СПОСОБ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНТИОКСИДАНТНОЙ/ОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСОВ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к области электрохимических методов анализа, в частности к анализу растворов на предмет определения суммарной антиоксидантной/оксидантной активности.

Известен способ количественного определения оксидантов и/или антиоксидантов в коже [Международная публикация WO/1996/013193], заключающийся в определении потенциала тестового раствора, содержащего FeCl₃ или комплекс ADP-Fe(III) для определения антиоксидантов и систему I₂/Nal для определения оксидантов, введенного в контакт с кожей.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что в тестовом растворе используются только водные среды, что не позволяет анализировать широкий круг важных органических антиоксидантов и оксидантов. Кроме того, используется кислый раствор (pH=2), что не моделирует реальные процессы, происходящие в организме в нейтральной среде. Измеряется только одно значение потенциала, которое зависит от множества факторов и не дает достоверной информации о количестве антиоксидантов/оксидантов, т.к. не учитывается исходное состояние системы. Также результат измерения выражают в виде потенциала. Не оценивается собственно величина оксидантной и/или антиоксидантной активности, что усложняет интерпретацию получаемых результатов. Также использование системы I₂/Nal снижает достоверность получаемых результатов из-за повышенной летучести I₂.

Известен способ определения антиоксидантов в растворе [Международная публикация US 6177260 B1], основанный на использовании в качестве окислителя комплекса Fe(III)-трипиридилтриазина, который при взаимодействии с антиоксидантами восстанавливается до Fe(II)-трипиридилтриазина, окрашенного в синий цвет (максимум поглощения при 593 нм).

Недостатком этого способа является то, что метод является не чувствительным к сульфгидрильным SH-содержащим антиоксидантам, таким как глутатион и цистеин, являющимся одним из основных звеньев антиоксидантной системы защиты организма, поэтому метод не позволяет оценить суммарное содержание антиоксидантов в исследуемом объекте. Кроме того, в способе используется также кислый раствор, что не моделирует реальные процессы, происходящие в организме в нейтральной среде.

Наиболее близким решением служит способ определения оксидантной/антиоксидантной активности растворов (RU 2235998), заключающийся в том, что предварительно готовят исходный раствор, в который вводят медиаторную систему, содержащую одновременно окисленную и восстановленную формы реагента, а оценку оксидантной/антиоксидантной активности проводят по изменению окислительно-восстановительного потенциала раствора, определенного до и после введения в исходный раствор анализируемого вещества.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что в данном способе в качестве медиаторной системы могут быть Ox/Red пары химических элементов или соединений. Использование одновременно двух форм системы существенно усложняет выбор компонентов медиаторной системы, которые необходимо варьировать в зависимости от круга анализируемых соединений, особенно в апротонных средах для анализа органических соединений. Кроме того, при предложенном алгоритме не учитывается влияние матрицы изучаемого объекта на изменение потенциала системы. Также в данном способе в органических растворителях предлагается применять систему ферроцен/феррициний, использование которой несмотря на хорошую обратимость крайне затруднительно из-за неустойчивости ионов феррициния. И как было отмечено, использование системы I₂/I^- снижает точность получаемых результатов.

Задачей, решаемой данным изобретением, служит повышение точности, достоверности и воспроизводимости результатов, увеличение экспрессности анализа, расширение круга используемых реагентов и растворителей, анализируемых веществ.

Задача решается тем, что в качестве реагента используют только одну окисленную или восстановленную форму металла в составе комплексного соединения. Таким образом, расширяется круг используемых реагентов и круг исследуемых объектов в различных растворителях. Благодаря тому, что концентрация исходного раствора окисленной/восстановленной формы значительно больше концентрации антиоксидантов/оксидантов в исследуемом образце, химическая реакция протекает быстро и устанавливается равновесие между избытком окисленной/восстановленной формы металла в составе комплексного соединения и образовавшейся восстановленной/окисленной формой комплекса металла. За счет быстрого протекания реакции и быстрого установления равновесия в растворе увеличивается экспрессность анализа. Измерение потенциала проводится после прохождения химической реакции между антиоксидантами/оксидантами анализируемого вещества и используемым реагентом и последующей добавки раствора реагента или анализируемого вещества, что также приводит к увеличению экспрессности анализа. Анализ проводится путем введения двух последовательных добавок сначала анализируемого вещества в раствор реагента, а затем добавки также раствора анализируемого вещества или реагента. Таким образом, это позволяет учесть влияние матрицы сложных объектов на изменение потенциала и повысить воспроизводимость, точность, достоверность. Также в случае второй добавки реагента, а не анализируемого вещества, значительно экономится объем исследуемого объекта в тех случаях, когда это необходимо.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что определение антиоксидантной/оксидантной активности проводят по разности потенциалов, один из которых измеряется после прохождения химической реакции между антиоксидантами/оксидантами анализируемого вещества и используемым реагентом, а второй - после следующей добавки реагента или анализируемого вещества.

