Вольтамперометрический способ качественного анализа меда Российский патент 2024 года по МПК G01N27/48 C23F1/18 

Богатый состав меда биологически активными соединениями делает мед пищевым продуктом, который высоко ценится в любой стране благодаря своим питательным и полезным свойствам.

Производство продуктов питания зачастую подвержено различным видам фальсификации и мошеннической маркировки, что требует создания точных, быстрых и недорогих аналитических методов оценки качества меда, его подлинности. Одним из важных требований к методикам анализа является их экспрессность.

Наряду с классическими подходами к анализу с использованием физико-химических методов (например, хроматография, иммуноанализ, спектроскопия) в последние годы стали разрабатывать электрохимические сенсорные устройства как надежные и экологически чистые методы анализа пищевых продуктов, в том числе и меда. Миниатюризация, экспрессность, высокая чувствительность электрохимических сенсоров позволяет проводить анализ на любом этапе производства и реализации медовой продукции. Современные подходы к получению и обработке многомерной электрохимической информации позволяют создавать экспертные мультисенсорные системы типа «электронный язык». В последнее время наибольший интерес направлен на развитие вольтамперометрических сенсоров для «электронных языков».

Известные к настоящему времени вольтамперометрические сенсоры и «электронные языки» на их основе призваны решать различные аналитические задачи:

1) сенсоры вкуса;

2) проверка подлинности, обнаружение фальсификации;

3) оценка ботанического и / или географического происхождения;

4) количественный анализ, например, оценка уровней примесей, определение уровней флавоноидов или антибиотиков, остатков инсектицидов.

Следует отметить, что для анализа меда в мире разработано небольшое количество вариантов рабочих электродов и массивов сенсоров. Примерно с 2011 года стали появляться публикации об успешном использовании вольтамперометрических сенсоров и «электронных языков» на их основе для количественной оценки качества меда [Veloso A. C. A. et al. Honey evaluation using electronic tongues: An overview //Chemosensors. - 2018. - Т. 6. - №. 3. - С. 28.]. При этом используются как немодифицированные металлические электроды, так и электроды с нанесенными покрытиями - биопленками, наночастицами, полимерными материалами.

Известно, что при использовании вольтамперометрических «электронных языков» для анализа меда чаще всего используют массив металлических электродов без модификаторов [Escriche, I.; Kadar, M.; Domenech, E.; Gil-Sánchez, L. A potentiometric electronic tongue for the discrimination of honey according to the botanical origin. Comparison with traditional methodologies: Physicochemical parameters and volatile profile. J. Food Eng. 2012, 109, 449-456.]. Однако, анализ литературных данных показывает, что такие сенсоры обладают, как правило неконтролируемым дрейфом сигналов во времени. При обработке данных с помощью метода главных компонент установлено, что полезная информация о качестве меда содержится чаще лишь в первой и второй главной компоненте. Это означает, что ограниченное (небольшое) количество компонентов меда могут формировать аналитический многомерный сигнал. Наличие неуправляемого дрейфа сигналов во времени обусловлено изменением сенсорной поверхности, что приводит к снижению воспроизводимости. Кроме этого, электроды при многократном измерении теряют свою чувствительность, что требует более частого обновления сенсоров в составе сенсорной системы, частой калибровки и т.д.

Для придания рабочему электроду (сенсору) той или иной селективности, специфичности, чувствительности в большинстве исследований используется классические подходы к модифицированию электродной поверхности [Wei, Z.; Wang, J. Tracing floral and geographical origins of honeys by potentiometric and voltammetric electronic tongue. Comput. Electron. Agric. 2014, 108, 112-122.]. С развитием нанотехнологий и способов синтеза полимерных материалов меняется лишь состав и форма модифицирующего слоя. Так, например, применяют наночастицы металлов и их оксидов, электрополимеризующиеся пленки, пористые полимерные материалы (полипиррол), циклодекстрины, композитные материалы [Dias, L.A.; Peres, A.M.; Vilas-Boas, M.; Rocha, M.A.; Estevinho, L.; Machado, A.A. An electronic tongue for honey classification. Microchim. Acta 2008, 163, 97-102.].

