eng
Выпуск #5/2020
Л. Г. Шайдарова, И. А. Челнокова, Ю. А. Лексина, Г. К. Будников
Проточно-инжекционное амперометрическое определение кортизола и мелатонина на электроде с частицами золота
Проточно-инжекционное амперометрическое определение кортизола и мелатонина на электроде с частицами золота
Просмотры: 4292
DOI: 10.22184/2227-572X.2020.10.5.410.416
Кортизол и мелатонин – два гормона, которые прямо влияют на бодрствование и сон. Для контроля нарушений циклов сна / бодрствования, которые могут способствовать развитию раковых опухолей, необходимо определять содержание кортизола и мелатонина в биологических жидкостях. Определено, что частицы золота, осажденные на планарный электрод, проявляют каталитическую активность при электроокислении кортизола и мелатонина, а осажденные частицы палладия, меди и кобальта – только при электроокислении мелатонина. Для одновременного анализа двух веществ при двух различных потенциалах применяли двойные планарные электроды, модифицированные частицами золота. Линейная билогарифмическая зависимость аналитического сигнала от концентрации аналита наблюдалась в интервалах от 1 • 10–11 до 1 • 10–5 М для кортизола и от 5 • 10–10 до 5 • 10–3 М для мелатонина. Использование двойного планарного электрода, модифицированного частицами золота, для амперометрического определения кортизола и мелатонина в проточно-инжекционной системе обеспечивает высокую производительность до 360 определений / ч.
Кортизол и мелатонин – два гормона, которые прямо влияют на бодрствование и сон. Для контроля нарушений циклов сна / бодрствования, которые могут способствовать развитию раковых опухолей, необходимо определять содержание кортизола и мелатонина в биологических жидкостях. Определено, что частицы золота, осажденные на планарный электрод, проявляют каталитическую активность при электроокислении кортизола и мелатонина, а осажденные частицы палладия, меди и кобальта – только при электроокислении мелатонина. Для одновременного анализа двух веществ при двух различных потенциалах применяли двойные планарные электроды, модифицированные частицами золота. Линейная билогарифмическая зависимость аналитического сигнала от концентрации аналита наблюдалась в интервалах от 1 • 10–11 до 1 • 10–5 М для кортизола и от 5 • 10–10 до 5 • 10–3 М для мелатонина. Использование двойного планарного электрода, модифицированного частицами золота, для амперометрического определения кортизола и мелатонина в проточно-инжекционной системе обеспечивает высокую производительность до 360 определений / ч.
Теги: chemically modified electrodes dual screen-printed electrode electrooxidation of cortisol and melatonin flow-injection analysis gold particles двойной планарный электрод проточно-инжекционный анализ химически модифицированные электроды частицы золота электроокисление кортизола и мелатонина
Проточно-инжекционное амперометрическое определение кортизола и мелатонина на электроде с частицами золота
Л. Г. Шайдарова, д. х.н .1, И. А. Челнокова, к. х. н.1,
Ю. А. Лексина 1, 2, Г. К. Будников, д. х. н. 1
Статья получена 13.08.2020
Принята к публикации 15.09.2020
Введение
Кортизол – гидрокортизон (ГК), 11, 17,21 тригидрокси4-прегнен 3,20-дион, в организме человека вырабатывается корой надпочечников в ответ на стрессовое воздействие, поэтому его называют гормоном стресса. Помимо своих иммунологических функций, ГК участвует в глюконеогенезе и помогает в обмене жиров, белков и углеводов. Аномальные уровни ГК обычно являются симптомами серьезных заболеваний. Снижение концентрации ГК в крови может привести к болезни Аддисона, которая вызывает потерю веса, хроническую усталость и потемнение кожи, тогда как повышенный уровень кортизола приводит к синдрому Кушинга, характеризующемуся прибавкой в весе, мышечной слабостью.
ГК как лекарственное средство обычно используется для лечения различных заболеваний кожи, глаз и легких. Он также полезен при лечении надпочечниковой недостаточности и гиперплазии надпочечников как у детей, так и у взрослых. Однако его высокий уровень увеличивает риск побочных эффектов, таких как остеопороз, и может оказывать нейротоксическое действие на центральную нервную систему [1–3].
Секретируемый ГК определяют в различных биологических жидкостях, но в основном в слюне и крови благодаря простоте в обращении и хранении образцов.
