Нанотехнологии в электроанализе биологических объектов и медицинских препаратов

Прогресс в области нанотехнологий привел к разработке наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, строительной, химической, электронной промышленности и научных исследований. Перспективной областью применения нанотехнологий являются инструментальные методы контроля, в т.ч. и для медицинской диагностики. Это связано с тем, что современные технологии позволяют работать с веществом в микрометровых и даже нанометровых масштабах. В последние годы для определения органических веществ и неорганических элементов при решении медико-биологических задач широкое применение находят электрохимические, в частности, вольтамперометрические (ВА), методы анализа. Преимущества этих методов заключаются в относительной простоте и невысокой стоимости анализа, они имеют высокую чувствительность, хорошую селективность и экспрессность, их можно автоматизировать, что позволяет решать задачи по контролю материалов меди- цинской диагностики, в том числе биологических объектов, при определении широкого спектра органических веществ и неорганических элементов на уровне миллиграммов и микрограммов. Увеличение числа публикаций по вольтамперометрическому определению лекарственных веществ связано, главным образом, с расширением рынка лекарственных препаратов и, как следствие, возрастанием процента их фальсификации.

В последние годы наблюдается проникновение нанотехнологий в электроаналитическую химию для создания электродов нового поколения. В таблице 1 представлены результаты обзора литературных источников по данным ВИНИТИ за последние 5 лет.

Просмотрено около 300 публикаций, посвященных вольтамперометрическому определению различных веществ с помощью электродов на основе наноматериалов; примерно треть из них составляют статьи по вольтамперометрическому определению лекарственных веществ.

Как видно из таблицы 1, интерес к электродам на основе наноматериалов неуклонно растет с каждым годом, что отражается на частоте журнальных публикаций, пока что в основном зарубежных. Применение наноматериалов в электроанализе во многих случаях позволяет повысить возможности конкретных методов, в том числе обеспечить заданные метрологические характеристики и расширить круг определяемых лекарственных средств.

Анализ литературных данных показал, что для детектирования лекарственных веществ чаще всего использу-

Таблица 1

ются дифференциальная импульсная, циклическая, квадратно-волновая вольтамперометрия.

При изготовлении электродов в качестве основы электрода (подложки), как следует из таблицы 2, большое применение находят углеродные материалы, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены, стеклоуглерод, пирографит и др., содержащие на поверхности большое количество функциональных групп; широко используются композитные материалы на основе УНТ и различных связующих. В ряде случаев поверхность электрода модифицируется монослоями и наноразмерны-ми пленками органических веществ разных классов, а также наночастицами металлов,

Использование наноматериалов для электродов при вольтамперометрическом определении лекарственных веществ (ВИНИТИ, 2006–2010 гг.)

Год	Общее число публикаций по вольтамперометрии	Число публикаций по ВА-пределению на электродах из наноматериалов	Число публикаций по ВА-определению лекарственных веществ	Доля (%) от общего числа публикаций
2006	420	33	16	3,8
2007	510	68	20	3,9
2008	414	66	15	3,6
2009	423	78	29	6,8
2010*	103	27	19	18,4

Примечание: * – данные за 2010 г. неполные.

Таблица 2

Наноматериалы для электродов при вольтамперометрическом определении лекарственных веществ

