ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНАНТИОМЕРОВ ТИРОЗИНА Российский патент 2024 года по МПК G01N27/333 

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно совершенствованию количественного определения энантиомеров оптически активной аминокислоты – тирозина (Tyr) – в модельных растворах, таблетированных формах, а также в присутствии неэлектроактивных аминокислот, входящих в состав спортивного питания.

Энантиомерная чистота Tyr является важным показателем качества биологически активной добавки «Тирозин», т.к. из ее двух существующих оптических D- и L-изомеров, только последний изомер участвует в синтезе белков, нативных иммунодепрессантов, липидном и углеводном обмене, регулирует выработку нейромедиаторов и гормонов, формировании иммунного отклика и нормализации процессов эндокринной, сердечно-сосудистой и центральной нервной системы (ЦНС). Препараты, содержащие Tyr, выпускаются большим количеством производителей, поэтому экспрессный, высокоэффективный и недорогой контроль качества, способный определять энантиомерную чистоту содержащегося Tyr, является востребованным. Аналитические электрохимические методы, известные своей доступностью и оперативностью, способны решать указанную задачу только в сочетании с энантиоселективными вольтамперометрическими сенсорами, от параметров которых зависит не только качество определения энантиомерной чистоты содержащегося в препаратах тирозина, но и соблюдение прочих параметров, предъявляемых к анализу.

1. Существуют сенсоры для селективного распознавания и определения энантиомеров тирозина на основе следующих хиральных модификаторов:

- Tei/Cu@Pt/SWCNTs-MoS₂/GCE [J. Song, P. Ran, F. Mo, J. Wu and Y. Fu, A Facile and Sensitive Electrochemical Analysis Based on Flower-Like Nanocomposite Supported Teicoplanin as the Recognition Element for Tyrosine Enantiomers //J. Electrochem. Soc. 2019, vol. 166, pp. B426–B431];

- MOF@CCQD/NiF [Y. Hou, Z. Liu, L. Tong, L. Zhao, X. Kuang, R. Kuang and H. Ju, One-step Electrodeposition of MOF@CCQDs/NiF Electrode for Chiral Recognition of Tyrosine Isomers // Dalton Trans. 2020, vol. 49, pp. 31-34];

- MOF@CS/GCE [L. Tong, X. Kuang, Q. Duan and X. Zheng, Nanofiber Membrane for Chiral Detection of Tyrosine Enantiomer // Starch – Stärke. 2021, vol. 73, pp. 2100112];

- CS-SA/GCE [H. Pei, F. Chen, X. Niu, Q. Jia, R. Guo, N. Liu and Z. Mo Self-assembled chitosan-sodium alginate composite material for electrochemical recognition of tyrosine isomers // J. Electroanal. Chem. 2021, vol. 895, pp. 115525];

- SS-CS/GCE [J. Zou, X.-Q. Chen, G.-Q. Zhao, X.-Y. Jiang, F.-P. Jiao and J.-G. Yu, A novel electrochemical chiral interface based on the synergistic effect of polysaccharides for the recognition of tyrosine enantiomers // Talanta 2018, pp. 1-32];

- PEC–CB–PTCA [Yu. A. Yarkaeva, D. I. Dubrovskii, R. A. Zil’berg, V. N. Maistrenko and V. M. Kornilov, A Voltammetric Sensor Based on a 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic Acid Composite for the Recognition and Determination of Tyrosine Enantiomers // J. Anal. Chem. 2020, vol. 75, pp. 1537-1545];

- HS-β-CD/Au@Pd/C₆₀-L-Cys/GCE [J. Ma, C. Yang, S. Zhu, J. Song and Y. Fu, A new nanomatrix based on functionalized fullerene and porous bimetallic nanoparticles for electrochemical chiral sensing // New J. Chem. 2018, vol. 42, pp. 9801-9807];

- GCBE/CA [R. A. Zil’berg, V. N. Maistrenko, L. R. Kabirova, V. Yu. Gus’kov, E. M. Khamitov and D. I. Dubrovskii, A Chiral Voltammetric Sensor Based on a Paste Electrode Modified by Cyanuric Acid for the Recognition and Determination of Tyrosine Enantiomers // J. Anal. Chem. 2020, vol. 75, pp. 101-110].