Мелатонин (МТ), N ацетил 5-метокси-триптамин, является эндогенным гормоном, главным образом ответственным за поддержание циркадного ритма организмов [4, 5]. Уровень МТ в крови начинает повышаться в вечернее время, совпадая с уменьшением уровня освещенности, достигает максимума в середине ночи (в 2–3 ч), затем прогрессивно уменьшается к утру. В дневное время секреция МТ остается на очень низком уровне. Расстройства сна возникают тогда, когда секреция МТ десинхронизируется с циклом дня и ночи [6].
МТ не только отвечает за регулирование циркадных и сезонных ритмов, но также оказывает выраженное влияние на иммунную систему, а также используется антиоксидантное средство и средство против старения. Он также влияет на течение психических расстройств и поддерживает лечение рака молочной железы [7–9].
Мультиплексное определение МТ и ГК максимально информативно при диагностике причин набора веса, расстройства сна, депрессивного состояния, психических расстройств, нарушения менструального цикла, онкологических заболеваний и др. Благодаря наличию суточной динамики, диагностическую ценность имеет также соотношение концентраций этих двух гормонов в утренние и вечерние часы.
Особое внимание следует уделять соотношению ГК и МТ в биологических жидкостях пациентов с онкологическими заболеваниями. Прогноз выживаемости хороший у тех пациентов, у которых наблюдается нормальное (или близкое к нормальному) дневное снижение ГК на фоне наличия МТ в пределах биологической нормы. Для пациентов, у которых низкий уровень МТ и нет нормального профиля снижения ГК, прогноз менее благоприятный [10].
Для количественного определения кортизола и мелатонина используют методы хроматографии в сочетании с различными детекторами [11, 12], иммуноферментный анализ [13, 14] и спектрофотометрию [15]. Недостатками этих методов являются высокая стоимость реактивов и оборудования, а также трудоемкость из-за дополнительной пробоподготовки. Поэтому разработка простого, экспрессного метода определения ГК и МТ остается актуальной задачей. Перспективным методом определения органических соединений является вольтамперометрия с химически модифицированными электродами. Для этого метода характерны высокая чувствительность, экспрессность, невысокая стоимость оборудования и простота в его эксплуатации.
В работе изучена возможность вольтамперометрического определения ГК и МТ на планарных углеродных электродах (ПЭ), модифицированных частицами золота, палладия, кобальта, меди, и одновременного амперометрического определения этих гормонов с помощью модифицированных двойных планарных электродов (ДПЭ) в условиях проточно-инжекционного анализа (ПИА).
Экспериментальная часть
Циклические вольтамперограммы регистрировали с помощью бипотенциостата DropSens μSTAT 400 (Metrohm DropSens, Испания). При регистрации вольтамперограмм использовали скорость наложения потенциала (v), равную 10–100 мВ / с.
Для проведения ПИА использовали установку, представленную на рис. 1, включающую перистальтический насос PERIMAX 12 (Германия), инжектор и регистрирующее устройство – бипотенциостат DropSens μSTAT 400.
Использовали электрохимическую ячейку типа отражающей стенки (wall-jet) с ПЭ и ДПЭ (Metrohm DropSens, Испания). Объем ячейки равен 40 мкл.
Диапазон номинальных значений расходов жидкости при использовании составлял 0,65–4,74 мл / мин. Подача носителей, реагентов, транспортирование смеси жидкости осуществлялась по трубкам из поливинилхлорида постоянного внутреннего диаметра, равного 1,42 мм.
Осаждение частиц металлов на поверхности ПЭ и ДПЭ проводили путем потенциостатического электроосаждения из растворов, содержащих хлорид палладия Pd(II), тетрахлорозолотую кислоту (НAuCI4) фирмы Aldrich, сульфат меди (CuSO4 × 5H2O, а также хлорид кобальта (CoCl2 × 5H2O) марки х. ч. фирмы «Экофарм». Растворы этих соединений готовились растворением их точных навесок.
Растворы ГК и МТ готовили по точным навескам реактивов х. ч. фирмы Aldrich. Растворы меньших концентраций получали разбавлением исходного раствора непосредственно перед измерениями. В качестве фонового электролита в стационарном режиме и потока-носителя в проточной системе использовали раствор 0,1 М H2SO4.
Результаты и обсуждение
Электроокисление кортизола и мелатонина на планарных углеродных электродах
В кислой среде ГК не окисляется на ПЭ в рассматриваемых условиях. Однако ГК электрофильное соединение. Авторами [16] предложена следующая схема электроокисления ГК на ферментативных электродах на основе функционализированных углеродных волокон (рис. 2).
МТ окисляется на углеродных электродах в водных средах необратимо при потенциале пика (Еп) 0,70 В. Процесс окисления включает двухэлектронный однопротонный перенос с образованием катиона [1] (рис. 3).