Недостатком таких подходов для мультисенсорного анализа является необходимость в использовании большого количества сенсоров перекрестной чувствительности, если требуется оценивать качество меда по совокупности компонентов, то есть при решении задач установления схожести и различия между образцами с высокой чувствительностью и специфичностью.

Наиболее близким аналогом является способ оценки качества меда, предложенный в работе [Wen, Y.; Liao, X.; Deng, C.; Liu, G.; Yan, Q.; Li, L.; Wang, X. Imprinted voltammetric streptomycin sensor based on a glassy carbon electrode modified with electropolymerized poly(pyrrole-3-carboxy acid) and electrochemically reduced graphene oxide. Microchim. Acta 2017, 184, 935-941.] с применением рабочего электрода, модифицированного композитом на основе полипиррола и статистической обработке вольтамперограмм. Недостатком такого способа является малое количество сигналов и факторов, по которым распознают образцы меда, в частности, на основе определения концентрации антибиотиков.

Также, как недостаток данного метода анализа стоит отметить трудоемкость анализа, которая состоит в многоэтапной подготовке модифицированного рабочего электрода: синтез модифицирующего материала, подбор условий его нанесение на рабочий электрод, заключительная сушка перед использованием. Таким образом, данный метод требует специальной подготовки, значительных материальных и временных ресурсов.

В отличие от аналога предлагаемый способ не требует предварительной модификации электрода и особых условий его изготовления и хранения - предлагаемый нами электрод самомодифицируется в процессе непрерывной регистрации вольтамперограмм с одновременным накоплением информации о качестве меда по нескольким (не менее пяти) обобщенным компонентам в составе меда. Таким образом с использованием указанного рабочего электрода предлагаемый маркерный способ позволяет в пять раз увеличить количество аналитических сигналов и повысить чувствительность распознавания образцов меда.

Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности и экспрессности определения качества меда.

Решение этой задачи (цель) достигается путем использования многостадийного самомодифицирования рабочего электрода, осуществляемого посредством электрополимеризации маркера - анилина с одновременным накоплением вольтамперных временных рядов и их хемометрической обработкой в условиях многократного (темпорального) функционирования электрохимической ячейки.

Сущность изобретения заключается в том, что для качественного анализа меда приготавливали водный раствор меда, добавляли в заданный раствор расчетное количество анилина. Затем полученный раствор перемещали в трехэлектродную электрохимическую ячейку. В электрохимическую ячейку помещали электрод сравнения - хлорид серебряный Ag/AgCl, рабочий - стеклоуглеродный электрод и противоэлектрод - графитовый стержень. При постоянном перемешивании регистрировали 100 циклических вольтамперограмм в диапазоне ±1800 мВ со скоростью 1000 мВ/с.

Предлагаемый способ отличается тем, что

- обеспечивает одному рабочему электроду свойство мультисенсорности, так как после обработки его массива данных информация о схожести и различии между образцами меда содержится, как минимум в пяти главных компонентах;

- имеет контролируемый дрейф сигналов во времени, так как протекает индикаторная реакция стандартного маркера - анилина, а его вольтамперные временные ряды формируют массив с большей аналитической информацией о составе меда.

- важным отличием данного сенсора является то, что процесс анализа качества меда протекает параллельно с процессом электрополимеризации анилина, что представляет собой индикаторный процесс, посредством которого увеличивается чувствительность сенсора к аналиту.

- применение индикаторной реакции упрощает процесс анализа веществ, так как нет необходимости заранее модифицировать электрод, что несомненно является значительным преимуществом для экспресс-анализа.

Измерения проводили на приборе гальваностат/потенциостат «Элинс - Р-20Х», сопряженным с ПК.

Пример.

