Патент на изобретение №2238552

(54) СПОСОБ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦИСТЕИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электроаналитической химии и может быть использовано при определении цистеина в объектах окружающей среды. Техническим результатом изобретения является разработка способа определения цистеина, имеющего широкий линейный диапазон определяемых концентраций цистеина, экологически более безопасного и менее трудоемкого. Сущность: предлагается предварительное формирование ртутного пленочного электрода (РПЭ) на стеклоуглеродной подложке, концентрирование электроактивного соединения на поверхности электрода в фоновом электролите состава: (0,1-0,4) М NaClO₄+(0,1-1) М HClO₄, содержащем цистеин, с последующим получением аналитического сигнала при изменении потенциала. 3 з.п.ф-лы, 4 табл., 4 ил.

Изобретение относится к электроаналитической химии и может быть использовано при определении цистеина в объектах окружающей среды.

₃ВО₃+1,510^-3 М Na₂B₄O₇+0,5510^-2 М NaCI, в который вводили 110^-2 М СоСl₂. В диапазоне концентраций цистеина 210^-6-310^-5 М градуировочная кривая близка к линейной.

₄ + 0,1 М НСlO₄, в который вводили 210^-3 М In(СlO₄)₃. Линейный диапазон определяемых концентраций цистеина составил 510^-5 – 510^-3 М.

Анодные и катодные инверсионные пики цистеина исследовали на электроде типа “висячая” ртутная капля (ВРК) в ацетатном буферном растворе с рН 4,6, содержащем 110^-610^-5-110^-3 М.

₃COONa+0,025 М Na₂HPO₄+10% H₂SO₄ (с добавлением 510^-4 М Ni (II)) и 0,05 М N- морфолинопропансульфоновая кислота + 10% NaOH (с добавлением 2,510^-4 М Ni (II)). Калибровочная кривая линейна в области концентраций цистеина 510^-9 – 110^-7 М.

Перечисленные методы определения цистеина являются косвенными и имеют ряд общих недостатков: узкий диапазон определяемых концентраций цистеина; необходимость введения дополнительных реагентов, что сказывается на чистоте анализа и его метрологических характеристиках; высокие требования по технике безопасности, т.к. определение проводят на ртутно-капающем или “висячем” ртутном электроде; трудоемкость.

10^-7-1,210^-6 М.

По сравнению с косвенными методами в прототипе чистота анализа и его метрологические характеристики выше за счет исключения ввода в аналит дополнительных реагентов при сохранении остальных недостатков.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа определения цистеина, имеющего широкий линейный диапазон определяемых концентраций цистеина, экологически более безопасного и менее трудоемкого.

Для решения технической задачи предлагается предварительное формирование ртутного пленочного электрода (РПЭ) на стеклоуглеродной подложке, концентрирование электроактивного соединения на поверхности электрода в фоновом электролите состава: (0,1-0,4) М NaClO₄+(0,1-1) М НСlO₄, содержащем цистеин, с последующим получением аналитического сигнала при изменении потенциала.

По сравнению с прототипом в заявляемом способе концентрирование электроактивного соединения проводят на РПЭ со стеклоуглеродной подложкой, что экологически более безопасно. Использование этого электрода и фонового электролита (0,1-0,4) М NaClO₄+(0,1-1) М НClO₄ позволили расширить линейный диапазон определяемых концентраций цистеина.

На фиг.1 изображен общий вид циклической вольтамперограммы (фон 0,1 М NaClO₄+0,1 М НClO₄; концентрация цистеина 2,510^-3 М; время формирования РПЭ 180 с); на фиг.2 – зависимость аналитических сигналов цистеина (АС) от концентрации перхлората натрия ( 1 – анодный сигнал; 2 – катодный сигнал; n М NaClO₄+0,1 М NaClO₄; концентрация цистеина 2,510^-3 М; время соприкосновения РПЭ с раствором цистеина 60 с; время формирования РПЭ 180 с ); фиг.3 отражает зависимость АС от концентрации хлорной кислоты (1 – анодный сигнал; 2 – катодный сигнал; суммарная концентрация перхлорат-ионов 1 М; концентрация цистеина 2,510^-3 М; время соприкосновения РПЭ с раствором цистеина 60 с; время формирования РПЭ 180 с); фиг.4 – зависимость АС от концентрации цистеина в растворе (1 – анодный сигнал; 2 – катодный сигнал; 0,1 М NaClO₄+0,1 М NaClO₄; время соприкосновения РПЭ с раствором цистеина 120 с; время формирования РПЭ 180 с).

Для определения оптимального времени формирования РПЭ (_{формир. РПЭ}) стеклоуглеродный электрод (СУЭ) помещали в 3-электродную ячейку (вспомогательный электрод – стеклоуглерод (СУ); электрод сравнения – хлорсеребряный (нас. К.С1)) с раствором: 0,1 М КNO₃+110^-4 М Hg(NO₃)₂ и формировали РПЭ при потенциале электролиза -0,5 В в течение разного времени концентрирования ртути.