- Mal-βCD/BP NSs/GCE [Zou, J. Immobilization of 6-O-α-maltosyl-β-cyclodextrin on the surface of black phosphorus nanosheets for selective chiral recognition of tyrosine enantiomers / J. Zou, X.-W. Lan, G.-Q. Zhao [et al.] // Microchim. Acta. - 2020. - V.187. - 636];

Сравнение аналитических характеристик приведено в таблице 1

Таблица 1

Сенсор Предел обнаружения, моль/л Линейный диапазон определяемых концентраций, моль/л i_p1/i_p2 ΔE_p, мВ Срок хранения, дни Tei/Cu@Pt/SWCNTs-MoS₂/GCE 4.70⋅10^-3 для D-Тyr
3.20⋅10^-3 для L-Тyr 1⋅10^-4–5⋅10^-3 1.94 10 15 MOF@CCQD/NiF 6.12⋅10^-6 для D-Тyr
9.85⋅10^-7 для L-Тyr 2⋅10^-4–1.2⋅10^-3 1.62 45 14 MOF@CS/GCE 3⋅10^-8 для L-Тyr 3⋅10^-7–1.0⋅10^-5 14.5 - 7 CS-SA/GCE 1.07⋅10^-7 для D-Тyr
2.90⋅10^-8 для L-Тyr 1⋅10^-4–3⋅10^-3 1.63 56 - MPC-SCD/GCE 2.00⋅10^-7 для D-Тyr
2.60⋅10^-7 для L-Тyr 1⋅10^-6–5⋅10^-4 1.12 - - SS-CS/GCE 3.5⋅10^-7 для L-Тyr 4.2⋅10^-7 для D-Тyr 1.0⋅10^-5–1.0⋅10^-4 1.38 12 PEC–CB–PTCA 2.39⋅10^–6 для L-Тyr
2.03⋅10^–6 для D-Тyr 6.25⋅10^–6 –1.0⋅10^-3 1.24 30 - HS-β-CD/Au@Pd/C₆₀-L-Cys/GCE 2.10⋅10^-5 для D-Тyr
3.30⋅10^-5 для L-Тyr 1⋅10^-4–5⋅10^-3 1.59 0 1 GCBE/CA 3.9⋅10^-6 для L-Тyr
2.0⋅10^-6 для D-Тyr 1.6⋅10^-5–1⋅10^-3 1.79 50 - Mal-βCD/BP NSs/GCE 4.8⋅10^-6 для L-Тyr
6.9⋅10^-6 для D-Тyr 1.0⋅10^-5–1⋅10^-4 1.51 20 14

Среди сенсоров, описанных ранее в литературе, можно выделить основные ограничения их применения: низкая стабильность, высокий предел обнаружения, узкий линейный диапазон концентраций, низкое значение разности потенциалов (ΔE_p), а также коэффициента энантиоселективности (i_p1/i_p2).

Существуют сенсоры для селективного распознавания и определения энантиомеров тирозина на основе молекулярного импринтинга (МИП):

- Polypyrrole, Ni electrode MIP [H.-J. Liang, T.-R. Ling, J. F. Rick and T.-C. Chou, Molecularly imprinted electrochemical sensor able to enantroselectivly recognize d and l-tyrosine // Anal. Chim. Acta 2005, vol. 542, pp. 83–89];

- MIP/pTH/Au@ZIF67 [B. Chen, Y. Zhang, L. Lin, H. Chen and M. Zhao, Au nanoparticles @metal organic framework/polythionine loaded with molecularly imprinted polymer sensor: Preparation, characterization, and electrochemical detection of tyrosine // J. Electroanal. Chem. 2020, vol. 863, pp. 114052];

- MIP-OECTs [L. Zhang, G. Wang, C. Xiong, L. Zheng, J.-B. He, Y. Ding, H. Lu, G. Zhang, K. Cho and L. Qiu, Chirality detection of amino acid enantiomers by organic electrochemical transistor // Biosens. Bioelectron. 2018, vol. 105, pp. 121–128];

- In situ copper oxide modified MIPPy [V. Saumya, K. P. Prathish and T. P. Rao In situ copper oxide modified molecularly imprinted polypyrrole film based voltammetric sensor for selective recognition of tyrosine // Talanta, 2011, vol. 85, pp. 1056–1062];

- MIP/RGO [W. Zheng, M. Zhao, W. Liu, S. Yu, L. Niu, G. Li, H. Li and W. Liu, Electrochemical sensor based on molecularly imprinted polymer/reduced graphene oxide composite for simultaneous determination of uric acid and tyrosine // J. Electroanal. Chem. 2018, vol. 813, pp. 75–82].