Образцы меда массой 10 г растворяли в 1000 мл дистиллированной воды. Отмеряли 30 мл раствора меда, помещали в электрохимическую ячейку. Затем отмеряли 100 мкл раствора анилина с концентрацией 0.035 моль/л дозатором и добавляли в электрохимическую ячейку с раствором исследуемого меда. Таким образом готовили все пять растворов меда с маркером. В трехэлектродную электрохимическую ячейку помещали рабочий стеклоуглеродный электрод, противоэлектрод (графитовый стержень) и электрод сравнения - хлорид серебряный Ag/AgCl. При постоянном перемешивании регистрировали 100 циклических вольтамперограмм.

На начальном этапе регистрации вольтамперограмм наибольшие значения токов в катодной и анодной областях обеспечивает образец М-3 (Австрия), что свидетельствует о наибольшей электропроводности данного раствора по сравнению с другими растворами (Фиг. 1). Вывод: содержание электролитов в образце М-3 наибольшее. Как известно, мед кроме электролитов содержит неэлектролиты. Для учета влияния всего состава на распознавание схожести и различия (и качество) меда использовали маркер - анилин.

В ходе регистрации вольтамперограмм протекает индикаторная реакция полимеризации маркера - анилина. На фиг. 2 представлены вольтамперограммы на последнем - 100-м шаге регистрации (фиг. 2).

Визуально вид вольтамперограмм и порядок их взаимного расположения для исследуемой выборки образцов меда не меняется. Для выявления схожести и различия между образцами меда по вольтамперограммам применили метод главных компонент (МГК). На фиг. 3 представлены графики счетов МГК-моделирования массива вольтамперограмм (фиг. 3).

Расположение образцов вдоль первой главной компоненты (principal component, PC) слева направо обусловлено изменением минерализации: крайнее правое занимает М3 (с наибольшими токами), крайнее левое - М4 (с наименьшими токами). Для установления качества меда недостаточно одного параметра, обусловленного концентрацией электролитов. В связи с этим рассматривали взаимное расположение кластеров образцов меда на плоскостях последующих главных компонент - второй, третьей и т.д.

Для установления схожести и различия в качественном составе разных образцов меда по вольтамперограммам в условиях протекания индикаторной реакции полимеризации анилина представлены графики счетов на плоскостях ГК2-ГК3, ГК4-ГК5, ГК6-ГК7 (фиг. 4 а-в).

На графиках счетов видно, что вплоть до пятой главной компоненты образцы меда имеют свои уникальные расположения и форму кластера на графиках счетов (фиг. 4 а-в). На плоскости ГК6-ГК7 все образцы меда формируют один кольцевой кластер: различий больше не наблюдается. Это означает, что существует, как минимум, пять обобщенных аналитических сигналов в темпоральном массиве вольтамперограмм индикаторной реакции полимеризации маркера - анилина. Концентрация и природа компонентов меда, так же, как и его плотность, в неявном виде функционально связана с токами электрохимических процессов во всей области исследуемых потенциалов. Таким образом, один электрод с индикаторной реакцией полимеризации анилина позволяет отличить образцы меда с использованием пяти сигналов. Следует отметить, что доля характеристичных сигналов во всем массиве данных, то есть сигналов, связанных с уникальной природой каждого образца меда, составила 8%. Это доказывает необходимость в использовании темпорального подхода для накопления достаточного объема информации, чтобы характеристичные сигналы выявить и количественно их описать. Классический подход к регистрации сигналов, который сводится к регистрации всего лишь 3-5 вольтамперограмм не позволяет выявить скрытые сигналы.

Выбор указанных в описании параметров анализа обусловлен следующими причинами:

1. Снятие минимума 100 вольтамперограмм требуется для обеспечения точности моделирования больших данных и учета временного дрейфа рядов токов. В этом случае ошибка моделирования не превышает 1%.

2. Применение концентрации анилина ниже указанного диапазона требует больше времени для самомодифицирования сенсорной системы, что снизило бы экспрессность анализа; при более высокой концентрации (>0,01 моль/л) сенсор быстрее «стареет», образуется плотная пленка, изменяющая аналитические характеристики системы, в этом случае снижается чувствительность на порядки в условиях регистрации 100 вольтамперограмм.

