ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНАНТИОМЕРОВ ТРИПТОФАНА Российский патент 2024 года по МПК G01N27/30 

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно совершенствованию количественного определения энантиомеров оптически активной аминокислоты – триптофана (Trp) – в модельных растворах, биологических жидкостях, а также биологически активных добавках без предварительного его выделения из таблетированных форм.

Энантиомерная чистота Trp является важным показателем качества биологически активной добавки «Триптофан», т.к. из ее двух существующих оптических D- и L-изомеров, только последний изомер участвует в синтезе белков, пептидных антибиотиков, нативных иммунодепрессантов, формировании иммунного отклика и нормализации процессов центральной нервной системы (ЦНС). Препараты, содержащие Trp, выпускаются большим количеством производителей, поэтому экспрессный, высокоэффективный и недорогой контроль качества, способный определять энантиомерную чистоту содержащегося Trp является, востребованным. Аналитические электрохимические методы, использующие энантиоселективные вольтамперометрические сенсоры, в полной мере отвечают предъявляемым к анализу требованиям. При этом именно энантиоселективные вольтамперометрические сенсоры отвечают за качество определения энантиомерной чистоты содержащегося в препаратах триптофана.

Существуют сенсоры для селективного распознавания и определения энантиомеров триптофана на основе пастового электрода с различными модификаторами, такими как:

- 3-Neomenthylindene [L.R. Zagitova, V.N. Maistrenko, Y.A. Yarkaeva, V.V. Zagitov, R.A. Zilberg, P.V. Kovyazin and L.V. Parfenova Novel chiral voltammetric sensor for tryptophan enantiomers based on 3-neomenthylindene as recognition element // J. Electroanal. Chem., 2021, vol. 880, pp. 114939–114949];

- SnO₂-Co₃O₄@rGO/IL [H. Zeinali, H. Bagheri, Z. Monsef-Khoshhesab, H. Khoshsafar and A. Hajian Nanomolar simultaneous determination of tryptophan and melatonin by a new ionic liquid carbon paste electrode modified with SnO₂-Co₃O₄@rGO nanocomposite // Mater. Sci. Eng. C, 2017, vol. 71, pp. 386–394];

- SiO₂ nanoparticles [M. Xu, M. Ma and Y. Ma Electrochemical determination of tryptophan based on silicon dioxide nanoparticles modified carbon paste electrode // Russ. J. Electrochem. 2012, vol. 48, pp. 489–494];

- BTPM [Y.A. Yarkaeva, E.N. Islamuratova, L.R. Zagitova, V.Y. Gus’kov, R.A. Zil’berg and V.N. Maistrenko A sensor for the recognition and determination of tryptophan enantiomers based on carbon-paste electrode modified by enantiomorphic crystals of bromotriphenylmethane // J. Anal. Chem. 2021, vol. 76, pp. 1345–1354];

- Ni NPs/N-C [P. Deng, X. Nie, Y. Wu, Y. Tian, J. Li and Q. He A cost-saving preparation of nickel nanoparticles/nitrogen-carbon nanohybrid as effective advanced electrode materials for highly sensitive tryptophan sensor // Microchem. J., 2021, vol. 160, pp. 105744];

- CPE/CNF [X. Tang, Y. Liu, H. Hou, T. You Electrochemical determination of L-tryptophan, L-tyrosine and L-cysteine using electrospun carbon nanofibers modified electrode, Talanta, 2010, vol. 80, pp. 2182–2186]. Срок хранения вышеперечисленных сенсоров представлен в таблице 1.

Таблица 1

Сенсор Срок хранения, дни CPBE/3-Neomenthylindene 5 CPE/SnO₂-Co₃O₄@rGO/IL 14 CPE/SiO₂ nanoparticles 7 CPE/BTPM 6 CPE/Ni NPs/N-C 14 CPE/CNF 1

Основным недостатком модифицированных электродов является низкая стабильность.