В таблице 2 представлены аналитические характеристики МИП сенсоров, описанных в литературе.

Таблица 2

Сенсор Предел обнаружения, моль/л Линейный диапазон определяемых концентраций, моль/л i_p1/i_p2 ΔE_p, мВ Polypyrrole, Ni electrode MIP – 5.0⋅10^-3 – 4.5⋅10^-2 9.4 – MIP/pTH/Au@ZIF67 7.9⋅10⁻¹⁰ 1.0⋅10⁻⁸ – 4.0⋅10⁻⁶ – – MIP-OECTs 3.0⋅10^-8 3.0⋅10⁻⁷ – 1.0⋅10⁻⁵ 17.2 – In situ copper oxide modified MIPPy 4.0⋅10⁻⁹ 1.0 10⁻⁸ – 1.0⋅10⁻⁶
2.0⋅10⁻⁶ – 8.0⋅10⁻⁶ – – MIP/RGO 4.6⋅10^-8 1.0⋅10^-7 – 4.0⋅10^-4 – –

Данные МИП-сенсоры имеют сложную методику изготовления и необходимость качественного удаления молекул темплатов для получения воспроизводимых результатов, что является их ключевыми недостатками.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка экспрессного, недорогостоящего, стабильного, высокочувствительного энантиоселективного вольтамперометрического сенсора, обладающего возможностью определять энантиомерную чистоту биологически активной добавки «Тирозин» в модельных растворах, таблетированных формах и присутствии неэлектроактивных аминокислот, входящих в состав спортивного питания с помощью дифференциально-импульсной вольтамперометрии (ДИВ).

Техническим результатом изобретения является возможность определения содержания индивидуальных энантиомеров оптически активного действующего вещества биологически активной добавки «Тирозин» в модельных растворах, таблетированных формах различных производителей, а также присутствии неэлектроактивных аминокислот, входящих в состав спортивного питания с использованием вольтамперометрического метода.

Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается за счет применения энантиоселективного вольтамперометрического сенсора на основе пастового электрода из графитированной термической сажи Carboblack C и гомохирального цеолита MFI с размером каналов порядка 5.6 ~ 7.6 Å, применяемого в качестве хирального селектора, перемешанных с пастообразующим связующим – скваланом, взятых в соотношении Carboblack C : MFI — 1 : 0.06 г (масс.).

В предложенном техническом решении в качестве хирального селектора использован гомохиральный цеолит MFI с размером каналов порядка 5.6 ~ 7.6 Å, на пересечении которых образуются «хиральные ячейки», - обеспечивающие энантиочувствительность, преимуществом которого является стабильность на воздухе и в водных растворах, что обеспечивает более длительный срок хранения предложенного сенсора, по сравнению с другими, описанными в литературе (Таблица 4).

Хиральный модификатор (или селектор) гомохиральный цеолит MFI обеспечивает более низкий предел обнаружения, широкий линейный диапазон концентраций, высокий коэффициент энантиоселективности (i_p1/i_p2), большую разность Red/Ox потенциалов (ΔE_p), а также имеет низкую себестоимость, по сравнению с другими хиральными модификаторами, описанными в литературе (Таблица 4).

При сопоставимых значениях линейного диапазона определяемых концентраций в сравнении с сенсорами выполненными по сложной технологии молекулярного импринтинга энантиоселективность предложенного сенсора достигается изотропностью распределения гомохирального цеолита MFI, выполняющего роль хирального модификатора, в объеме пасты на основе графитированной термической сажи Carboblack C при помощи простой процедуры механического перемешивания (Таблица 4).

Предложенный энантиоселективный вольтамперометрический сенсор состоит из следующих основных компонентов (не менее трех) – тела сенсора, выполненного из цилиндрического политетрафторэтиленного корпуса и платиновой проволоки в качестве электрического коллектора, графитированной термической сажи Carboblack C и хирального селектора – гомохирального цеолита MFI с размером каналов порядка 5.6 ~ 7.6 Å, который придает сенсору способность к детектированию аналитического сигнала энантиомеров тирозина. Сквалан используется для связывания цеолита MFI и графитированной термической сажи Carboblack С в пастообразную массу.