Углеродные материалы	Органические материалы, нанокомпозиты	Металлы и оксиды металлов
Одно- и многостеночные	Наноструктурированная электрополиме-	Наночастицы золота;
УНТ; фуллерен С(60);	ризованная пленка 5-амино-2-меркапто-	нанотрубки золота;
пористые стеклоугле-	1,3,4-тиадиазола; нанотадструктуры;	нанокластеры золота;
родные наноансамбли;	нановолокно из полиглутаминовой	наночастицы
нанопроволока из	кислоты.	платино-свинцовых
углеродной пасты	Монослои: 4-амино-2-меркаптопирими-дина; тиомолочной кислоты; п-аминотио-фенола и 4-формилборной кислоты; азидо- и гидроксилтерминированных тиолов и ДНК; цистеамина и наночастиц золота. Композиты : одностеночные УНТ, наночастицы золота, ионные жидкости; мультистеночные УНТ и гексацианоферрат (2+); одностеночные УНТ и поли-о-фенил-ендиамин; многостеночные УНТ с привитым полианилином; УНТ и L-цистеиновая кислота; УНТ и односпиральная ДНК; УНТ и салофен Со; УНТ и тионин-нафион; УНТ и 2-(4-оксо-3-фенил-3,4-дигидрохиназо-линил)-N(‘)-фенилгидразинкарботиамид; УНТ и хитозан; УНТ и наночастицы кобальта; УНТ и оксид рутения; цистамин и наночастицы золота; поли-4-аминотиофенол и наночастицы золота; тиодипропионовая кислота и наночастицы золота; L-цистеин и наночастицы золота; сверхокисленный полипиррол и нанокластеры золота; холестериноксидаза и наночастицы оксида кобальта	сплавов; ансамбль золотых наноэлектродов; нанопроволоки золота; оксид рутения; нанострукту-рированный пористый оксид титана TiO2; золь-гель частицы фосфорилированного оксида циркония – диоксида кремния; наночастицы СuO; наностержни из СuO; наночастицы La(OH)3; наночастицы гидроксида кобальта

оксидов и гидроксидов металлов.

Большое число публикаций, посвященных определению биологически активных веществ, обусловлено не только важностью проблемы их контроля в биологии, медицине и фармацевтике, но и тем, что с помощью вольтамперометрических методов анализа можно проводить экспрессную оценку состояния организма человека в острых ситуациях или при массовых обследованиях населения.

Важным объектом анализа биологически активных соединений являются нейропереносчики. На графитовых электродах допамин, адреналин, аскорбиновая и мочевая кислоты окисляются практически при одних и тех же потенциалах с перекрыванием соответствующих пиков. Основная проблема вольтамперометрического определения катехоламинов – низкая концентрация ( ∼ 1 ⋅ 10^–7 моль/л) на фоне высоких концентраций ( ∼ 1 ⋅ 10^–4 моль/л) мочевой и аскорбиновой кислот [1].

Для повышения чувствительности и селективности определений предложены электроды, модифицированные нанораз-мерными частицами металлов, позволяющими снизить перенапряжение окисления органических соединений, что способствует разделению анодных пиков. Так, определение допамина в присутствии аскорбиновой кислоты стало возможным благодаря стеклоуглеродному электроду, покрытому L-цистеином и наночастицами золота; различие в потенциалах окисления допамина и аскорбиновой кислоты составляет ∼ 200 мВ. Диапазоны линейности градуировочных графиков 6,0 ⋅ 10^–8–8,5 ⋅ 10^–5 моль/л (допамин) и 1,0 ⋅ 10^–6–2,5 ⋅ 10^–3 моль/л (аскорбиновая кислота), пределы обнаружения (ПО) составляют 2,0 ⋅ 10^–8–3,0 ⋅ 10^–7 моль/л соответственно. Методика применена при анализе сыворотки крови человека описана Hu G., Guo Y., Shao Sh. [7].

Перспективным направлением применения наночастиц в составе модифицирующих слоев является их включение в поли- мерные матрицы, получаемые как при электрополимеризации, так и из растворов в органических растворителях. При этом наночастицы обусловливают электропроводимость слоя, а молекулы полимера выполняют функции их стабилизации и фиксации. Электронный обмен между деполяризатором и электродом осуществляется в таких системах очень быстро. Наночастицы меди электрохимически внедрили в полипиррольную пленку, которую использовали для модифицирования поверхности стеклоуглеродного электрода [9]. Ток электрокаталитического окисления на данном электроде линеен при концентрациях 1⋅10–9–1⋅10–4 M мочевой кислоты и 1⋅10–9– 1⋅10–7 M допамина на фоне фосфатного буферного раствора с рН 7,00 при использовании дифференциальной импульсной вольтамперометрии. Электрод обеспечивает предел обнаружения 8,5⋅10–10 M (допамин) и 8⋅10–10 M (мочевая кислота).

