных веществ, а также флавоноидов методом вольтамперометрии. Предварительная подготовка проб по сравнению с другими методами существенно уменьшена во времени из-за возможности проведения вольтамперометрических измерений в эффективно установленных условиях проведения электродного процесса в мутных и окрашенных средах. На основе проведенных исследований разработаны методики определения ряда веществ в биологических средах и препаратах.

Основными тенденциями в применении электрохимических методов в медицинской диагностике следующие:

• •    разработка новых потенциометрических, амперометрических и кулонометрических сенсоров и датчиков, позволяющих селективно определять индивидуальные вещества;

• •    разработка биосенсоров электрохимического определения веществ;

• •    разработка иммуносенсоров, наиболее часто используемых при определении антител и антигенов;

• •    расширение числа органических веществ, определяемых электрохимическими методами;

• •    широкое использование метода вольтамперометрии во всех её вариантах для анализа медицинских объектов и диагностики заболеваний.

В заключение отметим, что использование разработанных методов пробоподготовки, их оптимизации, а также аттестация и стандартизация методик выполнения измерений делают электрохимические методы рутинным для анализа биологических объектов и фармпрепаратов. Аттестация методик выполнения измерений проводится аккредитованной службой

Томского политехнического университета с дальнейшим внесением их в единый Федеральный реестр методик выполнения измерений, допущенных в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора. Все эти мероприятия способствуют тому, что метод уже внедрен и используется в более чем 600 испытательных лабораториях России, конкурируя с широко распространенными методами по таким характеристикам, как чувствительность, точность, возможность одновременного определения нескольких элементов и низкая стоимость оборудования. Методики успешно используются в аккредитованных испытательных лабораториях и центрах Ростехрегулирования, Роспотребнадзора, управлений ветеринарии, медицины и др. по всей России.

Исследования выполнены в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственный контракт № 02.512.11.2285).