Flow-injection amperometric determination of ceftriaxone, cefotaxime, and cefoperazone on an electrode modified with a binary system of gold particles and mixed-valence ruthenium oxides

Texto integral

В настоящее время антибиотики цефалоспоринового ряда, к которым относят цефтриаксон, цефотаксим и цефоперазон, занимают ведущее место при лечении различных инфекций [1]. Широкое использование этих препаратов обусловлено их характерными особенностями: быстрым бактерицидным действием, достаточно высокими фармакокинетическими характеристиками, низкой токсичностью и хорошей переносимостью, сочетаемостью с другими антибактериальными средствами [2]. Экспрессное и точное определение цефалоспоринов необходимо для выявления фальсифицированных лекарственных средств, а также для регулирования оптимальных доз препаратов при лечении инфекционных заболеваний.

Описаны спектральные [3–5], титриметрические [6] и хроматографические [7–11] способы определения цефалоспоринов. Их ограничения, такие как недостаточная чувствительность, токсичность реагентов, сложность пробоподготовки, длительность проведения анализа и высокая стоимость используемого оборудования, диктуют необходимость создания новых методов с высокой чувствительностью определения цефалоспоринов.

В рамках фармацевтического анализа, как известно, для определения различных органических соединений широко используются электрохимические сенсоры, обладающие стабильным и чувствительным откликом [12, 13]. При их создании рабочую поверхность электрода (обычно из углеродного материала) модифицируют с целью улучшения аналитических и метрологических характеристик отклика. Модификация поверхности электрода способствует уменьшению перенапряжения окисления органических соединений, наблюдаемого на углеродных электродах, а также снижению нижней границы определяемых содержаний [14]. В итоге применение химически модифицированных электродов (ХМЭ) приводит к повышению чувствительности и селективности вольтамперометрического отклика на органические соединения, в том числе цефалоспорины [15–17]. Не менее важно и то, что ХМЭ могут “работать” как амперометрические детекторы в проточных системах, что позволяет проводить большое количество измерений с высокими чувствительностью и селективностью в автоматизированном режиме быстро и с низкими затратами [18, 19]. С целью автоматизации анализа объектов окружающей среды и объектов биомедицины чаще всего используют проточно-инжекционные системы [20–23].

В настоящей статье сопоставлена электрокаталитическая активность частиц золота (Au) и смешанновалентных оксидов рутения (RuO_x), а также бинарной системы на их основе Au–RuO_x, электроосажденных на поверхность стеклоуглеродного электрода (СУ), в условиях проточно-инжекционного анализа (ПИА). Показана возможность получения высоких характеристик определения цефотаксима, цефтриаксона и цефоперазона.

Экспериментальная часть

Циклические вольтамперограммы регистрировали с помощью вольтамперометрического анализатора Экотест-ВА (ООО “ЭКОНИК-ЭКСПЕРТ”, Россия). Циклические вольтамперограммы регистрировали при скорости развертки потенциала 20 мВ/с.

В работе использовали трехэлектродную ячейку. Электродом сравнения служил хлоридсеребряный, вспомогательным – платиновая проволока. В качестве рабочего электрода применяли электроды из СУ и ХМЭ на основе СУ с электроосажденными частицами Au (Au–СУ), смешанновалентными оксидами RuO_x, (RuO_x–СУ) или бинарной системой Au–RuO_x (Au–RuO_x–СУ). Перед модифицированием электрода проводили предварительную подготовку его поверхности: электрод из СУ шлифовали абразивными материалами, промывали дистиллированной водой.

Поверхность СУ модифицировали смешанновалентными оксидами RuO_x методом потенциодинамического электролиза из раствора RuCl₃ х. ч. фирмы Aldrich (США) в диапазоне потенциалов от –0.3 до 1.0 В в течение 20 циклов. Для электроосаждения частиц Au использовали потенциостатический электролиз в растворе НAuCl₄ х. ч. фирмы Aldrich (США) при потенциале электролиза (Е_э) –0.3 В и времени электролиза (t_э) 3 мин. ХМЭ на основе бинарной системы Au–RuO_x готовили путем потенциостатического электроосаждения из раствора, содержащего RuCl₃ и НAuCl₄ при Е_э = –0.3 В и t_э = 3 мин.

Для проведения ПИА собирали установку, включающую перистальтический насос ZALIMP (Польша), шприцевой инжектор, проточную электрохимическую ячейку (V = 200 мкл) и регистрирующее устройство – вольтамперометрический анализатор Экотест-ВА, совмещенный с персональным компьютером (рис. 1). После включения насоса коммуникационная система заполнялась раствором-носителем. Далее в поток жидкости вводили пробу с помощью шприцевого инжектора в направлении к детектору – вольтамперометрическому анализатору, на котором регистрировали аналитический сигнал в потенциостатических условиях.

