Tehnici Electrochimice In Analiza Compusilor Organici CU Sulf

=== l ===

CUPRINS

Introducere

1. Aspecte generale ale metodelor electrochimice de analiză

Clasificarea metodelor electrochimice de analiză

Principalul măsurătorilor potențiometrice

Senzori potențiometrici

Tehnici polarografice și voltametrice de analiză

Aspecte generale

Instrumentația folosită în tehnicile voltametrice

Specii chimice și biochimice electroactive

Tehnici de derivatizare și separare utilizate în analiza voltametrică

Aplicații ale tehnicilor electrochimice la analiza unor compuși organici cu sulf

2.1 Aplicații ale tehnicilor polarografice și voltametrice

Parte experimentală

Concluzii

Bibliografie

INTRODUCERE

Chimia analitică poate fi definită ca fiind știința și arta determinării compoziției unei probe, având drept obiectiv deci problemele compoziției și structurii materialelor și elaborarea metodelor de analiză chimică adecvate.

Rezolvarea acestor probleme care stau în fața chimiei analitice este ușurată mult prin utilizarea analizei chimice și analizei instrumentale, cu ajutorul cărora este controlată calitatea materiilor prime necesare în diferite industrii (chimică, metalurgică, farmaceutică, alimentară, electronică, aeronautică, materialelor de construcții, etc), se urmăresc procesele tehnologice în diferitele lor faze, se controlează dacă produsele finite corespund scopului urmărit.

Din punct de vedere istoric, dezvoltarea metodelor analitice cantitative a rezultat ca urmare a introducerii unor instrumente noi de măsură. Primele analize cantitative au fost cele gravimetrice, a căror elaborare și dezvoltare a fost posibilă ca urmare a inventării unei balanțe de precizie-balanța analitică.

În ultima decadă a secolului trecut, descoperirea spectroscopului s-a dovedit a fi extrem de fructuoasă pentru analiza calitativă, metodele gravimetrice și volumetrice rămânând în continuare pentru mai mulți ani ca unice procedee pentru toate analizele cantitative. Treptat, însă, în cea de-a doua decadă a acestui secol au fost introduse metodele nefelometrice de analiză și aproape simultan metodele calorimetrice, iar în anul 1922, Jaroslaw Hezrowskz pune bazele primei tehnici instrumentale de analiză care a permis efectuarea pentru prima dată a unor determinări cantitative la concentrații mai mici decât mol, polarografia, aceasta făcând parte din categoria metodelor electrochimice de analiză. Din anul 1930, dezvoltarea rapidă a electronicii și deci a aparaturii de măsură pentru laboratoare, apariția și dezvoltarea pe scară largă a tuburilor electronice, au condus la o revoluție majoră în dezvoltarea instrumentației analitice. Potențiometria se aplică din ce în ce mai mult, pentru că oferă analize, rapide, sigure, ieftine, total automatizate, din aceste motive, potențiometria rămâne, un sistem deschis de cercetare, pentru a produce instrumente capabile de înregistrare automată și de prelucrare automată a datelor pe computer.

1. ASPECTE GENERALE ALE METODELOR ELECTROCHIMICE DE ANALIZĂ

Electrochimia ca parte a științei chimice, are obiect măsurarea unui semnal de natură electrică asociat unui sistem chimic, care se află încorporat într-o celulă electrochimică.

La rândul său, celula electrochimică reprezintă un sistem electric format din doi sau mai mulți electrozi (colecții sau interfețe) imersați într-un fond electrolitic, electrozi care funcționează ca traductori între sistemul chimic și un sistem electric exterior, în care parametrii electrici pot fi măsurați sau controlați. Astfel, se poate spune că electrochimia joacă un rol cheie în mai multe domenii ale chimiei, ca analiză chimică, termodinamica și cinetica chimică, electrosinteza, studiul unor fenomene de coroziune electrochimică, studiul unor fenomene biochimice, biofizica și biologica (transportul biologic al electronilor și conducția impulsului nervos), conversia energiei, etc.

Chimia electroanalitică sau electroanaliza folosește principiile electrochimiei în scopul punerii la punct a analizei chimice. În cadrul acestei aplicații mărimea unui semnal electric, asemenea potențialului unui electrod indicator, intensitatea curentului de electroliză sau cantitatea de electricitate transferată, care își are originea în procesele care se produc într-o celulă electrochimică, este legată de activitatea sau concentrația unei anumite specii chimice prezente în celula electrochimică – analitul. Multitudinea metodelor și tehnicilor existente în prezent a fost dezvoltată tocmai în acest scop [1-13].

Tehnicile electroanalitice posedă anumite trăsături și caracteristici care, în anumite situații, fac electroanaliza avantajoasă în comparație cu alte tehnici analitice. Astfel, limitele de detecție excelente cuplate cu un domeniu de concentrații utilizabil destul de larg, cuprins între valorile 110-3 moll-1 și 110-11 moll-1, sunt prezentate de multe dintre ele. Tehnicile electrochimice sunt potrivite pentru determinarea concentrațiilor relativ ridicate ale unor analiți, asemenea electroliților din stânga (Na+, Ca2+, Cl-, HCO3-), dar la fel de bine și a analiților aflați la nivel de urmă ca în cazul medicamentelor și a metaboloților acestora din unele tipuri de probe biologice (păr, sânge, fluide biologice, etc). Un alt avantaj este cel al utilizării în cazuri de rutină a volumelor mici de probă, de ordinul microlitrilor, iar în cadrul unor laboratoare de cercetare specializate s-au efectuat măsurători electroanalitice pe probe cu volumul chiar de ordinul nanolitrilor.

Electroanaliza este un mijloc relativ ieftin în comparație cu alte tehnici instrumentale. Ele beneficiază și de o trăsătură caracteristică, anume că semnalele din celula electrochimică sunt de natură electrică, spre deosebire de cele mai multe tehnici instrumentale care recurg la convertirea semnalului de interes (de exemplu, intensitatea radiației electromagnetice implicate în spectrometria optică), într-un semnal de natură electrică necesar realizării măsurătorii.

De asemenea, electroanaliza este capabilă de realizarea unor măsurători directe “in vino”, cum ar fi de exemplu măsurarea pH-ului sau pO-ului în vasele sangvine cu ajutorul senzorilor electrochimici miniaturizați. În prezent utilizarea celor mai multe tehnici electrochimice este extinsă cu mult dincolo de limitele analizei calitative a proceselor bioelectrochimice, studiul proprietăților redox ale unor compuși biologici, etc.

Tehnicile electrometrice de analiză, pentru înțelegerea și aprofundarea lor necesită o serie de cunoștințe minime legate de realizarea experimentului electrochimic, de cunoașterea proceselor și a principiilor de bază ale reacțiilor electrod.

Reacțiile chimice de interes analitic sunt prezentate și tratate în general pe baza unui model unic de interpretare, care să permită prevederea, provocarea, menținerea, moderarea sau împiedicarea desfășurării acestora, grație cunoașterii valorilor constantelor de echilibru și a competivității dintre diferitele tipuri de reacții. Dintre acestea, reacțiile cu transfer de electroni pot fi controlate pe cale fizică, cu ajutorul curentului electric, prin intermediul potențialelor aplicate electrozilor (conductori electrici caracterizați prin conducție de tip electronic), care joacă rolul de suport al particulei de schimb, electronul.

O reacție chimică provocată cu ajutorul unui electrod aflat sub influența unui potențial electric, diferit de potențialul de echilibru, poartă denumirea de reacție electrochimică. Acestei modalități de realizare a reacțiilor cu transfer de electroni sub influența unui potențial electric aplicat electrodului de lucru, intensitatea curentului care străbate celula electrochimică și cantitatea necesară decurgerii cantitative a unei reacții electrochimice. Pe baza cunoașterii corelațiilor dintre acești parametri au fost dezvoltate tehnicile electrochimice generale de analiză potențiometrice, amperometrice și coulometrice. Toate aceste tipuri de tehnici au la bază producerea reacțiilor cu transfer de electroni la suprafața unui electrod.

Pentru o însușire rațională a principiilor teoretice ale tehnicilor electrochimice de analiză, în general, se apelează la interpretarea proceselor electrochimice cu ajutorul curbelor intensitate-potențial, i=f(), și în acest fel principiul fiecăreia dintre tehnicile electrochimice de analiză se poate deduce ca un caz particular al unui model unic de reprezentare și interpretare a proceselor de electrod [10,11,14-16].

Interpretarea din punct de vedere analitic a ansamblului de fenomene fizice și chimice care se produc într-o celulă electrochimică la interfața electrod-soluție, folosind în acest doi parametri principali, tensiunea cel și intensitatea curentului care o străbate, i, poartă denumirea de voltamperometrie sau de voltametrie.

Prin proces de electrod se înțelege totalitatea reacțiilor electrochimice și a fenomenelor de transport ale speciilor electrochimice active aflate în celula electrochimică.

Atât reducerea cât și oxidarea unei specii chimice la suprafața unui electrod sunt însoțite de un transfer electrogen de electroni, deci reacția de electrod este eterogenă deoarece se produce la interfața dintre electrod și soluție (contact solid-lichid). Spre deosebire de aceasta, o reacție omogenă cu transfer de electroni implică soluție de reactanți (fază omogenă).

O caracteristică importantă a reacțiilor eterogene cu transfer de electroni este relația dintre potențialul aplicat electrodului și viteza reacției de electrod, care determină intensitatea curentului de electroliză.

CLASIFICAREA METODELOR ELECTROCHIMICE DE ANALIZĂ

Ecuațiile curbelor intensitate-potențial i=f() obținute în condițiile regimului staționar de difuziune, corelează parametrii proprii unui proces de electroliză: potențialul aplicat electrodului, , ca parametru de excitare a sistemului electrochimic și intensitatea curentului de electroliză, i, ca parametru de răspuns al sistemului electrochimic la acțiunea parametrului de excitare.

În aceste ecuații, care pot fi explicate în raport cu fiecare dintre cele două mărimi, mai figurează atât potențialul de semiundă 1/2, mărime independentă de concentrația special electroactivă, putând fi folosită în scopuri calitative, cât și intensitatea curentului limită de difuziune (ida sau idc) caracteristică cantitativă a speciei electroactive. Analizând aceste ecuații este ușor de observat că ele pot sta la baza unor determinări de concentrație. Astfel, menținând intensitatea curentului de electroliză constantă, valoarea potențialului preluată de către electrodul de lucru (indicator) permite calcularea concentrației speciei electroactive, sau menținând constant potențialul aplicat electrodului de lucru în domeniul de potențiale în care i = ida sau i = idc măsurarea intensității curentului limită permite determinarea concentrației speciei electroactive.

Pe această cale se realizează cele două tipuri de bază ale tehnicilor electrochimice de analiză:

tehnicile potențiometrice (i = constant);

tehnicile amperometrice ( = constant).

Pe baza acestor tehnici s-au putut pune la punct atât metode directe, cât și metode indirecte (titrările electrochimice).

Această divizare a metodelor electrochimice face parte dintr-o schemă mai largă de clasificare a metodelor electroanalitice, schemă care cuprinde două mari tipuri:

tehnici electrodice sau electrochimice;

tehnici ionice.

1.1.1 PRINCIPIUL MĂSURĂTORILOR POTENȚIOMETRICE

Tehnicile electrodice constau în măsurarea proprietăților interfeței electrod-lichid și la rândul lor se subîmpart în tehnici statice și tehnici dinamice. Tehnicile statice sunt acelea la care tensiunea unei celule electrochimice este măsurată la echilibru, caz în care electroliza se produce cu aceeași viteză în ambele sensuri, motiv pentru care intensitatea curentului total de electroliză este nulă. Astfel, în potențiometria la curent nul tensiunea unei celule electrochimice este utilizată pentru a determina activitatea, respectiv, concentrația analitului.

Tehnicile în cadrul cărora electroliza se produce în celula electrochimică sunt denumite tehnici dinamice. Cele mai obișnuite tehnici dinamice sunt acelea în care celulei electrochimice i se aplică o diferență de potențial (tensiune) controlată și intensitatea curentului de electroliză rezultat care străbate celula electrochimică sau sarcina electrică necesară, sunt măsurate și utilizate pentru determinarea cantitativă a analitului. Aceste tehnici la potențial controlat pot fi împărțite convențional în:

tehnici cu convecție forțată sau tehnici hidrodinamice;

tehnici în soluție liniștită sau tehnici staționare.

Tehnicile ionice sunt acelea care implică măsurarea unei proprietăți de natură electrică a soluțiilor cum ar fi conductivitatea electrică. În figura 1 este reprezentată o încercare de clasificare a tehnicilor electroanalitice.

Fig. 1 Clasificarea celor mai comune tehnici electroanalitice

1.1.2 SENZORI POTENȚIOMETRICI

În concepția actuală, obiectivul chimiei analitice constă în caracterizarea și controlul substanțelor. Prin caracterizare se înțelege obținerea și prelucrarea tuturor informațiilor care permit identificarea substanțelor (informații analitice), controlul constând în urmărirea în timp a acestora.

Informațiile analitice ce se obțin prin investigarea completă a substanței de analizat (probă) o analiză completă din punct de vedere operațional, următoarele etape:

excitarea sistemului prin perturbarea stării de echilibru inițial, cu ajutorul unui “semnal de intrare” chimic sau fizic;

observarea și măsurarea “semnalului de ieșire” al sistemului, adică totalitatea fenomenelor care se produc în sistem sub acțiunea semnalului de intrare, inclusiv, modificările acestuia din urmă; astfel de semnale se numesc “semnale analitice” și prezintă sensibilitate și selectivitate, putând fiind măsurate teoretic.

Răspunsul unui sistem nu are întotdeauna caracter de semnal, cu parametrii calitativi și cantitativi bine determinați. În acest caz răspunsul trebuie transformat în asemenea semnal cu ajutorul traductorilor (senzorilor).

Senzorii sunt dispozitive care sesizează variația unor parametrii în sistem prin emiterea de semnale corespunzătoare, corelate cu mărimea parametrului respectiv. Sunt deci instrumente care convertesc un anumit tip de semnal în altul, observabil pe o scală.

Notând “input” semnalul de intrare, ”Black-box“ măsurarea perturbațiilor aduse sistemului și “output” semnalul de ieșire, schema bloc a procesului analitic devine:

1. STAREA ACTUALĂ A SENZORILOR CHIMICI ȘI AVANSĂRILE PREVĂZUTE ÎN VIITORUL APROPIAT

După cum s-a descris anterior, senzorii chimici au prezentat progrese mari și diverse tipuri de senzori au fost comercializați.

În viitor, până când un sistem nu indică clar superioritatea sa comparativ cu sistemele actuale, vor avea loc modificări mici, pentru uzul practic.

Unul din scopurile principale în dezvoltarea senzorilor chimici este miniaturizarea. Numeroase încercări de senzori de tipul film compact (gros), elemente de tip film subțire, senzori de tip FET au fost făcute în scopul miniaturizării (un senzor interesant, deși nu cu succes complet, este cel de oxigen pentru automobile, realizat de Velasco et al [17]) .

Utilizarea microprocesorului sau a microcomputerului este un aspect cheie al sistematizării, care va duce nu numai la miniaturizarea dar și la conservarea energiei, la costuri de producție mici și performanțe ridicate. De exemplu, Ikegani [18] și Muller [19], împreună cu colaboratorii au prezentat încercări de a distinge specii gazoase prin forma semnalului elementelor ce ajung la senzor. Sletter și colaboratorii [20] au dezvoltat un sistem-senzor similar, pentru utilizarea practică ce necesită un algoritm de asociere a structurii pentru identificarea a 100 de compuși.

APLICAREA SENZORILOR CHIMICI

Mulți senzori fizici se utilizează ca părți sensibile ale roboților în industria modernă. Pe de altă parte, senzorii chimici se utilizează în prezent în domeniile în care nu au pătruns senzorii chimici-fizici. Oricum, sistematizarea instrumentelor de sesizare, control și conducere prin senzorii chimici vor prezenta mari avansuri în avansuri în viitor, iar sistemul rezultat va avea trăsături adecvate roboților chimici accesibili atât în industrie cât și cetățeanului obișnuit.

Senzorii electrochimici sunt traductori care transformă parametrul concentrație într-o mărime de natură electrică: curent, potențial de electrod, rezistența conductivitate; proprietatea măsurată poate caracteriza fie interfața electrod-soluție, în cazul tehnicilor electrodice sau electrochimice, fie soluția ca atare și acesta este cazul tehnicilor ionice.

Figura 1 dă o clasificare a tehnicilor electroanalitice comune.

Acestea sunt metode fizice și fizico-chimice de analiză și se bazează pe determinarea concentrației cu ajutorul funcției:

P = f(ca, cb, x1, x2,…xn) cu

P – proprietatea măsurată;

ca – concentrația analitului;

cb – concentrațiile speciilor străine interferente;

x1, x2,…xn – alți parametri.

Tabelul 1. Aplicarea senzorilor chimici în diferite domenii.

Potențialul electric sau intensitatea curentului sunt măsurate într-un sistem, numit celula electrochimică ce constau în doi electrozi sau mai mulți, imersați într-un fond electrolitic și care funcționează ca traductori între sistemul chimic și un sistem electric. În figura 2 este dată schema generală a unui circuit de electroliză:

circuit de polarizare;

celulă electrolitică;

aparat pentru măsu-rarea curentului;

aparat pentru măsu-rarea potențialului electrod;

electrod de lucru;

electrod auxiliar;

electrod auxiliar;

sursa de curent.

Electrodul de lucru (indicator) este senzorul electrochimic propriu-zis. Pe acest electrod au loc procesele care furnizează informațiile analitice. Electrodul auxiliar (contraelectrodul) are rolul de a mijloci trecerea curentului electric prin circuit. Electrodul de referință servește la controlul potențialului electrodului de lucru.

Mărimea semnalului potențial al unui electrod sau intensitatea curentului electric care își au originea în procesele ce se produc în celulă, este legată de activitatea (sau concentrația) unei anumite specii chimice prezente în celula electrochimică analitul.

Aspectul specific al funcționării senzorului ca sistem electrochimic îl constituie transferul de sarcină la interfața electrod-soluție, în cadrul unui proces complex, denumit reacție de electrod. Etapele acestui proces sunt:

transportul reactanților spre suprafața electrodului;

stabilirea echilibrului de absorbție pe suprafața electrolitului;

traversarea de prin suprafață;

desorbția produselor de reacție cu transportul acestora în masa soluției.

În fond, reacția de electrod este o reacție cu transfer de electroni

Ox + e- = Red,

dar spre deosebire de reacțiile chimice de oxidare-reducere, reacțiile electrochimice pot fi controlate pe cale fizică în sensul că pot fi provocate, întreținute sau înlăturate, cu ajutorul curentului electric al particulei caracteristice de schimb-electronul.

CARACTERISTICILE DE BAZĂ ALE SENZORILOR POTENȚIOMETRICI

Componenta de bază a unei celule electrochimice este electrod indicator al cărui potențial este funcție de activitatea analitului. Întrucât nu poate fi determinat potențialul absolut al unui electrod, este necesar un alt electrod, cu potențial constant și cunoscut numit electrod de referință. Cei doi electrozi sunt imersați în electrolitul adecvat.

Cele mai importante caracteristici ale senzorilor potențiometrici sunt:

Funcția transfer reprezintă expresia relației dintre semnalul de intrare (concentrația unei specii de probă) și cel de ieșire, al senzorului. Ea trebuie să fie cunoscută sub forma unei expresii matematice exacte, să aibă o interpretare matematică, să reflecte o sensibilitate cât mai mare a senzorului (panta mare). Se preferă o relație lineară (legea lui Nernst).

Selectivitatea (specificitatea), definită ca raportul semnal/fond; aceasta trebuie să fie cât mai mare;

Sensibilitatea exprimată ca derivata funcției de transfer, trebuie să fie de asemenea mare; sensibilitatea coincide cu concentrația minimă pe care senzorul o poate semnala (linia de detecție);

Stabilitatea;

Timpul de răspuns este decalajul (în timp) între variația semnalului de intrare și variația corespunzătoare a semnalului de ieșire. Este de dorit ca timpul de răspuns să fie cât mai scurt posibil;

Siguranța în exploatare;

Economicitate.

Avantajele majore ale senzorilor potențiometrici include:

sensibilitate înaltă;

domeniu larg de activitate;

compactitate;

necesar mic de putere;

performanțe bune la sesizarea electrolitului;

faptul că sesizează mai curând activități decât concentrații.

Dintre dezavantajele ce trebuiesc menționate:

drifturile cauzate de potențialele lichid-lichid;

sensibilitate la câmpurile electrice aplicate, la potențialele de suprafață mici și uneori chiar la lumină ;

performanțe slabe la pH-uri extreme;

dificultăți la revenire;

uneori specificitate limitată.

În prezent se desfășoară o activitate intensă de cercetare în domeniul senzorilor electrochimici, atât asupra recunoașterii ionilor și moleculelor, dar și spre noi materiale sensibile incluzând polimeri conductori, matrice legate de polimeri și electrozi modificați chimic.