Реализацию предложенного хирального сенсора иллюстрируют следующие примеры:

1) Методика приготовления MFI@ГПЭ

Пастообразный электрод MFI@ГПЭ готовили путем тщательного перемешивания 1 г графитированной термической сажи Carboblack C с 0.06 г цеолита MFI. К полученной смеси добавляли 2 капли сквалана и снова перемешивали. Подготовленная паста переносилась в полость трубки электрода (диаметр 2.5 мм).

В таблице 4 представлены аналитические характеристики предложенного сенсора для распознавания и определения L- и D-энантиомеров Tyr (n = 5, P = 0.95).

Таблица 4

Сенсор MFI@ГПЭ Предел обнаружения, моль/л 5.47·10^-7 для D-Tyr
9.54·10^-7 для L-Tyr Линейный диапазон определяемых концентраций, моль/л 5·10^-6–1·10^-3 i_p1/i_p2 1.67 ΔE_p, мВ 40 Относительное стандартное отклонение, % 0.9–3.1 в модельных растворах
1.0–3.5 в присутствии вспомогательного компонента – целлюлозы
1.0–3.7 в присутствии вспомогательного компонента – стеарата магния
0.9–3.7 в присутствии вспомогательного компонента – оксида кремния
1.0–3.4 в присутствии вспомогательного компонента – крахмала
1.0–3.3 в присутствии мешающей аминокислоты – лейцина
1.3–3.6 в присутствии мешающей аминокислоты – пролина
1.3–3.9 в присутствии мешающей аминокислоты – изолейцина
1.2–3.2 в присутствии мешающей аминокислоты – треонина
1.3–3.4 в присутствии мешающей аминокислоты – фенилаланина
1.3–3.5 в присутствии мешающей аминокислоты – цистин
1.2–3.2 в присутствии мешающей аминокислоты – аргинин
1.0–3.6 в присутствии мешающей аминокислоты – глутамина Правильность, % 99.7–101.1 в модельных растворах
99.7–101.1 в присутствии вспомогательного компонента – стеарата магния
97.8–99.9 в присутствии вспомогательного компонента – оксида кремния
97.8–99.9 в присутствии вспомогательного компонента – крахмала
98.9–100.0 в присутствии мешающей аминокислоты – лейцина
97.8–99.9 в присутствии мешающей аминокислоты – пролина
95.6–99.7 в присутствии мешающей аминокислоты – изолейцина
98.9–100.0 в присутствии мешающей аминокислоты – треонина
97.8–99.9 в присутствии мешающей аминокислоты – фенилаланина
95.6–99.7 в присутствии мешающей аминокислоты – цистин
97.8–99.9 в присутствии мешающей аминокислоты – аргинин
95.6–99.9 в присутствии мешающей аминокислоты – глутамина Срок хранения, дни 30

Из представленных в Таблице 4 аналитических характеристик следует, что разработанный энантиоселективный вольтамперометрический сенсор обладает хорошей стабильностью, широким линейным диапазоном определяемых концентраций, высоким коэффициентом энантиоселективности (i_p1/i_p2), разностью потенциалов (ΔE_p), а также низким пределом обнаружения, что позволяет проводить высокоточное количественное определение энантиомеров тирозина в модельных растворах, таблетированных формах и в присутствии неэлектроактивных аминокислот, входящих в состав спортивного питания. Разработанный сенсор характеризуется низкой стоимостью, простотой изготовления, доступностью, воспроизводимостью результатов анализа, а также возможностью проведения анализа в полевых условиях.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к количественному определению энантиомеров оптически активной аминокислоты – тирозина в модельных растворах, таблетированных формах, а также присутствии неэлектроактивных аминокислот, входящих в состав спортивного питания. Энантиоселективный вольтамперометрический сенсор изготовлен на основе пастового электрода из графитированной термической сажи Carboblack C и гомохирального цеолита MFI с размером каналов порядка 5,6 ~ 7,6 Å, применяемого в качестве хирального селектора, перемешанных с пастообразующим связующим - скваланом, взятых в соотношении Carboblack C/MFI - 1/0,06 г (масс.). Техническим результатом является возможность определения содержания индивидуальных энантиомеров оптически активного действующего вещества биологически активной добавки «Тирозин». 3 табл.

Энантиоселективный вольтамперометрический сенсор на основе пастового электрода из графитированной термической сажи Carboblack C, и гомохирального цеолита MFI с размером каналов порядка 5,6 ~ 7,6 Å, применяемого в качестве хирального селектора, перемешанных с пастообразующим связующим - скваланом, взятых в соотношении Carboblack C/MFI - 1/0,06 г (масс.).