 

Рис. 1. Схема проточно-инжекционного анализа с амперометрическим детектированием на химически модифицированном электроде, где М_ох и М_red – окисленная и восстановленная формы модификатора соответственно.

 

Определение цефалоспоринов методом ВЭЖХ-УФ проводили по стандартным методикам [24, 25]. Использовали хроматографическую систему LC-20 Prominence фирмы Shimadzu (Япония), оборудованную колонкой Ascentis®Express С18 150 × 4.6 мм, 5 мкм, предколонкой Holder 200 × 4.6 мм, насосом LC-20AD и диодно-матричным детектором SPD-M20A. Для управления системами хроматографа и регистрации хроматограмм использовали программное обеспечение LC solution. Разделение проводили со скоростью потока элюента 1 мл/мин. В качестве подвижной фазы использовали смесь хроматографически чистого ацетонитрила с фосфатным буферным раствором, который готовили путем добавления фосфорной кислоты к раствору Na₂HPO₄ до рН 6.25. Детектирование цефтриаксона осуществляли при длине волны 235 нм, а цефотаксима и цефоперазона – при 254 нм.

При вольтамперометрическом и проточном амперометрическом определении растворы цефалоспоринов готовили растворением точных навесок цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона х. ч. фирмы Aldrich (США) в растворе фонового электролита. Серии растворов меньших концентраций готовили разбавлением исходных растворов непосредственно перед измерениями. Для приготовления растворов лекарственных средств таблетки предварительно измельчали и растирали. Навеску порошка растертых таблеток растворяли в 0.05 М H₂SO₄ и переносили в мерную колбу емк. 50 мл, встряхивали и доводили до метки этим же фоновым электролитом. Раствор тщательно перемешивали и фильтровали. В качестве фонового электролита в стационарных условиях и потока-носителя в проточных системах использовали 0.05 М H₂SO₄.

Результаты и их обсуждение

Цефалоспорины относят к классу β-лактамных антибиотиков, в основе химической структуры которых лежит 7-аминоцефалоспорановая кислота (табл. 1). Окисление рассматриваемых цефалоспоринов на углеродных электродах протекает необратимо и при высоких анодных потенциалах (при Еs > 1.20 В), при повторном сканировании потенциала на вольтамперограмме наблюдается резкое уменьшение максимума тока, что указывает на низкую воспроизводимость вольт-амперных характеристик на немодифицированном электроде. Линейные зависимости величины предельного тока от концентрации соединений наблюдается в узких интервалах: 5 × 10^–4–5 × 10^–3 М для цефотаксима и 1 × 10^–4– 5 × 10^–3 М для цефтриаксона и цефоперазона.

 

Таблица 1. Структурные формулы цефалоспоринов

Структурная формула цефалоспоринов	Наименование	R1	R2
	Цефтриаксон
	Цефотаксим
	Цефоперазон

 

Среди сенсорных материалов-модификаторов широкое применение нашли переходные и благородные металлы благодаря таким свойствам, как высокая электрохимическая активность, химическая стабильность, нетоксичность и др. [26–30].

Нами сопоставлены каталитические свойства иммобилизованных частиц Au и смешанновалентных оксидов RuO_x, а также бинарной системы Au–RuO_x при электроокислении цефотаксима, цефтриаксона и цефоперазона.

Известно [21, 30–32], что при электроокислении смешанновалентных оксидов RuO_x реализуются переходы Ru(II) → Ru(III), Ru(III) → Ru(IV) и Ru(IV) → Ru(VI), в ходе которых генерируются каталитические центры, проявляющие высокую активность по отношению к различным органическим соединениям.

На рис. 2а приведена вольтамперограмма окисления цефтриаксона на электроде RuO_x–СУ, на которой наблюдается увеличение тока окисления модификатора при Е_п 1.15 В и снижение потенциала окисления субстрата на ХМЭ на 50 мВ по сравнению с потенциалом его окисления на СУ (Е = 1.20 В). Величина тока анодного пика, наблюдаемая при потенциалах окисления модификатора, зависит от концентрации цефтриаксона (рис. 2б). Все эти факторы указывают на каталитическую природу электрохимической реакции [33]. Схема электрокатализа приведена на рис. 1.