SENZORI ION-SELECTIVI

Considerații generale

Senzorii ion-selectivi sunt electrozi la care pe interfața electrod-electrolit apare o diferență de potențial datorată repartizării inegale a sarcinilor. Interfața se realizează cu ajutorul unor membrane selective. În acest context, termenul membrană este pentru a nota o secțiune subțire dintr-un material conductor ce reglează mobilitatea speciilor încărcate de-a lungul sau creând astfel condițiile pentru generarea unui potențial electric. Mobilitatea diferită (transportul selectiv) prin membrana se datorează schimbului de ioni și de electroni prin absorbție, extracție sau procese cinetice interfacial. Între cele două faze separate de membrană, transportul de materie este modificat sau inhibat față de cazul în care cele două faze ar fi în contact direct.

Teoria detaliată asupra proceselor care au loc este general utilizabilă [19-21].

Membranele care funcționează drept componenți în senzorii ionici trebuie să aibă următoarele caracteristici comune:

Să existe un echilibru de repartiție a ionilor pe ambele interfețe. Unul din ioni să fie repartizați pe ambele faze;

În cazul membranelor permeabile să aibă loc schimb de ioni pe ambele interfețe;

Masa membranei să transmită câmpul prin conductibilitate ionică, eventual și prin conductibilitate electronică.

Pe una din interfețe poate să existe un echilibru electronic în locul celui ionic (contact metalic direct);

Membranele foarte selective prezintă proprietăți favorabile de schimb și de mobilitate cu un singur ion dat (permselectivitate).

CONSIDERAȚII TEORETICE

Studiul termodinamic, care nu a fost prezentat aici, arată că potențialul de membrană corespunde variației de energie liberă asociată gradientului de concentrație [22] (de activitate), de o parte și de alta a membranei.

Potențialul de electrod, care reflectă distribuția inegală a ionilor analitului de-a lungul interfeței, este determinat în raport cu potențialul electrodului de referință. Deoarece potențial electrodului de referință este constant, potențialul determinat de celulă poate fi corelat cu activitatea ionului din analit.

Răspunsul dat de un asemenea electrod este descris de ecuația lui Nernst:

(1)

unde E-potențialul unui electrod sau al unei celule electrochimice;

Eo – potențialul standard al electrodului (când ai = 1);

R – constanta universală a gazelor (8,31 JK-1mol-1);

T – temperatura (oK);

Zi – sarcina ionului;

F – constanta lui Faraday (96500 C/mol);

ai – activitatea ionului din specia i.

ai = fici (2)

cu ci – concentrația ionului i;

fi – coeficientul de activitate.

Ecuația (1) arată deci că potențialul de electrod este proporțional cu activitatea ionului din soluție; se impune ca semnul sarcinii ionului (zi) să fie inclus în relație.

Înlocuind valorile constantelor și trecând la logaritmizarea în baza 10, ecuația devine:

(3)

Ceea ce poate fi transpus într-un sistem de axe XOY ca:

E = Y = valoarea pe axa Y; C = E0 = intersecția cu axa Y;

m = 0,0591/zi = panta într-o ecuație de tip y = lg ai.

Se spune despre electrozii care au, la 250C, panta apropiată de a 0,0591/zi, că au o comportare nernstiană.

Ecuația Nikolski-Eisenman ține seama și de prezența ionilor “j” care pot interfera:

(4)

cu: K- constanta ce ține seama de diferite surse de potențial;

kij – coeficientul de selectivitate, ce descrie abilitatea electrodului de “discriminare” împotriva ionilor ce interferă (și este o măsură a selectivității membranei față de cei doi ioni).

1.2 TEHNICI POLAROGRAFICE SI VOLTAMETRICE DE ANALIZĂ

ASPECTE GENERALE

Polarografia reprezintă un procedeu electrolitic în care se realizează o microelectroliză pe un electrod picător de mercur (EPM) într-o soluție neagitată. Datele sunt obținute sub forma unor curbe intensitate-potențial caracteristice pentru speciile electroactive.

Cu ajutorul unui electrod picător de mercur pot fi studiate atât reducerea cât și oxidarea. În general, electrodul indicator (EPM) este catodul, în timp ce în al doilea caz, este anodul. Din acest motiv procesele de reducere sunt adeseori descrise drept polarografie catodică, unde catodice sau procese catodice. În mod similar, oxidarea poate fi descrisă drept polarografie anodică, unde anodice sau procese anodice. Datorită similarității dintre cele două procese, se vor lua în discuție, mai ales, procesele de reducere.

În general, polarografia poate fi utilizată atât pentru analize calitative cât și pentru analize cantitative. În circumstanțe favorabile, pot fi detectate și determinate cantități de ordinul a 10-6 moli/litru dintr-o specie electroactivă, folosindu-se un curent de o intensitate de 1…100 A.

Voltametria, în interpretarea actuală a noțiunii reprezintă denumirea comună a mai multor tehnici electroanalitice, care studiază compoziția și proprietățile fizico-chimice ale soluțiilor și topiturilor prin înregistrarea și interpretarea curbelor intensitate potențial, i=f(), cunoscute și sub denumirea de voltamograme, obținute cu un electrod de lucru potrivit ales, (staționar rotitor sau cu suprafață continuu reînoibilă), în soluții liniștite (transport de masă exclusiv prin difuzie) sau în soluții agitate (transport de masă prin difuzie și convecție) [23,24,25].

Voltametria reprezintă o categorie de tehnici electroanalitice puternice și multilaterale, care oferă o înaltă sensibilitate, selectivitate și precizie cu o instrumentație relativ ieftină, cu aplicabilitate într-o multitudine de domenii, printre care și determinarea a numeroase specii cu semnificație biologică (medicamente, vitamine, ioni metalici, aminoacizi, peptide, acizi nucleici, steroizi citocromi, enzime, coenzime, etc) [22,24].

Pe de altă parte, voltametria reprezintă o clasă de tehnici electroanalitice în care intensitatea curentului de electroliză la suprafața unui electrod de lucru este măsurată ca o funcție de potențial aplicat acestuia. Ca denumire, voltametria sugerează deci o categorie de tehnici care au la bază obținerea și interpretarea curbelor intensitate-potențial i=f() cu ajutorul unei celule electrochimice, curbe cunoscute sub denumirea generală de voltamograme. Termenul de electrod de lucru este rezervat pentru electrodul la suprafața căruia se produce reacția electrochimică de interes. Potențialul aplicat electrodului de lucru servește ca forță motrică pentru producerea unei reacții electrochimice, el fiind parametrul controlat, care cauzează electroliza (reducerea sau oxidarea) speciilor chimice la suprafața electrodului de lucru. Astfel, el poate fi văzut ca o măsură a presiunii electronilor, puterea reducătoare sau oxidantă a electrodului de lucru fiind controlată de potențialul aplicat acestuia. De exemplu, atunci când potențialul electrodului de lucru devine mai negativ decât potențialul de echilibru al cuplului care evoluează la suprafața sa, electronul devine reducător mai puternic decât (sursă de electroni), iar la potențiale mai pozitive, acesta va favoriza oxidarea. Într-un experiment voltametric potențialul aplicat electrodului de lucru este variat într-o anumită manieră sistematică, de exemplu, se aplică o rampă liniară sau tren de impulsuri. Dacă o specie electroactivă (ion sau moleculă) este prezentă în soluția din celula electrochimică, prin circuitul exterior va fi înregistrat un curent electric de intensitate i0, când potențialul aplicat electrodului de lucru devine suficient de negativ sau de pozitiv față de potențialul de echilibru, pentru a fi electrolizată specia de interes.

Pentru sistemele controlate de legile termodinamice, potențialul aplicat, , controlează concentrația speciilor electroactive la suprafața electrodului Ox și Red, conform ecuației lui Nernst:

(5)

unde: CSOx și CSRed sunt concentrațiile formelor oxidantă și redusă ale speciei electroactive, Ox și Red; z numărul de electroni transferați în reacția de electrod. La potențiale mai pozitive decât e, forma oxidantă este stabilă, în timp ce forma redusă tinde să sufere oxidarea dacă se află în apropierea electrodului. Curentul rezultat din modificarea stării de oxidare a speciei electroactive este denumit curent faradic, deoarece se supune legilor electrolizei ale lui Faraday (conform acestei legi, sarcina electrică, numărul de coulombi, implicată în reacția redox a unui mol de substanță electroactivă este echivalentă cu 96485 C)

Curentul faradic este o măsură directă a vitezei reacției redox care se produce la suprafața electrodului de lucru. Aceasta depinde, în special de două lucruri: de viteza cu care speciile electroactive din interiorul soluției se deplasează la electrod (proces denumit transport de masă) și de viteza cu care are loc transferul electronilor la suprafața electrodului către speciile electroactive din interiorul soluției și invers (proces denumit transfer de sarcină).

Această descriere este foarte simplistă, o descriere complexă a reacției redox poate implica în mod evident procese suplimentare, asemenea fenomenelor superficiale și a reacțiilor chimice competitive. Procesele care decurg cu viteza cea mai mică controlează mărimea intensității curentului de electroliză. Termenii de reversibil, cvasireversibil și ireversibil sunt utilizați pentru a descrie un asemenea control, care depinde de mărimea constantei de viteză eterogenă a transferului interfacial de electroni în comparație cu viteza transferului de masă în vecinătatea electrodului de lucru. O descriere completă a proceselor de electrod necesită cunoașterea cineticilor, termodinamicilor și hidrodinamicilor proceselor electrochimice de bază, lucru care însă nu constituie obiectivul acestei lucrări.

Voltamograma, echivalentul electrochimic al spectrului obținut în spectrometrie este reprezentarea variației intensității curentului (axa verticală) în funcție de potențialul aplicat electrodului de lucru (axa orizontală). Intensitatea curentului măsurat poate fi considerată ca fiind semnal de răspuns al sistemului electrochimic la acțiunea undei de potențial aplicate sistemului ca semnal de excitare a acestuia. În funcție de natura măsurii realizate semnalul de răspuns poate avea forma unei curbe cu salt sau a unei curbe cu maxim (pic). Forma exactă a răspunsului este generată și de procesele implicate în reacția de electrod.

Pentru reacțiile reversibile de electrod controlate de viteza transferului de masă, intensitatea curentului de electroliză, i, este legată de fluxul de material electroactiv la suprafața electronului prin intermediul relației:

(6)

unde: F – este constanta lui Faraday; A – suprafața electrodului; Dox – coeficientul de difuzie al speciei electroactive, Ox (C/X)x=0,1 – gradientul de concentrație al speciei electroactive la suprafața electrodului.

Pentru un amestec de specii electroactive, voltamograma va reprezenta însumarea componentelor individuale. În plus față de curentul faradic, un curent în fond (rezidual), nelegat de reacția redox de interes, traversează continuu celula, acesta limitând detecția și dictează modul de efectuare a măsurării.

Prin interpretarea atentă a voltamogramei obținute pot fi obținute informații analitice importante. Astfel, potențialul a cărui poziție pe axa potențialelor (potențialul de semiundă 12, sau potențialul de pic p) este legată de o pentru cuplul Ox/Red, uneori furnizează informații calitative. Intensitatea curentului faradic măsurată în regiunea de potențiale corespunzătoare curenților limită, este proporțională cu concentrația speciei electroactive. a cărei limită de detecție va fi determinată de mărimea relativă a intensității curentului faradic comparată cu intensitatea curentului de fond. Cele mai avansate proceduri voltametrice conduc la reducerea contribuției curentului de fond în raport cu intensitatea curentului măsurat ceea ce permite coborârea limitelor de detecție la nivel nanomolar sau chiar subnanomolar.

Avantajele tehnicilor electrochimice la potențial controlat includ sensibilitatea ridicată, selectivitate față de speciile electroactive, o gamă largă de instrumente disponibile la un preț de cost mai scăzut, capabilitatea speciei și un domeniu larg de electrozi disponibili. Câteva dintre proprietățile caracteristice ale acestor tehnici sunt rezumate în tabelul 2.

Tabelul 2 Proprietăți caracteristice ale tehnicilor electrochimice la potențial controlat.

Tabelul 2

Limitele de detecție extrem de coborâte (nivel nanomolecular) pot fi asigurate la volume de probă foarte mici (5-10 L), asigurându-se astfel determinarea unor cantități de analit de ordinul 10-13-10-15 M [30]. Îmbunătățirea selectivității acestor tehnici poate fi asigurată prin cuplarea schemelor la potențial controlat cu procedurile cronografice sau spectrometrice.

Îmbunătățirea procedurilor voltametrice, cât și introducerea instrumentelor voltametrice multifuncționale, a dat și posibilitatea aplicării la determinarea concentrațiilor coborâte de specii de interes biologic și farmaceutic din diferite medii )fluide biologice, țesuturi, etc).

Așa cum s-a precizat anterior polarografia este o tehnică voltametrică, care în forma ei clasică elaborată de către Joraslaw Hezrowsky în anul 1928, a fost preconizată ca un studiu al fenomenelor care au loc la suprafața unui electrod picător de mercur, în soluții neagitate, sub acțiunea unui potențial uniform variabil.

Tehnicile polarografice și voltametrice sunt considerate ca tehnici dinamice deoarece în cadrul acestora apar procese electrochimice la electrozi sub acțiunea potențialului electric controlat aplicat acestora și ca urmare celula polarografică sau voltametrică va fi străbătută de un curent electric. În cadrul acestor tehnici se poate lucra cu celule electrochimice cu doi electrozi (un electrod de lucru ușor polarizabil, la suprafața căruia se produc, reacțiile electrochimice și un electrod cu potențial constant denumit electrod de referință), cât și celula cu trei electrozi (electrodul indicator, contraelectrodul și electrodul de referință).

Avantajele tehnicilor polarografice și voltametrice decurg din: ușurința realizării determinărilor polarografice și voltametrice; abilitatea lor pentru punerea în evidență și a determinării cantitative de specii electroactive; posibilitatea de elucidare a unor mecanisme sintetice; stabilirea compoziției unor complecși și din înțelegerea termodinamică și cinetică formării lor. Mai mult, aceste tehnici sunt rapide, de încredere convenabile, nedistructive și permit analiza multicomponenților, inclusiv a componenților insolubili în apă.

În conformitate cu cele afirmate de către Fogg [2], răspunsul la întrebarea "Voltametria poate fi considerată o tehnică de valoare ?", răspunsul este "da" pentru determinarea medicamentelor și a metaboliților acestora în materiale biologice.

Vire și Patriarche comentează "…. dintre toate tehnicile analitice moderne aplicarea polarografiei irnpulsionale diferențiale în știința farmaceutică este bine justificată din cauza preciziei și sensibilității și se utilizează pentru investigarea rapidă a unor medii complexe " și respectivii autori concluzionează "pe bună dreptate se crede că această tehnică va fi aplicată tot mai mult în viitor la analiza moleculelor de interes farmaceutic și biologic".

INSTRUMENTAȚIA FOLOSITĂ ÎN TEHNICILE

VOLTAMETRICE

Instrumentația de bază necesară experimentelor electrochimice la potențial controlat este relativ ieftină și disponibilă comercial. Printre necesitățile acestei instrumentații trebuie incluse neapărat: o celulă electrochimică (sistem cu trei electrozi de lucru, de referință, auxiliar), un analizor voltametric (constând dintr-un circuit potențiostatic și un generator de rampe de potențial) și un înregistrator x-y-t sau un computer (fig.3).

Fig. 3 Reprezentarea schematică a componentelor principale ale unei instalații pentru realizarea unui experiment electrochimic la potențial controlat.

A-electrod de referință;

B-electrod de lucru;

C-electrod auxiliar;

D-tub pentru barbotarea gazului;

E-agitator magnetic.

Analizoarele voltametrice moderne sunt suficient de multilaterale pentru a fi folosite în mai multe moduri de operare. În funcție de experimentul specific ce trebuie realizat, pot fi necesare și alte componente.

CELULA ELECTROCHIMICĂ

Proprietatea măsurată cu o celulă electrochimică este forța electromotoare (f.e.m.). Aceasta este definită ca diferență de potențial între doi electrozi care formează celula când trecerea de curent este zero; f.e.m. se măsoară cu un potențiometru și se exprimă în volți.

Electrodul ion selectiv constă într-o membrană ion-selectivă și un electrod intern de referință. Pentru conveniențe practice, aceste elemente sunt înglobate într-un singur corp. Considerând că în celulă se folosește un electrod intern de referință Ag/AgCl, reprezentarea schematică a unei asemenea semicelule este realizată în figura 4.

Proba / membrana selectivă / soluție internă de referință /Ag/AgCl.

Fig. 4. Diagrama schematică a unei celule electrochimice conținând un electrod ion-selectiv.

Deoarece rezistența electrică a membranei ion-selective este foarte mare, trebuie utilizat un voltmetru cu impedanța de intrare mare pentru a măsura potențialul sistemului E.I.S. În plus, diferența totală de potențial măsurată între cele două extreme ale celulei este compusă dintr-un număr considerabil de diferențe de potențial, ce ia naștere la interfețele solid-solid, solid-lichid. În consecință:

Ecel = Eo+Em+Ej = K+Em (7)

unde Ecel – potențialul total al celulei;

E0 – potențial fix cuprinzând contribuțiile la El și EG și Em ce iau naștere în interiorul semicelulei indicatoare (vezi fig. 5).

Em – potențial de membrană (al electrodului indicator);

Ej – potențial de joncțiune lichidă.

Un sistem electrodic actual este astfel construit încât toate potențialele interfaciale și de referință sunt constante, exceptând Em, care variază cu activitatea ionului determinat din probă. Potențialul de joncțiune lichidă Ej, ce reprezintă diferența de potențial generată la joncțiunea între soluția-probă și soluția punții de sare, nu poate fi mereu constant. Aceasta este adesea o sursă de erori și s-au sugerat diferite metode pentru a reduce sau limita acest potențial [27,28,29].

Substituind obținem:

(8)

sau:

(9)

Coeficient de selectivitate

Comportarea ideală a electrodului, descrisă în ecuațiile de mai sus nu se obțin în practică; nici un electrod nu răspunde exclusiv la un ion în toate circumstanțele. Este important de reținut ca electrozii cu membrana sunt ion selectivi și nu ion-specifici.

Coeficientul de selectivitate, kij, este o măsură a selectivității unui electrod pentru ionul primar “i”, în prezența ionului interferent “j”. Deci, cu cât kij este mai mare, selectivitatea electrodului pentru ionul primar este mai mare.

CLASIFICARE ȘI TIPURI DE ELECTROZI

ION-SELECTIVI

Datorită marii diversități de EIS, există numeroase criterii de clasificare a acestora. Astfel, în prezent senzorii cunoscuți sunt electrozi convenționali, electrozi ion-selectivi, tranzistori cu efect de câmp ion-selectiv (ISPET) și electrozi sensibili față de specii moleculare (faz-sensibili și biosenzori. Clasificarea acestor senzori este prezentată în figura 5 care indică varietatea tipurilor existente de senzori, diferind prin caracterul speciei de determinat electroni, ioni sau produși moleculari (nivelul superior), prin tipul membranei utilizate lichide sau solide, omogene sau eterogene (nivelul de mijloc) și în funcție de tipul materialului utilizat pentru membrana sensibilă (nivelul inferior).

Fig. 5. Clasificarea senzorilor utilizați pentru determinarea concentrației compușilor în soluție.

O clasificare potrivită a ISE trebuie să includă și considerațiile practice. Categoriile prezentate în tabelul 4 se bazează pe principiile pe care funcționează electrozii.

Clasificarea electrozilor ion-selectivi

Electrozi ion-selectivi fundamentali;

Electrozi de speța I-a;

Electrozi de speța a-II-a;

Electrozi de speța a-III-a;

Electrozi cu operație de schimb ionic

Electrozi de sticlă;

Electrozi cu precipitate de săruri anorganice;

Electrozi cu precipitate de ioni dizolvați;

Electrozi cu liganzi încărcați electric;

Electrozi cu liganzi neutri electric (transporturi neutri, ionofori).

Tranzistori cu efect de câmp ion-sensibil (ISFET)

Electrozi ce operează prin difuzie și o reacție chimică interpusă

a) Electrozi sensibili față de gaze

Electrozi gaz-sensibili cu membrană permeabilă;

Electrozi ce operează prin difuzie gaz-sensibili fără membrană permeabilă;

b) Biosensori

i) Electrozi enzimatici;

ii) Electrozi cu membrana bioselectivă.

În continuare se vor prezenta și descrie pe scurt acei electrozi ion selectivi care au aplicabilitate practică în analiza clinică și farmaceutică.

ELECTROZI ION-SELECTIVI FUNDAMENTALI

Electrozi ce operează printr-o reacție cu schimb de electroni

Electrozii cuprinși în această categorie funcționează ca rezultat al unui proces de schimb de electroni ce are loc la suprafața electrodului. Potențialul dezvoltat de asemenea electrozi este guvernat de obicei de produsul de solubilitate al sării (sărurilor) care formează o parte a electrodului. În general, acești electrozi sunt puțin potriviți analizei potențiometrice a fluidelor biologice deoarece constituenții biologici, cum ar fi proteinele, pot otrăvi suprafața metalică.

Electrozi de speța I-a: M/Mz+ sau Pt/A-/A.

Electrodului metal/ion, schematizat M/Mz+, i s-a dat denumirea “electrod de speța I-a” deoarece este implicată o interfață.

Ei sunt alcătuiți dintr-un metal (sau nemetal) în contact cu o soluție conținând ionii săi (de exemplu, un electrod de argint metalic cufundat într-o soluție de azotat de argint).