Существуют сенсоры для селективного распознавания и определения энантиомеров триптофана на основе следующих хиральных модификаторов:

- 3-neomenthylindene [L.R. Zagitova, V.N. Maistrenko, Y.A. Yarkaeva, V.V. Zagitov, R.A. Zilberg, P.V. Kovyazin and L.V. Parfenova Novel chiral voltammetric sensor for tryptophan enantiomers based on 3-neomenthylindene as recognition element // J. Electroanal. Chem., 2021, vol. 880, pp. 114939–114949];

- Cu₂-β-CD/NH₂-CS-MWCNTs [P. Lei, Y. Zhou, G. Zhang, Y. Zhang, C. Zhang, S. Hong, Y. Yang, C. Dong and S. Shuang A highly efficient chiral sensing platform for tryptophan isomers based on a coordination self-assembly // Talanta, 2019, vol. 195, pp. 306–312];

- β-CD-PtNPs/GNs [Y.-X. Sun, D.-D. Zhang, Y. Sheng, D. Xu, R. Zhang and M. Bradley Supramolecular assembly induced chiral interface for electrochemical recognition of tryptophan enantiomers // Anal. Methods, 2021, vol. 13, pp. 2011–2020];

- MWCNTs-HECS [J. Song, C. Yang, J. Ma, Q. Han, P. Ran and Y. Fu Voltammetric chiral discrimination of tryptophan using a multilayer nanocomposite with implemented amino-modified beta-cyclodextrin as recognition element // Microchim. Acta, 2018, vol. 185, pp. 230];

- GNP-CILE [A. Safavi and S. Momeni Electrocatalytic oxidation of tryptophan at gold nanoparticle-modified carbon ionic liquid electrode // Electroanalysis, 2010, vol. 22, pp. 2848–2855];

- NH₂-β-CD/Au@Pt/PEI/MWCNTs [J. Xu, Q. Wang, C. Xuan, Q. Xia, X. Lin and Y. Fu Chiral recognition of tryptophan enantiomers based on beta-cyclodextrin-platinum nanoparticles/graphene nanohybrids modified electrode // Electroanalysis, 2016, vol. 28, pp. 868–873];

- BTPM [Y.A. Yarkaeva, E.N. Islamuratova, L.R. Zagitova, V.Y. Gus’kov, R.A. Zil’berg and V.N. Maistrenko A sensor for the recognition and determination of tryptophan enantiomers based on carbon-paste electrode modified by enantiomorphic crystals of bromotriphenylmethane // J. Anal. Chem. 2021, vol. 76, pp. 1345–1354]. Сравнение аналитических характеристик приведено в таблице 2.

Таблица 2

Сенсор Предел обнаружения, моль/л Линейный диапазон определяемых концентраций, моль/л i _p1/i_p2 ΔE_p, мВ 3-Neomenthylindene 1.71⋅10^-6 для L-триптофана,
2.23⋅10^-6 для D- триптофана 2.5⋅10^–6 – 3.0·10^–4 1.34 10 Cu₂-β-CD/NH₂-CS-MWCNTs 1.34⋅10^-5 for L- триптофана,
1.85·10^-5 for D- триптофана 1.0⋅10^–4 – 4.0·10^–3 1.64 40 β-CD-PtNPs/GNs 1.7⋅10^-5 для L- триптофана,
2.1⋅10^-5 для D- триптофана 5.00⋅10^-5 – 5.00·10^-3 1.30 - MWCNTs-HECS 1.34⋅10^-5 для L- триптофана,
1.85⋅10^-5 для D- триптофана 5.0⋅10^–3 – 1.0·10^–2 1.15 - GNP-CILE 4.0⋅10^-6 5⋅10^-6 – 9·10^-4 - - NH₂-β-CD/Au@Pt/PEI/MWCNTs 4.3⋅10^-6 для L- триптофана,
5.6⋅10^-6 для D- триптофана 1.0⋅10⁻⁵ − 5.0⋅10⁻³ 1.45 - BTPM 2.09⋅10^-6 для L- триптофана,
1.16⋅10^-6 для D- триптофана 1.00⋅10^–5 – 4.0⋅10^–4 1.14 20

Среди сенсоров, описанных ранее в литературе, можно выделить основные ограничения их применения: 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 триптофана на основе молекулярного импринтинга (МИП):