 

Рис. 2. (а): Циклические вольтамперограммы на электроде RuO_x–СУ в отсутствие цефтриаксона (1) и на электродах RuO_x–СУ (2), Au–СУ (3) и Au–RuO_x–СУ (4) в присутствии 5 × 10^–3 М цефтриаксона на фоне 0.05 М H₂SO₄. (б): Зависимость тока при Е = 1.15 В от концентрации цефтриаксона на электроде RuO_x–СУ (n = 6, P = 0.95).

 

Ранее [26, 34, 35] разработаны электроды, модифицированные частицами Au, которые использовали для электрохимического определения различных биологически активных соединений. Установлено, что частицы Au, электроосажденные на поверхности СУ, каталитически активны и по отношению к цефтриаксону (рис. 2а, табл. 2). В этом случае на ХМЭ также наблюдается уменьшение перенапряжения цефтриаксона, увеличение тока по сравнению с фоновыми значениями, линейно зависящее от концентрации этого субстрата,

 

Таблица 2. Вольтамперные характеристики окисления органических соединений (c = 5 × 10–3 М) на фоне 0.05 М H₂SO₄

Субстрат	Модификатор	Екат, В	Iкат, мкА
Цефтриаксон	Au	1.15	54
	RuOx	1.15	36
	Au–RuOx	1.15	100
Цефотаксим	Au–RuOx	1.05	224
Цефоперазон	Au–RuOx	1.10	153

Примечание: Е_кат, I_кат – потенциал и ток окисления субстрата на ХМЭ.

 

При переходе на электрод с бинарной системой Au–RuO_x получили наибольшее увеличение тока окисления цефтриаксона по сравнению с электродами Au–СУ или RuO_x–СУ (рис. 2а, табл. 2), что, вероятно, связано с проявлением аддитивного эффекта при формировании на поверхности электрода каталитических центров различной природы. Установлено, что бинарная система Au–RuO_x также проявляет высокую каталитическую активность при окислении цефотаксима и цефоперазона (табл. 2).

Разработанный модифицированный электрод Au–RuO_x–СУ использовали в качестве амперометрического детектора при определении цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона в проточно-инжекционной системе.

Для регистрации сигнала в проточной системе использовали потенциостатический режим. Установили рабочие условия регистрации амперометрического отклика при проточно-инжекционном определении цефалоспоринов на ХМЭ. На рис. 3 в качестве примера приведены зависимости тока окисления цефтриаксона от накладываемого потенциала (Е), объема инжектируемой пробы (V) и скорости подачи раствора-носителя (u). Для остальных исследуемых соединений получили аналогичные зависимости. В качестве рабочих условий амперометрического детектирования в системе ПИА выбрали значения, при которых регистрировали наибольший по величине аналитический сигнал: V = 1.0 мл, u = 27.5 мл/мин и Е 1.20, 1.10, 1.15 В для цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона соответственно. Для количественной оценки степени дисперсии пробы в потоке при выбранных параметрах детектирования рассчитали коэффициент дисперсии (D). Получено значение D = 2, что соответствует ограниченной дисперсии [36].

 

Рис. 3. Зависимость тока окисления цефтриаксона (с = 5 × 10^–3 М) на электроде Au–RuO_x–СУ от (а) накладываемого потенциала, (б) объема пробы и (в) скорости потока в условиях проточно-инжекционного анализа на фоне 0.05 М H₂SO₄ (n = 6, P = 0.95).

 

Аналитические характеристики, полученные при детектировании цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона в стационарном режиме и в проточных условиях представлены в табл. 3. Разработанный проточно-инжекционный амперометрический способ определения цефалоспоринов на электроде Au–RuO_x–СУ позволяет проводить их определение в более широком интервале концентраций и снизить нижнюю границу определяемых содержаний на три порядка по сравнению с аналитическими характеристиками, полученными при электроокислении цефалоспоринов на немодифицированом СУ.

 

Таблица 3. Аналитические характеристики определения цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона методами циклической вольтамперометрии и проточно-инжекционной амперометрии на электроде Au–RuO_x–СУ на фоне 0.05 М H₂SO₄ (n = 6, P = 0.95)

Аналит	Диапазон концентраций, М	Уравнение регрессии lgI = a + b lgс (I, мкА; с, М)		R2
		а ± Da	b × 10 ± Db
Циклическая вольтамперометрия (стационарные условия)
Цефтриаксон	5 × 10–6–1 × 10–3	3.60 ± 0.06	6.9 ± 0.2	0.9981
Цефотаксим	5 × 10–6–1 × 10–3	3.23 ± 0.06	3.6 ± 0.1	0.9961
Цефоперазон	5 × 10–6–1 × 10–3	3.07 ± 0.07	3.6 ± 0.2	0.9940
Проточно-инжекционная амперометрия (проточные условия)
Цефтриаксон	5 × 10–7–1 × 10–3	2.39 ± 0.03	3.36 ± 0.05	0.9990
Цефотаксим	5 × 10–7–1 × 10–3	2.62 ± 0.04	2.95 ± 0.08	0.9969
Цефоперазон	5 × 10–7–1 × 10–3	2.47 ± 0.02	2.97 ± 0.04	0.9992