Electrozii de acest tip pot fi utilizați la determinarea activității ionului metalului (nemetalului) în contact cu soluția. Nemetalele, care în principiu, dau electrozi reversibili sau hidrogenul, oxigenul și halogenii, ionii corespunzători fiind ioni de hidrogen, hidroxil și respectiv halogenura. Întrucât materialele electrodice, în acest ultim caz, sunt izolatori gazoși, este necesară platina fin divizată, pentru a face contactul electric. Acești electrozi nu sunt utilizați la măsurători directe ale ionilor, din fluidele biologice.

ii) Electrozi de speța a-II-a: M/MX/XZ-

Acești electrozi se numesc așa deoarece implică două interfețe.

În general, dar nu numai, la activitățile anionilor, sunt alcătuiți dintr-un metal acoperit cu strat de sare sau oxid practic insolubile al aceleiași specii metalice și cufundat într-o soluție de electrolit conținând anionul comun cu sarea insolubilă. Unii dintre cei mai cunoscuți electrozi, ca de exemplu Ag, AgCl(s)/Cl-, apar în aceste categorii.

iii) Electrozii de speța a-III-a M,MX,NX/Mz*

Implică trei interfețe și sunt mai puțin comuni. Electrozi care răspund la ionii de taliu, cupru și calciu, pot fi formați din următoarele combinații:

TI/TII,AgI,Ag; Cu2+/CuS,HgS/Hg; Ca2+,Ca SO4,PbSO4/Pb.

Electrozi ce operează prin reacții de schimb ionic

Electrozi de sticlă

Principiul de funcționare al acestor electrozi se bazează pe hidratarea membranei, în contact cu soluțiile apoase. Acest electrod se reprezintă astfel:

Soluția /strat /sticlă /strat /soluția de

internă hidratat uscată hidratat analizat

Grosimea membranei fiind de 50 um și cea a stratului hidratat fiind, în funcție de higroscopicitatea sticlei de 0,005-0,1 um, potențialul de membrană (Vm) se compune din două potențiale de contact (Vc) și un potențial de difuzie (Vd):

Vm=VcI+Vd+Vc2

Primul electron ion-selectiv comercializat (1929) a fost electrodul de sticlă [32]. Acum se utilizează diferite tipuri (compoziții) de sticlă, pentru obținerea selectivității dorite (se știe că potențialul de membrană este funcție de compoziția sticlei [33].

Electrozii de sticlă pentru pH există în mai multe tipuri și prezentări, în funcție de condițiile practice de utilizare:

prezentare normală (cu membrana sferică), pentru majoritatea utilizărilor în laborator;

electron cu membrană plată, pentru măsurări textile, hârtie, piele;

electrozi înfipți, pentru analiza pe alimente;

microelectrozi, dacă se lucrează în vase mici.

Fig. 6 Forme de prezentare a electrozilor de sticlă:

membrană sferică;

membrană plată;

microelectrod;

celulă de măsură cu diafragma de șlif;

electrod înfipt;

electrod protejat.

Schema unei celule electrochimice pentru determinarea pH-ului apare astfel:

1 – electrod de sticlă;

2 – electrod de referință intern (calomel, AgCl);

3 – electrod de referință extern;

4 – soluția de pH necunoscut;

5 – soluția de pH constant.

Fig. 7 Celula electrochimică pentru pH.

Electrodul de referință intern servește la determinarea diferenței de potențial între cele două fețe ale membranei , iar electrodul de referință extern la măsurarea potențialului datorat variației de pH:

membrana de sticlă

Potențialul electrodului de sticlă este determinat de activitățile ionilor de hHhhhh hidrogen din ambele părți ale membranei:

(10)

cu pHi = constant, rezultă: E = k-0,059I pHx (11)

iar f.e.m. a pilei va fi: (12)

Valoarea lui k depinde de pH-ul soluției interne, de electrodul de referința și de potențialele de joncțiune. Dependența potențialului electrodului de sticlă de concentrația ionilor de hidrogen urmează legea de mai sus pe un domeniu de concentrație mai restrâns în comparație cu electrodul de hidrogen.

Acest domeniu de concentrație este situat la scara normală de pH și se întinde de la aproximativ 2,0 la pH=11,0. Studii amănunțite asupra comportării electrodului de sticlă în soluții termic bazice au scos în evidență o dependență anormală a potențialului de electrod și potențialul cu posibilitățile de corectare a măsurătorilor în astfel de condiții.

Sticla necesară confecționării acestui tip de electrod are o compoziție specială care îi asigură o serie de calități necesare ca:

sensibilitate mare la variația de pH;

rezistența electrică convenabilă în raport cu posibilitățile actuale ale instrumentelor de măsură;

durabilitate în timp;

higroscopicitate ridicată, necesară procesului de schimb ionic de interfață membrană-soluție.

Îmbunătățirile principale făcute senzorilor de sticlă pentru pH au vizat reducerea erorilor datorate ionilor de sodiu, la pH mare și îmbunătățirea atât a timpului de răspuns, cât și a stabilității membranei utilizate.

Studiile lui Eisenman asupra membranei de sticlă Na2O-Al2O3-SiO2 au arătat că sistemul acestor trei oxizi poate da variații în selectivitatea membranei, în funcție de raportul lor. Sticla cu raport mare SiO2/Na2O și cu cantități mici de Al2O3 este în esență o sticlă selectivă pentru ionii de hidrogen, în timp ce la 11% Na2O, 18% Al2O3, 71% SiO2 sticla prezintă o selectivitate bună pentru sodiu asupra potasiului, având un coeficient de selectivitate KNa/K de ordinul 10-2-10-3 [34].

Date tipice asupra selectivității electrozilor de sticlă cu răspuns față de ionii de hidrogen sunt date în tabelul 3.

Tabelul 3 Coeficienții de selectivitate pentru unii electrozi cu membrane de sticlă selectivi față de H+.

Lengyel și Blum [35] au arătat că modificând compoziția topiturii de sticlă prin includerea Al2O3 sau B2O3 eroarea alcalină a sticlei poate fi mărită intr-o asemenea măsură, încât electrodul dă un răspuns nernstian față de ionii de sodiu dar cu interferența mare de H+ la pH mic al probei. Cercetările lui Eisenman în anii 1960 au dus la dezvoltarea unor electrozi de sticlă selectivi pentru ionii de natriu [36].

Coeficienții de selectivitate pentru o serie de electrozi de sticlă Na+- selectivi sunt dați în tabelul 4. Ca și în cazul electrozilor de pH, acești electrozi sunt suficient de sensibili pentru măsurători clinice și farmaceutice exacte.

De asemenea selectivitatea față de potasiu poate fi crescută prin scăderea conținutului de oxid de aluminiu, dar valoarea KK/Na nu poate fi făcută mai mare de aproximativ 10-1. Astfel, acești electrozi vor permite determinarea selectivă a K doar dacă raportul concentrației potasiului la concentrația sodiului este mai mare de 1000 ori. Acesta este motivul pentru care electrozii de sticlă potasiu-selectivi nu se utilizează în laboratorul clinic.

Un factor foarte important de care trebuie să se țină cont este temperatura deoarece aceasta influențează măsurătorile cu electrodul de sticlă prin:

variația potențialului de membrană cu temperatura;

variația pH-ului soluție tampon interne;

variația potențialului electrodului de referință intern;

variația suprafeței active a membranei de sticlă;

variația rezistenței electrice a membranei de sticlă (1/d=Xe-y/RT deci rezistența scade cu creșterea temperaturii, ducând la creșterea sensibilității).

Tabelul 4. Coeficienții de selectivitate pentru unii electrozi de sticlă cu membrana selectivă pentru ionii de Na+.

Alți electrozi de sticlă răspunzători pentru ionii monovalenți (NH4+, Rb+), au fost elaborați dar nu sunt aplicați datorită slabei selectivități în prezența ionilor de sodiu. Pentru litiu cel mai bun electrod are o sticlă cu compoziția 25% oxid de litiu, 15% oxid de aluminiu și dioxid de siliciu. Pentru electrozi cu membrana de sticlă selectivi pentru ionii de calciu

s-au dezvoltat membrane de cuarț dopate cu calciu [37].

iii) ELECTROZI CU MEMBRANĂ SOLIDĂ

Categoria acestui tip de electrozi cuprinde electrozi de sticlă și electrozi cu precipitate de săruri anorganice. Deși sticla este un corp solid, procesele legate de dezvoltarea potențialului la electrodul de sticlă se deosebesc de procesele care au loc la ceilalți electrozi cu membrana solidă.

Electrozii cu precipitate de săruri anorganice cuprind grupa electrozilor cu membrană omogenă – formați din cristale sau din monocristale și grupa electrozilor cu membrană heterogenă, din cristale încorporate într-o matrice potrivită.

Un cristal al unei sări solubile în apă constituie o fază conductoare dintre ionii acesteia se poate deplasa în rețea sub acțiunea unui câmp electric. Alături de această conductibilitate ionică este posibilă uneori și o conductibilitate de natură electronică. Deoarece rețeaua cristalină a sării are o distribuție neuniformă a sarcinilor ionice, atunci și distribuția potențialului electric este neuniformă la scară microscopică și se ia de aceea în considerare potențialul electric interior mediu.

Cum potențialul chimic al ionilor nu depinde decât de temperatură, atunci pentru o sare insolubilă MX ce formează membrana, potențialul electronului selectiv pentru ionul X- de exemplu (potențial dat de relația lui Nernst), poate fi influențat doar de alți anioni capabili să formeze săruri mai greu solubile cu cationul M+.

În consecință aceste membrane răspund la ionii din care este formată sarea greu solubilă ce constituie membrana, precum și la specii ionice care tind să formeze cu un constituent ionic al membranei săruri mai greu solubile decât sarea ce alcătuiesc membrana. [31]

Se mai urmărește și ca substanțele care formează membrana să combine proprietăți mecanice bune (precipitate ușor de comprimat, pentru a da pilule compacte și neporoase), cu solubilitate mică și conductivitate electronică redusă, deoarece prin conductivitate electronică pot apărea dereglări datorită eventualilor parteneri redox existenți.

Membranele heterogene se obțin prin descompunerea sării insolubile prin dispersare fină într-o matrice inactivă, cu scopul de a crește stabilitatea mecanică și fizică membranei. Drept material inactiv se utilizează policlorura de vinil (PVC), polietilenă, cauciucul siliconic (Pungor) inerte din punct de vedere chimic. Aceste materiale trebuie să aibă anumite proprietăți:

– rezistență mecanică;

– stabilitate în timp;

– să permită pătrunderea ionilor prezenți în fazele apoase.

Substanța activă trebuie să fie foarte fin dispersată în masa membranei.

Constructiv, acești electrozi seamănă cu electrozii de sticlă (figura 8). Membrana este fixată etanș la capătul unui tub; electrodul intern de referință este de obicei un electrod de speța a II a. Există și posibilitatea construirii unor electrozi cu contact solid; în acest caz, întregul electrod este construit ca un electrod de speța a II a.

Fig. 8 Construcția electrozilor de membrană solidă:

cu electrolit intern;

cu contact solid.

S-au examinat numeroase săruri anorganice insolubile și diverse tipuri de materiale inactive chimic, dar puține sunt competitive din punct de vedere al aplicării lor. Oricum, la capitolul II se vor discuta mai pe larg senzorii din această categorie utilizați în analize clinice și farmaceutice.

În tabelul 5 sunt prezentați principalii electrozi cu membrană solidă omogenă și heterogenă. Nota: EIS cu membrana de sticlă au fost prezentați în capitolul anterior.

Tabelul 5 EIS cu membrană solidă, omogenă, și heterogenă; tabelul dă substanța activă din membrană

Tabelul 5

iii) Electrozi cu membrană lichidă

Materialul ion-sensibil este dizolvat într-un solvent organic nemiscibil în apă, iar membrana se formează prin impregnarea cu acest lichid a unui material poros sau permeabil, formând extremitatea sensibilă a electrodului.

Membrana este fie lichid hidrofob, fie un polimer hidrofob. În primul caz este vorba de electrozi cu membrană lichidă, deoarece constau dintr-un suport inert subțire impregnat cu un material electroactiv dizolvat într-o fază lichidă ( esteri de dodecilfosfat, difenileteri, alcooli ).

Suportul are rolul de stabilizare mecanică a electrodului acesta poate fi utilizat una două săptămâni.

Pentru o bună rezistență mecanică și stabilitate îndelungată, componentul activ al membranei poate fi încorporat într-o matrice inertă de PVC, polietilenă, cauciuc siliconic. Prin ghemul molecular din structura PVC, matricea respectivă stabilizează faza lipofilă. În anumite situații, membrana are proprietăți de discriminare ionică, datorită unor interacțiuni energetice specifice (când nu posedă poziții capabile de schimb sau când un compus ionizabil este prezent în membrană ca impuritate).

Tabelul 6 Compoziția membranei PVC.

Interiorul electrodului se umple cu o soluție apoasă a ionului de determinat, cu activitate constantă și în care se scufundă electrodul de referință intern (care este de obicei pe bază de Ag/AgCl).

Spre deosebire de membranele solide, în membranele lichide grupările pe care se fixează ionii nu sunt imobilizate, dispunând astfel diferențele de

mobilitate a ionilor în membrană. Dispare atunci un factor de mărire a selectivității raportul de selectivitate depinzând de constanta echilibrului de schimb pe interfața. Figura 9 reprezintă construcția unui electrod cu membrană lichidă.

electrod intern de referință;

electrolit intern;

membrana lichidă.

Ca materiale active se folosesc:

combinații complexe ionice;

molecule neutre macrociclice.

a) Din grupa substanțelor ionizate fac parte schimbătorii de anioni sau cationi care sunt lipofili datorită resturilor organice lungi și rămân în solvent. În cazul EIS se utilizează molecule mici de monomer ce se poate mișca liber în solventul din membrană;

b) Membrana realizată din sarea de calciu a acidului dodecilfosforic dizolvată în sare de dioctilfenilfosfoniu este selectivă față de ionii de calciu în domeniu 10-4_10-1 mol/l. Dacă se dizolvă aceeași sare în decanol solvent mai puțin polar selectivitatea electrodului descrește, putând fi indicați mai mulți ioni ( Zn2+ , Fe2+, Cu2+, Sr2+, Mg2+, Ba2+, Na2+ ), cu aceeași selectivitate.

Pentru determinarea anionilor se utilizează un material activ complex metalic cu sarcină pozitivă:

– electrodul cu Fe(Phen)32+ este selectiv față de ionul CIO4- și NO3-;

– Aliguat S ( starea de tricaprilmetilamoniu ) se folosește pentru a conferi selectivitate pentru ionii I-,CIO4-.

Capacitatea de legare a ionilor la schimbătorii de ioni decurge conform seriei Hofeimester:

– pentru anioni:

R-, ClO4-, I-, NO3-, Br-, Cl-, F-.

– pentru cationi:

R+, Cs+, Rb+, K+, Na+, Li+ (R=resturi organice mai mari).

Electrozii care conțin drept compus activ al membranei schimbători de ioni și-au găsit aplicabilitate și la determinarea unor medicamente.

c) Electrozi ion-selectivi având drept compus activ molecule neutre

macrociclice.

Trecerea unui ion din faza apoasă în faza organică poate avea loc nu numai pe baza de schimb ionic ci și prin formarea unei combinații puțin disociate cu un contraion adecvat, în faza organică. Fenomenul este analog cu extracția. More și Presman au descoperit că asemenea proprietăți de a fixa ionii prezintă și unele antibiotice naturale sau compuși macrociclici tip coroană și tetralactonele.

În interiorul macrociclului pe care îl au aceste substanțe sunt captați ioni, fixați apoi prin interacții dipol-dipol, datorate prezenței în moleculă a unor grupări polare ce conțin oxigen.

Tab. 7 Formulele structurale ale materialelor active tip molecule neutre macrociclice.

Electrozi ion-selectivi sensibilizați

Pentru acești electrozi, între probă și suprafața ion-sensibilă se interclasează o etapă de separare sau o reacție chimică. Practic, compusul de analizat este transportat în forma sa anionică, nesesizabilă pentru electrod.

Terminologia “electrozi ion-senzitivi sensibilizați” a fost stabilită de I.U.P.A.C.; noțiunea cuprinde : 1) electrozi gaz-sensibili și 2) electrozi enzimatici.

Electrozi ion-sensibili

Acești senzori analizează toate gazele care prin disociere produc sau consumă ioni. Între gazul de determinat și soluția unui electrolit adevărat se stabilește un echilibru termic, rezultatul fiind și variația concentrației în soluție a ionului sesizabil de către electrodul ion-selectiv.

Ionul (proton sau ion oxidril) care formează prin stabilirea unui echilibru prozotolic între apa și gazul respectiv:

CO2+H2O=H++HCO3

SO2+H2O=H++HSO3-

NH3+H2O=HO-+NH4+

Obținem:

Rezultă că, menținând la o valoare constantă activitățile de la numitor, activitatea ionilor de hidrogen și oxidril din soluție în echilibru cu gazul respectiv va fi proporțională cu presiunea parțială a gazului.

Tipuri constructive de electrozi gaz sensibili:

a) electrozi gaz-sensibili cu membrană permeabilă;

b) electrozi gaz-sensibili cu trapă de aer (fără membrană).

a) Electrozi gaz sensibili cu membrană permeabilă.

Electrozii Severinghaus – primii de acest tip, utilizați la determinarea dioxidului de carbon din sânge, conțin un electrod de sticlă, cu sticla sensibilă plană sau ușor convexă, acoperită cu o membrană de polietilenă sau teflon. În acest electrolit se imersează electrodul de referință intern. Sonda obținută astfel se scufundă în probă și gazul din probă trece prin membrană până când presiunea parțială a gazului, de o parte și de alta a membranei se egalizează. Presiunea de echilibru astfel obținută determină un pH caracteristic în filmul de electrolit, pH ce se măsoară cu ajutorul electrodului de sticlă.

Fig. 10 Electrodul gaz-sensibil pentru amoniac.

Pentru celula de mai sus, amoniacul din soluția de analizat ajunge în electrolitul intern trecând prin membrană. Relația de echilibru este următoarea: NH3+H2O=NH4+ + HO-.

Pentru a avea o relație definită între pH și concentrația amoniacului concentrația în ioni de amoniu trebuie să fie constantă, ceea ce se realizează printr-o concentrație mare a tamponului amoniacal, de exemplu prin exces de clorură de amoniu.

Selectivitatea propriu-zisă a electrodului este mai puțin determinată pentru selectivitatea senzorului și mai hotărâtoare este participarea altor reacții în urma cărora pot fi eliberați ionii de analizat. De exemplu, în cazul electrodului de amoniac deranjează aminele cu tensiune de vapori mare. Ele difuzează de asemenea prin membrană și modifică pH-ul electrolitului intern.

Electrozi gaz-sensibili cu trapă de aer .

Membrana hidrofobă gaz-perrmeabilă este înlocuită cu o trapă de aer care separă stratul de electrolit de soluția de probă. Electrodul este suspendat deasupra probei conținută într-un vas etanș special.

Echilibrarea între probă și filmul de electrolit apare la difuzia gazului determinat prin lacuna de gaz. Acest electrolit de suprafață încorporează un agent neionic de umezeală, pentru a stabiliza filmul.

Avantajul sondelor cu trapă de aer este acela că suprafața electrodului ion-selectiv nu vine în contact cu soluția-probă. În consecință, molecule ca proteinele sunt prezente în mod normal în probele biologice, nu pot otrăvi suprafața electrodului.

Biosensori

Principiul de funcționare se bazează pe conjugarea unui biocatalizator cu senzor electrochimic. Biocatalizatorul interacționează cu un anumit substrat și generează specii chimice (ioni, molecule) sesizate de către sensor. În funcție de materialul bioactiv care transformă analitul într-o formă sesizabilă de către electrod ei pot fi împărțiți în:

electrozi enzimatici;

electrozi cu celule întregi;

imunoelectrozi.

Electrozi enzimatici

Prepararea membranei enzimatice se face prin dispunerea unei soluții enzimatice tamponate pe o membrană dializă sau prin înglobarea fizică într-o membrană de gel sintetic.

Membrana astfel pregătită este atașată pe suprafața senzorului cu ajutorul unui inel de cauciuc (fig. 11).

Funcționarea enzimelor se poate îmbunătăți prin cuplarea mai multora. Astfel, la un senzor pentru glucozoxidază se poate adăuga catalaza.

electron ion-selectiv;

strat de gel imobilizat;

membrană.

Tabelul 8 Tipuri de electrozi cu membrane biocatalitice.

Tabelul 8

Pentru mobilizarea celulelor vii se procedează analog ca pentru enzime, utilizând însă o învelire în matrice agar-agar sau gelatină.

Timpul de viață al membranei cu celule vii este mai mare, dar celulele vii se pot diviza și proprietățile de difuzie ale membranei se pot modifica și membranele pot chiar să pleznească.

ALTE TIPURI DE ELECTROZI

ELECTROZI CU FIR ACOPERIT

Electrozii cu fir acoperit (coated wire electrode) se obțin prin fixarea, pe un fir de platină (se încearcă acum înlocuirea platinei cu grafit, argint sau cupru) a membranei. Fixarea se face prin cufundarea firului de platină în sistemul schimbător de ioni (soluție) + PVC + tetrahidrofuran și se lasă ca solventul să se evapore.

