DETERMINATION OF ANTIBIOTICS CEPHALOSPORIN SERIES WITH PIEZOELECTRIC SENSORS IN WATER SOLUTIONS


Cite item

Full Text

Abstract

The aim of the work was to create a piezoelectric sensor modified with a polymer with molecular imprints of cefuroxime for its subsequent determination in aqueous solutions. For the synthesis of MIP, we used a mixture containing a copolymer of 1,2,4,5-benzenetracarboxylic acid and 4,4'-diaminodiphenyl oxide produced by OJSC IIPP SPA «Plastic» (Moscow), as well as a solution containing template molecules.

The resulting mixture was applied to the surface of the sensor electrode by stamping. After that, thermal imidization was carried out in an oven. Next, the sensors were cooled and placed in distilled water to remove the template.

The resulting sensor was used to determine the content of the antibiotic cefuroxime in aqueous solutions using a calibration curve. For this, standard solutions of cefuroxime were prepared with concentrations of 1.0•10–1 – 1.0•10–7 g/dm3. The measurements made allowed us to conclude that with an increase in the antibiotic concentration in the analyzed solution, a decrease in the resonant frequency occurs. The calibration dependence is linear. The limit of detection of cefuroxime for the obtained sensor is 1.0•10–5 g/dm3. To test the selectivity of the obtained sensor based on a polymer with molecular imprints, an analysis of an antibiotic similar in structure, cefazolin, was carried out. It has been established that the sensory system is selective only for the antibiotic that was used for the synthesis of MIP.

Full Text

Актуальность. Антибиотики представляют собой химические соединения биологического происхождения, оказывающие избирательное повреждающее или губительное действие на микроорганизмы. Антибиотики используются в медицине и ветеринарии для лечения различных инфекционно-воспалительных заболеваний. В большинстве стран именно антибактериальные препараты занимают лидирующие позиции по объему потребления и производства [1], что говорит о их важности и востребованности. В России антибиотики включены в перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных средств [2]. Некачественные антибиотики, а также фальсификация препаратов этого типа – важная проблема, поэтому необходим контроль качества антибактериальных препаратов. Количественный анализ – один из основных показателей качества лекарственных средств. Помимо этого, данная группа веществ широко используется в пищевой промышленности для улучшения качества кормов, продления их сроков хранения, стимулирования роста животных, повышения их продуктивности, а также для консервации продуктов, изготовленных из мяса, молока, овощей, фруктов и т.д. [3, 4]. При отсутствии должного контроля, получаемые продукты могут содержать некоторые остаточные количества антибиотиков [5]. При употреблении в пищу такой продукции, эти препараты попадают в организм и могут вызывать негативные последствия [6]. Среди них – аллергические реакции, изменение микрофлоры, мутации и возникновение высоко резистентных штаммов микроорганизмов. Поэтому необходимо контролировать количество антибиотиков в продуктах пищевой промышленности, которые используются при их изготовлении, но при этом могут быть опасны для человеческого организма.

На данный момент для определения антибиотиков цефалоспоринового ряда используются спектроскопические, хроматографические, электрохимические методы [7-9], которые в большинстве требуют длительного времени анализа и использования дорогостоящего оборудования [10].

Одним из важных направлений является разработка экспрессных методов анализа, которые можно использовать во внелабораторных условиях. К таким устройствам можно отнести пьезоэлектрические сенсоры. Однако, такие системы требуют модификации для придания им избирательности к определенным объектам анализа. Для этого могут быть использованы полимеры с молекулярными отпечатками [11].

Цель работы – разработка пьезоэлектрического сенсора, модифицированного полимером с молекулярными отпечатками антибиотика цефалоспоринового ряда цефуроксима и последующая апробация системы в водных растворах антибиотика.