Полученный РПЭ промывали бидистиллированной водой, помещали его в ячейку, содержащую 0,1 М NaClO₄+0,1 М НсlO₄+2,510^-3 М цистеина (CySH), проводили концентрирование электроактивного соединения ртути с цистеином при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные вольтамперограммы, получая АС с потенциалами максимумов пиков Е_п=0,063 В на катодной и Е_п=+0,038 В на анодной ветви, из чего следует, что регистрацию вольтамперограмм необходимо проводить в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В (табл.1). Из табл.1 видно, что оптимальным временем формирования РПЭ является 180 с. При меньшем _{формир. РПЭ} агрегаты из атомов ртути не полностью заполняют поверхность СУЭ, поэтому АС, получаемые на таком электроде, являются непригодными для определения цистеина. При большем времени накопления ртути зависимость АС цистеина от _{формир. РПЭ} выходит на плато, что объясняется полным заполнением поверхности СУЭ ртутью, поэтому _{формир. рпэ}>180 с является нецелесообразным.

Для установления оптимальных концентраций веществ, составляющих фоновый электролит, который известен и широко применяется в аналитической практике, сформированный РПЭ помещали в ячейку, содержащую Х М NaClO₄+0,1 М НClO₄+2,510^-3 М CySH, выдерживали в течение 60 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные вольтамперограммы в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В (фиг.2). Из фиг.2 видно, что АС возрастают с повышением концентрации NaClO₄ за счет изменения строения двойного электрического слоя, достигая максимумов при (0,1-0,4) М NaClO₄, а затем несколько уменьшаются за счет некоторого повышения вязкости среды. Таким образом, оптимальная концентрация перхлората натрия в фоновом электролите составляет (0,1-0,4) М.

Для определения оптимальной концентрации НClO₄, при условии сохранения постоянства ионной силы фонового электролита сформированный РПЭ помещали в ячейку, содержащую (1-Х) М NaClO₄+Х М НСlO₄+2,510^-3 М CySH, выдерживали его в течение 60 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС (фиг.3). Из фиг.3 видно, что при С НСlO₄<0,1 М АС уменьшаются, по-видимому, за счет инактивации поверхности РПЭ в связи с образованием оксидов ртути. Наиболее пригодной для аналитических целей можно считать концентрацию НСlO₄, равную (0,1-1) М.

Таким образом, оптимальным можно считать состав фонового электролита (в М): перхлорат натрия 0,1-0,4; хлорная кислота 0,1-1.

В дальнейшем все зависимости получали, используя фоновый электролит состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄.

Поскольку ртуть химически взаимодействует с цистеином (Майрановский С.Г., Страдынь Я.П., Безуглый В.Д. Полярография в органической химии. Л., 1975, 352 с.), то необходимо изучить зависимость АС от времени соприкосновения РПЭ с раствором цистеина ( _сопр.). Для этого сформированный РПЭ помещали в ячейку, содержащую раствор состава 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄+2,510^-3 М CySH, и регистрировали катодные и анодные АС после выдерживания РПЭ в растворе цистеина при разомкнутой цепи в течение различного времени (табл. 2).

Установлено, что оптимальным _сопр является 120 с (табл.2). При этом достигается полное насыщение поверхности РПЭ электрохимически активным цистеинатом ртути, поэтому дальнейшее увеличение времени соприкосновения рабочего электрода с раствором цистеина нецелесообразно.

Для изучения влияния деаэрации на электрохимическое поведение цистеина сформированный РПЭ помещали в ячейку с раствором: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄+2,510^-3 М CySH, через который в течение 15 мин пропускали аргон, выдерживали РПЭ в этом растворе 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС. Зарегистрированные АС сравнивали с АС, полученными в отсутствии деаэрации (табл.3).

Из табл.3 видно, что удаление кислорода инертным газом не влияет на электрохимическое поведение цистеина.

Для исследования линейного диапазона концентраций цистеина, в котором возможно его определение, изучали зависимость АС от концентрации цистеина (фиг.4). Для этого сформированный РПЭ помещали в ячейку, содержащую 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄+Х М CySH, выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС (см. фиг.4). Из фиг.4 видно, что определение цистеина возможно в диапазоне 110^-6 – 3,510^-3 М.

Способ апробирован на модельных растворах с различными концентрациями цистеина (метод “введено – найдено”) и оценена точность его определения (табл.4 ).

В результате экспериментальных исследований было выявлено, что оптимальными условиями определения являются:

– фоновый электролит состава: (0,1-0,4) М NaClO₄+(0,1-1) М НСlO₄;

– время формирования РПЭ на стеклоуглеродной подложке 180 с;

– концентрирование электроактивного соединения в течение 120 с;

– регистрация катодной и анодной вольтамперограммы в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В;

– исключение деаэрации анализируемых растворов.

Пример 1. Навеску гидрохлорида цистеина водного массой 0,00440 г помещали в колбу на 5 мл и доводили до метки бидистиллированной водой, получали 510^-3 М раствор цистеина.

Определение цистеина проводили методом стандартной добавки в несколько этапов. Сначала формировали РПЭ. Для этого СУЭ помещали в 3-электродную ячейку (вспомогательный электрод – СУ; электрод сравнения – хлорсеребряный (нас. КС1)), содержащую 20 мл раствора состава: 0,1 М КМО₃+110^-4 М Hg(NO₃)₂, и формировали РПЭ при потенциале электролиза -0,5 В в течение 180 с, промывали электрод бидистиллированной водой. Затем сформированный электрод помещали в ячейку, содержащую 20 мл фонового электролита состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄ и 2,510^-5 М CySH (модельная проба), выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В.

После механической регенерации рабочего электрода снова формировали РПЭ, как описано выше. Затем в электрохимическую ячейку, содержащую 20 мл фонового электролита состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄ и 2,510^-5 М CySH (модельная проба), добавляли 0,1 мл стандартного раствора цистеина концентрации 510^-3 М. Раствор перемешивали мешалкой. Сформированный РПЭ опускали в электрохимическую ячейку, выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В.

Найденная концентрация цистеина составила (2,5±0,4)10^-5 М при определении по катодным и анодным АС.

Пример 2. Навеску гидрохлорида цистеина водного массой 0,04400 г помещали в колбу на 5 мл и доводили до метки бидистиллированной водой, получали 510^-2 М раствор цистеина.

Определение цистеина проводили методом стандартной добавки в несколько этапов. Сначала формировали РПЭ. Для этого СУЭ помещали в 3-электродную ячейку (вспомогательный электрод – СУ; электрод сравнения – хлорсеребряный (нас. КСl)), содержащую 20 мл раствора состава 0,1 М КМО₃+110^-4 М Hg(NO₃)₂, и формировали РПЭ при потенциале электролиза -0,5 В в течение 180 с, промывали электрод бидистиллированной водой. Затем сформированный электрод помещали в ячейку, содержащую 20 мл фонового электролита состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄ и 2,510^-4 М CySH (модельная проба), выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В.

После механической регенерации рабочего электрода снова формировали РПЭ, как описано выше. Затем в электрохимическую ячейку, содержащую 20 мл фонового электролита состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М HClO₄ и 2,510^-4 М CySH (модельная проба), добавляли 0,1 мл стандартного раствора цистеина концентрации 510^-2 М. Раствор перемешивали мешалкой. Сформированный РПЭ опускали в электрохимическую ячейку, выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В.

Найденная концентрация цистеина составила (2,5±0,4)(10^-4 М при определении по катодным АС и (2,4±0,3)(10^-4 М – по анодным АС.

Пример 3. Навеску гидрохлорида цистеина водного массой 0,44000 г помещали в колбу на 5 мл и доводили до метки бидистиллированной водой, получали 510^-1 М раствор цистеина.

Определение цистеина проводили методом стандартной добавки в несколько этапов. Сначала формировали РПЭ. Для этого СУЭ помещали в 3-электродную ячейку (вспомогательный электрод – СУ; электрод сравнения – хлорсеребряный (нас. КСl)), содержащую 20 мл раствора состава: 0,1 М КNO₃+110^-4 М Hg(NO₃)₂, и формировали РПЭ при потенциале электролиза -0,5 В в течение 180 с, промывали электрод бидистиллированной водой. Затем сформированный электрод помещали в ячейку, содержащую 20 мл фонового электролита состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄ и 1,310^-3 М CySH (модельная проба), выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В.

После механической регенерации рабочего электрода снова формировали РПЭ, как описано выше. Затем в электрохимическую ячейку, содержащую 20 мл фонового электролита состава: 0,1 М NaClO₄+0,1 М НСlO₄ и 1,310^-3 М CySH (модельная проба), добавляли 0,05 мл стандартного раствора цистеина концентрации 510^-1 М. Раствор перемешивали мешалкой. Сформированный РПЭ опускали в электрохимическую ячейку, выдерживали в течение 120 с при разомкнутой цепи и регистрировали катодные и анодные АС в диапазоне потенциалов (от +0,2 до -0,2) В.

Найденная концентрация цистеина составила (1,3±0,1)10^-3 М при определении по катодным АС и (1,2±0,1)10^-3 М – по анодным АС.

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению с прототипом является более широкий линейный диапазон определяемых концентраций цистеина, большая экологическая безопасность и меньшая трудоемкость.

Формула изобретения

1. Способ вольтамперометрического определения цистеина, включающий концентрирование электроактивного соединения на поверхности электрода и получение аналитического сигнала при изменении потенциала, отличающийся тем, что концентрирование электроактивного соединения проводят на предварительно сформированном ртутном пленочном электроде со стеклоуглеродной подложкой, а в качестве фонового электролита используют электролит состава: (0,10,4) М NaClO₄+(0,11)М НСlО₄.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование ртутного пленочного электрода проводят в течение 180 с.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что концентрирование электроактивного соединения проводят в течение 120 с при разомкнутой цепи.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что регистрируют катодные и анодные вольтамперограммы в диапазоне потенциалов (+0,2 -0,2) В.

РИСУНКИ