В качестве реагента может быть использована окисленная форма металла в составе комплексного соединения. В этом случае антиоксиданты в составе анализируемого вещества реагируют с окисленной формой реагента. Определение проводят по двукратной добавке анализируемого вещества. Антиоксидантную активность в этом случае рассчитывают по формуле:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента в исходном растворе, М;

α_АОА=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303}

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора анализируемого вещества, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора анализируемого вещества, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора.

Если объем анализируемого вещества ограничен, определение проводят по однократной добавке анализируемого вещества и последующей добавке реагента. Антиоксидантную активность в этом случае рассчитывают по формуле:

,

где АОА - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента в исходном растворе, М;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,203}

E₁ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора анализируемого вещества, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора окисленной формы реагента, B;

C′ - концентрация окисленной формы реагента во второй добавке, М;

h - отношение объема второй добавки к общему объему раствора.

В качестве реагента может быть использована восстановленная форма металла в составе комплексного соединения. В этом случае оксиданты в составе анализируемого вещества реагируют с восстановленной формой реагента. Определение проводят по двукратной добавке анализируемого вещества. Оксидантную активность рассчитывают по формуле:

,

где OA - оксидантная активность, М-экв;

C - концентрация восстановленной формы реагента в исходном растворе, М;

α_OA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303}

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора анализируемого вещества, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора анализируемого вещества, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора.

Если объем анализируемого вещества ограничен, то определение проводят по однократной добавке анализируемого вещества и последующей добавке реагента. Оксидантную активность в этом случае рассчитывают по формуле:

,

где OA -оксидантная активность, М-экв;

C - концентрация восстановленной формы реагента в исходном растворе, М;

α_OA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303}

Е₁ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора анализируемого вещества, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора восстановленной формы реагента, B;

C′ - концентрация восстановленной формы реагента во второй добавке, М;

h - отношение объема второй добавки к общему объему раствора.

Таким образом, в обобщенном виде антиоксидантную/оксидантную активность рассчитывают по формулам:

1) по двукратной добавке анализируемого вещества:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

OA - оксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной/восстановленной формы реагента в исходном растворе, М;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303}

α_OA=10^(E ₂ ^-E ₁ ^{)·n·F/R·T·2,303}

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора анализируемого вещества, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора анализируемого вещества, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора;

2) по однократной добавке анализируемого вещества и последующей добавке реагента

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

OA- оксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной/восстановленной формы реагента в исходном растворе, М;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303}

α_OA=10^(E ₂ ^-E ₁ ^{)·n·F/R·T·2,303}

E₁ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора анализируемого вещества, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора окисленной формы реагента, B;

C - концентрация окисленной/восстановленной формы реагента во второй добавке, M;

h - отношение объема второй добавки к общему объему раствора.

В качестве реагентов могут быть использованы комплексные соединения металлов переменной валентности с неорганическими лигандами, например K₃[Fe(CN)₆], K₄[Fe(CN)₆], K₃[Mn(CN)₆], K₄[Mn(CN)₆], K₃[Mo(CN)₈], K₄[Mo(CN)₈], [Fe(SCN)₃], [Fe(SCN)₂], также комплексные соли металлов переменной валентности с органическими лигандами, например тетраэтиламмония гексацианоферрат (III), тетраэтиламмония гексацианоферрат (II), тетрабутиламмония гексацианоманганат (III), тетраэтиламмония тетрахлороферрат (III), тетраэтиламмония тетрахлороферрат (II), Fe(II)-PDT, Fe(II)-TPTZ, Fe(III)-TPTZ, дикетонаты железа, никеля, кобальта. В качестве растворителей используются гидрофильные, гидрофобные и смешанные растворители.

В качестве протонных растворителей могут быть использованы вода, спирты и др., в качестве апротонных: хлороформ, ацетонитрил, гексан, ацетон и различные эфиры. Также может быть использована смесь растворителей.

Рабочий электрод может быть изготовлен из платины, золота стеклоуглерода.