Condiționarea membranei se face prin cufundarea în soluția ionului de determinat.

Drept solvent organic se poate folosi și ciclohexanona, iar ca schimbători de ioni se utilizează aceleași substanțe folosite la EIS cu membrana lichidă: esteri ai acidului fosforic, tetrafenilborat sau valiomicina și esteri coroană pentru ionii de potasiu; se mai folosesc și sărurile cuaternare de amoniu.

Avantajul principal al acestor senzori este construcția simplă și lipsa electrolitului intern. De asemenea, sensibilitatea electrozilor cu fir acoperit este aceeași ca și a celorlalte tipuri și chiar mai bine (tabelul 9).

Coeficienții de selectivitate pentru diferiți cationi (KA,Bpot).

Tabelul 9

ELECTROZI CU FILM ACOPERIT

Electrozii cu film acoperit sunt compuși din elemente multistrat conținând un electrod de referință plat în contact cu membrana hidrofobă ion – selectiv. Electronul de referință poate fi un electrod redox sau de speța a-II-a. Se obține prin depunerea la vid a argintului pe o folie de policarbonat. Urmează fie a) scufundarea foliei de Ag în soluția membranei ion-selective fie b) laminarea manuală, la suprafața filmului de Ag, a membranei acoperitoare.

S-au realizat electrozi cu bune domenii de liniaritate pentru ionii de potasiu, sodiu, amoniu, clor, calciu, magneziu și pentru pH. Compoziția membranelor este dată în cataloagele Fulka.

De exemplu, în tabelul de mai jos se dau compozițiile membranei pentru potasiu și sodiu.

Membrana pentru sodiu și potasiu.

Tabelul 10

C. SENZORUL CHIRAL

S-a realizat, pentru a se distinge enantiomerii ionilor de a-feniletilamoniu, un electrod pe baza unei combinații chirale drept substanță activă. Autorii acestui senzor au fost Thoma și colaboratorii săi. Este vorba de un electrod cu membrană solidă, conținând deci substanță activă chirală. Acest electrod, cufundat succesiv în soluțiile celor doi enantiomeri, prezintă o diferență de potențial de 2,2 mV.

Experiențe de dializă precum și măsurători potențiometrice au arătat că senzorul posedă un coeficient de selectivitate egal cu 1,08.

TRANZISTORI CU EFECT DE CÂMP ION SELECTOR (ISFET)

O altă dezvoltare promițătoare a EIS a fost introducerea tranzistorilor cu efect de câmp chimic sensibil (CHEMFET) de către Bergvelt [39]. Aceste instrumente au fost dezvoltate din două tehnologii de succes: circuite integrate în stare solidă și EIS.

Cele mai multe studii s-au efectuat asupra tranzistorilor cu efect de câmp iono-selectiv (ISFET), considerații dealtfel prima generație de EIS.

Primul astfel de tranzistor a fost realizat de Bergvelt [40], prin îndepărtarea filmului de metal de pe un tranzistor cu efect de câmp (FET). Acest strat a fost supus acțiunii soluției de cercetat și dispozitivul astfel obținut a arătat sensibilitatea față de ionii de sodiu. Tranzistorul actual constă dintr-un substrat, de exemplu, de siliciu p-dopat, care conține două părți n-dopate numite sursa (S) și scurgere (D) care sunt conectate prin legături cu exteriorul. Între sursă și scurgere se află poarta înlocuită în cazul ISFET cu membrană ion-selectivă care este separată de substrat printr-un strat izolator (de exemplu, SiO2).

Deoarece izolatorul dintre membrana ion-selectivă și substrat are rezistența mare, curentul de intrare devine practic neglijabil. În cazurile cele mai simple, izolatorul porții tranzistorului poate acționa ca membrană de sticlă cu sensibilitate față de pH și ioni ușori ai metalelor alcaline [41], [42]. Așadar, astfel de tranzistori folosesc la determinarea pH-ului, a ionilor metalelor alcaline, a ionilor de Ag, Br [43], fluor, clor [44], [45].

De asemenea, folosind ca strat solid PVC care înglobează cunoscuți schimbători ionici, se pot determina ionii de calciu și de potasiu [46],[47]. Cu tranzistorii ISFET se pot determina și gaze, fiind construiți pe principiul electrozilor gaz-sensibili.

Când un tranzistor cu efect de câmp de pH este acoperit cu microorganisme sau cu enzime și sete utilizat cu un alt tranzistor de pH nemodificat, se poate obține un bisenzor enzimatic sau microbial cu răspuns diferențial, proporțional cu concentrația analitului de interes [48,49].

Fig. 12 Construcția unui ISFET

1 izolator

2 sursa

3 drena

4 membrana ion-selectivă

5 substrat p-dopat

Pentru utilizarea practică, ISFET au fost construiți ca senzori de tip cateter. În acest caz, substratul ceramic (15 mm) cu un ISFET au fost încorporați într-un cateter de PVC (diametrul interior de 2 mm) sau de cauciuc siliconic [30]. Până acum s-au utilizat comercial ISFET doar pentru măsurarea pH-ului în sânge prin intermediul unui cateter.

Avantajele tranzistorilor cu efect de câmp ion-selectiv sunt:

insensibilitate mare față de zgomot, deoarece transformarea impedanței are loc direct la vârful senzorului;

sunt mici și ușori, astfel un singur senzor, pentru a putea fi folosit, trebuie integrat într-un montaj, mărimea globală a unui ISFET se deosebește puțin de un electrod ion selectiv standard miniaturizat;

măsuri de ecranare ca la electrozi de sticlă, cu rezistența mare nu prezintă importanță;

timpii de răspuns sunt mici;

avantajele tranzistorilor cu efect de câmp ion selectiv sunt întărite când cu un astfel de montaj pot fi cuprinși mai mulți parametri, simultan. În principiu, este posibil la ISFET ca pe o suprafață mică să se fixeze mai multe porțiuni sensibile diferite [50,51].

SPECII CHIMICE ȘI BIOCHIMICE ELECTROACTIVE

În general, se poate sublinia că moleculele organice cu semnificație biologică, ce pot fi studiate și determinate pe cale electrochimică, pot fi clasificate astfel [52,53]:

molecule capabile să reducă la suprafața unui electrod sub acțiunea unui potențial controlat. Acestea sunt urmărite în principal pe electrodul picător de mercur, deși au fost utilizați și alți electrozi indicatori solizi, cum ar fi electrodul din cărbune sticlos. Asemenea compuși de importanță biologică pot fi: purinele, pirimidinele, nucleotidele, polinucleodtidele și acizii nucleici, pteridinele, izoaloxazinele, flavinele, porfirinele, citocromii, compușii organometalici, etc.

moleculele capabile să sufere procese de oxidare pe electrodul picător de mercur și pe alți electrozi indicatori asemenea celor din platină, aur sau cărbune sticlos. Exemple de asemenea compuși sunt: fenolii, aminele aromatice și unii compuși heterociclici;

moleculele care nu prezintă proprietățile enumerate dar pot fi determinate în urma absorbției lor pe electrodul picător de mercur dând naștere la unde tensiometrice.

moleculele care dau naștere la unde catalitice în prezența unor metale de Ni și Co. Drept exemple pot fi enumerați compuși heterociclici cu azot, în soluții acide netamponate și unele molecule produse natural, asemenea cistinei, cisteinei, glutationului și unor proteine care prezintă unde catalitice în prezența unor ioni metalici;

molecule inactive electrochimic care sunt determinate pe cale electrochimică ca urmare a transformării acestora în specii electroactive.

Studiul electrochimic și posibilitatea determinării polarografice și voltametrice, în general, a unei substanțe organice și în particular, a unei molecule de importanță biologică presupune existența unei grupări funcționale reductibile sau oxidabile, adică existența unei așa-zise grupări polarografice active.

Determinările polarografice în care are loc o oxidare a substanței electrochimic active sunt relativ pare datorită începerii oxidării mercurului din electrodul picător de mercur, la potențiale mai anodice decât +0,30-+0,40 vs ESC. Cu toate acestea există o serie de grupări funcționale active polarografic și voltmetric care conduce la obținerea unor semnale anodice (de oxidare) ca de exemplu: aminele, fenolii, =P-O-, iar următoarele grupări funcționale formează compuși cu mercurul și prezintă unde anodice:

-NH-CO-NH; -NH-CS-NH; -CS-NH-R; -SH; -NH-NH2;

Cele mai numeroase studii electrochimice și determinări polarografice și voltmetrice au la bază reacțiile de reducere realizate pe diferite tipuri de electrozi. În tabelul 11 sunt prezentate grupările active prezente în structura moleculelor compușilor organici, capabile să dea reacții de reducere importante în studiul și determinarea moleculelor de interes biologic.

Utilizarea tehnicilor polarografice și voltametrice în studiul reacțiilor electrochimice ale compușilor organici necesită în primul rând alegerea corectă a solventului care de cele mai multe ori trebuie să fie un solvent neapos polar de tipul: alcool(C1‚ C2)‚ dioxan‚ dimetilformamidă (DMF), acetonitril, dimetilsulfoxid (DMSO). Electrodul indiferent ales trebuie să fie ușor solubil în acești solvenți neapoși condiție îndeplinită de sărurile cuaternare de amoniu‚ în special percloratul de tetrabutil amoniu (PTBA).

Deși există relativ multe grupări organice reductibile‚ totuși puține substanțe organice se reduc reversibil pe suprafața electrodului picător de mercur‚ acesta fiind în principal chinonele și combinațiile azo-aromatice. La numeroase reduceri etapa primară a reacției brute de electrod este reversibilă‚ dar apoi îi urmează o etapă ireversibilă. Din punct de vedere analitic este important pentru ca reacția ireversibilă potențialul de semiundă să nu fie proporțional cu entalpia liberă‚ ci cu energia de activare a reacției. Astfel‚ aceasta va depinde mai mult de condițiile experimentale decât în cazul reversibile. La apariția unei adsorbții specifice pe electrodul picător de mercur‚ potențialul de semiundă poate depinde mult de concentrația speciei electroactive.

Tabelul 11 Grupări polarografice active, capabile să dea reacții de reducere, prezente în structura unor compuși de importanță biologică.

Tabelul 11

Undele ireversibile sunt mai puțin abrupte decât cele reversibile‚ adică în polarografia impulsională diferențială picurile sunt mai largi‚ astfel încât rezolvarea a două unde respectiv picuri este mai dificilă (tabelele 11,12,13,14).

Legătura C-S este o grupare este o grupare electrochimic activă la o serie de compuși ca cefamandolul și zaharina. În schimb ‚mai ușor se reduc compușii halogenați; ușurința în reducere crește în ordinea Cl, Br, I. La dihalogenurile vicinale sau polihalogenurile geminale reducerea are loc fără consum de protoni prin eliminarea unui al doilea atom de halogen se formează o legătură dublă. Exemplele tipice pentru astfel comportări polarografice pot fi amintite: tiroxina, liotiroxina, acidul triclorbenzoic și pentaclorfenolul.

Nu poate fi dată nici o regulă simplă pentru a prezice dacă un compus organic poate fi sau nu activ polarografic într-un anumit domeniu de potențiale dat‚ deoarece reactivitatea sa nu depinde doar de felul legăturii rupte sau formate pe durata procesului de electrod‚ ci și de scheletul implicat și de mediul înconjurător legăturii implicate. De obicei majoritatea compușilor organici purtând o anumită grupare funcțională se comportă în mare măsură ‚în același mod (de exemplu‚ nitrobenzenul‚ nitroftalina sau nitrofenolul, indiferent dacă sunt nesubstituiți) sau dacă prezintă substituienți ca metil, metoxi‚ grupări carbonil sau atomi de halogen, dar unii compuși diferă în comportarea lor electrochimică (de exemplu‚ orto-și para-nitroglicerina ‚nitrofenolii și p-nitrobenzenul) aceștia prezentând mecanisme de reducere diferite.

TEHNICI DE DERIVATIZARE Șl SEPARAȚIE UTILIZATE ÎN ANALIZA VOLTAMETRICĂ

Până în prezent cele mai multe probe analizate prin metode polarografice și voltametrice au fost lichide/fluide din organismele vii, probe din mediul înconjurător‚ fluide formulate și solide (medicamente‚ materiale biologice‚ preparate agrochimice alimente, furaje) [54]. Fluidele din organismele vii‚ care au fost studiat și analizate polarografic și voltmetric sunt sângele și urina. În cazul sângelui‚ după ce a fost luată o probă ea trebuie centrifugată pentru separarea celulelor roșii de ser (adăugând anticoagulant serului din plasmă). De asemenea‚ trebuie prevenită hemoliza celulelor roșii (cauzată de structura sau depozitarea la temperatura camerei pentru o perioadă mai lungă), deoarece urmele de hemoglobină sa de produșii săi de degradare‚ de exemplu, hemul din ser sau plasmă, pot cauza interferențe în analiza voltmetric ulterioară.

Probleme speciale apar la luarea probelor de urină, deoarece se pot produce variații în compoziția electroactivă a urinei (care este mult mai mare decât cea din plasmă), care este dependentă de starea psihologică a subiectului la momentul luării probei.

Dacă nu se poate realiza imediat cu ușurință analiza probelor recoltate, se recomandă congelarea acestora înainte de analiză ‚în vederea prevenirii:

metabolismului ulterior al speciilor electroactive de interes din corp, de exemplu, medicamentele‚ aceasta fiind posibilă mai ales în sânge unde există anumite cantități de enzime metabolizante;

degradări chimice a speciilor de interes‚ de exemplu, hidroliza acestora;

legării ulterioare a speciilor de interes‚ de exemplu‚ cele medicamentoase cu proteinele;

modificărilor chimice ale constituenților electroactivi produși naturali care vor produce modificări ale curentului de fond (blancului).

După ce proba este decongelată și adusă la temperatura camerei trebuie plasată în apă la 37C pentru redizolvarea unor materiale suspendate ce mai pot fi prezente.

În cazul probelor solide‚ pentru pregătirea acestora în vederea analizei polarografice și voltametrice este necesară uneori omogenizarea acestora urmată de extracția speciilor organice și organo-metalice într-un solvent potrivit. Metanolul acetonitrilul‚ cloroformul și acetatul de etil au fost cei mai adesea utilizați. În anumite situații‚ pentru speciile organometalice proba este digerată cu HCI‚ înaintea extracției cu solvenți și determinarea de entități metalice.

Într-un număr mare de cazuri‚ analiza prin stripping electrochimic se poate efectua după simpla dizolvare a probei pentru a determina concentrația în urme din această soluție. Frecvent însă este imposibil să se folosească doar simpla dizolvare și atunci se folosește descompunerea cu un amestec de acizi‚ prin topire sau prin sintetizare. Uneori se pot alege asemenea condiții încât pe durata descompunerii să se repare o parte din matricea care poate produce interferențe.

La analiza prin stripping electrochimic a materialelor mai complexe sau chiar a materialelor pure în care matricea interferă în determinare‚ în general‚ descompunerea probei trebuie să fie urmată de o separare pentru macrocomponent sau pentru componenți în urmă. Cea mai utilizată metodă este extracția cu solvenți, când în fază organică se separă matricea‚ iar în fază apoasă se determină elementele în urme.

Un alt mod de separare a materiei de componenți în urme îl constituie precipitarea. Avantajul acestei căi este că pot fi utilizate probe relativ mari‚ crescând sensibilitatea metodei. Pe de altă parte‚ există dezavantajul alegerii precipitatului care să co-precipite componenții în urme.

Separarea prin cromatografia de schimb ionic sau prin cromatografia de absorbție au fost rar utilizate și în practică. Când sunt folosite rășinile organice schimbătoare de ioni există pericolul introducerii substanțelor tensioactive în soluția de analizat.

Problemele cu separările preliminare pot fi ușurate considerabil prin executarea unei separări directe în celula de electroliză pe durata re-electrolizei utilizând o veselă de construcție specială.

Așa cum s-a precizat anterior‚ relativ puține cazuri au fost raportate în care determinările voltametrice ale cantităților în urme de substanțe organice străine să fie realizate direct în fluide biologice (în particular în plasmă ). Aceste metode sunt aplicabile‚ în general‚ numai acelor compuși potriviți determinărilor prin stripping electrochimic care conțin grupări ușor reductibile‚ asemenea —N02>=N sau care se pot absorbi puternic pe picătura de mercur. Pentru determinarea directă din fluide biologice au fost folosiți și alți electrozi. Astfel‚ Mason și Sanderman [55]‚ de exemplu‚au folosit un electrod rotitor din platină pentru determinarea directă a nitrofurantoinei în urină. Cu toate acestea‚ analizele directe suferă unele dezavantaje dintre care pot fi amintite.

Interferențele cauzate de reducerea sau oxidarea substanțelor produse natural în fluide biologice. Speciile metalice prezente în probe biologice pot‚ de asemenea‚ afecta comportarea voltametrică a speciei de analizat‚ deoarece‚ indiferent de electroactivitatea lor‚ ele pot forma complecși stabili cu diferiți constituenți organici a matricei‚ de exemplu aminoacizii nu dau unde polarografice dacă nu sunt complexați cu ionii Cu(II) sau Ni(II). Compușii conținând sulf ‚fie sub forma de —S—S— sau —SH pot, de asemenea, interfera în determinarea compușilor organici străini. Alți compuși care sunt prezenți în mod natural în fluidele biologice și care pot interfera în analiza polarografică și voltametrică a compușilor organici străini la nivel de urme sunt: vitaminele (acidul ascorbic‚ piridoxina‚ nicotinamina, acidul folic)‚ cofactorii (NAD-NADH) și complecșii lor cu ionii metalici urinari (acidul uric, creatinina).

b) Interferențele cauzate de macromolecule ca proteinele și polizaharidele care controlează procesele de difuzie ale moleculelor organice mici‚ de interes analitic.

c) Interferențele cauzate de dezaerarea plasmei sau urinei. Cea mai severă restricție a metodelor directe de analiză este inerenta lor neselectivitate. Compușii înrudiți structurați interferă puternic în analiză și uneori speciile biologice suplimentare pot acoperi și chiar masca unda analitică de interes.

Procedurile de separare sunt utilizate în metodologia voltametrică pentru că înlătură aceste interferențe electroactive și îmbunătățesc selectivitatea metodei pentru compușii înrudiți ca structură selectivitatea metodei pentru compușii înrudiți ca structură și comportare electrochimică.

Dintre acestea putem aminti:

A. Separarea prin centrifugare și filtrare

În general‚ aceste tehnici se utilizează pentru a se înlătura interferențelor datorate moleculelor cu masă moleculară mare sau pentru a înlătura produșii unor reacții de precipitare‚ cum este‚ de exemplu; precipitarea proteinelor cu diferiți agenți de precipitare (acidul wolframic ‚ acidul tricloracetic‚ (NH4)2S04‚ HC1O4).

B. Separări cromatografice

a) Cromatografia de schimb ionic a fost aplicată cel mai mult pentru înlăturarea interferențelor electroactive din urină;

b) Rășinile macroreticulare;

c) Cromatografia în strat subțire a fost aplicată în metodologia voltametrică pentru separarea substanțelor asemănătoare structural și în mică măsură la înlăturarea interferențelor electroactive;

d) Cromatografia pe hârtie;

e) Cromatografia de lichide de înaltă performantă.

C. Extracția de solvenți

Reprezintă cea mai utilizată tehnică de separare în metodologia polarografică și voltametrică‚ deoarece extracția cu solvenți poate înlătura o mare cantitate de interferențe electroactive‚ oferă un grad de rezoluție între compușii cu structuri asemănătoare și de asemenea‚ servește ca o etapă de preconcentrare. Pentru realizarea extracției unui compus organic dintr-un fluid biologic trebuie avut în vedere alegerea solventului și alegerea pH-ului.

Referitor la alegerea pH-ului s-a arătat că deși domeniul de potențiale este extins ca urmare a unei extracții alcaline „blancuri curate” se obțin pentru extracții cu solvenți efectuate de probe de plasmă la pH acid tamponat. Pentru înlăturarea interferențelor rămase după etapa extracției se folosește re-extracția. Adăugarea sărurilor anhidre extractului organic‚ de exemplu Na2S04‚ înlătură compușii polari care se absorb pe suprafața lor.

Dacă o moleculă nu posedă o activitate polarografică și voltametrică‚ sau dacă se modifică comportarea sa pot fi folosite o serie de proceduri de complexare și derivare.

D. Derivatizarea

Procesele de derivatizare asigură transformarea unor specii chimice electrochimic inactive în specii electroactive.

Dintre acestea cele mai importante sunt:

– Nitrarea

– Nitrozarea

N— și S—oxidarea sunt procedee care au fost folosite pentru efectuarea de analize de control ale calității produselor farmaceutice și se efectuează cu H2O2(30%) sau acid clor-benzoic (în acetat de etil). Aceste procedee sunt indicate pentru analiza de urme‚ deoarece reacțiile implicate sunt și reacții metabolice și deci utilizarea lor va descrește specificitatea metodei‚ dacă unele forme de separări cromatografice nu au fost utilizate înaintea procesului de derivatizare.