Линейная зависимость анодного тока от концентрации этого гормона наблюдается в интервале 5 • 10–3– 5 • 10–5 моль / л. Модификация поверхности электрода является одним из способов повышения чувствительности и селективности вольтамперометрического определения органических соединений. В качестве модификаторов хорошо зарекомендовали себя металлы 3d 4d переходного ряда [17]. Поэтому изучено электрокаталитическое окисление ГК и МТ на планарных электродах, модифицированных частицами золота, палладия, меди и кобальта.
На анодной ветви циклической вольтамперограммы, полученной на электроде Au-ПЭ при окислении ГК, регистрируется один пик при E 1,10 В (рис. 4а). Величина тока пика линейно зависит от концентрации органического соединения. Каталитический эффект, рассчитанный как отношение каталитического тока окисления субстрата (IКАТ) на ХМЭ к току окисления модификатора (IМОД) IКАТ / IМОД равен 2,0.
Механизм электроокисления можно представить известной схемой: иммобилизованный модификатор Мred вступает в обратимую электрохимическую реакцию с образованием частиц Мox, которые вступают в химическую реакцию с субстратом S, регенерируя форму Мred и образуя продукты реакции Р [17] (рис. 5).
Каталитический эффект проявляется в увеличении тока окисления модификатора и уменьшении потенциала окисления аналита.
Электроосажденные частицы палладия, кобальта и меди не проявляют каталитическую активность при окислении ГК.
Л. Г. Шайдарова, д. х.н .1, И. А. Челнокова, к. х. н.1,
Ю. А. Лексина 1, 2, Г. К. Будников, д. х. н. 1
Статья получена 13.08.2020
Принята к публикации 15.09.2020
Введение
Кортизол – гидрокортизон (ГК), 11, 17,21 тригидрокси4-прегнен 3,20-дион, в организме человека вырабатывается корой надпочечников в ответ на стрессовое воздействие, поэтому его называют гормоном стресса. Помимо своих иммунологических функций, ГК участвует в глюконеогенезе и помогает в обмене жиров, белков и углеводов. Аномальные уровни ГК обычно являются симптомами серьезных заболеваний. Снижение концентрации ГК в крови может привести к болезни Аддисона, которая вызывает потерю веса, хроническую усталость и потемнение кожи, тогда как повышенный уровень кортизола приводит к синдрому Кушинга, характеризующемуся прибавкой в весе, мышечной слабостью.
ГК как лекарственное средство обычно используется для лечения различных заболеваний кожи, глаз и легких. Он также полезен при лечении надпочечниковой недостаточности и гиперплазии надпочечников как у детей, так и у взрослых. Однако его высокий уровень увеличивает риск побочных эффектов, таких как остеопороз, и может оказывать нейротоксическое действие на центральную нервную систему [1–3].
Секретируемый ГК определяют в различных биологических жидкостях, но в основном в слюне и крови благодаря простоте в обращении и хранении образцов.
Мелатонин (МТ), N ацетил 5-метокси-триптамин, является эндогенным гормоном, главным образом ответственным за поддержание циркадного ритма организмов [4, 5]. Уровень МТ в крови начинает повышаться в вечернее время, совпадая с уменьшением уровня освещенности, достигает максимума в середине ночи (в 2–3 ч), затем прогрессивно уменьшается к утру. В дневное время секреция МТ остается на очень низком уровне. Расстройства сна возникают тогда, когда секреция МТ десинхронизируется с циклом дня и ночи [6].
МТ не только отвечает за регулирование циркадных и сезонных ритмов, но также оказывает выраженное влияние на иммунную систему, а также используется антиоксидантное средство и средство против старения. Он также влияет на течение психических расстройств и поддерживает лечение рака молочной железы [7–9].
Мультиплексное определение МТ и ГК максимально информативно при диагностике причин набора веса, расстройства сна, депрессивного состояния, психических расстройств, нарушения менструального цикла, онкологических заболеваний и др. Благодаря наличию суточной динамики, диагностическую ценность имеет также соотношение концентраций этих двух гормонов в утренние и вечерние часы.
Особое внимание следует уделять соотношению ГК и МТ в биологических жидкостях пациентов с онкологическими заболеваниями. Прогноз выживаемости хороший у тех пациентов, у которых наблюдается нормальное (или близкое к нормальному) дневное снижение ГК на фоне наличия МТ в пределах биологической нормы. Для пациентов, у которых низкий уровень МТ и нет нормального профиля снижения ГК, прогноз менее благоприятный [10].