Материал и методы исследования. В качестве объекта исследования был выбран антибиотик цефуроксим из группы цефалоспоринов, по химической структуре относится к группе иминоцефалоспорины. Представлен натриевой солью (6R,7R)-3-{[(аминокарбонил)окси]метил}-7-{[(2Z)-2-(2-фурил)-2- (метоксиимно) ацетил]амино}-8-оксо-5-тиа-1-азабицикло[4.2.0]окт-2-эне2-карбоксилата (Рис.1), вещество имеет молекулярную массу 424,386 г/моль и температуру плавления 240-245оС. Антибиотик второго поколения цефалоспоринового ряда. Представляет собой белый порошок, слегка гигроскопичен. Легко растворяется в воде, очень мало – в этаноле. Практически не растворим в хлороформе и эфире [12, 13].

 

Рис. 1. Структурная формула цефуроксима

 

Определение цефуроксима в водных средах проводили на установке, разработанной на кафедре аналитической химии Воронежского государственного университета, состоящей из пьезокварцевого сенсора, модифицированного молекулярными отпечатками исследуемого вещества и электронного блока (системы сбора и передачи аналитических сигналов на компьютер).

Для создания селективных сенсоров использовали пьезоэлектрические кварцевые резонаторы АТ-среза с серебряными электродами диаметром 5 мм и толщиной 0.3 мм (производство ОАО «Пьезокварц», Москва) с номинальной резонансной частотой 4.00 МГц. Такой вид сенсоров позволяют проводить измерения в широком интервале температур благодаря низкому температурному коэффициенту. Электроды сенсора модифицировали полимерами с молекулярными отпечатками (ПМО) антибиотика. В качестве прекурсора при синтезе ПМО использовали сополимер 1,2,4,5-бензолтетракарбоновой кислоты и 4,4′-диаминодифенилоксида производства ОАО МИПП НПО «Пластик» (Москва). Синтез проводили по методике [14, 15].

Методика определения. Цефуроксим в модельных водных растворах проводили следующим образом. Вначале фиксировали аналитический сигнал при нанесении на поверхность сенсора 1 мкл холостой пробы (f1), которой являлась дистиллированная вода. После с поверхности сенсора удаляли холостую пробу и наносили 1 мкл анализируемого раствора, после чего фиксировали аналитический сигнал (f2). Относительный сдвиг частоты Df вычисляли по уравнению:

Df = f1 – f2

где f1 – частота колебаний сенсора с холостой пробой, Гц; f2 – частота колебаний сенсора с анализируемым раствором, Гц.

После анализа поверхность сенсора промывают дистиллированной водой и выдерживают в сушильном шкафу при температуре 50°С, что увеличивает срок эксплуатации сенсора.

Для построения градуировочного графика готовили стандартные растворы антибиотика из препарата производства ПАО «Красфарма» по навеске, взятой на аналитических весах, а затем путем последовательного разбавления получали серию растворов в диапазоне концентраций 0.1 – 1.0·10-7 г/дм3.

Оценку способности полученных модифицированных пьезоэлектрических сенсоров распознавать молекулу-шаблон производили с помощью импринтинг-фактора (IF):

где D

×

About the authors

Olga K. Petrova

Voronezh State University

Author for correspondence.
Email: alex-n-z@yandex.ru
Russian Federation

Irina I. Ivanova

Voronezh State University

Email: alex-n-z@yandex.ru
Russian Federation

Anna A. Shapovalova

Branch of the FBHI "Center of hygiene and epidemiology in the Saratov region in Balashovsky district"