– condensarea

– hidroliza: procedee de hidroliză utilizate în metodologia polarografică și

voltametrică pot fi împărțite în două categorii: procedee în care este atacat un lanț în structura moleculară și se convertește un compus electroinactiv într-unul electroactiv sau un produs care poate fi convertit ușor într-unul electroactiv. De exemplu‚ în cazul producerii CS2 prin desulfurare‚ aceasta se determină sub formă de Cu ditiocarbamat.

– alte procedee de derivatizare care sunt utilizate în metodologia polarografică și voltametrică se referă la piroliză (de exemplu‚ a celulei biologice)‚ la oxidarea adrenalinei la iodoadrenalină‚ la distilare (de exemplu‚ a acidului mandelic la benzadelhidă).

Moleculele organice au fost determinate‚ de asemenea‚ voltametric ca urmare a reacției lor cu oxigenul și determinarea oxigenului rămas utilizând unda sa de reducere.

2.1 DETERMINAREA COMPUȘILOR ORGANICI

Ultimele 5 decade au evidențiat importanța crescândă a compușilor organo-sulfurici în terapia chimică și în agricultură. Unii derivați sunt utilizați pentru aromatizare a tuturor tipurilor de produse alimentare. Acizi sulfonici conțin 12-18 atomi de C‚ constituie ingredient lactiv de bază al multor detergenți anionici‚ pentru astfel de aplicații sunt necesari compuși în stare analitică pură. Pentru a atinge acest scop trebuiesc utilizate proceduri analitice adecvate pentru a însoți procesele tehnologice aplicate la prepararea compușilor sus menționați și pentru a le verifica puritatea.

Din acest motiv în ultimii 50 de ani căutare de noi metode pentru determinarea cantitativă a compușilor organosulfurici a fost subiectul unei activități extensive atât în lumea academică cât și în laboratoarele industriale.

În prezent un număr mare de compuși organo-metalici stabili cu număr de liganzi de al 1-6 pot fi preparați. Compuși organofosforici cu N<= 4, incluzând perechea de electrozi ca ligand sunt clasificați în familia derivaților cu coordinare joasă și toți compușii organosulfurici cu număr de liganzi N=5 sau 8 sunt considerați specii cu sulf. cu coordinare înaltă. Trebuie notat că există literatură analitică bogată referitoare la primul grup de compuși și doar puține date analitice au fost publicate legate de speciile cu sulf cu coordinare înaltă cum ar fi: sulfurani și perisulfurani.

Compuși organosulf (II)

În general au fost raportate proceduri analitice pentru două case de compuși organosulfurice cu S(II) și anume: analogii monocoordinate și dicoordinate.

Izotiocianați [l] care conțin gruparea —N=C=S constituie o grupă de compuși monocoordinați cu S(II) pentru care au fost publicate o serie de proceduri analitice individuale.

Toate metodele chimice depind de adiția inițială la legătura —N=C— ele pot fi împărțite în două subgrupe: prima constituind metodele ce depind de adiția la legătura —N=C— fără scindarea legăturii iar ca de-a doua grupă include metodele ce implică fisiunea lanțului N—C—S format în etapa de adiție.

Determinarea izotiocianaților se bazează fie pe determinarea derivaților tioureici [III] formați sau pe baza compusului nucleofil neutilizat.

Derivați tioureici pot fi determinați spectrofotometric sau prin reacția cu cationi cum ar fi Ag(I) și Hg(II).

Procedurile bazate pe oxidarea ulterioară la derivați de uree corespunzători poate fi de asemenea utilizate. Reactivul nucleofil neutilizat se determină prin titrare.

[13]

Metodele care include scindarea legăturii C—N—S se bazează pe utilizarea unor reactivi care determină transformarea derivaților tioureici formați inițial [III] în produși analitic importanți cum ar fi RNH2, S -2 și SCN-. Acești produși pot fi determinați prin procedee analitic standard.

Izotiocianați au mai fost determinați prin spectrometrie de absorbție moleculară în IR și RMN.

Derivați dicoordinați

Această clasă de compuși organo-sulfurici constituie cea mai largă familie de derivați pentru care există o literatură analitică vastă.

Toli (RSH)

Procedeele analitice aplicate pentru determinarea tiolilor pot fi împărțite în metode chimice și fizice‚ ultimele fiind mai puțin utilizate în scopuri analitice. De exemplu, de la începutul anilor 1950 au existat puține rapoarte legate de determinarea derivaților tiouracil cu ajutorul măsurătorilor de absorbanță în ultraviolet.

Măsurările de absorbanță în IR au fost utilizate pentru a determina semicantitativ numeroși tioli s-au utilizat și spectrometria de masă și metode bazate pe măsurări de reactivitate.

Metodele chimice pot fi clasificate în funcție de reacția la care participă gruparea tiolică. Se cunosc 10 tipuri de astfel de conversii.

Oxidarea tiolilor

Oxidarea tiolilor duce în primul rând la disulfuri conform reacției:

2 RSH RSSR+ 2H+ +2e- (14)

Dacă se utilizează agenți oxidanți mai puternici poate avea loc oxidarea până la derivați ai S tetravalent sau hexavalent.

Aceste reacții sunt mai greu de controlat și proceduri cantitative bazate pe ele sunt rare. Până în prezent au fost aplicați mai mulți de 50 de oxidanți pentru determinarea tiolilor. Cele mai utilizate proceduri bazate pe oxidarea la etapa de disulfură sunt prezentate în tabelul 12.

Tabelul 12

Formarea de mercaptide

Determinarea tiolilor pe baza formării de mercaptani este posibilă deoarece mulți ioni metalici reacționează cu mercaptani pentru a forma mercaptide conform ecuației generale (15) și (16).

RSH + M+RSM + H+ (15)

RS- + M+RSM (16)

Dintre cei peste 20 de reactivi pe bază de metal care au fost utilizați pentru determinarea cantitativă a tiolilor doar Hg(II) și Ag(I) sunt utilizate pentru astfel de scopuri.

Considerând reactivi cu Hg(II) trebuie amintit că au fost utilizați derivați organici și anorganici, iar în cazul derivaților organici stoiechiometria reacțiilor este descrisă de ecuația generală (17).

R-HgX + RSRHgSR + X- (17)

Determinarea bazată pe utilizarea reacțiilor de Hg(II) poate fi împărțită în trei grupe: prima grupă de procedee se bazează pe titrarea directă, a doua grupă de procedee se bazează pe procedeele indirecte în care se determină reactivul neutralizat, ultima categorie de proceduri se bazează pe determinarea unui produs de reacție format prin interacția analitului cu derivați de Hg (II).

Dintre titranții de Hg (II) cel mai utilizat este ortohidroximercuribenzoat (tabelul 13).

În a doua grupă de proceduri reactivul de Hg (II) neutralizat, poate fi determinat în funcție de structura sa prin:

polarografia;

reacția de tiofluoresceină;

măsuri fotometrice;

evaluări fluorimetrice.

Aproape toate procedurile analitice care utilizează estimarea unui produs de reacție se bazează pe determinarea derivaților ce conțin mercur. În funcție de structura acestor compuși pot servi ca bază pentru astfel de determinări ale proprietăților fizico-chimice cum ar fi solubilitatea, absorbția luminii, fluorescența, radioactivitatea, activitatea polarografică ți spectrele de absorbție atomică.

Câteva procedee se bazează pe tratamentul chimic al derivatului format care regenerează tiolul original sau reactivul, fiecare dintre ele putând fi estimate analitic. Sărurile anorganice de Ag (I) sunt cele mai utilizate pentru determinarea tiolilor. Formarea de mercaptide conform ecuației (18) permite astfel de determinări:

RSH+Ag+RSAg+H+ (18)

Tabelul 13

Ca și în cazul derivaților de Hg(II) procedeele pot fi împărțite în trei grupe: titrarea directă, utilizarea unui reactiv în exces și determinarea unui produs de reacție.

Formarea derivaților de sulfenil

Se bazează pe ecuația generală (19):

RSH+X-YRS-Y+HX (19)

unde:

X-halogen;

Y=R-C(O), Ar, ArC(O)CH2,ArCH2.

Această metodă are aplicații analitice restrânse.

Adiția tiolilor la legături nesaturate are loc conform ecuației generale (20):

| |

RSH+C=X C – X unde X= >C, NR sau O (20)

| | |

RS H

Tabelul 14 prezintă compuși nesaturați care au fost aplicați la determinare a tiolilor.

Tabelul 14

Reacția de echilibru a tiolilor cu disulfuri

Sunt prezentate în ecuația generală:

RSH+R’SSR’RSSR’+R’SH (21)

Aplicația analitică a acestui fenomen implică găsirea reactivului adecvat și a condițiilor în care echilibrul poate fi deplasat spre dreapta și noul tiol sau disulfură formate pot fi determinate printr-o procedură analitică.

Majoritatea procedurilor se bazează pe alegerea unui procedeu disulfidic conținând o grupare cromoforă care să permită determinarea spectrofotometrică a noului tiol sau a disulfurii.

Reacția tiolilor cu bazele stă la baza determinării acestora prin titrare directă. Deoarece tiolii sunt acizi slabi ei de obicei sunt titrați în solvenți bazici neapoși cu baze tari cum ar fi hidroxidul de amoniu cuaternar. Punctul de echivalență este evaluat instrumental sau cu un indicator de culoare cum ar fi albastrul de timol.

Reacții catalizate

Deoarece tiolii sunt capabili să funcționeze ca și catalizatori ai anumitor reacții acest fapt poate fi utilizat pentru determinarea lor. Cea mai cunoscută reacție este reacția iod-azidă prezentată prin :

2N3- +I23N2+2I- (22)

Printre cele mai multe tipuri de compuși cu sulf(II) care acționează drept catalizatori tioli sunt cei mai efectivi. Procedeele analitice se bazează fie pe estimarea azotului eliberat în reacție, fie pe consumarea iodului.

Metode electrochimice

Tiolii pot fi determinați prin polarografie și alte tehnici înrudite. Aceste procedee au fost aplicate în principal la tioli cu activitate biologică‚ de exemplu mercaptopurine, fenicilamine și glutatioli.

Sulfuri (R2S)

Majoritatea determinărilor sulfurilor care utilizează metodele chimice se bazează pe trei procedee:

(1) oxidarea la sulfoxizi sau sulfone (ecuația (23));

(2) formarea sărurilor de sulfoniu;

scindarea legăturii C-S pentru a forma produși care pot fi determinați analitic.

(23)

Dintre acestea procedeele oxidative sunt cele mai aplicate și de obicei duc la formarea de sulfoxizi (R2SO). În general se determină consumul de reactiv prin diferite procedee analitice în unele cazuri au fost estimați și produși de reacție.

Disulfuri (RSSR)

Majoritatea determinărilor disulfurilor se bazează pe 2 reacții principale: conversia la tioli și oxidarea la derivați organosulfonici (VI) cum ar fi sulfonați halogenuri de sulfonil sau chiar sulfați. Conversia disulfurilor la tioli se poate face prin reducerea ecuației 24 sau prin reacția de echilibru cu tioli 25. Conversia la tiolați are loc prin interacția cu anumit anioni notați cu Nu – (ecuația 26).

RSSR+2H+ 2RSH (24)

RSSR+ RSH RSH+RSSR’ (25)

RSSR+Nu- RS-+RSNu (26)

Tiolii produși fie prin reducere sau reacții de echilibru pot fi determinați pe diverse căi cea mai obișnuită fiind titrarea. Printre reactivii utilizați ca reducători se numără hidrură de litiu‚ aluminiu, tetrahidrocarbonat de sodiu și metale aluminiu, nichel, sodiu, zinc. Oxidarea disulfurilor cu agenți oxidanți puternici pot duce la derivați organosulfurici (VI). În cele mai multe cazuri ca produși finali de oxidare se obțin halogenuri de sulfonil sau acizi sulfonici.

COMPUȘI ORGANOSULFURICI TETRAVALENȚI

Comparativ cu compușii organosulfurici divalenți mult mai puține proceduri analitice au fost publicate pentru determinarea sulfoxizilor și doar câteva metode analitice generale au fost elaborate pentru acizi sulfinici și sărurile lor.

ACIZI SULFONICI Șl SĂRURILE LOR

Acizii sulfinici au următoarea formulă generală:

Determinarea acestor compuși se bazează în principal pe următoarele trei reacții:

oxidarea la derivaților organosulfurici sulf (VI) cum ar fi sulfații;

titrarea directă a acizilor sulfonici cu baze sau a sărurilor acizilor sulfonici cu acid;

precipitarea sau modificarea de culoare cu reactivi conținând metal. Mulți reactivi au fost utilizați pentru procedeele oxidative și majoritatea au fost determinări tritimetrice.

Cele mai cunoscute se bazează pe următoarele reacții ale acizilor sulfonici:

reacția cu azotit în prezență de acid.

2RS02 H+HNO2 (RSO2)2N-OH+H20 (27)

Procedeele analitice se bazează în principiu pe titrarea potențiometrică în soluții acide cu azotit de sodiu.

reacția cu hipoclorit 28 pentru care procedeele analitice se bazează pe titrarea directă cu iodură:

2RSO2Na+ OX-RSO3Na +RSO3X+Na+ (28)

X=Cl sau Br

cu iodură 29:

RS02-+I2 +H20RS03-+2HI (29)

(4) reacția cu HgCl2

RS02-+ 2HgCI2+H20RS03-+ Hg2Cl2+ 2HCI (30)

Sulfoxizii care au structura generală

Procedeele analitice utilizate pentru determinarea lor sunt similare cu cele discutate pentru acizi sulfinici. Etapa de oxidare a sulfoxizilor este intermediară între cea a sulfonelor și a sulfurilor și de aceea procedurile analitice bazate pe oxidarea sau reducerea controlată sunt de mare importanță [3l].

COMPUȘI ORGANOSULFURICI (Vl)

În ciuda faptului că acești compuși constituie grupe de derivați importanți în agricultură‚ terapie și în producerea detergenților există relativ puține date analitice referitoare la determinarea acestor clase de compuși.

ACIZI SULFONICI Șl SĂRURILE LOR

Deoarece sunt acizi puternici acizii sulfonici RSO3H ‚pot fi titrați ușor fie hidroxizi alcalini fie cu diferite baze organice cum ar fi: anilină, piridină, piperidină, morfolină.

Determinarea cantitativă a acizilor sulfonici se poate de asemenea baza pe determinarea prin cromatografie gaz-lichida unui produs de piroliză‚ fie a unui acid liber sau a sărurilor plus acid fosforic. Acest proces este reprezentat prin ecuația (32):

RSO3RH+S03 (32)

Acizii aril sulfonici pot fi determinați indirect deoarece la încălzire cu hidroxizi alcalini la 300-400C ei dau atât fenoli cât și ioni de sulfit (ecuația 34)‚ pentru care există numeroase metode de determinare.

ArSO3- +OH-ArOH+S03- (33)

Determinarea sulfoniților poate fi determinată și prin titrare cu ioni metalici. Astfel titrarea spectrofotometrică cu bariu utilizând anumiți polifenoli sau coloranți azoici ca indicatori a fost larg utilizată pentru acizi aril sulfonici, mai recent pentru astfel de determinări au fost utilizați reactivi de Cu(II) complexați cu un ligand cum ar fi dietil-carbonat.

Determinarea sării de sulfonat se poate baza și pe evaluarea directă a perechii ionice formate cu indicatori cum ar fi albastru de metilen, cristal violet și verde de metilen.

SULFONAMIDA

Sulfonamidele primare RSO2NH2 constituie o clasă de compuși organosulfurici(VI) de mare interes terapeutic și în consecință există literatură analitică bogată referitoare la acest grup de amide. În schimb, nu există procedee analitice pentru analogi secundari și terțiari.

Caracterul acid al grupării SO2NH2 permite determinare a sulfonamidelor primare prin titrare cu baze standard cum ar fi hidroxizi alcalini, utilizând de cele mai multe ori o indicare a punctului de echivalență, dar se pot utiliza și titrări potențiometrice și conductometrice. Proprietățile acide ale sulfonamidelor permit interacția acestora cu cationi metalici, constiutind baza unor procedee analitice utile. Astfel, sărurile Ag(I) au fost aplicate la titrarea directă a sulfonamidelor utilizând electrozi Ag sensibili.

Sărurile de Hg II au fost utilizate fie pentru titrarea amperometrică directă a sulfonamidelor sau utilizând un exces prin determinarea indirectă a sării prin titrarea reactivului neutilizat cu tiocianat de amoniu.

Sulfonamidele pot fi determinate și colorimetric pe baza perechilor ionice cu anioni mari cum ar fi 3,-dicarboxietil radamina [56-60].

Descoperirea penicilinei în 1929 de către Fleming, primul antibiotic conținând un inel -lactamic, a dus la descoperirea din 1945 a noilor clase de antibiotice -lactamice (tabelul 15), peniciline și cefalosporine. Antibioticele -lactamice sunt cea mai larg utilizată clasă de agenți antimicrobioeni.

Tabelul 15 Clase importante de -lactame.

DETERMINAREA ACIDULUI BENZILPENICILINIC

Determinarea acidului benzilpenicilinic se bazează pe reducerea grupării sulfohidril și conduce la o treapta unică controlată de difuzie la concentrații mari. Prezența tritonului X-100 mărește curentul de pic de 2-14 ori în funcție de concentrația acidului benzilpenicilinic și este independent de concentrația tritonului X-100 dacă aceasta este menținută sub 0,004%. Prin DPP pot fi determinați simultan acidul benzilpenicilinic și penicilamina. Prezența penicilinei descrește picul primului dar liniaritatea intre ip și C se menține.

CEFALOSPORINELE

Cefalosporinele cuprind nucleul cefem (figura 13) și lanțuri laterale in pozițiile 3 și 7 care determină proprietățile și bioactivitatea lor. Compusul cu R1=R3=H și R2=OCOCH3‚ adică acidul 7-amino-cefalosporadic (7ACA) este compusul de la care se pornește in sinteza tuturor cefalosporinelor. Datorită solubilității lor excelente în apă‚ cefalosporinele există de obicei sub formă de sare sodică.

Figura 13 Nucleul de bază cefem

Primul articol despre analiza electrochimică a cefalosporinelor a fost publicat in 1967 de Dusinsky și Antolik și se referă la determinarea oscilopolarografică a cefalosporinei în mediu neutru‚ alcalin și acid, și discută posibilitatea utilizării acestei tehnici la determinarea oscilopolarografică a cefalosporinei în mediu neutru‚ alcalin și acid și discuta posibilitatea utilizării acestei tehnici la determinarea medicamentului in produșii săi de degradare [61].

Literatura despre electroactivitatea antibioticelor cefalosporine și aplicațiile analitice rezultate poate fi împărțită în două grupe majore; lucrări care se referă la direct la activitatea polarografică și voltametrică a cefalosporinelor și articole referitoare la polarografia‚ voltametria sau amperometria produșilor de degradare a cefalosporinelor după hidroliză acidă‚ neutră sau alcalină sau după fotoliză. Doar câteva articole despre electroanaliza cefalosporinelor prezintă alte tehnici‚ acest fapt indică rolul predominant al polarografiei și voltametriei (incluzând amperometria) în analiza electrochimică a cefalosporinelor.

Majoritatea cefalosporinelor sunt electroactive și dau răspuns faradic pe un electrod (de mercur sau solid) imersat în soluția lor. Majoritatea s-au dovedit a fi electroreductibile iar reacția de electrod comună este reducerea bioelectronică a legăturii duble 3 din nucleul cefem. Este bine cunoscut faptul că o legătură dublă C=C este foarte greu de redus. Deși reducerea legăturii duble A3. În inelul tiazinic din cefalosporine este facilitatea prin conjugarea sa cu gruparea carboxil semnalul său polarografic apare la potențiale negative relativ mari (în jur de -1‚00vs. ESC, în mediu acid) și este dependent de prezența și în natura substituentului R2 din poziția 3.

Multe cefalosporine conțin și alte grupări adiționale reductibile al căror răspuns electrodic poate fi utilizat în scopuri analitice. Aceste grupe sunt încorporate în lanțurile laterale din pozițiile 3 sau 7 și de obicei dau naștere la semnale mai puțin catodice comparativ cu cel pentru reducerea legăturii duble 3. De aceea‚ răspunsul lor este în majoritatea cazurilor preferat în scopuri analitice.

Schema 1

Peste 30 de antibiotice cefalosporine au fost examinate electrochimic‚ cel mai frecvent investigate fiind cefalexina‚ cefalotina, cefotaxima, cefalordina, ceftriazona și cefazolinal [62].

Ochiai et al [63] au fost primii care au pus în evidență reducerea legăturii duble cefem în lucrarea în care au descris în care au descris electrosinteza cefalexinei (de exemplu, CEX) acidul 7-D-2-amino-2-fenilacetamido, 3-desacetoxidcefalosporanic (IIIb din schema 1 ) pornind de la 7-ACA (Ia din schema 1) sau de la cefalosporina C (Ib din schema 1) printr-un intermediar 3-metilencefam la derivați la derivați 3-metil-cefem(de exemplu, CEX) după un procedeu final de izomerizare demonstrând astfel scindarea substituentului din poziția 3.