Для количественного определения кортизола и мелатонина используют методы хроматографии в сочетании с различными детекторами [11, 12], иммуноферментный анализ [13, 14] и спектрофотометрию [15]. Недостатками этих методов являются высокая стоимость реактивов и оборудования, а также трудоемкость из-за дополнительной пробоподготовки. Поэтому разработка простого, экспрессного метода определения ГК и МТ остается актуальной задачей. Перспективным методом определения органических соединений является вольтамперометрия с химически модифицированными электродами. Для этого метода характерны высокая чувствительность, экспрессность, невысокая стоимость оборудования и простота в его эксплуатации.
В работе изучена возможность вольтамперометрического определения ГК и МТ на планарных углеродных электродах (ПЭ), модифицированных частицами золота, палладия, кобальта, меди, и одновременного амперометрического определения этих гормонов с помощью модифицированных двойных планарных электродов (ДПЭ) в условиях проточно-инжекционного анализа (ПИА).
Экспериментальная часть
Циклические вольтамперограммы регистрировали с помощью бипотенциостата DropSens μSTAT 400 (Metrohm DropSens, Испания). При регистрации вольтамперограмм использовали скорость наложения потенциала (v), равную 10–100 мВ / с.
Для проведения ПИА использовали установку, представленную на рис. 1, включающую перистальтический насос PERIMAX 12 (Германия), инжектор и регистрирующее устройство – бипотенциостат DropSens μSTAT 400.
Использовали электрохимическую ячейку типа отражающей стенки (wall-jet) с ПЭ и ДПЭ (Metrohm DropSens, Испания). Объем ячейки равен 40 мкл.
Диапазон номинальных значений расходов жидкости при использовании составлял 0,65–4,74 мл / мин. Подача носителей, реагентов, транспортирование смеси жидкости осуществлялась по трубкам из поливинилхлорида постоянного внутреннего диаметра, равного 1,42 мм.
Осаждение частиц металлов на поверхности ПЭ и ДПЭ проводили путем потенциостатического электроосаждения из растворов, содержащих хлорид палладия Pd(II), тетрахлорозолотую кислоту (НAuCI4) фирмы Aldrich, сульфат меди (CuSO4 × 5H2O, а также хлорид кобальта (CoCl2 × 5H2O) марки х. ч. фирмы «Экофарм». Растворы этих соединений готовились растворением их точных навесок.
Растворы ГК и МТ готовили по точным навескам реактивов х. ч. фирмы Aldrich. Растворы меньших концентраций получали разбавлением исходного раствора непосредственно перед измерениями. В качестве фонового электролита в стационарном режиме и потока-носителя в проточной системе использовали раствор 0,1 М H2SO4.
Результаты и обсуждение
Электроокисление кортизола и мелатонина на планарных углеродных электродах
В кислой среде ГК не окисляется на ПЭ в рассматриваемых условиях. Однако ГК электрофильное соединение. Авторами [16] предложена следующая схема электроокисления ГК на ферментативных электродах на основе функционализированных углеродных волокон (рис. 2).
МТ окисляется на углеродных электродах в водных средах необратимо при потенциале пика (Еп) 0,70 В. Процесс окисления включает двухэлектронный однопротонный перенос с образованием катиона [1] (рис. 3).
Линейная зависимость анодного тока от концентрации этого гормона наблюдается в интервале 5 • 10–3– 5 • 10–5 моль / л. Модификация поверхности электрода является одним из способов повышения чувствительности и селективности вольтамперометрического определения органических соединений. В качестве модификаторов хорошо зарекомендовали себя металлы 3d 4d переходного ряда [17]. Поэтому изучено электрокаталитическое окисление ГК и МТ на планарных электродах, модифицированных частицами золота, палладия, меди и кобальта.
На анодной ветви циклической вольтамперограммы, полученной на электроде Au-ПЭ при окислении ГК, регистрируется один пик при E 1,10 В (рис. 4а). Величина тока пика линейно зависит от концентрации органического соединения. Каталитический эффект, рассчитанный как отношение каталитического тока окисления субстрата (IКАТ) на ХМЭ к току окисления модификатора (IМОД) IКАТ / IМОД равен 2,0.
Механизм электроокисления можно представить известной схемой: иммобилизованный модификатор Мred вступает в обратимую электрохимическую реакцию с образованием частиц Мox, которые вступают в химическую реакцию с субстратом S, регенерируя форму Мred и образуя продукты реакции Р [17] (рис. 5).
Каталитический эффект проявляется в увеличении тока окисления модификатора и уменьшении потенциала окисления аналита.
Электроосажденные частицы палладия, кобальта и меди не проявляют каталитическую активность при окислении ГК.