На правах рукописи

Аврамчик Олеся Александровна

Закономерности процесса электровосстановления

кислорода в присутствии антиоксидантов и их

применение в аналитической практике

02.00.02 –– аналитическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Томск –– 2006

Работа выполнена на кафедре физической и аналитической химии Томского политехнического университета НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор химических наук, профессор Карбаинов Ю.А.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор химических наук, профессор Гунцов А.В.

кандидат химических наук, доцент Мамонтова И.П.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: НИИ безопасности жизнедеятельности республики Башкортостан

Защита диссертации состоится 20 декабря 2006 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.269.04 при Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу:г.Томск, ул.Белинского, Автореферат разослан: « » ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. хим. наук, доцент Гиндуллина Т.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы кислородного метаболизма в организме человека являются объектами постоянного внимания медиков, химиков и биохимиков. Особенно сейчас, когда стало очевидно, что избыточное содержание кислорода и его активных радикалов вызывают радикально-цепные процессы окисления в клетках организма, приводя к значительным нарушениям в их нормальном метаболизме.

Фармакологическая коррекция оксидативного стресса осуществляется с помощью биологически-активных веществ (БАВ), в частности, антиоксидантов (АО). Они прерывают быстрорастущие процессы окисления, образуя малоактивные радикалы, легко выводящиеся из организма. Терапия с включением АО находит все большее применение при лечении ряда заболеваний. Поэтому на первый план выносится проблема количественной оценки суммарной антиоксидантной активности (САОА) комплексных препаратов и их эффективных концентраций, изучение электрохимических свойств АО, исследование их влияния на жизненно важные процессы окисления, происходящие в организме.

Совершенствование способов обнаружения и исследования антиоксидантных свойств препаратов стимулирует создание новых методов, применение которых должно помочь уточнению диагноза, лечению заболеваний и оценке эффективности антиоксидантной терапии у конкретного больного. Основным препятствием на пути таких исследований является ограниченный круг применяемых методов, в большинстве своем дорогостоящих, неэффективных и зачастую трудоемких. Кроме того, результаты исследований часто несопоставимы, так как получены в разных модельных системах, не отражающих окислительные процессы организма человека и животного.

Поэтому поиск других альтернативных методов определения САОА лекарственных препаратов, пищевых продуктов и растительных объектов представляет актуальную задачу.

Электрохимические методы анализа интенсивно развиваются в настоящее время. Оперативность, высокая чувствительность и использование в качестве модельной реакции процесса электровосстановления кислорода (ЭВ О2), идущего по механизму, аналогичному восстановлению кислорода в клетках организма человека и животного, являются характеристиками, которые позволяют вольтамперометрическому анализу успешно конкурировать с традиционными методами определения САОА, предлагая им, в ряде случаев, разумную альтернативу.

Цель работы: рассмотреть закономерности процесса ЭВ О2 в присутствии АО в условиях нестационарной диффузии на электродах ограниченного объема с точки зрения их использования в решении ряда аналитических проблем, в частности, для определения САОА различных объектов.

В соответствии с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать новый, более эффективный способ определения САОА объектов. Установить количественные критерии оценки САОА.

2. Исследовать влияние индивидуальных АО на кинетические закономерности процесса ЭВ О2 в условиях нестационарной диффузии на электродах ограниченного объема.

3. Провести оценку наиболее эффективной концентрации и времени активного действия индивидуальных АО по отношению к процессу ЭВ О2 с использованием методов планирования экспериментов.

4. Исследовать САОА ряда индивидуальных веществ, лекарственных препаратов, объектов растительного и природного происхождения для дальнейшего выяснения их роли в механизмах антиоксидантной защиты организма и ослабления действия окислительного стресса.

5. Рассмотреть влияние ряда факторов: исходного типа сырья, способа выделения и концентрирования, рН раствора – на САОА ряда объектов, что может позволить более грамотно подойти к комплексной антиоксидантной терапии.

6. Исследовать процессы релаксации ряда оксигенированных инфузионных растворов по отношению к процессу ЭВ О2 с целью расширения возможностей неотложной помощи при острой гипоксии.

Научная новизна. Впервые рассмотрены теоретические закономерности процесса ЭВ О2 в условиях нестационарной диффузии на стационарных электродах ограниченного объема в присутствии АО. Предложен способ определения константы скорости последующей химической реакции взаимодействия АО с активными кислородными радикалами.

Дано теоретическое обоснование результатов влияния АО на электрохимическое восстановление кислорода и его кинетические закономерности. Сделано предположение, что процесс соответствует ЕСмеханизму.

Впервые для количественной оценки введены концентрационный и кинетический критерии САОА объектов.

Проведена оценка эффективной концентрации АО и времени их активного действия, используя методы планирования эксперимента.

Впервые проведено определение САОА индивидуальных веществ, ряда лекарственных препаратов, объектов растительного происхождения и готовой косметической продукции методом вольтамперометрии.

Предложен способ оценки процессов релаксации оксигенированных инфузионных растворов для их более эффективного использования в лечении острой гипоксии.

Практическая значимость.

Способ определения константы скорости последующей химической реакции взаимодействия АО с активными кислородными радикалами.

Новый метод аналитического контроля САОА различных объектов с помощью катодной вольтамперометрии, отличающийся высокой чувствительностью, простотой исполнения, экспрессностью и универсальностью.

Количественные критерии САОА: концентрационный, отражающий эффективную концентрацию АО, и кинетический, отражающий количество кислородных радикалов, прореагировавших с АО во времени.

Оценка САОА индивидуальных веществ, лекарственных препаратов, объектов растительного происхождения, косметической продукции.

Определены оптимальные условия применения исследованных объектов.