Gruparea aminică din II a a fost tratată cu clorură de fenilglicil pentru a da derivații 3-metilencefam(IIc, IId) care apoi au fost izomerizați cantitativ la acidul 3-desacetoxicefalosporanic (IIIb,CEX) corespunzător. Într-o lucrare ulterioară, Ochiai et al [63] au studiat mecanismul acestei reduceri utilizând deuterarea și DCP. Ei au găsit ca toți derivații investigați ‚cu substituent R2 diferit de H dau 3-metilencefam ca rezultat al reducerii catodice.

Derivații metilencefam sau 3-metilencefem nu dau răspuns polarografic apreciabil indicând incapacitatea inelului cefem de a fi redus când R2=H. Autorii au propus un mecanism de reducere ce implică o etapă dublă de transfer de câte 1e- prin intermediul unui anion foarte stabil (a din schema 2 ) care eliberează gruparea R2 pentru a obține un intermediar anionic (b din schema 2) care prin protonare finală la C4 formează derivatul 3-metilencefam(c). Formarea preferențială a derivatului 3-metilen cefamic și nu a celui 3-metil cefemic poate fi explicată printr-o protonare controlată cinetic a anionului (b) în poziția 4. În plus, configurația sterică a poziției 4 poate fi determinată de cerințele sterice ale întregii molecule.

Schema 2

Hall et al [65] au studiat comportarea electrochimică și mecanismul reducerii cefalotinei prin DCP, ACP, CV și coulometrie. În DCP curentul de difuzie al singurei unde observate este direct proporțional cu concentrația în domeniul 0,05-0,53 mM iar potențialul de semiundă este dependent de concentrație. E1/2 este liniară. La pH 1 curentul de difuzie scade în timp indicând o degradare a produsului. În tampoane de pH 8 anionul cefalotinei nu este redus, însă cu (CH2H5)4ClO4 drept electrolit suport reducerea anionului are loc la aproximativ -1,8V.

În ACP cefalotina prezintă trei unde, două fiind atribuite adsorpției și desorbției substratului sau/și a produsului de reacție. Al treilea pic este extrem de larg și are un curent mic fiind asociat reducerii cefalotinei. Picul poate fi măsurat cu unele dificultăți la pH 2,5. Adsorbția cefalotinei poate fi eliminată prin înregistrarea picului sau de reducere ca anion în electrolit suport 0,1M (CH2H5)4ClO4. În mediul acid adsorpția poate fi redusă prin adăugare de etanol drept cosolvent.

Pe întregul domeniu de pH datele obținute în urma studiului comportării electrochimice și a altor derivați ai cefalotinei (de exemplu, 3-desacetoxicefalotina-b din schema 3) s-a produs următorul mecanism de reacție pentru diferite condiții apoase studiate.

Condiții de neadsorpție.

*tampon acid

* mediu bazic netamponat

** Condiții adsorptive

Astfel pentru prima dată a fost raportat faptul că fenomenul de adsorpție influențează comportarea electrochimică a moleculelor de cefalosprine.

CEFOTAXIMA

Cefotaxima (figura 14a) a fost analizată prin dcp și dpp de către numeroși autori [66-68]. Ca de exemplu, în figura 15 sunt prezentate plarogramele obținute în modul dc cu eșantionare și dp. Se observă că cefoxima dă naștere la două picuri, cel de la potențiale mai negative fiind atribuit cunoscutei scindări reductive a substituentului din poziția 3, iar picul bine definit situat între -0,4 și -0,6V se consideră a se datora unei reduceri de 2e- a legăturii dublu azometinice >C=N- din gruparea metoximinică a lanțului lateral din poziția 7 ducând, via un intermediar dihidroxilaminic, la amina corespunzătoare și metanol [69].

Figura 14 Formele structurale pentru (a) cefatoxima, (b) ceftriaxona și (c) cefuroxima.

Figura 15. Polarogramele (a) dc cu eșantionare și (b) dp pentru 10-4 M cefotaxima în tampon Britton-Robinson (pH 3). Condiții experimentale: timp de picurare = 2s (a) și 1s (b) viteza de baleaj 2mV/s; amplitudinea impulsului 100 mV.

CEFTRIAXONA (figura 14b) și CEFUROXIMA (figura 14c) prezintă aceeași comportare polarografică iar condițiile experimentale optime pentru determinarea acestor antibiotice sunt prezentate în tabelul 16.

Din figura 15 este evident avantajul analitic al dpp (forma picului și sensibilitate) față de dcp; astfel modul dc este utilizat mai ales pentru caracterizarea procesului de electrod datorită fondului electric mai simplu și a bazei teoretice mai elaborate. Astfel dpp reprezintă o metodă cu sensibilitate bună și precizie excelentă (RSD=1,3% pentru 0,5ppm ) pentru aceste cefalosporine.

Tabelul 16 Parametrii optimi pentru determinarea polarografică voltametrică a cefotaximei, cefuroxinei și cefritoxinei.

Tabelul 16

*primul pic; **al doilea pic; BR tampon Britton-Robinson

Datorită modificărilor posibile ale farmacocineticii unor antibiotice pe parcursul sarcinii Schroder et al [72] au studiat cinetica cefotaximei utilizate în terapia femeilor însărcinate prin determinarea concentrației cefalosporinei din probe de ser și urină prin dpp SMDE(electrod staționar mercur cu picătura suspendată) în tampon BR (pH 1‚92) după îndepărtarea proteinelor din ser prin denaturare cu Hc104 și centrifugare. Picul obținut în dpp este măsurat la -0,6V. Evaluarea concentrației cefotaximei s-a realizat prin compararea rezultatelor cu valorile unei concentrații standard. Coeficientul de variație este 2,5% pentru o concentrație standard de 210-6M. Astfel concentrația cefotaximei din ser și urina poate fi estimată bine prin dpp.

Studii preliminare ale lui Faber și colab. în 1986 arată că majoritatea cefalosporinelor sunt active pe electrodul de cărbune sticlos utilizând un potențial de +0,0V vs. ESC. De exemplu‚ limita de detecție a cefotaximei este în domeniul picomolar și este echivalentă sau mai bună decât detecția UV.

Analiza răspunsului polarografic și ciclo-voltametric a CEFAZOLINEI [67,69] a evidențiat că acesta implică un proces de reducere de 2e- total ireversibil și controlat de difuzie ‚care este influențat de fenomene de adsorbție. Fără identificarea produșilor de reacție nu s-au tras concluzii definitive asupra mecanismului de reducere a cefazolinei. Oricum‚ pe baza datelor experimentale și din literatura despre polarografia altor cefalosporine cu punte tioeterică autorii sugerează ca reducerea are loc la legătura dublă 3 cu desprinderea substituentului corespunzător după cum s-a arătat anterior.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 16. Formulele structurale pentru (a)cefazolina; (b)cefamandol; (c)cefamandol nafat; (d)cefsulodina.

CEFAMANDOLUL și esterul său formic Cefandolul NAFATE (figura 16 b,c) au fost analizați dcp, crp și dpp și coulometrie la potențial constant [73] ambii compuși participând la un proces de 2e- atribuit scindării legăturii tioeterice din poziția 3. S-a stabilit ca E1/2 se deplasează spre potențiale mai negative cu creșterea concentrației și a pH-ului‚ iar curentul limită este controlat de difuzie. Tehnicile au fost utilizate în controlul analitic și la testele de stabilitate și puritate.

Compararea procedeului polarografic cu cel microbiologic și iodometric a demonstrat superioritatea polarografiei din punct de vedere a preciziei‚ acurateței și selectivității.

Un intermediar sintetic al cefamandolului cu un substituent tetrazotil-tiometil în poziția 3 s-a dovedit a fi polarografic activ‚ o soluție tampon pH 3 fiind optimă pentru determinarea sa polarografică în controlul producției industriale. Comportarea electrochimică a CEFSULODINEI figura 17 d a fost investigată prin dpp‚ dcp și cv [74].

În mediu acid‚ utilizând dpp Cefsulodina prezintă trei picuri de reducere cu picul principal (picul A) la potențialul cel mai puțin catodic (+0,70V), care este de două ori mai mare decât celelalte două picuri (B și C) care la valori foarte mici de pH dispar iar în mediu bazic nu sunt observate datorită suprapunerii lor cu descărcarea electrolitului suport. Curentul lor de pic rămâne însă constant în domeniul de pH în care sunt observate. Curentul picului A depinde de pH atingând valoarea maximă de pH 3. Descreșterea curentului de pic peste acest pH este însoțită de lățirea picului‚ aria sa rămânând practic constantă.

La pH>6 apare un alt pic (D) la un potențial cu 150 mV mai negativ ca cel al picului A. Apariția sa coincide cu o descreștere în înălțime a picului principal A. Picul D se datorează unui produs de degradare a cefsulodinei iar intensitatea sa crește la orice pH la analiza unei fiole desfăcute de câteva zile. Procesul de degradare în mediu bazic este o reacție de hidroliză tipică acestui tip de antibiotic care constă în deschiderea inelului 13-lactamic‚ scindarea moleculei și în consecință desprinderea lanțului legat în poziția 3.

Corespunzător‚ picul D, care crește cu timpul poate fi atribuit reducerii isonicotinamidei formate la hidroliză.

La pH>9 curenții tuturor picurilor depind de timp. Picul A descrește în timp ce picul D crește.

Curentul picului A crește liniar cu concentrația până la 60 ppm peste care curba atinge un maxim iar apoi descrește și devine constantă de peste 150 ppm. Neliniaritatea curentului de pic cu concentrația de peste 60 ppm se datorează probabil fenomenului de adsorbție care poate fi corectată prin adăugarea unui compus tensioactiv care duce la o variație liniară a curentului de pic cu concentrația astfel încât acest antibiotic să poată fi determinat în domeniul 1-200 ppm.

În analiza dcp cefsulodina prezintă trei unde corespunzătoare celor trei picuri obținute în dpp iar în analiza se folosește doar prima undă al cărui curent rămâne aproximativ constant la pH<6 iar peste această valoare scade până la pH 8 după care rămâne constantă și curentul său este aproximativ jumătate din cel obținut în mediu acid.

În mediu acid variația E1/2 ca o funcție de pH este liniară cu o pantă de 170 mV.

Curentul limită de difuzie variază direct proporțional cu concentrația E în domeniul 1-200 ppm.

2.1 STUDIUL ELECTROANALITIC AL COMPONENȚILOR

(ASPIRINEI) SULFAPIRIDINEI Șl BISEPTOLULUI LA ELECTRODUL DE MERCUR

Comportamentul voltametric a două sulfamide‚ sulfpiridină (I)‚ sulfo-metilați (II) și trimetoprim (III) a fost cercetat în mediu apos cu pH variat‚ folosind polarografia clasică și voltametria impulsională diferențială cu baleaj rapid (FDSPV) un electrod static și unul picător de mercur. Substanța I‚ care conține o grupare azo este redusă la un derivat hidrazinic. Reducerea substanței II are loc cu dificultate printr-un mecanism radicalic. În cazul II reducerea este de 2 sau de 4 electroni care conduce la un derivat di sau tetra-hidropiridinic ca produs final. Determinarea acestor substanțe a avut loc folosind FSDPV și voltametria de stripping adsorbtiv (AdSV). Ea depinde de valoarea de valoarea pH-ului mediului. Pentru concentrație mai mică de 60 mg/ml în proba model deviația relativă standard este mai mică de 5% și limitele de detecție au fost calculate prin analiza de regresie adică de 0,2-0,5 ng/ml. Determinarea substanțelor 1-111 s-a realizat de asemenea în tablete: rezultatele au fost conform datelor furnizate de producător.

Cuvinte cheie: sulfamide‚ trimetoprim, polarografie‚ voltametrie.

Introducere:

Sulfamidele au fost primele medicamente chemoterapeutice folosite în tratarea bolilor bacteriene în medicina modernă umană și veterinară. Efectul lor constă în competiția cu acidul 4-aminobenzoic care este un produs intermediar în producția acidului folic. Acidul folic nu se poate forma iar creșterea bacteriilor ajunge să stagneze. Pentru a îmbunătăți efectivitatea activității bacteriostatice unele sulfamide sunt combinate cu derivat 2,4 diaminopirimidinic (pirmetamina) sau trimetoprim. Acești derivați opresc transformarea acidului hidrofolic în acidul tetrahidrofolic care este necesar pentru sinteza acizilor nucleici în bacterii și în oameni.

În strânsă legătură cu aplicarea terapeutică a sulfamidelor și amestecul acestora cu derivații pirimidinei‚ atenția se concentrează asupra studiului proprietăților și comportamentului acestor compuși ca de altfel și a altor resturi și metaboliți ai lor. Metodele analitice se bazează pe folosirea proprietăților protolitice și pe reacțiile grupărilor amino libere. În analizele compușilor studiați metodele instrumentale (cromatografia și în anumite cazuri‚ spectrofotometria și măsurarea voltametrică) sunt foarte utilizate. Determinarea polarografică indirectă se bazează pe diazotarea grupării amino și cuplarea sărurilor de diazoniu [75,76]. O determinare voltametrică bazată pe acumularea complecșilor de Cu(I) [77,78] tocmai a fost descrisă.

Structurile sulfamidelor folosite astăzi în medicină arată posibilitatea folosirii metodelor voltametrice directe. Ftalazolul și sulfamidele conținând inel fie pirimidinic fie piradizinic sunt reductibile la electrodul de mercur [79,80]. Acești compuși dovedesc de asemenea o puternică absorbție care poate fi folosită în scopuri analitice. Proprietăți asemănătoare sunt de așteptat și din partea altor sulfamide; exemplu, sulfopiridina (medicament salicilic) și sulfometazol. Ultimul și trimetoprimul sunt componenții de bază în preparate comerciale de consum ca Biseptolul (raport 5:1) Septrin și Bactrium. Brooks și colaboratorii săi [8l,82] descriu reductibilitatea polarografică a trimetoprimului în H2S04 diluat și determinarea lui în sânge și urină.

În lucrarea prezentată am investigat mecanismul reducerii polarografice a două sulfamide selectate și a trimetoprimului. Rezultatele au fost folosite pentru determinarea cantităților în urne a acestor compuși în probe model și în tablete folosind scanarea rapidă a diferențelor de puls voltametric (FSDPV) și AdSV

MECANISMELE REACȚIEI DE ELECTROD

Sulfapiridine

Compusul I (sulfasalazul), acid 5-[p-(2-piridisulfamol)-fenilazo]-salicilic

(I)

este probabil singura sulfamidă folosită în medicină cu o unitate azobenzen ușor reductibilă în molecula sa. Solubilitatea soluției I în mediu apos este‚ oricum foarte scăzută. Conținutul de 10% (v/v) etanol la c110-4 moll-1 nu era suficient pentru a menține compusul în soluție de acid mineral. Pe de altă parte în soluția tampon Britton-Robinson cu un conținut de etanol mai mic de 10% (v/v)‚ soluțiile de I (c<10-4 moll-1) erau omogene în toată zona de pH studiată.

Acest lucru se află în strânsă legătură cu polarizarea moleculei I datorită grupării electrofile -S02- și cu formarea mai multor forme solubile ionizate protolitică. Culorile acestor forme conjugate sunt diferite și sunt vizibile în mediu puternic acid (alcalin). Maximul de absorbție are aceeași poziție (max=457 mm) atât în soluții concentrate acide ca și în soluții puternic alcaline. Deplasarea batocromă este aproape 100 mm cu privire la maxim în soluții cu valori de pH determinate. Determinarea constantelor de disociere s-a realizat spectrofotometria în zonă spectrală vizibilă folosind relația modificată Henderson-Hasselbach:

pKa*=Ho-log[(A-Al)/(A2-A)] (35)

pKa=pH-log[(A-Al)/(A2-A)] (35 a)

unde A1 și A2 sunt absorbanțele formulelor protolitice conjugate bază și acid. Absorbanța A1 în soluții puternic acide (6.0-0,1 MH2SO4) ca și A2 în mediu puternic alcalin (CNaSO4>0,l moll-1) s-au găsit grafic printr-o transformare lineară [83] a funcției:

A=f{(A-A2)/10-pH} A=f{(A-A1)/10-pH}.

Valorile numerice ale constantelor de disociere pentru mediu etanolic apos (100%v/v) sunt: pK1*=-2,31±0,25, pK5= 11,80,08. Primul este asociat cu echilibrul protolitic al grupului azo și valoarea lui este în concordanță cu constanta azobenzenului pKa=-2,48 [84]. Cealaltă constantă menționată (pK5) caracterizează pierderea echilibrului de disociere a grupării fenolice. Oricum‚ nu s-au înregistrat disocieri ale inelului piridinic sau ale grupării carbonil sau un echilibru de protonare al grupării SO2NH nici în spectrul de absorbție nici în dependenta Ep=f(pH). Aceasta se datorează influenței puternicei grupări electrofile -S02- care a cauzat o mărime a acidității a l grupărilor amintite. Constantele de disociere ale acestor echilibre (pK2 la pK4) 0,6 (piridiu)‚ 2,4 (-COO4-CO5), 9,7 (-SO2NH-/(-SO2N=)) au fost oricum determinate din spectru ultraviolet de Mygard[84].

Fig. 17. Dependența potențialului de potențialul (Ep) DPV al sulfapiridinelor(1)‚ sulfametaxozol(2), trimetoprim(3) de valoarea pH-ului.

Sulfopiridinul este în consecință un anion monovalent cu o grupare carbonil disociată în regiuni tamponate de pH. Dependențele E1/2 și Ep=f(pH) confirmă doar că o formă protolitică în soluție (fig. 17) pentru că ambele dependențe dau linii drepte cu pante de aproximativ 6,5mV/pH și sunt caracteristice pentru o reacție electrochimică relativ simplă de 2 electroni (în concordanță cu[84]). Numărul de electroni rezultă prin compararea undelor I cu curbele benzilului și ale albastrului de metilen. Produsul final al reducerii electrodice este compusul hidrazo corespunzător: R1-N=N-R” +2e-+2H+=R1-NH-NH-R”.

Figura 18. Curbe DC clasica ale albastrului de metilen (1) sulfapiridinei(2) și benzilului (3). Soluție Britton Robinson (pH 6,59); c=1×104 moll-1 20% (v/v) metanol.

Aici o scindare a legăturii -NH-NH- care este binecunoscut la unii substituenți ai compușilor hidrazo protonați [85,87] nu se găsește. Cursul dependenței acestui proces Ep=f(pH) fig. 2 satisface perfect ecuația (36)

(36)

Înălțimile undelor sunt constante de la pH=2 până în mediul alcalin‚ demonstrând că mecanismul de reducere presupus se petrece aproape în toată zona acidă studiată. Aceste unde sunt mai scăzute pentru pH<2 unde este evidentă o precipitare a compușilor în soluție. Curba DPP indică un traseu analog – cu scăderea acidității picurile cresc și atinge un nivel constant la un pH4. Reversibilitatea voltamograma ciclică ce indică ca etape parțiale ale procesului de electrod distinse bine în special, la baleajul invers‚ ca două picuri separate. Ambele picuri se contopesc odată cu creșterea vitezei de baleaj. În mediul alcalin curbele DPP arată doar o ușoară tentativă de cădere de curent și pantele undelor DC ca dependentă lineară corespunzătoare analizei logaritmice este de asemenea în ușoară tentativă de scădere

Un depolarizator indică de asemenea apariția absorției la suprafața electrodului de mercur în domeniul valorilor maxime ale curentului (Fig. 18). Reprezentările logaritmice ale curenților de pic în funcție de viteza de baleaj găsite pentru voltamogramele ciclice este lineară cu o pantă de 0,68 (pH 3,9 și 11,5) și 0,72 (pH 6,8). Valorile mai mari de 0,5 sugerează o creștere a influenței procesului de absorbție în procesul de electrod. În procesul de adsorbție o parte hidrofobă a moleculei I precum și o punte de hidrogen înlocuind anionul solicitat joacă un rol important. Puntea de hidrogen va fi puternică mai ales lângă punctul neutru și în această zonă pH adsorbția I este mai intensă și mai folositoare din punct de vedere analitic.

Fig. 19 Voltamogramele ciclice ale sulfazopirinei la valori diferite de pH și la o viteză de baleaj a potențialului de 20(1), 100(2) și 300(3) mV/s c=1×1044 moll-1.

Fig. 20 Curba electrocapilară pentru sulfapiridină (I) în soluție tampon Britton-Robinson soluție; (2) soluție tampon Britton-Robinson +10% (v/v) etanol (3) soluție tampon BR +10%(v/v) +I (c1=1×10-4 moll-1).

Sulfametaxazol

Substanța II 3-[p-anilino-sulfamol]-5-metil-1‚ 2oxazol, (II) este greu

solubilă în apă dacă nu se adaugă un solvent organic corespunzător. Solubilitatea crește în mediu acid datorită protonării grupării amino libere (pKa=5,6 [86]). Oricum prepararea de soluții omogene alcoolic apoase (109 ov/v) cu o concentrație optimă de II pentru studierea polarografică DC nu a reușit. Mai mult decât atât‚ compusul este și mai greu redus. Unda înregistrată apare aproape de cea a hidrogenului sau fuzionează cu aceasta. Polarografia impulsională diferențială și polarografia diferențială mulți impulsională la o singură picătură de mercur (DMPP) sau FSDPV cu o viteză de baleaj mai scăzută la o concentrație a depulverizatorului cII<10-5 moll-1 în HClO4 sau HCl diluat sunt metode corespunzătoare pentru studierea reacțiilor de electrod și pentru analizarea II. Produsul reacției electrochimice a compusului la electrodul de mercur este un radical. Aceasta rezultă din compararea undelor ale substanței II cu cele de I electron ale sulfadiminei [88] precum și din compararea cu cele de 2 electroni ale sulfatului de benzil și -androchinonă care sunt de două ori mai mari. Probabil că radicalul se stabilizează prin dimerizare. Un mecanism radical asemănător a fost descris în cazul pirimidinei și a câtorva din derivatele acestea [89]:

Dependența Ep=f(pH) dă o linie dreaptă cu o pantă de 56 mV/pH fig. 3 și satisface ecuația (37)

Forma și înălțimea picurile voltametrice puls diferențiale depind de cantitatea alcoolului în soluțiile măsurate.

Înălțimea picului descrește odată cu creșterea timpului de prescanare deschis înainte de baleerea potențialului asupra formei și înălțimilor picurilor DPP ale sulfametaxazolului (II) în 0,05 MHCIO4‚ c=lxl0-6 moll-1; conținut de metalon (a) 50%(v/v); timpul de prescanare 0S.

În cazul în care conținutul de alcool scade forma curburilor voltametrice se stabilizează ca de exemplu în soluție cu 5%(v/v); metanol‚ înălțimile picurilor sunt aceleași și după 6 minute. O situație analoagă se întâlnește și în cazul soluțiilor et anolice‚ oricum scăderea curentului este mai rapidă (aproape 75%) în 6 minute într-o concentrație de 50% etanol.

Fenomenele au se pare legătură cu solvarea compusului 11 de către alcool Acest efect afectează viteza de difuzie a de polarizatorului și a grosimii stratului dublu electric. O viteză de baleaj rapid este de asemenea nefavorabilă pentru înălțimile picurilor.

Fig. 22

Trimtoprim III 2,4-diamino-5-(3,4,5-trimetoxibenzil) pirimidină.

Acizii minerali diluați (H2S04‚ HCI) și soluțiile tampon acide sunt electroliți potriviți pentru studierea voltametrică a compusului III care este tradus într-un proces de 2 electroni:

în acid sulfuric mai concentrat (c>0,1 mo11-1)

Reacția este controlată de difuzie‚ în concordanță cu reducerea derivaților amino ai pirimidinei [91‚92]. Dar în acid diluat (c<0,05 mo111) unda DC este mai înaltă decât unda de 2 electroni a benzilului și la un pH>3,5 unda compusului III este exact de două ori mai mare ca cele ale benzilului‚ antrachinonă sau salazosulfapiridină (I).

Această comparație indică faptul că reacția este un proces de reducere a 4 electroni în această zonă acidă.

Din constanta de disociere pKa=-7,2 [89], rezultă că în zona pH‚ unde substanța III prezintă unde catodice în distribuirea formelor protolitice este puternic deplasată spre cele protonizate. Un proton este legat de un azot heterociclic în poziția doi (N2), care este stabilizat prin mezomerie. Reducerea de 4 electroni a acestei forme se realizează în două etape. Prima este o reducere de doi electroni la o legătură dublă a nucleului de pirimidină cu participarea a doi protoni la un dihidroderivat (stabilizat mezomeric). Doi electroni și doi protoni sau trei protoni sunt implicați în cea de-a doua etapă. Produsul este un tetrahidroderivat‚ protonat de două sau trei ori.

Eliberarea amoniacului sau NH4- este de asemenea posibilă după cum se cunoaște din cazul derivaților de aminopiridină substituiți [91]. Oricum‚ întregul proces de reducere (schema 1) este reprezentată doar de o singură undă (pic) voltametric.

Schema 4

Dependența E1/2 respectiv Ep=f(pH) a substanței III corespunde mecanismului presupus. Două linii drepte (figura 18) cu pante 78 și 55 mV/pH se intersectează într-un punct ce indică echilibrul protolitic al unei firme reduse (pKreda4,5). Această funcție satisface ecuația (38):

(38)

Aciditatea soluției influențează de asemenea valoarea curentului. La începutul scalei pH înălțimile undelor DF și picurile DPP cresc odată cu creșterea pH și la pH4 se ating valorile maximale. În soluții slab acide aceste unde sunt constante . Din caracteristicile curentului de difuzie, din măsurarea voltametrică ciclică la un HMDF înregistrată la diferite viteze de baleaj precum și din datele AdSV (figura 22) rezultă că procesul de electrod nu numai că este controlat de difuzie în soluții acide, dar și adsorbția este importantă într-un astfel de mediu. O reprezentare log/log a curenților de pic în funcție de viteza de baleiaj dă o pantă de 0,7 (0,05NH2SO4) și de 0,6(pH 3,7). În zona de pH neutru curentul scade, iar în mediu alcalin nu se înregistrează nici un pic de reducere.

Determinarea sulfonamidelor și a trimetroprimului

Determinarea în probe etalon

Atât sulfonamidele studiate cât și trimetroprimul nu numai că sunt reduse, dar indică de asemenea și o adsorbție la suprafața electrodului de mercur. Adsorbția evidentă din curbele de electrocapilaritate (figura 21), curbele CV și dependența curenților de pic de timpul de acumulare (figura 23).

Fig. 22 Dependența concentrației de valorile maxime ale trimetropimului în momente diferite în soluție tampon BR.

Aceste proprietăți pot fi folosite pentru determinarea directă a conținutului scăzut al substanțelor prin DPP (DMPP, FSDPU) sau AdSV folosind curbe de etalonare sau metoda adițiilor standard. Soluțiile tampon cu pH6-7 sunt cele mai indicate medii pentru determinarea substanței I. Compusul II poate fi determinat HClO4 sau HCl diluat (H2SO4 și HNO3 nu sunt potrivite) în concentrație de 210-5-210-7 mol-1 fără a folosi acumularea sau 210-7-410-8 moll-1 folosind un timp de acumulare redus (tacc<10s). La un conținut mai mare de substanță II s-a observat un curs hiperbolic al curbei de etalonare, izoterma de adsorbție Langmuir. Substanța II poate fi determinată prin tehnică impulsională obișnuită, fie fără acumulare, fie prin AdSV atât în acizi minerali diluați cât și în mediu tampon cu pH4. Caracteristicile liniilor drepte de etalonare și rezultatele studierii celor trei compuși sunt date în tabelele 17 și 18.

Tabelul 17

Tabelul 18

Determinarea în tablete

Sulfasalazin. Soluția stoc a fost preparată dintr-o cantitate măsurată de tabletă sfărâmată și prin diluarea acestuia în etanol și metanol. După trei decantări și filtrări soluția a fost definitivată. Soluția stoc poate fi însă obținută prin dizolvarea unei tablete în 0,01 M NaOH. Următorul proces care folosește disocierea grupării fenolice este mai avantajos în privința preciziei determinării. În soluția tampon B-R (pH 6,8) s-a ajuns la următorul rezultat: 524,6mg de I după extracția tabletei cu etanol. În soluție apoasă alcalină din tabletă s-a obținut 5270 mg de I (n=6 s+=4,03% AdSV. Valoarea dată de producător este aproape 500 mg I tableta.

Biseptol 480. După pulverizare o parte cântărită a tabletei a fost extrasă cu metanol folosind o încălzire ușoară, dispersia a fost filtrată cu un filtru des. Soluția a fost completată cu metanol până la volumul definitiv. Determinarea unei probe suficient de diluată de II s-a realizat în 0,001 MHCl folosind metoda adițiilor standard (conținut 385,5 mg, n 7, sr=3,52%).

Tehnica FSDPV (fig. 7) s-a realizat fără acumulare cu o viteză mică de baleiaj (10-20 mV/s). După diluarea suficientă a probei în celulă poate fi folosită metoda de adsorbție (AdSV). Trimetroprim III a fost determinat în soluție tampon acetat (pH 3,8) prin folosirea metodei adițiilor standard folosind AdSV (conținut 80,67 mg/tabletă, n=7, sr=2,20%). Este posibil să realizăm determinarea substanței III în 0,005-0,105 MH2SO4 prin FSDPV fără acumulare. În ambele medii numai III este activă voltametric. Rezultatele măsurătorilor substanțelor II și III sunt în concordanță cu valorile declarate (400 mg de II și 80 mg de III pe tabletă).

Comportarea polarografică a N1N-dimetil-4-amino-4’-sulfoazobenzen a fost studiată prin tast-polarografie și polarografie puls constant la un electrod picător de Hg cu suprafață mare și voltametric ciclică la un electrod de Hg cu picătură suspendată. Condițiile optime pentru determinarea sa au fost găsite prin tast-polarografie în domeniul de concentrații 2-100moli-L-1, polarografia puls diferențială la DME în domeniul de concentrație 0,2-100moli-L-1 și prin voltametrie puls diferențială la HMDE în domeniul de concentrație 0,02-10moli-L-1. Sensibilitatea determinării poate fi îmbunătățită prin acumulare adsorbtivă a substanței de analizat pe HMDE, acumularea timp de 3 min în sol agitată permite determinări la 0,2-100moli-L-1.

Sulfametazine (SM2) este unul dintre cele mei efective antibiotice. O metodă simplă și rapidă pentru măsurarea oscilopolarografică a SM2 este descrisă în detaliu. SM2 într-un mediu de 0,01 M HCl dă o singură și sensibilă undă catodică, potențialul de pic este -0,995V ESC. Există o bună dependență liniară între înălțimea de pic și concentrația în domeniul 110-7-110-4 M. Limita de detecție este de 310-9M. Conținutul de SM2 în pudre ca sulfimidine pentru copii a fost determinat și este în concordanță cu rezultatele spectrometriei UV. Conținutul de SM2 din probe de urină a fost determinat cu rezultate satisfăcătoare [94].

Comportarea electrochimică a 2-(4’-sulfonamoil)hidrazono-butirat-1,3-dime4-RNHO2SC6H4NHN:C(CO2Et)COMe(R=H,H2NC:CH,2-pirimidil) și sulfonamoilazoaminobenzeni 4-RNHO2SC6H4NH: NC6H6SO2NHR-4(R=H, MeCO, 2-pirimidil-4,6-di-Me-2-pirimidil,etc) a fost studiată într-un larg domeniu de pH la DME și electrozi de cărbune sticlos. Ambele tipuri de compuși prezintă o reacție de reducere de 4 e- .

Oxidarea electrochimică a sulfometoxazolului (I) a fost studiată în domeniul de pH 2,23-3,94 (tampoane fosfat) la un electrod de grafit pirolitic prin voltametrie ciclică și cu un baleaj liniar, coulometrie și studii spectrale. S-a găsit că I este oxidat într-o etapă de 2e-, 2H+ pentru a da azobenzen-4,4-(N-3-metozolildisulfonamină) ca produs major [96].

Comportarea voltametrică a două sulfonamide, salazosulfapiradina [I] și sulfametazol [II] și trimetroprim [III] a fost investigată în mediu apos la diferite pH-uri utilizând polarografia clasifică și cea rapidă în curent continuu și în voltametria impulsională cu baleiaj rapid (FSDPV) la un electrod picător și un electrod static de Hg care conține o grupare azo a fost redus la un derivat hidrazinic I. Reducerea II are loc cu dificultate printr-un mecanism radicalic. În cazul III, reducerea este un proces de 2 sau 4e- (în funcție de aciditate) ce duce la derivați di sau tetrahidropirimidinici ca produși finali. Detecția acestor compuși s-a realizat prin FSDPV sau voltametrie de stripping.

Ciuperca (Eiclihomia crassipes) a fost mărunțită și omogenizată (1: 1) cu tampon pH7; filtrare a fost centrifugat. O porție din supernatant a fost amestecată cu 0,2 mM CaCI2 în tampon amoniacal înainte de măsurarea prin voltametrie cu baleaj liniar la -1‚55V vs ESC. Răspunsul a fost liniar pentru 0,2-2 g/ml metalotiopeptide și limita de detecție a fost 0,16 g/ml. Regăsirile au fost 87,1. 97,4%. Sunt discutate interferențe ale compușilor cu S cum ar fi cisteina‚ ditiotreitol și glutationi [98].

0,05 g probă au fost dizolvate în 12,5ml etanol 96% și diluate la 25 ml cu H2O.0,8 ml din soluția rezultată au fost amestecați cu 5 ml 10 mH NaOH pentru polarografia anodică sau tampon acetat pH 4,7 pentru polarografia catodică. Polarogramele au fost înregistrate de la -0,2 la -1‚0 V cu electrod picător de Hg și ESC. Curentul de pic de la -0,3V în polarografia anodică sau la -0,9 V în polarografia catodică variază liniar în domeniul 10-10M prothioamidă. Regăsirile au fost în domeniul 93,92-100,8%. Eroarea relativă a fost 3,60% [99].

Sunt date detalii pentru metodele de determinare a acceleratorilor de vulcanizare‚ captax (benzotiazol-2-tiol‚I) și BH-Z tiazol (II) ca probe de apă naturală și reziduală. Pentru a determina I‚ proba a fost diluată cu tampon acetat și transferată într-o celulă polarografică prevăzută cu un electrod pastă de cărbune‚ preparat din carbon pulbere‚ parafină și complex amoniacal Ca(II)-dimetilditiofosfat ca modificator. După imersare timp de 45 min.‚ polarografia a fost între -0,2 la -1‚5 V vs ESC.

Tamponul acetat folosește ca electrolit suport. Graficul de calibrare a fost liniar în domeniul 0,003-5 mg/l pentru l și RSD=0,1% pentru 0,03 mg/l.

II a fost extras din probă dicloretani și determinat similar cu un electrod pastă de carbon modificat cu AgSCN și 0,05M perclorat de tetrabutilamoniu ca electrolit suport; polarograma a fost înregistrată între 0,1 și 1 V vs ESC. Concentrația de II a fost determinată utilizând înălțimea picului de la 0,65V [100].

Cisteina reacționează cu Cu2+ pentru a forma un complex care produce o undă de adsorbție prin reducerea adsorbtivă a complexului la suprafața electrolitului. Părul uman sau probe de albumină de ou au fost hidrolizate cu 6M HCI la 110C timp de 24 ore urmate de diluarea hidrolizatului. O parte din soluție a fost transferată în celula de electroliză conținând Cu2+ și trietanolamina. Amestecul a fost ajustat la pH 10-11 și dezoxigenat cu N2. Soluția a fost supusă oscilopolarografiei. Graficul de calibrare a fost liniar în domeniul 0,05-20 mg/l cisteina. Regăsirile au fost 98-102% și RSD=0,4-1,6%.

ANALIZA VOLTAMETRICĂ A MOLECULELOR DE IMPORTANȚĂ FARMACEUTICĂ BAZATĂ PE REDUCEREA LOR

Fenotiazina:

Fenotiazina prezintă unde anodice pe EPM în soluția de H2S04 de concentrații mai mari de 1N și în soluții alcaline de pH 12,5. În 10M H2S04 unda este bine definită și curentul este o funcție liniară de concentrație fenotiazinei. Concentrația H2S04 are un rol diferențiator asupra potențialelor de semiundă a fenotiazinelor corespunzător oxidării radicalului liber de sulfoxid pe microdisc rotitor de platină. Reacțiile de oxidare pentru derivații fenotiazinici sunt reprezentate în general prin:

R:R + e- (39)

R. + H20 S + e- în H2S04 12 M și (40)

R:R. + e- (41)

2R.+H2OR:+S+H+ înH2SO4 1M (42)

unde R: reprezintă forma inițială redusă a compusului;

R. reprezintă radicalul liber obținut după o oxidare monoelectronică;

S reprezintă sulfoxidul corespunzător.

O serie de medicamente din clasa benzodiazepinelor și unii derivați dibenzocicloheptanici au fost studiați în acetonitril cu 0,1 M perclorat de tetrabutilamoniu ca electrolit suport oxidarea anodică efectuându-se pe un electrod disc rotitor [104]. Dintre benzodiazepinele testate doar oxazepamul‚ diazepamul și flurazepamul dau unde de oxidare bine definite, controlate de difuzie și sunt liniar dependente de concentrații mai mari de 1 mM.

TIZANIDINA (5-cloro-(D-2-imidazolinol-2-amino)-4-benzotiadiazol 2,1‚3) (I din reacția 43) este un musco-relaxant scheletal central activ fiind biotransformat în corpul uman mai ales procedee oxidative și în scopuri comparative, investigarea comportării sale electrochimice pare interesantă. Molecula a fost studiată prin DCP, ACP și DPP iar mecanismul implică transferul a 6e- cu deschiderea ciclului tiadiazolic și eliberarea de H2S (reacția 43):

(43)

Voltamograma ciclică realizată pe CPE [105] prezintă la baleerea potențialului în direcție pozitivă, pe un singur pic de oxidare‚ pe întregul domeniu de pH investigat, al cărui potențial de pic este apropiat de oxidarea solventului.

Dependența liniară între ip și v1/2 în eV, demonstrează faptul că procesul este controlat de difuzie iar absența pic-ului catodic viteza un proces ireversibil. La cicluri repetate de potențial apar picuri reversibile mici și apropiate parțial într-o regiune de potențiale puțin negative. Aceste picuri au fost observate în mediu acid iar intensitatea lor descrește cu creșterea pH-ului dispărând la pH>7.

Prezența acestor cupluri localizate la potențiale mai pozitive ca medicamentul inițial sugerează existența unei reacții chimice după Ep2, dând naștere la molecule mai ușor oxidabile ca tizanidina. Numărul și intensitatea relativ mică a acestor picuri sugerează natura complexă a procesului de oxidare a tizanidinei.

Prin analiza eV după electroliza tizanidinei s-a concluzionat că apar mecanisme de oxidare diferită în funcție de protonarea moleculei. Prin compararea comportării eV a unor analogi ai tizanidinei I a, b, c s-a putut deduce ca oxidarea tizanidinei apare la atomul de azot din amina secundară care probabil formează o structură chinoniminică (reacția 44):

a) 2,1 ‚3,benzotiadiazol b) 4-amino-2,1,3 benzotidiazol

c) 1‚2 fenilendiamina

În plus‚ oxidarea aminei secundare poate avea loc de asemenea prin eliminare de amină primară care poate fi oxidată apoi urmărind comportarea CV a lui b.

Apariția concomitentă a acestor reacții electrochimice electroliza la potențial constant. Măsurători cantitative efectuate la pH 10 (răspuns electrodic maxim) utilizând DPV au demonstrat o dependență liniară între răspunsul obținut pe CPE și concentrația tizanidinei în domeniului 210-5-10-5 mll-1. Limita de determinare destul de mare (10-5 M) poate fi explicată prin rezoluția redusă datorată valorii Epa apropiate de cea a solventului.

N-DIACHILAMINOALCHIL-S,S-DIFENILSULFOXIMINELE cu formula generală constituie o clasă nouă de compuși cu proprietăți SPASMOLITICE.

Analiza polarografică a diarilsulfoximinelor N-substituite permite determinarea lor cantitativă cu o eroare de ±3% într-o soluție cu un conținut de 1 g/ml.

Reducerea lor pe EPM este influențată atât de natura radicalului de la atomul de azot cât și de substituenții sulfului. Substanțele la care R1 și R2 sunt grupări alchil ce nu pot fi reduse pe EPM în soluții apoase deoarece sunt puternic absorbite pe EPM.

Dacă un substituent al azotului este un aromat, de exemplu R1=CH3C6H4 și R2=CH3 apare o undă polarografică cu E1/2=-1‚28V al cărui curent nu este limitat doar de difuzie ci i se suprapune și o evoluție catalitică de hidrogen. Curentul acestei unde mixte este de aproximativ 10 ori mai mare decât curentul limită de difuzie pură. În domeniul de concentrație 510-6-10-4 moll-1 există o relație liniară între curent și concentrație astfel încât este posibilă o determinare cantitativă.

N-dietilaminoetil -S1S -difenilsulfoximina (I) dă pe EPM o undă bine definită. Reacția globală este ireversibilă întrucât în oscilopolarograma în curent alternativ apare doar un singur pic de reducere. Din valoarea coeficientului de temperatură și din dependența curentului limită de înălțimea coloanei de mercur pH2 curentul limită este determinat de difuzie.

Curentul limită de difuzie depinde atât de pH cât și de natura tamponului. Dependența curentului limită și a potențialului de semiundă de valoarea pH-ului la diarilsulfoximine a dus la concluzia că la baza reducerii sulfoximinei nu stă un proces unitar.

Din dependența curentului de pH rezultă la difenilsulfoximinele sunt reduse în stare protonată iar în etapa determinată de viteza procesului de reducere are loc acceptarea unui proton și a unui electron cu formarea radicalului I a. După acceptarea celui de-al doilea electron, Ia, poate da produși diferiți. În proporție mică se formează difenilsulfoxidul, I b, cu eliberare de amină. Protonarea aminei după eliberare nu influențează reacția globală. Difenilsulfoxidul pur este redus mai ușor decât I, în mediu acid astfel încât I b acceptă imediat 2e- 12H+, și formarea difenilsulfura I c (schema de reacție).

A doua cale de reducere a lui I a are loc cu aproximație de 80% după ce prin acceptarea unui electron la amida acidului benzen sulfonic (I d) când probabil se eliberează un anion fenil care prin acceptarea unui proton formează C6H6.