3. Следует отметить, что увеличение количества циклов регистрации (более 100) и одновременное увеличение концентрации маркера (более 0,01 моль/л) значительно ухудшают отклик сенсора на изменение состава образцов меда, сенсор становится типично пленочным с высоким электрическим сопротивлением границы раздела фаз - возникают ошибки первого и второго рода (в некоторых случаях до 100%) и мультисенсорна система не распознает правильно мед и не позволяет оценить качество различных образцов.

Во избежание данных артефактов, не связанных с влиянием меда на вольтамперометрическое поведение маркера, в предлагаемом примере привели данные, основанные на использовании концентрации маркера концентрацией 0,04 моль/л при регистрации не более 100 циклических вольтамперограмм. При этом ошибка математического моделирования (количественного описания) вольтамперограмм на два порядка меньше ошибки самого метода вольтамперометрии, который, как известно может достигать 15-20%.

4. Следует подчеркнуть, что указанный рабочий диапазон потенциалов обеспечивает необходимый и достаточный уровень электрической энергии для протекания электрополимеризации маркера в отсутствии процессов электролиза растворителя и/или окисления материала электрода. Это обеспечивает минимум флуктуации фоновых сигналов и повышает чувствительность аналитических сигналов мультисенсорной системы.

Применение маркерного подхода не ограничивается лишь только хемометрической обработкой данных и относительным анализом образцов и установлении их схожести и различия. Установлено, что первая главная компонента МГК-анализа моделирует чаще изменение (дисперсию) общего содержания электролитов в растворе; последующие главные компоненты (а их от пяти до семи, в отличии от известных аналитических подходов к анализу меда, моделируют каждый по отдельности определенный качественный состав и могут быть положены в решение задачи идентификации меда с использованием факторного анализа, регрессионного и дисперсионного анализа с применением графика нагрузок МГК-метода моделирования.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1. - зависимость тока (мкА) от приложенного потенциала (В) для исследуемых образцов меда на 10 шаге регистрации.

Фиг. 2. - зависимость тока (мкА) от приложенного потенциала (В) для исследуемых образцов меда на 100 шаге регистрации.

Фиг. 3. - график счетов (карта образцов) МГК-моделирования массива вольтамперограмм исследуемых образцов меда в координатах главных компонент 1 и 2. "РС" - главная компонента (ГК).

Фиг. 4. - графики счетов МГК-моделирования массива вольтамперограмм исследуемых образцов меда в координатах главных компонент: а) на плоскостях главная компонента 2 (PC-2)-главная компонента 3 (PC-3); б) главная компонента 4 (PC-4)-главная компонента 5 (PC-5); в) главная компонента 6 (PC-6)-главная компонента 7 (PC-7).

Изобретение относится к области аналитической химии и касается качественного анализа меда. Сущность способа: определение качества меда включает вольтамперометрический анализ 30 мл водного раствора меда с концентрацией 0.01 г/л в трехэлектродной электрохимической ячейке при постоянном перемешивании с регистрацией 100 циклических вольтамперограмм в диапазоне ±1800 мВ со скоростью 1000 мВ/с. Высокая селективность анализа определяется тем, что для оценки качества меда используют индикаторную реакцию электрополимеризации анилина (0.035 моль/л), протекающую в процессе исследования анализируемого образца. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение чувствительности и экспрессности определения качества меда. 4 ил.

Вольтамперометрический способ качественного анализа меда, включающий использование модифицированного рабочего электрода и обработку получаемых вольтамперограмм, отличающийся тем, что для анализа подготавливают 30 мл водного раствора меда с концентрацией 0.01 г/л и добавляют к нему 100 мкл раствора анилина с конецентрацией 0.035 моль/л, а модификация поверхности электрода происходит анилином непосредственно во время анализа, который проводят в трехэлектродной электрохимической ячейке при постоянном перемешивании с регистрацией 100 циклических вольтамперограмм в диапазоне ±1800 мВ со скоростью 1000 мВ/с.