Диссертация (Миниатюризация циклического инжекционного фотометрического и флуориметрического анализа)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИНСТИТУТ ХИМИИНа правах рукописиУДК 543ПЕТРОВА АНАСТАСИЯ ВЛАДИМИРОВНАМИНИАТЮРИЗАЦИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО ИНЖЕКЦИОННОГОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО И ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА02.00.02 – аналитическая химияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата химических наукНаучный руководительд.х.н., доцент Булатов А.В.Санкт-Петербург – 20162ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Введение……………..…………………..………………………………….……….…4Глава 1.

Обзор литературы…………………………………………………........….81.1. Микрофлюидные и мезофлюидные устройства. Миниатюризация проточногоанализа………………………………….…………………………………………81.2. Общие подходы к изготовлению миро- и мезофлюидных устройствпроточного анализа...………...…....…..………...................................................391.3. Циклический инжекционный анализ......………………………....……...…........421.4. Методы определения эпинефрина в лекарственных препаратах, цистеина икуркумина в биологически активных добавках…...……………….....…….….441.5.

Заключение..……………………………………………..…………………..........48Глава 2. Методика экспериментальных исследований…..…..…………...….....502.1. Средства измерений и оборудование……………...……………….…..……......502.2. Синтез 18-молибдодифосфата аммония………………………………….….….512.3. Синтез 4-(2,3,3-триметил-3H-индолий-1-ил)бутан-1-сульфоната….................522.4. Приготовление растворов……………….…......………………………..….....…562.5. Пробоотбор и пробоподготовка биологически активных добавок……….........57Глава 3.

Миниатюризация циклического инжекционного фотометрическогоанализа….……………………………………………………………...….583.1. Изготовление мезофлюидного устройства для миниатюризации циклическогоинжекционного фотометрического анализа…………………………..…….…583.2. Проточное фотометрическое определение эпинефрина.................…...…..…...623.3. Проточное фотометрическое определение цистеина...………….……..………75Глава 4. Миниатюризация циклического инжекционногофлуориметрического анализа……………………………………….…..874.1. Изготовление мезофлюидного устройства для миниатюризации циклическогоинжекционного флуориметрического анализа……………...………………....874.2.

Проточное флуориметрическое определение куркумина…………………......90Заключение……………………………………………………………….………....1073Выводы…………………………………………………………………….……...…108Список сокращений и условных обозначений……………………………...…..110Список литературы……………………………………………………..………….112Приложение………………………………………………………………………....1324ВведениеОдной из тенденций современной аналитической химии, проявившейсяпосле появления «зеленого» направления, является миниатюризация химическогоанализа. Последняя проявляется в снижении габаритов инструментальных средстввыполнения анализов и в снижении расходов пробы и растворов реагентов.

Вместес тем миниатюризация призвана существенно сократить время анализа и какследствие уменьшить его стоимость [1]. Современные технологии позволяютизготавливать различные микро- и мезофлюидные устройства.Микрофлюидныеустройстванаходятширокоеприменениевбиоаналитической химии, в частности для реализации полимеразной цепнойреакции [2-6], в диагностике онкологических заболеваний [7-9] и в исследованияхклеток [10], используются в синтетической химии и биотехнологии [11].

Одним изнаправлений применения микрофлюидных чипов в аналитической химии являетсяосуществление высокоэффективного капиллярного электрофореза [12], а такжепроцессов массообмена в гомогенных и мультифазных системах [13, 14].В настоящее время чипы используются и для миниатюризации проточныхметодов, а последние обеспечивают эффективную автоматизацию химическогоанализа. Разработаны микро- и мезофлюидные устройства на принципахдиффузионно-конвективныхпроточныхметодов:проточно-инжекционногоанализа (ПИА), мультишприцевого ПИА и последовательного инжекционногоанализа.

Во всех этих устройствах образование аналитических форм происходит вканалах чипа под действием диффузии и конвекции, при этом наблюдаетсядисперсия пробы в потоке носителя, которая снижает чувствительность анализа.Проточные методы с принудительной конвекцией обеспечивают более высокуючувствительность по сравнению с диффузионно-конвективными.

Показанавозможность миниатюризации проточно-порционного фотометрического анализас помощью мезофлюидного устройства [15], в котором образование аналитическихформ происходит при механическом перемешивании отобранных порций пробы ирастворов реагентов в смесительном канале, где и осуществляется их5детектирование. Новые возможности для автоматизации химического анализаоткрыл циклический инжекционный анализ (ЦИА) [16, 17]. Несмотря напреимущества ЦИА, такие как унификация гидравлических схем и отсутствиедисперсии пробы, для метода характерен относительно большой расход пробы иреагентов.

С этой точки зрения, актуальной задачей является миниатюризацияЦИА с фотометрическим и флуориметрическим детектированием (как наиболеечасто используемыми в практике проточного анализа). В этом направленииперспективнымпредставляетсяразработкамезофлюидныхустройств,функционирующих на принципах ЦИА, которые обеспечат возможностьвыполнения автоматизированного фотометрического и флуориметрическогоанализа с максимальной чувствительностью и минимальным расходом проб ирастворов реагентов.В области практических приложений разрабатываемых методов наиболееактуальной задачей является ориентация на разработку экспрессных методикопределения компонентов лекарственных препаратов и биологически активныхдобавок.