Email: alex-n-z@yandex.ru
Réunion

Aleksandr N. Zyablov

Voronezh State University

Email: alex-n-z@yandex.ru
SPIN-code: 6211-5488

д.х.н., профессор кафедры аналитической химии

Russian Federation

References

  1. Жукова О.В., Руина О.В., Хазов М.В. [и др.]. Фармакоэпидемиологический анализ потребления лекарственных препаратов в многопрофильном стационаре – элемент управления качеством медицинской помощи и основа оценки импортозамещения // Фармакоэкономика. Современная фармакоэкономика и фармакоэпидемиология. 2022. Т. 15, №1. С. 51-58.
  2. Распоряжение Правительства РФ от 12 октября 2019 г. №2406-Р
  3. Папуниди Э.К., Выштакалюк А.Б. Изыскание альтернативных путей замены кормовых антибиотиков биологически активными добавками природного происхождения в рамках концепции органического сельского хозяйства // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства. 2020. №22. С. 426-429.
  4. Левин, И. В. Анализ проблемы остаточного количества антибиотиков в продукции животного происхождения / И. В. Левин, О. Б. Иванченко // Безопасность и качество сельскохозяйственного сырья и продовольствия : Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции, Москва, 16 декабря 2020 года. – Москва: ЭйПиСиПаблишинг, 2020. – С. 208-211.
  5. Чаплыгина, О. С. Определение остаточного количества антибиотиков в продуктах животного происхождения / О. С. Чаплыгина, А. Ю. Просеков, Д. Д. Белова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2022. – Т. 84. – № 1(91). – С. 140-148.
  6. Кондратьева, Т. Н. Влияние содержания антибиотиков в мёде на организм человека / Т. Н. Кондратьева, Я. Н. Мануриков, С. Б. Павлов // Современные подходы к развитию агропромышленного, химического и лесного комплексов. Проблемы, тенденции, перспективы : Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, Великий Новгород, 17 марта 2021 года. – Великий Новгород: Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, 2021. – С. 201-205.
  7. Красникова, А. В. Спектрофотометрическое определение пенициллиновых антибиотиков / А. В. Красникова, А. А. Иозеп // Химико-фармацевтический журнал. – 2003. – Т. 37. – № 9. – С. 49-51.
  8. Иванова И. И. Определение цефазолина в жидких средах модифицированными пьезоэлектрическими сенсорами / И. И. Иванова, А. А. Шаповалова, А. Н. Зяблов // Прикладные информационные аспекты медицины. 2021. - Т. 24, № 3. - С.43-51. URL: https://www.new.vestnik-surgery.com/index.php/2070-9277/article/view/7705
  9. Аспандиярова М. Т. Методы определения антибиотиков в молоке Преимущества иммунохроматографического метода определения антибиотиков в молоке в сравнении с методом ВЭЖХ-МС / М. Т. Аспандиярова // Молочная река. – 2016. – № 3(63). – С. 36-37.
  10. Кулапина Е. Г., Баринова О. В., Кулапина О. И. [и др.]. Современные методы определения антибиотиков в биологических и лекарственных средах (обзор) // Антибиотики и химиотерапия. 2009. №9-10. С. 53-60.
  11. Зяблов А.Н., Говорухин С.И., Дуванова О.В. [и др.] Проточно-инжекционное определение валина пьезокварцевым сенсором, модифицированным полимером с молекулярными отпечатками // Аналитика и контроль. 2014. Т. 18, № 4. С. 438-441.
  12. Ныс П.С., Курочкина В.Б., Скляренко А.В., Вейнберг Г.А. // Антибиотики и химиотерапия. 2000. Т. 45. № 11. С. 36-42.
  13. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. // М.: Наука, 2004. - 528 с.
  14. Пат. 138636 Российская Федерация, МПК G01N27/406, G01N27/12. Пьезоэлектрический сенсор на основе молекулярно импринтированного полимера для определения пальмитиновой кислоты / Зяблов А. Н., Дуванова О. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Воронежский госуниверситет. – № 2013144501/28, заявл. 03.10.2013 ; опубл. 20.03.2014, Бюл. № 8. – 6 с.
  15. Пат. 137946 Российская Федерация, МПК H01L41/08. Пьезоэлектрический сенсор на основе молекулярно-импринтированного полимера для определения олеиновой кислоты / Зяблов А. Н., Дуванова О. В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Воронежский госуниверситет. – № 2013144500/28, заявл. 03.10.2013; опубл. 27.02.2014, Бюл. № 6. – 6 с.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies