Использование электрохимических методов для анализа лекарственных средств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНПРОСВЕЩЕНИЯ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого» (ТГПУ им. Л.Н. Толстого)

Кафедра медико-биологических дисциплин и фармакогнозии

Курсовая работа

по дисциплине: Фармацевтическая химия

Тема: Использование электрохимических методов для анализа лекарственных средств

Выполнена:

Логвиненко Ульяной Васильевной

Тула, 2022

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Общие принципы электрохимических методов анализа
• 1.1 Основные понятия
• 1.2 Классификация
• Глава 2. Традиционные методы изучения лекарств
• Глава 3. Электрохимический анализ лекарственных средств

Введение

Анализ лекарственных препаратов представляет собой активно развивающуюся область аналитической химии, биохимии, нанотехнологий, нанобиотехнологий и различных технологических платформ. Аналитические методы анализа лекарственных средств необходимы на различных стадиях дизайна новых лекарственных средств, исследовании их стабильности и контроля качества, изготовлении рецептурных форм, получения новых систем доставки лекарственных средств, исследовании фармакокинетики и фармакодинамики, метаболических биотрансформаций ксенобиотиков, проведении доклинических и клинических испытаний.

Электрохимические методы анализа основаны на электрохимических процессах, протекающих в электрохимической ячейке. В качестве аналитического сигнала в таких методах используют параметры, связанные с содержанием определяемого вещества или со свойствами электрохимической ячейки: сила тока, потенциал электрода, количество электричества, электропроводность и др. С помощью электрохимических методов можно решать различные задачи химического анализа. Они позволяют определять как неорганические, так и органические вещества с высокой чувствительностью (кулонометрия, вольтамперометрия), избирательностью и экспрессностью (ионометрия, электрогравиметрия). Простота выполнения и невысокая стоимость аппаратуры, а также лёгкость автоматизации аналитического цикла позволяют использовать электрохимические методы для детектирования веществ в потоках жидкостей.

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 только при использовании электрохимических методов.

Цель работы: изучить использование различных электрохимических методов для анализа лекарственных средств.

Задачи работы:

1. Изучить основные принципы электрохимических методов.

2. Рассмотреть некоторые реакции.

3. Изучить литературу по теме исследования.

Глава 1. Общие принципы электрохимических методов анализа

1.1 Основные понятия

Электрохимическими называют методы анализа, основанные на использовании процессов, происходящих в электрохимической ячейке.

Электрохимическая ячейка - система, состоящая из электродов и электролита, контактирующих между собой.

Электродом называется граница раздела, на которой электронный механизм переноса заряда (направленное движение электронов) меняется на ионный (направленное движение ионов). В менее строгом смысле под термином «электрод» часто подразумевают проводник электрического тока с электронной проводимостью. Под электролитом понимают среду, в которой происходит перенос заряда в результате направленного движения ионов. Электролит должен хорошо растворять определяемые вещества, химически не взаимодействовать с ними. Он должен иметь высокую электропроводность и низкую вязкость. В качестве электролитов в электрохимических методах анализа обычно используют растворы солей, имеющих высокую подвижность ионов, и содержащих устойчивые к окислению анионы (перхлораты, нитраты) и катионы щелочных и щелочноземельных металлов, аммония и др. Применяют 0,01- 0,1 моль/л растворы хлоридов калия, натрия, лития, а также ацетатные (фосфатные, боратные) буферные растворы. В основном в качестве электролитов применяются водные растворы. В случае анализа нерастворимых в воде органических соединений используют неводные протонные (спирты, органические и неорганические кислоты, аммиак) и апротонные (ацетонитрил, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран) растворители.

Электрохимические ячейки обычно изготавливают из химически стойкого материала, например, кварца или термостойкого стекла (пирекс).

Использование химически инертного полимера (тефлон) позволяет определять микроколичества металлов и органических соединений, так как они практически не адсорбируются на тефлоне.

Электроды, входящие в состав электрохимической ячейки, могут находиться в одном растворе либо в разных растворах, контактирующих друг с другом с помощью солевого мостика или через пористую перегородку (рис. 1.1). Ячейки первого типа называются ячейками без жидкостного соединения, второго типа - ячейками с жидкостным соединением.

Рис. 1 Электрохимическая ячейка с жидкостным соединением (1) и без жидкостного соединения (2)

В состав электрохимической ячейки должно входить, по крайней мере, два электрода: индикаторный и электрод сравнения. В некоторых случаях в состав электрохимической ячейки может входить ещё и третий электрод, называемый вспомогательным (противоэлектрод). Этот электрод служит источником электронов либо, наоборот, играет роль стока электронов и тем самым обеспечивает возможность протекания электрического тока через ячейку. Как правило, ни сила тока, ни потенциал вспомогательного электрода не измеряются. Вспомогательный электрод изготавливают из инертного материала.

Индикаторным называется электрод, на котором происходят электрохимические процессы, приводящие к возникновению аналитического сигнала.

Устройство индикаторного электрода и материал, из которого он изготовлен, зависят от метода анализа и веществ, определяемых с его помощью.

Электроды из химически инертных материалов (платины, углерода) чувствительны ко всем окислительно-восстановительным реакциям.

В вольтамперометрии, в качестве индикаторных широко используются ртутные электроды. Основное достоинство таких жидких электродов - хорошо воспроизводимая поверхность, так как изготовление твердых электродов с одинаковыми свойствами различных участков поверхности является трудной задачей. Применяют стационарные и нестационарные ртутные электроды (ртутный капающий электрод). Стационарный ртутный электрод имеет вид висячей капли или тонкой пленки ртути, нанесенной на металлическую (золото, серебро) или графитовую подложку. Ртутный капающий электрод представляет собой стеклянный капилляр, который соединяется с резервуаром ртути. Под давлением высокого столба ртути ртуть вытекает из капилляра.

Если в электрохимической ячейке протекают электрохимические реакции, то в зависимости от режима работы она может представлять собой гальванический элемент либо электролитическую ячейку (рис. 1.2). В гальваническом элементе происходит превращение энергии химической реакции в электрическую. В таком режиме электрохимическая ячейка работает при потенциометрических измерениях. В электролитической ячейке электрическая энергия, передаваемая извне, преобразуется в химическую. Данный вариант ячейки используется в кулонометрии, электрогравиметрии и вольтамперометрии.

Если во внешней цепи не протекает электрический ток, то потенциал индикаторного электрода подчиняется уравнению Нернста и называется равновесным. Наличие электрического тока в цепи приводит к отклонению величины потенциала электрода от рассчитанной по уравнению Нернста. Такое явление называется поляризацией, а электрод (или электрохимическая ячейка) - поляризованным. Причиной поляризации могут быть как химические, так и физические изменения электродов при прохождении через них электрического тока, медленная скорость переноса вещества к электроду и др. Различают два вида поляризации: концентрационную и кинетическую.

Рис. 1.2 Гальванический элемент (1) и электролитическая ячейка (2)

Концентрационная поляризация, или перенапряжение возникает вследствие медленной диффузии вещества из объёма раствора к поверхности электрода и приводит к уменьшению потенциала электрода. Концентрационная поляризация зависит от концентрации электроактивного вещества и электролита, скорости перемешивания раствора и размера электрода. В том случае, когда измеряют величину равновесного потенциала, концентрационная поляризация является нежелательным процессом, и её стремятся свести к минимуму. Для её устранения, анализируемый раствор постоянно перемешивают и, кроме того, плотность тока на индикаторном электроде должна быть незначительной. В вольтамперометрических методах анализа концентрационная поляризация, наоборот, необходима. В таких методах измерение проводят в разбавленных неперемешиваемых растворах, используя электроды с большой плотностью тока.

Кинетическая поляризация, или активационное перенапряжение (t) обусловлена медленным переносом электронов на поверхности электродов. Кинетическая поляризация уменьшается с понижением силы тока и повышением температуры. Величина кинетической поляризации зависит также от природы окислительно-восстановительной системы и материала электрода (табл. 1.1).

Таблица 1.1 Потенциалы выделения (25^оС) Н₂ из 1М Н₂SO₃ для разных электродов и при различной величине плотности тока

1.2 Классификация

Известно несколько способов классификации электрохимических методов анализа.

Согласно IUPAC различают три группы электрохимических методов анализа:

· методы, в которых не должны приниматься во внимание ни двойной электрический слой, ни какие-либо электродные реакции;

· методы, связанные с явлениями в двойном электрическом слое, но для которых не должны приниматься во внимание никакие электродные реакции;

· методы, связанные с электродными реакциями.

К первой группе методов относится, например, кондуктометрия; второй - метод анализа, основанный на использовании зависимости поверхностного натяжения на границе «электрод - раствор» от концентрации вещества в растворе. Представителями третьей группы электрохимических методов анализа являются: электрогравиметрия, кулонометрия, потенциометрия (методы с применением постоянных факторов возбуждения) и вольтамперометрия (методы с применением переменных факторов возбуждения). В зависимости от наличия электрического тока в цепи электрохимические методы делят на две группы:

· статические,

· динамические.

В случае статических методов сила тока в цепи равна нулю. К этой группе относятся потенциометрические методы, в которых используется зависимость величины электродного потенциала от активности (концентрации) вещества в растворе. В динамических методах в цепи протекает электрический ток. К данной группе электрохимических методов анализа относятся кондуктометрия, кулонометрия, электрогравиметрия, вольтамперометрия.

В табл. 1.2 приведена классификация основных электрохимических методов анализа в зависимости от измеряемого параметра.

Таблица 1.2 Классификация основных электрохимических методов анализа по измеряемому параметру

Электрохимические методы анализа классифицируют по-разному. Классификация, основанная на учете природы источника электрической энергии в системе. Различают две группы методов. -Методы без наложения внешнего (постороннего) потенциала. Источником электрической энергии служит сама электрохимическая система, представляющая собой гальванический элемент (гальваническую цепь). К таким методам относятся потенциометрические методы; электродвижущая сила (ЭДС) и электродные потенциалы в такой системе зависят от содержания определяемого вещества в растворе.

Методы с наложением внешнего (постороннего) потенциала. К таким методам относятся:

о кондуктометрический анализ - основан на измерении электрической проводимости растворов как функции их концентрации;

о вольтамперометрический анализ - основан на измерении тока как функции приложенной известной разности потенциалов и концентрации раствора;

о кулонометрический анализ - основан на измерении количества электричества, прошедшего через раствор, как функции его концентрации;

о электрогравиметрический анализ - основан на измерении массы продукта электрохимической реакции.

* Классификация по способу применения электрохимических методов. Различают прямые и косвенные методы.

- Прямые методы. Измеряют электрохимический параметр как известную функцию концентрации раствора и по показанию соответствующего измерительного прибора находят содержание определяемого вещества в растворе.

- Косвенные методы. Методы титрования, в которых окончание титрования фиксируют на основании измерения электрических параметров системы.

В соответствии с данной классификацией различают, например, прямую кондуктометрию и кондуктометрическое титрование, прямую потенциометрию и потенциометрическое титрование и т.д.

электрохимический лекарственный качество хроматография

Глава 2. Традиционные методы изучения лекарств

Традиционные стандартные методы оценки качества лекарственных препаратов включают спектрофотометрию в УФ, видимой и средней ИК-области, флуоресцентные методы (в сочетании с модификациями квантовыми точками для визуализации), спектроскопию ядерного магнитного резонанса высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ, HPLC), газовую хроматографию, иммуноанализ (анализ с применением соответствующих антител), различные модификации масс-спектрометрических методов, а также комбинации методов, такие как HPLC/UV детектирование, HPLC-MS/MS анализ.

Современным направлением спектрофотометрии, используемым для анализа сложных многокомпонентных смесей лекарственных средств, является хемометрические подходы с привлечением математической обработки спектров, например, методом главных компонент.

Для анализа макролидных, тетрациклиновых и пептидных антибиотиков используется планарная тонкослойная хроматография (ТСХ).

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ, HPLC) за последние десятилетия во многом определила заметный прогресс в фармации и практической медицине. ВЭЖХ как универсальный и высокочувствительный метод анализа, позволяет одновременно осуществлять контроль за содержанием нескольких лекарственных веществ, вспомогательных компонентов и возможных токсичных примесей в многокомпонентных системах, отличаясь при этом высокой точностью и воспроизводимостью.

Масс-спектрометрия - метод анализа, позволяющий определить молекулярную массу, молекулярную формулу и строение вещества. Его отличают высокая селективность, чувствительность и точность. Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации молекул веществ, разделении ионов с разным отношением массы m к заряду z (m/z) и их регистрации. Абсолютная чувствительность характеризует минимальное количество вещества в граммах или молях, необходимое для получения масс-спектра, относительная чувствительность - способность прибора определять данный компонент в смеси. Абсолютная чувствительность современных масс-спектрометров составляет 10^?14 - 10^?12 г, в некоторых случаях этот показатель может быть еще меньше. Так, при использовании ионизации электрораспылением качественный масс-спектр можно получить при наличии 10 пг/л.

С помощью масс-спектрометрии можно анализировать высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды, синтетические полимеры, композиции для адресной доставки лекарств). Масс-спектрометрия может быть применена для работы с биологическими жидкостями с целью терапевтического лекарственного мониторинга. К недостаткам метода относится то, что анализируемое вещество должно обладать достаточной способностью к ионизации (летучестью) и термической стабильностью, а также отсутствие или низкая интенсивность в спектрах многих соединений сигнала молекулярного иона затрудняет идентификацию. Кроме того, анализ многокомпонентных систем сопряжен со сложной идентификацией целевого лекарственного средства в анализируемом образце.

Для анализа качества лекарственных препаратов активно внедряются экспресс-методы. Применение экспресс-методов необходимо также в связи с присутствием на фармацевтическом рынке лекарственных веществ, не отвечающих нормативным требованиям, включая контрафактную продукцию. Трудоемкость анализа и возможная погрешность при сопоставлении результатов, полученных в разных лабораториях и на разном оборудовании, диктуют необходимость применения более универсальных, экономичных и экспрессных методов контроля.

Глава 3. Электрохимический анализ лекарственных средств

Исследование некоторых лекарственных веществ.

Электрохимический анализ является строго количественным, что позволяет рассчитать количество электроактивного соединения в пробе. Электроанализ с использованием наноматериалов, которые относятся, по современной терминологии, к «передовым, продвинутым материалам» (advanced materials), является одним из наиболее чувствительных, экономичных и информативных методов в современной аналитической химии, биохимии, фармакологии. Электроанализ лекарственных препаратов основан на реакции присоединения/отдачи электронов, поставляемых электродом (реакции электроокисления/электровосстановления) и регистрации концентрационно-зависимой амплитуды тока при потенциале окисления/восстановления препарата. Для проведения электроанализа возможно использование различных типов стационарных электродов: стеклоуглеродных, графитовых, золотых, допированных бором алмазных.

Широко используются 3-х контактные печатные электроды - одноразовые, промышленно выпускаемые графитовые электроды, получаемые последовательным нанесением на пластиковую основу проводящих слоев и изоляции методом трафаретной печати (ПГЭ). Алгоритм анализа лекарственных препаратов с использованием электродов, получаемых методом трафаретной печати, заключается в проведении эксперимента в горизонтальном режиме измерений, что позволяет использовать минимальное количество пробы (60 мкл анализируемого раствора).

Были проанализированы лекарственные препараты с различным фармакологическим действием: ацетаминофен, диклофенак, ибупрофен, эритромицин, омепразол.

Самым востребованным классом лекарственных препаратов, используемых современной медициной, являются обезболивающие средства.

Таблица 3.1 Возможности электрохимических методов при анализе биологических объектов и лекарственных препаратов

При всем разнообразии лекарств, представленных на современном фармакологическом рынке, спектр лекарственных средств, обладающих прямым обезболивающим действием, не столь велик и ограничивается, по сути, тремя группами лекарственных препаратов. Это ацетаминофен (парацетамол), нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) и опиоидные анальгетики. Ацетаминофен (парацетамол, N - ацетил-п-аминофенол) - слабая органическая кислота с рК = 9.5 (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Схема электрохимического окисления ацетаминофема (парацетамола)

Использование углеродных наноматериалов (углеродных нанотрубок, оксида графена, графена, допированного азотом) позволяет повысить аналитические характеристики сенсорных систем. Наиболее чувствительный сенсор с пределом определяемых концентраций ацетаминофена до 9 х 10^-12 М и широким диапазоном 0.0002 - - 15 мкМ описан в работе. Авторы использовали стеклоуглеродный электрод, модифицированный многостеночными углеродными нанотрубками.

Диклофенак («Вольтарен», «Вурдон», «Диклак», «Диклоберл», «Диклофенак», «Диклофенак Ретард», «Долекс», «Клодифен», «Наклофен», «Олфен», «Ортофен») - нестероидный противовоспалительный препарат (НПВП) из группы производных фенилуксусной кислоты. В лекарственных формах используется в виде натриевой соли. Диклофенак назначают при многих заболеваниях, таких как ревматоидный артрит, остеоартрит, различные воспалительные процессы. В некоторых случаях этот препарат может вызывать нежелательные побочные (явления) эффекты, такие как повышение артериального давления у пациентов с синдромом Шая-Драгера и сахарным диабетом, а также желудочные кровотечения или перфорацию. При длительном приеме диклофенака может развиться инфаркт или инсульт . В связи с этим анализ диклофенака и его метаболитов в биологических жидкостях является активно развивающейся областью биоаналитической химии. Электрохимические методы анализа диклофенака основаны на вольтамперометрическом анализе (квадратно-волновая или дифференциальная импульсная вольтамперометрия) с использование модифицированных электродов.

Омепразол (omeprazole, Омез) (рис. 3) лекарственное средство, угнетающее секрецию желудочной кислоты (относится к ингибиторам протонной помпы) и используемое при лечении язв желудка часто совместно с макролидными антибиотиками эритромицином или кларитромицином для угнетения Helicobacter pylori. Показана возможность регистрации омепразола с помощью электроанализа. В наших экспериментах при использовании электродов, модифицированных стабильными дисперсиями УНТ, электроокисление омепразола наблюдается при потенциале 0.70 В (рис. 3.2). Диапазон определяемых концентраций составляет 20 мкМ ч 1 мМ.

Рисунок 3.2. Структурная формула Омепразола.

Ибупрофен ((RS)-2-(4-изобутилфенил)-пропионовая кислота) - НПВП из группы производных пропионовой кислоты, обладает болеутоляющим и жаропонижающим действием. В России ибупрофен зарегистрирован под торговым названием «Нурофен». Этот препарат обладает хорошей переносимостью и малым риском развития осложнений, а также оказывает жаропонижающие и противовоспалительные эффекты, что позволяет его широко использовать в клинической практике. Механизм электрохимического окисления ибупрофена представлен на рисунке 3.3

Рисунок 3.3 Схема электрохимического окисления ибупрофена.

Механизм электрохимического окисления эритромицина (рис. 3.4) и заключается в постадийном двухэлектронном окислении N-метильной группы. Для электрохимической регистрации эритромицина используют модифицированные углеродными наноматериалами электроды. Наночастицы ацетилена черного (Acetylene black nanoparticle) применены для модификации стеклоуглеродного электрода (СУЭ/АБ). Наночастицы ацетилена черного представляют собой материал с пористой структурой, большой поверхностью, хорошей электропроводностью и высокими адсорбционными свойствами. Регистрация эритромицина по окислительному пику при 0.77 В продемонстрирована в диапазоне концентраций 0.2 - 10 мкM.

Рисунок 3.4 Химическая структура эритромицина.

Размещено на Allbest.ru