На защиту выносятся:

1. Количественные критерии определения САОА различных объектов.

2. Результаты определения САОА ряда индивидуальных веществ, лекарственных препаратов, объектов растительного происхождения, косметической продукции.

3. Результаты исследований кислородной емкости ряда инфузионных растворов, применяемых для лечения гипоксических состояний.

4. Способ определения константы скорости последующей химической реакции взаимодействия АО с активными кислородными радикалами.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены в устных докладах на VI Международной конференции “Биоантиоксидант” (Москва, 2002); Региональной научно-практической конференции “Химия и технология лекарственных препаратов и полупродуктов” (Новокузнецк, 2002) и стендовых докладах на XII International Conference “EuroFoodChem” (Brugge, 2003); 3th International Conference “Instrumental Methods of Analysis” (Thessaloniki, 2003);

15th International Symposium “Pharmaceutical and Biomedical Analysis” (Florence, 2004); III Всероссийской научной конференции “Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий” (Томск, 2004); VII Всероссийской научной конференции “Аналитика Сибири и Дальнего Востока” (Новосибирск, 2004);

Всероссийской научной конференции с международным участием “Электроаналитика 2005” (Екатеринбург, 2005); Международной научной конференции “Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий” (Томск, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей и 9 тезисов докладов.

Диссертация выполнена при поддержке гранта Минобразования РФ вольтамперометрического комплекса определения антиоксидантной активности объектов”; ведомственной научной программы “Развитие научного потенциала высшей школы”: проект № 5.21.2005 “Создание комплекса по определению суммарной антиоксидантной активности биологических объектов” и проект № 5.31.2005 “Исследование связи антиоксидантных, электрохимических и квантово-химических свойств ряда лекарственных препаратов и ферментов, их теоретическое обоснование”.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обсуждения результатов, выводов, списка литературы из 207 наименований и приложения. Содержит 176 страниц, 15 таблиц, рисунков.

Во введении раскрыта актуальность темы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен литературный обзор, характеризующий современное состояние теории и практики процесса ЭВ О2, его кинетических и физико-химических закономерностей. Рассмотрены общие вопросы процесса восстановления кислорода в биологических мембранах. Описаны способы определения САОА.

Во второй главе рассмотрены теоретические закономерности процесса ЭВ О в присутствии АО в условиях нестационарной диффузии на электродах ограниченного объема. Обоснованы количественные критерии оценки САОА объектов.

В третьей главе описаны условия эксперимента, способы приготовления растворов и электродов, представлены данные об используемом оборудовании и объектах исследования.

В четвертой главе рассмотрены особенности процесса ЭВ О2 в присутствии индивидуальных АО в водных средах.

В пятой главе описано применение установленных закономерностей процесса ЭВ О2 в аналитических целях.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводили на полярографе ПУ-1 с двухкоординатным самописцем ЛКД – 4 и вольтамперометрическом анализаторе ТА-2 в комплекте с ПК. В работе использовали метод катодной вольтамперометрии, в качестве модельной реакции рассматривали процесс ЭВ О2, который идентичен восстановлению кислорода в клетках и тканях организма. Для оценки влияния исследуемых веществ рассматривали зависимости предельного тока первой волны ЭВ О2 от концентрации их в объеме раствора и от времени протекания процесса ЭВ О2 в их присутствии.

Вольтамперограммы исследуемых растворов регистрировали на стационарных электродах с линейной разверткой потенциала со скоростью мВ/с. Для измерений использовали индикаторный ртутнопленочный электрод (РПЭ). В качестве электрода сравнения применяли хлоридсеребряный электрод. Вспомогательным электродом служил стеклоуглеродный электрод.

Концентрацию кислорода в растворах электролитов контролировали при помощи потенциометрического кислородного датчика № 5972 «МЕРАЭЛЬВРО». рН растворов измеряли при помощи лабораторного рН-метра-150М с электродом ЭСКЛ-08М и автоматическим термокомпенсатором ТКА-8М.

В качестве растворителя использовали воду, очищенную двойной перегонкой. Для приготовления водных фоновых растворов с заданным значением рН использовали набор стандарт-титров. В большинстве случаев применяли фосфатный буфер с рН 6.86 (0.025М KH2PO4, 0.025М Na2HPO4). В работе использовали реактивы и индивидуальные вещества марок х.ч. и о.с.ч., органические растворители этиловый спирт и диметилформамид (ДМФА).

Объектами лекарственного растительного сырья служили сухие экстракты различных растений флоры Сибири. В качестве косметических средств исследовали крем, гель и тоник. Оксигенация инфузионных растворов осуществлялась путем насыщения кислородом под давлением 5 атм.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Закономерности процесса электровосстановления кислорода в присутствии антиоксидантов в водных средах Известно, что процесс ЭВ О2 на РПЭ является квазиобратимым и протекает в несколько стадий (1)-(4). Лимитирующими в протонных средах являются объединенные стадии (1) и (2):

В данной работе рассматривали первую волну ЭВ О2 (1)-(3). АО, легко и быстро вступающие во взаимодействие с активными кислородными радикалами, согласно (5), влияют на кинетику процесса ЭВ О2:

Для большинства АО наблюдаются уменьшение тока ЭВ О2 и сдвиг потенциала предельного тока ЭВ О2 в положительную область. По-видимому, это связано с взаимодействием АО с продуктами восстановления кислорода, что облегчает данный процесс.

ЭВ О2 – сложный, многостадийный процесс, причем реализация каждой стадии, ее обратимость, кинетические параметры зависят от ряда факторов.

Поэтому в данном случае рассматривали лишь замедленную стадию катодного восстановления кислорода и упрощенную схему электродного процесса ЭВ О