 

На рис. 4 показана зависимость аналитического сигнала от концентрации аналита при амперометрическом определении цефтриаксона в условиях ПИА. За счет непрерывного обновления поверхности электрода раствором потока-носителя в проточной электрохимической ячейке отмечается хорошая повторяемость аналитического сигнала. Рассчитанные значения s_r не превышают 2.0% (n = 10, P = 0.95). Теоретическая производительность разработанного способа амперометрического детектирования в условиях ПИА достигает 180 проб/ч (при времени отклика ХМЭ 20 с).

 

Рис. 4. Зависимость тока окисления цефтриаксона на электроде Au–RuO_x–СУ от его концентрации в условиях проточно-инжекционного анализа на фоне 0.05 М H₂SO₄ (n = 6, P = 0.95).

 

Разработанные способы амперометрического определения цефотаксима, цефтриаксона и цефоперазона на электроде Au–RuO_x–СУ использовали при анализе некоторых лекарственных средств. Приготовленные растворы лекарственных средств инжектировали в проточную систему, затем регистрировали хроноамперограмму, на которой измеряли величину тока при выбранном для каждого аналита потенциале. Результаты определения цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона по амперометрическому отклику электрода Au–RuO_x–СУ в условиях ПИА в некоторых лекарственных средствах приведены в табл. 4. Полученные результаты проточно-инжекционного определения цефалоспоринов на ХМЭ сопоставлены с результатами, полученными методом ВЭЖХ-УФ, рекомендуемым государственной фармакопеей [24, 25]. Анализ результатов по F- и t-критериям показал, что методы равноточны (F_расч < F_табл), а расхождение между средними результатами незначимы (t_расч < t_табл).

 

Таблица 4. Результаты определения цефтриаксона, цефотаксима и цефоперазона в лекарственных препаратах методом проточно-инжекционной амперометрии на электроде Au–RuO_x–СУ (метод I) и методом ВЭЖХ-УФ (метод II) (n = 6, P = 0.95, F_табл = 5.05, t_табл = 2.57)

Лекарственный препарат	Аналит	Содержание в препарате, г	Найдено, г		Fрасч	tрасч
			метод I	метод II
Цефтриаксон “ПАО Красфарма”	Цефтриаксон	1.0	0.99 ± 0.02	1.01 ± 0.03	2.34	1.35
Цефотаксим “Фармстандарт”	Цефотаксим	1.0	1.02 ± 0.03	1.01± 0.01	2.30	0.67
Цефоперазон “ПАО Красфарма”	Цефоперазон	1.0	1.01 ± 0.02	1.00 ± 0.02	1.02	0.87

 

Сочетание ПИА с амперометрией на модифицированном электроде с каталитическими свойствами обеспечивает высокую чувствительность, воспроизводимость и экспрессность определений, что выгодно отличает разработанный способ определения от описанных в литературе электрохимических способов определения цефалоспоринов на других модифицированных электродах [37–40]. Для разработанного электрода характерна хорошая стабильность каталитического отклика, которая сохраняется в течение недели при непрерывном использовании (s_r < 0.04).

Таким образом, разработанный электрод Au–RuO_x–СУ можно использовать для проточно-инжекционного амперометрического определения цефотаксима, цефтриаксона и цефоперазона в фармацевтической продукции.

Финансирование работы

Работа выполнена за счет средств Программа стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (“Приоритет-2030”).

Конфликт интересов

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Sobre autores

L. Shaidarova

Kazan Federal University, A.M. Butlerov Chemical Institute

Autor responsável pela correspondência
Email: LarisaShaidarova@mail.ru
Rússia, Kazan

I. Chelnokova

Kazan Federal University, A.M. Butlerov Chemical Institute

Email: LarisaShaidarova@mail.ru
Rússia, Kazan

M. Ilyina

Kazan Federal University, A.M. Butlerov Chemical Institute

Email: LarisaShaidarova@mail.ru
Rússia, Kazan

G. Budnikov

Kazan Federal University, A.M. Butlerov Chemical Institute

Email: LarisaShaidarova@mail.ru
Rússia, Kazan

Bibliografia

Arquivos suplementares