- Nafion-MIP-MWCNTs@IL [Y. Xia, F. Zhao and B. Zeng A molecularly imprinted copolymer based electrochemical sensor for the highly sensitive detection of L-tryptophan // Talanta, 2020, vol. 206, pp. 120245];

- MIP-MWCNTs [Y. Wu, P. Deng, Y. Tian, Z. Ding, G. Li, J. Liu, Z. Zuberi and Q. He Rapid recognition and determination of tryptophan by carbon nanotubes and molecularly imprinted polymer-modified glassy carbon electrode // Bioelectrochemistry, 2020, vol. 131, pp. 107393];

- MIP/ABPE [T. Deng, W. Ding, Li. Liu and He A simple and efficient molecularly imprinted electrochemical sensor for the selective determination of tryptophan // Biomolecules, 2019, vol. 9, pp. 294];

- ABPE/GR [P. Deng, Z. Xu and Y. Feng Acetylene black paste electrode modified with graphene as the voltammetric sensor for selective determination of tryptophan in the presence of high concentrations of tyrosine // Mater. Sci. Eng. C., 2014, vol. 35, pp. 54–60];

- MIP/CNT-CPE [M. Akhoundiana, T. Alizadeha, M.R. Ganjalia and P. Norouzia Ultra-trace detection of methamphetamine in biological samples using FFT square wave voltammetry and nano-sized imprinted polymer/MWCNTs-modified electrode // Talanta, 2019, vol. 200, pp. 115–123].

В таблице 3 представлены аналитические характеристики МИП сенсоров, описанных в литературе.

Таблица 3

Сенсор Предел обнаружения, моль/л Линейный диапазон определяемых концентраций, моль/л i _p1/i_p2 ΔE_p, мВ Nafion-MIP-MWCNTs@IL 6.0⋅10^-9 8.0⋅10^-9 – 2.6·10^-5 14.1 - MIP-MWCNTs 1.0⋅10^-9 2.0⋅10^-9 – 1.0⋅10^-4 1.50 - MIP/ABPE 8.0⋅10^-9 1.0⋅10^-8 – 4⋅10^-6
4⋅10^-6 – 2.0⋅10^-5
2.0⋅10^-5 – 1.0⋅10^-4 3.50 - ABPE/GR 6.0⋅10^-8 1.0⋅10^-7 –1.0⋅10^-4 0.58 - MIP/CNT-CPE 8.3⋅10^-10 1.0⋅10^-8 - 1.0⋅10^-6
3.0⋅10^-6 - 1.0⋅10^-4 - 115

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 «Триптофан» в модельных растворах, таблетированных формах и биологических жидкостях с помощью дифференциально-импульсной вольтамперометрии (ДИВ).

Техническим результатом изобретения является возможность определения содержания индивидуальных энантиомеров оптически активного действующего вещества биологически активной добавки «Триптофан» в модельных растворах, биологических жидкостях и таблетированных формах различных производителей с использованием вольтамперометрического метода.

Поставленная задача решается, а указанный технический результат достигается энантиоселективным вольтамперометрическим сенсором для определения энантиомеров триптофана на основе пастового электрода из графитированной термической сажи Carboblack C, предварительно модифицированной хиральным октаэдрическим комплексом кобальта(III) Λ-конфигурации с хлорид-анионом на основе коммерчески доступных (R,R)-1,2-циклогександиамина и 3,5-дитретбутилсалицилового альдегида, взятым в соотношении 1 массовая часть комплекса на 100 массовых частей Carboblack C.

В предложенном техническом решении в качестве хирального селектора использован октаэдрический комплекс кобальта(III) Λ-конфигурации с хлорид-анионом Λ(R,R)-Co-Cl, 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) Λ(R,R)-Co-Cl 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, энантиоселективность обеспечивается простой процедурой нанесения хирального модификатора Λ(R,R)-Co-Cl на частицы графитированной термической сажи Carboblack C без задействования методики молекулярного импринтинга (Таблица 4).

Предложенный энантиоселективный вольтамперометрический сенсор состоит из не менее трех основных компонентов – тела сенсора, выполненного из цилиндрического политетрафторэтиленного корпуса и платиновой проволоки в качестве электрического коллектора, графитированной термической сажи Carboblack C и хирального селектора – энантиомерно чистого октаэдрического комплекса кобальта(III) Λ-конфигурации с хлорид-анионом на основе (R,R)-1,2-циклогександиамина и 3,5-дитретбутилсалицилового альдегида (Λ(R,R)-Co-Cl), который придает сенсору способность к детектированию аналитического сигнала L-2-амино-3-(1H-индол-3-ил)пропионовой кислоты. Для связывания модифицированной хиральным комплексом кобальта(III) графитированной термической сажи Carboblack С и создания пастообразной массы используется сквалан.

Реализацию предложенного хирального сенсора иллюстрируют следующие примеры:

1) Методика приготовления Λ(R,R)-Co-Cl@CBPE

Для приготовления пастообразного электрода 1 мг комплекса кобальта(III) Λ(R,R)-Co-Cl растворяли в 1 мл хлороформа. К раствору комплекса добавляли 100 мг сажи Carboblack C и затем энергично перемешивали полученную смесь в течение 1 часа. После этого растворитель выпаривали, а оставшийся твердый порошок сушили в сушильном шкафу при 50 °C в течение 15 минут. Для образования однородной пасты к модифицированному Carboblack C добавляли две капли сквалана с последующим перемешиванием.

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

Таблица 4

Сенсор Λ(R,R)-Co-Cl@CBPE Предел обнаружения, моль/л 3.30⋅10^-6 для L-триптофана,
2.42⋅10^-6 для D-триптофана Линейный диапазон определяемых концентраций, моль/л 1.00⋅10^-6 – 5.00⋅10^-4 i _p1/i_p2 1.36 ΔE_p, мВ 35 Относительное стандартное отклонение, % 1.0–4.4 в модельных растворах
1.4–5.4 в плазме крови
1.4–5.1 в моче
1.3–5.2 для L-триптофана в пантотенате кальция, гидрохлориде пиридоксина (производитель: ЭВАЛАР)
2.0–2.1 для L-триптофана (Производитель: Scitec Nutrition)
3.3–6.2 для L-триптофана в стеариновой кислоте (производитель: NOW International) Правильность, % 99.9–103.3 в модельных растворах
97.0–105.4 в плазме крови
97.0–100.0 в моче
101.9–104.4 для L-триптофана в пантотенате кальция, гидрохлориде пиридоксина (производитель: ЭВАЛАР)
102.2–105.4 для L-триптофана (Производитель: Scitec Nutrition)
101.1–103.9 для L-триптофана в стеариновой кислоте (производитель: NOW International) Срок хранения, дни 15

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 триптофана в модельных растворах, биологических жидкостях и биологически активных добавках без предварительного выделения активного вещества из таблетированных форм. Разработанный сенсор характеризуется низкой стоимостью, простотой изготовления, доступностью, а также воспроизводимостью результатов анализа.

Изобретение относится к области аналитической химии. Раскрыт энантиоселективный вольтамперометрический сенсор для определения энантиомеров триптофана на основе пастового электрода из графитированной термической сажи Carboblack C, предварительно модифицированной хиральным энантиомерно чистым октаэдрическим комплексом кобальта(III) Λ-конфигурации с хлорид-анионом на основе (R,R)-1,2-циклогександиамина и 3,5-дитретбутилсалицилового альдегида, взятым в соотношении 1 массовая часть комплекса на 100 массовых частей Carboblack C. Изобретение обеспечивает возможность определения содержания индивидуальных энантиомеров оптически активного действующего вещества в биологически активной добавке «Триптофан» в модельных растворах, в биологических жидкостях и в таблетированных формах различных производителей с использованием вольтамперометрического метода. 4 табл., 1 пр.

Энантиоселективный вольтамперометрический сенсор для определения энантиомеров триптофана на основе пастового электрода из графитированной термической сажи Carboblack C, предварительно модифицированной хиральным энантиомерно чистым октаэдрическим комплексом кобальта(III) Λ-конфигурации с хлорид-анионом на основе (R,R)-1,2-циклогександиамина и 3,5-дитретбутилсалицилового альдегида, взятым в соотношении 1 массовая часть комплекса на 100 массовых частей Carboblack C.