Лекарственные препараты, содержащие эпинефрин, находят широкоеприменение в медицине для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, а также вкачестве вспомогательных агентов при использовании анестетиков. Цистеин –аминокислота, которая используется в препаратах офтальмологической практики,а также входит в состав α-кератина, основного белка ногтей, кожи, волос, улучшаетэластичность и текстуру кожи, поэтому является неотъемлемым компонентоммногих биологически активных добавок. Куркумин привлекает вниманиеисследователейиз-заперспективыегоиспользованиявкачествепротивовоспалительного средства и созданий противоопухолевых лекарств на егооснове.Цель работыЦель работы – разработка мезофлюидных устройств для миниатюризациициклического инжекционного фотометрического и флуориметрического анализа иих адаптация в аэрогидравлические схемы определения эпинефрина, цистеина и6куркумина.Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующиезадачи:– разработать топологии и изготовить мезофлюидные устройства для ЦИА сфотометрическим и флуориметрическим детектированием;– обосновать выбор материалов, источников света и детекторов дляизготовлениямезофлюидныхустройствЦИАсфотометрическимифлуориметрическим детектированием;– обосновать выбор фото- и (или) флуориметрических реагентов дляопределения целевых аналитов;– разработать аэрогидравлические схемы для циклического инжекционногоопределения целевых аналитов с выбранными реагентами;–разработатьциклическиеинжекционныеметодикиопределенияэпинефрина в инъекционных лекарственных формах, цистеина и куркумина вбиологически активных добавках и испытать разработанные методики на реальныхобъектах.Научная новизна работыРазработаны мезофлюидные устройства для миниатюризации циклическогоинжекционного фотометрического и флуориметрического анализа.Предложены новые аналитические реагенты:– 18-молибдодифосфат аммония для высокочувствительного и экспрессногоспектрофотометрического определения эпинефрина и цистеина.– 4-(2,3,3-триметил-3H-индолий-1-ил)бутан-1-сульфонат для высокочувствительного и экспрессного спектрофлуориметрического определения куркумина.Разработаныпринципиальноновыеаэрогидравлическиесхемыдляциклического инжекционного анализа с включением мезофлюидных устройств.7Практическая значимость работыРазработаны общие универсальные схемы мезофлюидных устройств дляциклического инжекционного фотометрического и флуориметрического анализа,включающие реакционную емкость, в которой осуществляется перемешиваниерастворов потоком газовой фазы; оптический канал и интегрированную системудетектирования в одном устройстве.

Практическая значимость подтвержденапатентом на полезную модель № 143826 (заявка № 2013157800, дата приоритета 26декабря 2013 г., зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделейРоссийской Федерации 01 июля 2014 г.) [18] (Приложение).Разработаны автоматизированные экспрессные методики определенияэпинефрина в инъекционных лекарственных формах; цистеина и куркумина вбиологически активных добавках с фотометрическим и флуориметрическимдетектированием.Положения, выносимые на защиту1.Мезофлюидныеустройствадляминиатюризациициклическогоинжекционного фотометрического и флуориметрического анализа.2.Новый фотометрический реагент – 18-молибдодифосфат аммония длявысокочувствительного и экспрессного определения эпинефрина и цистеина.3.Новый флуориметрический реагент – 4-(2,3,3-триметил-3H-индолий-1-ил)бутан-1-сульфонат для высокочувствительного и экспрессного определениякуркумина.4.Аэрогидравлические схемы для циклического инжекционного определенияэпинефрина, цистеина и куркумина с фотометрическим и флуориметрическимдетектированием, включающие мезофлюидные устройства.5.Методики циклического инжекционного определения эпинефрина винъекционных лекарственных формах, цистеина и куркумина в биологическиактивных добавках с применением мезофлюидных устройств.8Глава 1.

Обзор литературы1.1. Микрофлюидные и мезофлюидные устройства. Миниатюризацияпроточного анализаВ начале развития миниатюризации химического анализа были разработаны«микрофлюидные аналитические системы» (µ-TAS – micrototal analytical systems)или «лаборатория на чипах» («lab-on-chip»), топология которых (Рисунок 1)подразумевает размещение всех функциональных элементов, позволяющихуправлять микропотоками и различных детекторов на одном устройстве [19, 20, 1].В зарубежной литературе также можно встретить термин «лаборатория на чипе»(lab on chip), который также используют применительно к микрофлюиднымустройствам полной автоматизации.

Диаметр каналов таких устройств, как правило,не превышает нескольких микрометров. Созданию микрофлюидных устройствспособствует развитие новых миниатюризированных технических средств,позволяющих реализовать миниатюризацию анализа, таких как микронасосы,микроклапаны, элементы систем детектирования [21]. В таблице 1 представленыхарактеристики методик анализа различных объектов с помощью комплексныхмикрофлюидных устройств. Эти устройства обеспечивают высокую экспрессностьанализа и минимальный расход реагентов (объем пробы обычно не превышает 20мкл на одно определение). Из-за трудоемкости изготовления и высокой стоимостипроизводства комплексных микрофлюидных устройств они не получили широкогораспространения на практике.Рисунок 1. Комплексные микрофлюидные устройства.