Электродом сравнения в водных растворах может служить стандартный хлорсеребряный электрод, в органических растворителях - двуключевой хлоридсеребрянный электрод, первая емкость которого заполнена водой, содержащей хлорид-ионы, вторая емкость - органическим растворителем, например ацетонитрилом, содержащим, например, перхлорат лития или тетраэтиламмония тетрафторборат. В органических средах также может быть использован электрод первого рода Ag/AgNO₃ в органическом растворителе.

Указанные отличия существенны. Использование в качестве реагента одной окисленной или восстановленной формы металла в составе комплексного соединения позволяет расширить круг используемых реагентов и круг исследуемых объектов в различных растворителях. Концентрация исходного раствора окисленной/восстановленной формы значительно больше концентрации антиоксидантов/оксидантов в исследуемом образце, поэтому химическая реакция протекает быстро и устанавливается равновесие между избытком окисленной/восстановленной формы металла в составе комплексного соединения и образовавшейся восстановленной/окисленной формой комплекса металла, что увеличивает экспрессность метода. Измерение потенциала проводится после прохождения химической реакции, что сокращает число измерительных стадий и также увеличивает экспрессность метода. Введение двух последовательных добавок раствора анализируемого вещества существенно повышает точность, достоверность и воспроизводимость результатов, что позволяет анализировать различные объекты со сложной матрицей.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ определения антиоксидантной/оксидантной активности в заявляемой совокупности признаков.

На фиг.1 представлена зависимость потенциала от времени при добавлении к [Fe(SCN)₃] двух добавок аскорбиновой кислоты в водной среде.

На фиг.2 представлена зависимость потенциала от времени при добавлении к [Fe(SCN)₂] двух добавок пероксида водорода в водной среде.

На фиг.3 представлена зависимость потенциала от времени при добавлении к [Fe(SCN)₃] аскорбиновой кислоты и последующей добавки [Fe(SCN)₃].

На фиг.4 представлена зависимость потенциала от времени при добавлении к [Fe(SCN)₃] зеленого чая и последующей добавки [Fe(SCN)₃].

На фиг.5 представлена зависимость потенциала от времени при добавлении к [Fe(SCN)₃] в хлороформе двух добавок раствора токоферола в хлороформе (электролит: 0,05М тетраэтиламмония тетрофторборат).

На фиг.6 представлена зависимость потенциала от времени при добавлении к [Fe(SCN)₃] в хлороформе двух добавок нерафинированного подсолнечного масла (электролит: 0,05М тетраэтиламмония тетрофторборат).

Способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

В 1 мл водного раствора, содержащего 0,01М [Fe(SCN)₃], опускают рабочий электрод и электрод сравнения и вносят 0,075 мл 0,02М аскорбиновой кислоты. Установившееся значение потенциала (E₁) составляет 446 мВ. Далее вносят вторую добавку 0,019 мл того же раствора аскорбиновой кислоты. Установившееся значение потенциала (E₂) составляет 412 мВ.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

n[Fe(SCN)₃]+AK=n[Fe(SCN)₂]+AK_OX,

где AK - аскорбиновая кислота, AK_OX - продукт окисления аскорбиновой кислоты.

Результаты измерений приведены на фиг.1. Антиоксидантную активность рассчитывают по формуле:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃] в исходном растворе, М;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303};

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора аскорбиновой кислоты, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора аскорбиновой кислоты, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора.

Расчет показывает, что с учетом разбавления AOA равна 0,04 М-экв, что соответствует наличию двух функциональных групп в молекуле аскорбиновой кислоты, определяющих ее антиоксидантные свойства, т.е. n равно 2, что соответствует действительности.

Пример 2

В 1 мл водного раствора, содержащего 0,01М [Fe(SCN)₂], в фосфатном буферном растворе опускают рабочий электрод и электрод сравнения и вносят 0,060 мл 0,01М раствора Н₂O₂. Установившееся значение потенциала (E₁) составляет 272 мВ. Далее вносят вторую добавку 0,060 мл того же раствора Н₂O₂. Установившееся значение потенциала (E₂) составляет 298 мВ.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

n[Fe(SCN)₂]+H₂0₂=n[Fe(SCN)₃]+H₂O_2Red,

где H₂O_2Red - продукты восстановления пероксида водорода.

Результаты измерений приведены на фиг.2.

Оксидантную активность в этом случае рассчитывают по формуле:

,

где OA - оксидантная активность, М-экв;

C - концентрация восстановленной формы реагента [Fe(SCN)₂] в исходном растворе, М;

α_OA=10(^E ₁ ^-E ₂)^{·n·F/R·T·2,303};

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора Н₂O₂, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора Н₂O₂, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора.

Расчет показывает, что с учетом разбавления OA равна 0,02 M-экв, что соответствует двухэлектронному восстановлению пероксида водорода.

Пример 3

В 5 мл водного раствора, содержащего 0,002М [Fe(SCN)₃], опускают рабочий электрод и электрод сравнения и вносят 0,1 мл 0,01375М аскорбиновой кислоты. Установившееся значение потенциала (E₁) составляет 442 мВ. Далее вносят 0,04 мл 0,025М [Fe(SCN)₃]. Установившееся значение потенциала (E₂) составляет 464 мВ.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

n[Fe(SCN)₃]+AK=n[Fe(SCN)₂]+АК_OX,

где AK - аскорбиновая кислота, АК_OX - продукт окисления аскорбиновой кислоты.

Результаты измерений приведены на фиг.3. Антиоксидантную активность в этом случае рассчитывают по формуле:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃] в исходном растворе, М;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303};

E₁ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора аскорбиновой кислоты, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃], B;

C - концентрация реагента [Fe(SCN)₃] во второй добавке, M;

h - отношение объема второй добавки к общему объему раствора.

Расчет показывает, что AOA равна 0,027 М-экв, что соответствует наличию двух функциональных групп в молекуле аскорбиновой кислоты, определяющих ее антиоксидантные свойства, т.е. n равно 2, что соответствует действительности.

Пример 4

В 5 мл водного раствора, содержащего 0,002М [Fe(SCN)₃], опускают рабочий электрод и электрод сравнения и вносят 0,1 мл зеленого чая в качестве реального объекта, содержащего антиоксиданты. Установившееся значение потенциала (E₁) составляет 431 мВ. Далее вносят 0,04 мл 0,025М [Fe(SCN)₃]. Установившееся значение потенциала (E₂) составляет 455 мВ.

Результаты измерений приведены на фиг.4.

Антиоксидантную активность в этом случае рассчитывают по формуле:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃] в исходном растворе, M; α=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303};

E₁ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора зеленого чая, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения добавки раствора окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃], B;

C′- концентрация реагента [Fe(SCN)₃] во второй добавке, M;

h - отношение объема второй добавки к общему объему раствора.

Расчет показывает, что АОА равна 0,036 М-экв.

Пример 5

В 5 мл раствора, содержащего 0,01М [Fe(SCN)₃] в хлороформе и тетраэтиламмония тетрафторборат в качестве электролита, опускают рабочий электрод и электрод сравнения и вносят 0,25 мл 0,060 М раствора токоферола в хлороформе. Установившееся значение потенциала (E₁) составляет 469 мВ.

Далее вносят такое же количество токоферола. Установившееся значение потенциала (E₂) составляет 438 мВ.

Изменение потенциала при этом происходит в результате протекания химической реакции в растворе:

n[Fe(SCN)₃]+токоферол=n[Fe(SCN)₂]+токоферол_OX,

где токоферол_OX - продукт окисления токоферола.

Результаты измерений приведены на фиг.5.

Антиоксидантную активность рассчитывают по формуле:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃] в исходном растворе, M;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303};

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора токоферола, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора токоферола, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора.

Расчет показывает, что с учетом разбавления AOA равна 0,058 M-экв, что соответствует наличию одной функциональной группы в молекуле токоферола, определяющей его антиоксидантные свойства, что соответствует действительности.

Пример 6

В 5 мл раствора, содержащего 0,001М [Fe(SCN)₃] в хлороформе и тетраэтиламмония тетрафторборат в качестве электролита, опускают рабочий электрод и электрод сравнения и вносят 1 мл подсолнечного нерафинированного масла в качестве реального объекта, содержащего антиоксиданты. Установившееся значение потенциала (E₁) составляет 515 мВ. Далее вносят такое же количество нерафинированного масла. Установившееся значение потенциала (E₂) составляет 469 мВ.

Результаты измерений приведены на фиг.6.

Антиоксидантную активность рассчитывают по формуле:

,

где AOA - антиоксидантная активность, М-экв;

C - концентрация окисленной формы реагента [Fe(SCN)₃] в исходном растворе, М;

α_AOA=10^(E ₁ ^-E ₂ ^{)·n·F/R·T·2,303};

E₁ - потенциал, измеренный после введения первой добавки раствора нерафинированного масла, B;

E₂ - потенциал, измеренный после введения второй добавки раствора нерафинированного масла, B;

h - отношение общего объема добавленного раствора к объему первой добавки раствора.

Расчет показывает, что с учетом разбавления АОА равна 0,0022 М-экв.