Стеклоуглеродный электрод, модифицированный фуллереном, применен для одновременного определения 2'-деоксиаденозина и аденина в крови и в моче пациентов с гепатоцеллюлярной карциномой с использованием квадратно-волновой вольтамперометрии [3]. По сравнению с непокрытым электродом у нового электрода потенциал окисления смещается в отрицательную область с одновременным увеличением сигнала для обоих анали-тов. Градуировочные графики линейны при концентрациях аналитов 10 нМ – 100 мкМ в 0,1 М фосфатном буферном растворе Бриттона–Робинсона (pH 7,2), пределы обнаружения 0,8 ⋅ 10^–8 и 0,95 ⋅ 10^–8 М соответственно. Модифицирование фуллереном электрода из пирографита позволило достичь ПО 1,5 ⋅ 10^–11 М при определении нан-дролона методом квадратно-волновой вольтамперометрии в фосфатных буферных средах [4]. Градуировочный график линеен в области концентраций нандро-лона 0,01–50 нМ. Метод пригоден для определения нандролона в промышленных медицинских препаратах.

Другим перспективным нано-размерным объектом являются углеродные нанотрубки (УНТ). Активные центры на боковых плоскостях УНТ, которые присутствуют в них на концах и вдоль оси в местах, где слои графита прерываются, являются основной причиной усиления электрокаталитических эффектов при использовании углеродных нанотрубок [1]. Из числа просмотрен- ных публикаций по вольтамперометрическому определению лекарственных веществ более 50% статей посвящены использованию УНТ в качестве материала или модификатора электрода.

Вольтамперометрический метод определения цинна-ризина на модифицированном многостенными углеродными нанотрубками стеклоуглеродном электроде описан в [6]. При определении в оптимальных условиях градуировочный график линеен в области концентраций цин-наризина 9,0 ⋅ 10^–8–6,0 ⋅ 10^–6 М с ПО 2,58 ⋅ 10^–9 М. Метод применен для определений циннаризина в фармацевтических препаратах и моче.

Одновременное определение изомерных стероидов тестостерона и эпитестостерона осуществлено методом квадратно-волновой вольтамперометрии на модифицированном одностеночными углеродными нанотрубками электроде из пирографита. В оптимальных условиях градуировочные графики линейны в области концентраций 5–1000 нМ для тестостерона и эпитестостерона с пределом обнаружения 2,8 ⋅ 10^–9 и 4,1 ⋅ 10^–9 М соответственно. Результаты определений согласуются с данными ВЭЖХ.

Таблица 3

Определение лекарственных веществ

Определяемый компонент	Определяемая концентрация
Средства, регулирующие метаболические процессы Аденозин, инозин одновременно; аскорбиновая кислота; аскорбиновая кислота, допамин одновременно в прис. цистеина, пеницилламина, глутатиона; гесперидин; гуанин; гуанозин в прис. гипоксантина, ксантана, мочевой и аскорбиновой кислот; 2 / -деоксиаденозин, аденин; жирорастворимые антиоксиданты: б-токоферол, ретинол, кальциферолы; инсулин; катехин; креатин; липоевая кислота; метилпреднизолон; метилпреднизолон-ацетат; нандролон; никотиновая кислота; рутин; тестостерон, эпитестостерон одновременно; L-тирозин; L-триптофан; унитиол; фенольные эстрогенные соединения; флавоноиды (кверцетин, дайцеол, пуерарин); фолиевая кислота; циннаризин; L-цистеин в прис. аскорбиновой кислоты; эпинефрин, в том числе в прис. норэпинефрина	1,5 ⋅ 10–11–6,1 ⋅ 10–4 М
Противомикробные, противовирусные, противовоспалительные и противопаразитарные средства Ацикловир, гидрохинон, катехин, резорцин одновременно; левофлоксан-гидрохлорид; никлозамид; нимесулид; пирокатехин; тербинафин; тетрациклин, окситетрациклин, хлортетрациклин, доксициклин; хлорамфеникол	5,0 ⋅ 10–9–1,0 ⋅ 10–5 М
Средства, действующие преимущественно на ЦНС Ацетаминофен в прис. дофамина, бруцина, эпинефрина, норэпинефрина; леводол; лоперамид; носкапин; парацетамол; пироксикам; цизаприд	1,0 ⋅ 10–8–4,0 ⋅ 10–3 М
Средства, действующие преимущественно на периферические нейромедиаторные процессы Адреналин; атенолол, допамин; гидрохлортиазид; допамин, аскорбиновая кислота одновременно в прис. цистеина, пеницилламина, глутатиона; допамин, серотонин одновременно в прис. аскорбиновой кислоты	2,1 ⋅ 10–11–1,6 ⋅ 10–4 М
Сердечно-сосудистые средства Митоксантрон; никотинат ксантинола; каптоприл	1,5 ⋅ 10–9–2,0 ⋅ 10–7 М
Средства для лечения онкологических заболеваний Адриамицин; колхицин
Средства разных фармакологических групп Глюкоза, в т.ч. в прис. сахарозы и амилама, аскорбиновой, мочевой и глюконовой кислот; гимехромон; даунорибицин; маннит, сахароза; прокаин; целекоксиб	1 ⋅ 10–11–3,7 ⋅ 10–4 М
Прочее Глутатион; ДНК; метморфин; мочевая кислота, в т.ч. в прис. аскорбиновой кислоты; холестерин	5 ⋅ 10–8–9,4 М

Метод применен для детектирования обоих аналитов в образцах мочи [5].

В клинической диагностике важной задачей является определение количественного состава аминокислот в биологических жидкостях, пищевых продуктах и лекарственных препаратах, поскольку нарушения в соотношении аминокислот в организме человека приводят к возникновению различных заболеваний. Электрод, модифицированный электроспряденными углеродными нановолокнами, проявляет высокую электрокаталитическую активность при окислении L-триптофана, L-тирозина и L-цистеина. Диапазоны линейности градуировочных графиков 0,1–119; 0,2–107 и 0,15–64 мкМ для триптофана, тирозина и цистеина соответственно; пределы обнаружения составляют 0,1 мкМ при использовании метода циклической вольтамперометрии. Электрод можно использовать для определения аминокислот при медицинских и клинических анализах [8].

Для вольтамперометрического определения водорастворимых витаминов (В1, В2 и С) и флавоноидов (кверцетин и рутин) авторами впервые использованы графитовый и стеклоуглеродный электроды, модифицированные тозилатными солями арилдиазония. Методом электронной микроскопии установлено, что модификатор неравномерно распределяется по поверхности электрода, образуя ковалентно связанные с углеродом органические слои на активных центрах и дефектах поверхности. Новый электрод обеспечивает предел обнаружения 10–6 мг/дм3 при определении витаминов С, В1, В2, для кверцетина и рутина эта величина составляет 10–5 мг/дм3.

Применение новых органо-модифицированных электродов в анализе биологических жидкостей и лекарственных препаратов позволило значительно увеличить чувствительность (примерно в 3–4 раза) и селективность определения, что было подтверждено на примере определения водорастворимых витаминов в грудном молоке. Погрешность определения водорастворимых витаминов и флавоноидов на органо-модифицированных электродах составляет 14–18% [2].

Возможность применения метода вольтамперометрии в определении широкого круга лекарственных средств представлена в таблице 3.

Заключение

Таким образом, широкое использование нанотехнологий в электроанализе позволяет значительно расширить возможности контроля лекарственных препаратов и биологических субстанций: снизить предел обнаружения и расширить круг определяемых компонентов. Созданные на основе наноматериалов электроды нового поколения обеспечивают высокую чувствительность и селективность при одновременном определении ряда лекарственных веществ в биологических средах, что открывает широкие перспективы электроанализа в медицинской диагностике.