Produsul intermediar I d este de asemenea mai ușor redus decât I, la pH3. Între pH2-pH1,5 I d este stabil astfel încât din dependența curentului limită înălțimea coloanei de Hg s-a concluzionat că acesta este limitat de difuzie.

O electroliză efectuată în tampon pH6,2 pentru I a dus prin consumarea a 2e- molecula la I d, care după acidularea soluției a putut fi determinat polarografic și prin TLC pe lângă puțin I c.

Ca produși finali ai căii de reacție care implică I d se obțin disulfura Ie, acidul benzen sulfonic If și amina. Proporția de I transformată în Ie este de 7-10% în timp ce 60-70% din I duce la I f [107].

Schema 5

PARTE EXPERIMENTALĂ

În lucrarea de față s-a efectuat studiul reducerii polarografice a cefalexinei‚ un antibiotic din categoria cefalosporinelor din generația I‚ având următoarea formulă structurală:

Cefalexina se poate găsi ca preparate farmaceutice injectabile sau tablete comercializate sub denumiri ca Ceporex, Ceporexim‚ Keflex, Oracef.

2.APARATURA

Măsurătorile polarografice în curent continuu au fost efectuate cu un polarograf LP7 e produs de firma cehoslovacă Laboratory Pristoj din Praga și de un instrument electronic prevăzut cu potențiostat. lnstrumentul este alcătuit din două părți componente: unitatea de polarizare și înregistratorul‚ acestea fiind cuplate între ele prin cărbune de conexiune.

Celula polarografică

Cea mai simplă celulă polarografică este celula cu doi electrozi de tip Novok (fig. 1) care a fost folosită la efectuarea experimentelor prezentate în această lucrare. În afara electrodului picător de mercur‚ celula conține un electrod de referință cu potențialul constant. În celula Novok acest rol este îndeplinit de stratul de mercur cu suprafață mult mai mare decât cea a electrodului picător.

Fig. 1 Celula de tip Novok

Reactivi și materiale Toate substanțele utilizate pentru prepararea soluțiilor au fost de puritate analitică și cefalexina de puritate farmaceutică. Soluțiile au fost preparate cu apă distilată.

Soluții folosite Soluție stoc de cefalexină de 100gml-1 obținută prin dizolvarea a 0,200g cefalexină în apă în balon cotat de 200 ml

Pentru îndepărtarea oxigenului din soluțiile supuse analizei polarografice s-a folosit o soluție saturată de sulfit de sodiu iar pentru determinarea maximelor polarografice s-a adăugat o soluție de Triton x-100 0,5%.

Ca soluții stoc de electrolit suport s-au folosit:

– soluție KNO3

– soluție H2S04

– soluție tampon amoniacală (NH3 0,10 moll-1, NH 4C1 0,1 moll-1)

– soluție NaOH 1M

– soluție KI 1 M

– soluție NaHPO4 0,2M

Mod de lucru

În fiecare din baloanele cotate de 25 ml se introduc câte 2,5 ml soluție electrolit indiferent‚ 5 ml soluție de sulfit de sodiu, 1 ml soluție Triton X-100, 2,5 ml soluție de cefalexină și se adaugă apă distilată pentru completarea volumului soluției până la semnul de marcaj al balonului. După 25-30 minute de la aducerea baloanelor cotate la semn cu apă distilată se înregistrează polarogramele. Domeniul de potențiale în care se face înregistrarea polarogramelor este cuprins între 0V potențialul inițial și -1‚600 V potențialul final. Toate polarogramele se vor înregistra în aceleași condiții de lucru (aceeași capilară a electrodului picător de mercur și aceeași înălțime a coloanei de mercur h=40 cm).

Pentru testarea influenței concentrației medicamentului asupra înălțimii undei polarografice în baloanele cotate s-au introdus volume variabile de cefalexină 1000gml-1.

Rezultate și discuții

Literatura de specialitate despre electroactivitatea cefalosporinelor relevă faptul că această clasă de antibiotice poate fi împărțită în două mari grupuri în ceea ce privește comportarea lor electrochimică și anime (1). Polarografia și voltametria cefalosporinelor și (2) voltametria și amperometria produșilor de degradare ai cefalosporinelor. Concluzia reieșită din datele de literatură este aceea că sunt electroactive și dau un răspuns faradic la un electrod de lucru potrivit ales imersat în soluția lor. Acest lucru justifică rolul important al tehnicilor polarografice și voltametrice în analiza electrochimică a acestor compuși.

În prezenta lucrare a fost abordat studiul reducerii polarografice și al posibilităților de determinare a cefalexinei prin polarografie în curent continuu.

În vederea testării comportării polarografice a cefalexinei precum și a studierii efectului naturii electrolitului suport s-au înregistrat polarograme utilizând ca electrolit suport soluțiile prezentate în tabelul 1. În toate cazurile analizate s-au obținut unde de reducere însă cele mai bine definite polarograme s-au obținut utilizând drept electrolit suport soluții de KNO3 sau KI.

Tabelul 1. Influența naturii electrolitului suport asupra potențialelor de pic și a curenților limită de difuzie (înălțimea undelor polarografice) obținuți pentru reducerea unei soluții de 100 ppm cefalexin.

Fig. 2 Polarograma în curent continuu obținută pentru 200 ppm cefalexină în KNO3 0,1M ca electrolit suport.

Studiul influenței electrolitului suport asupra reducerii polarografice în curent continuu a cefalexinei a evidențiat faptul că în mediu neutru reducerea decurge în două etape polarograma prezentând două unde line definite cu potențiale de semiundă în pir de -0,6V și respectiv -1,1V față de electrodul baltă de mercur. În mediu acid unda de la potențiale mai negative dispare iar unda cu potențialul de undă în jur de +0,55V are înălțimi mai mici decât undele obținute în mediu neutru, utilizând ca electrolit suport săruri de potasiu.

În mediu bazic, de NaOH, cefalexina prezintă o singură undă de reducere, mai mică și slab definită cu potențialul de pir de 0,2-0,3V față de electrodul de Hg. Acest lucru poate fi explicat prin instabilitatea cunoscută a cefalosporinelor în mediu bazic. Se știe că în mediu puternic bazic de NaOH cefalosporinele se degradează cu formare de sulfură și de resturi organice.

Având în vedere aceste observații pentru studiile ulterioare s-a ales ca electrolit indiferent o soluție de KNO3 0,1M deoarece în ecst mediu s-au obținut cele mai bine definite unde polarografice pentru reducerea cefalexinei.

În vederea determinării cantitative a cefalexinei din preparate farmaceutice s-a studiat în continuare influența concentrației cefalexinei asupra curentului limită de difuzie și s-a obținut o dependență liniară a înălțimilor undelor polarografice (atât pentru cea de la -0,6 V cât și pentru cea de la -1,1V) de concentrația cefalexinei în domeniul 4-200 ppm (510-4-10-3). În figura 2 sunt prezentate polarogramele în curent continuu obținute pentru întocmirea gradientului de etalon în vederea determinării cantitative a cefalexinei iar în figura 3 este prezentat graficul de etalonare împreună cu înălțimile undelor polarografice (tabelul 2) folosite pentru obținerea curbei de etalonare.

Tabelul 3 Înălțimea undelor polarografice în curent continuu obținute pentru diferite concentrații de cefalexină în vederea întocmirii curbei de etalonare.

Tabelul 3

Fig. 3 Polarogramele în curent continuu obținute în KNO3 0,1M pentru diferite concentrații (1) 25ppm; (2) 50ppm; (3) 75ppm; (4) 100ppm; (5) 125ppm; (6) 150ppm; (7) 175ppm; (8) 200ppm.

Fig. 4 Curba de etalonare obținută pentru determinarea cefalexinei în KNO3 0,1M domeniul de concentrații 25-200 ppm.

Ecuațiile celor două drepte etalonate sunt:

-pentru unda I: Id=8c-0,25 cu coeficient de corelație de R2=0,9877;

-pentru unda II: Id=7,546+6,7025 cu coeficient de corelație de R2=0,9955.

Metoda propusă a fost folosită pentru determinarea cantitativă a cefalexinei din pulbere de Oracef pentru suspensie obținându-se o regăsire a mediei de 99,6% și cu o DRS=2,29%. Au fost analizate 7 probe utilizând metoda curbei de etalonare. Rezultatele obținute sunt prezentate în tabelul 4.

Tabelul 4 Valorile regăsirilor medii obținute pentru determinarea cefalexinei din Oracef 250mg/5ml suspensie.

Tabelul 4

Regăsire medie 99,6%.

CONCLUZII

Prezenta lucrare este structurată în trei capitole în care s-au urmărit:

să se discute pe larg, pe baza datelor din literatură, principalele aspecte legate de realizarea experimentului potențiometric modern discutând-se tipurile de electrozi ion-selectivi, ca prezentare generală și în particular senzorii folosiți în analizele farmaceutice.

să fie prezentate posibilitățile de acces ale potențiometriei în studiul comportării electrochimice a unor compuși cu sulf cu importanță farmacologică.

în particular tehnicile potențiometrice de analiză a unei cefalosporine, cefaloxinei.

BIBLIOGRAFIE

1. C.E. Linte, W.R.Heineman, G.S.Calabrese, K.M.O. Cornell, R. Memming, A.Henglein, Topics in Current Electrochemistry 143 Electrochemistry, Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York-London-Paris-Tokio, (1980)

2. H. Hoffman, Pharm. Ind., 46,845-850,(1984)

3. S.Java, T.P. Rao, Crit. Rev. Anal. Chem. 259-281(1985)

4. P.M. Bersier, J.Pharm Biomed. Anal., 1, 474-490,(1985)

5.P.M. Bersier, J.Bersier Analyst 114, 1530-1544,(1989).

6.F.W.Smyth, Polarography of Molecules of Biological Significance Academic Press Inc. (London), LTP (1979)

7. L. Kekedy, Senzori electrochimici metalici și electrozi ion-selectivi, Ed. Academiei RSR, București (1987).

8. Mubarak, J.Stanford, J.Sugden, Pharm. Acta Helv., 57, 338-344, (1982)

9. J. Velisek, J. Davidek, S. Klein, Z. Lebensm. Unters.Forsch. 155,203, (1974)

10. Hu. Shenghui, Z.Zaofan, Anal. Let., 24,827-836 (1991)

11. G. Fogg1, N.M. Fayard, R.N.Goyal, J.Pharm. Pharmacol. 32, 302-303, (1980)

12. G.Fogg, M.J.Martin, Analyst, 106, 1213-1217, (1981)

13. L.J. Nunez-Vegara, JA. Squella, M.M. Silva, Talanta 29,137-138(1982)

14. J. Hernandez-Mendez, A.Sanchez Perez, M.Delgado Zamarreno, L.Vega Laso, Anal Chim Acta, 160,335-340 (1984)

15. B. Schroder, R. Voigt, R. Patsch, G. Horn, F.B. Spencher, Fres. Z. Anal. Chem., 529-530 (1988).

16. J.A. Squella, L.J. Nunez Vegara Anal. Let., 17,1343-1351(1984)

17. Ogorevc, S.Gomiscek, J. Pharm. BiomedAnal., 9, 225-236(1991)

18. G.Gondez Pereze, J. Gonzales Martin, B.Rodriquez Vazquez de Aldama, J.Pharm. Biomed. Anal ., 383-386 (1991)

19. MM. Diaz de Guerenu, J.Pharm, Biomed Anal., 481-486(1992)

20. G.Fogg, Y. Z. Ahmed, Anal Cim Acta, 70 24(1974).

21. H. Oelschlager, Arch, Pharm., 296 (1);7-13,(1963).

22. H. Oelschlager, T.EI-Hossney, Arch. Pharm., 316,412-421(1983)

23. F. Belal, F.A. Ibrahim, S.M. Hassan, F.A.Aly, Mikrochem. Acta, III, 61-69, (1991)

24. H. Oelschlager, K .Bunge, Arch Pharm., 307,410-418(1974).

25. M.I. Walash, M.Rizk, F.Belal, A.EI-Brahy, Mikrochem, J 38, 300-306, (1988).

26. H. Oelschlager, Arch .Pharm., 296,396,(1964)

27. H. Hoffman, Pharmazie unserer Zeit, 1,151-157,(1972).

28. E. Jacobsen, T.M. Tommelstadt Anal. Chim. Acta. 162,379,(1984)

29. H. Oelschlager, G.Modrak, Arch. Pharm., 318, 431,(1985)

30. M. Brezina, P. Zuman, Polarographye in Medicine Biochemistry, And Pharmacy, lntercience Chichester and New York, (1958)

31. Y. Heyrowsky, P. Zuman, Practical Polarography, Academic Press London,(1968)

32. S.P.Perone, W.Y.Kretlow Anal. Chem .,38, 1760,(1966).

33. J. Lindquist, Analyst, 100,339,(1975).

34. W.D. Mason, I.D. Garden, J.T. Stewart, J. Pharm. Sci., 61,1301, (1972)

35. S.A. Aruna, J.Lindquist, analyst, 98,886,(1973).

36. L. Lucarini, M. Cospito, G. Raspi, Farmaco. Ed. Prat .,25,39 (1970).

37. P.E. Kruze, Farmatsya (Moscow), I 8,59,(1969).

38. P. Sonderheim, J. Lindquist, Analyst, IQO, 349, (1975)

39. C.M.Shearer, K. Cristenson, A. Murkherji, Papariello G.J., J. Pharm.Sci., 61,1627,(1972)

40. Pungor, Z. Feher, G. Nagy, Magy Kem. Folv., 77,298,(1971)

41. S.V. Lugovoi, I.P. Ryazonov, Farmaco. Ed. Prat.,25,39,(1971)

42. Henze, R.Neeb, Elektrochemische Analytik Springer Verlag, Berlin -Heidelberg-New-York-Tokio,(1986)

43. Oi-Wah Lan, Shin-Fai Luk, Yin-Ming Cheung, Analyst, 114(1989)

44. Oelschlager, J.Volke, H. Hofmann, E. Kurek, Arch. Pharm., 321,69,(1988).

45. P.H. Jordan, J.P.Hart, Analyst, 116,991(1991)

46. Z. Yungling, P.Denin, Li Yifeng, Yaowu Fenxi Zazhi, 4,355 (1984)

47. W.D. Mason, J. Pharm. Sci., 62,999,(1973)

48. J.T. Stewart, C.L. Hoo, W.D. Mason, J.Pharm. Sd. 63,954 (1974)

49. M. Chicaro, A. Zapardiel, E. Bermezo., J.A. Perez, Anal.Chim Acta 273,361(1993)

50 W. Kemula, M. K. Kalinowscki, Z.Anal. Chem., 224,383,(1967)

51. F.H. Merkle, C.A. Disher, Anal. Chem., 36,1639,(1964)

52. J. Volke, M.M. EI-Laitthy, V. Vplkova, J. Electroanal Chem., 60,239,(1975)

53. J.M. Kauffmann, B.I. Ruiz, M.F. Gotor, G.J. Patnarche, J. Pharm. Biomed Anal 10,763,(1972)

54. K.Sapar, J.M. Fernandez Alvarez, C. Hua, M.R. Smith, R. Munden, J.Pharm. Biomed Anal, 10,17,(1992).

55. J.C.C. Vilar, A.C. Garcia, P.T. Blanco, Talanta, 40,325,(1993)

56. J.C.C. Vilar, A.C. Garcia, P.T. Blanco, Talanta, 40,333,(1993)

57. Liberti, E. Cervone, C. Cattaneo, Giorn. Biochem., I, 440,(1952)

58. A. Anastasi, E. Mercalli, L. Novacic, Microchem, Microchim. Acta, 40,113,(1952)

59. A. Ivaska, F. Nordstrom, Anal. Chim. Acta, 146,87,(1983)

60. R.N. Goyal, N.C. Mathyr, S. Bhargava, Electroanal., 2,57,(1990)

61. J.M. Pingarron, Carrazon, A. Dominiquez Recio, L.M. Polo Diez, Talanta, 39,631, (1992)

62. K.K. Verma, A.K. Gupta, Anal. Chem., 54,249,(1982)

63. E. Chico Guijarro, P. Yanez-Sedeno, J.M. Pingarron-Carrazon, L.M. Polo Diez, Fres, J. Anal. Chem., 339, 193, (1991)

64. H.Z. Senkowski, M.S. Lavin, J.R. Urbigkit, E.C. Wollish, Anal. Chem., 36, 1991, (1964)

65. H. Oelschlarger, H. Hotfmann, Arch. Pharm. 300,817,(1967)

66. T.H.M. Saber, A.M. Fahmy, Egypt J. Chem., 15,123,(1972)

67. L. Hernandez, P. Hernandez, E. Lorenzo; C. Gonzales, I. Gonzalez, Fres. J. Anal Chem., 336,222,(1990)

68. H. Oelschlarger, J. Volke, G.T. Lim, Arzneim. Forsch., 17,657,(1974)

69. H. Oelschlarger, E. Kurek, F.I. Sengun, J.Volke, Z. Anal Chem., 282, 123,(1976)

70. E. Jacobsen, T.V. Jacobsen, Anal Chim. Acta, 55,293,(1971)

71. G. Cimbura, R.C. Gupta, J. Forens, Sci. 10,228,(1965)

72. H.R. Hakman, M.A. Broks, J.A.F. de Silva, Anal Chem., 46,1075,(1974).

73. H. Oelschlarger, J. Volke, E. Kurek, Arch Pharm., 297,431,(1964)

74. H. Oelschlarger, H. Hoffmann, Cool. Czech. Chem. Commun., 31 1264,(1966)

75. G. Caille, J.Brown, J.A. Marckle, Can. J. Pharm. Sci.,5,78,(1990)

76. W. Lund, I.N. Oppenheim, Anal Chim. Acta, 64,473, (1973)

77. E. Jacobsen, T.V. Jacobsen, T. Rojahn, Anal. Chim. Acta, 60,473, (1973)

78. E. Jacobsen, T.V. Jacobsen, T. Rojahn, Anal. Chim. Acta, 60,472, (1972)

79. P. Van. Doorne, Pharm. Weekbl., 110,149, (1975)

80. J. Fidelius, M. Zietek, A.M. Mikolajek, Z. Grochowska, Mikrochim. Acta, 84,90, (1972)

81. D.J. Berry, Clin. Chim. Acta, 32,235, (1971)

82. M.A. Brooks, J.A.F. de Silva, M.R. Hackmann, Amer. Lab., 5,23, (1973)

83. M.A. Brooks, J.A.F.de Silva, Talanta, 2,844, (1975)

84. R. Dugal, Caille, S.F. Cooper, Un. Med. Can., 102,2491, (1973)

85. H. Oelschlarger, F. Druckery, F.I. Sengun, Pharm., Acta, Helv., 51, 353,(1976)

86. H. Oelschlarger, J. Volke, G.T. Lim, V. Frank, Arzneim. Forsch., 16,82,(1976)

87. J.M. Clifford, M.R. Smyth, W.F. Smyth, Z. Anal. Chem., 272, 198,(1974)

88. M.A. Brooks, M.R. Hackmann, Anal Chem., 47,2059,(1975)

89. H.Oelschlarger, F.I. Sengun, Arch. Pharm., 306,737,(1973)

90. H.Oelschlarger, J. Volke, G.T. Lim, Arch. Pharm ., 302,241,(1969)

91. J.M. Ciifford, W.F. Smyth, Z. Anal. Chem., 264,149,(1973)

92. S. Halvorsen, Ejacobsenl Anal. Chim. Acta, 57,127(1972)

93. H. Oelschlarger, G.T. Lim., Arzneim. Forsch., 17,657,(1974)

94. F.I. Sengun, H. Oelschlarger, Arch.Pharm., 30,720,(1975)

95. M.R. Smyth, S. Beng, W.F Smyth Anal. Chim. Acta, 92,129,(1977)

96. R. Kalvoda1 Anal. Chim. Acta, 162,197(1984)

97. M.A.Brnoks, M.R.Hackmann, J.J.Bruno, J.A.F. de Silva, Anal. Chim. Acta, 74,367,(1975)

98. J.A.F. de Silva, J. Berkeskyl, M.A. Brooks, R. E. Weinfeld,V. Glover, C.V. Puglisi, J. Pharm. Sc., 63,1440,(1974)

99. H.Oelschlarger, F.I. Sengun Arch. Pharm., 307,909,(1974)

100. C.Abrizzu, M.A.Brooks, S. Cotler, S.A. Kaplan, J.Pharm Biopharm. 4,29(1976)

101. H. Oelschlarger, J. Volke, G.T. Lim, J. Electroanal. Chem., 25,307, (1970)

102. A.J. Goldsmith, H.A. Jenkins, J. Grant, W.F. Smyth Anal. Chim. Acta, 64,424,(1973)

103. H. Oelschlarger, J. Volke, G.T. Lim, Arch. Pharm, 303,364,(1974)

104. H.Oelschlarger, H.P.Oehr Pharm. Acta .Helv, 49,179,(1974)

105. H. Oelschlarger, F.I. Sengun, Pharmazie, 29,770,(1974)

106. H. Oelschlarger, J. Volke, F. Belal, Arch. Pharm, 325,65,(1992)

107. H. Oelschlarger, F.I.Sengun, G.T. Lim, R. Spang, Arch. Pharm, 302,946 (1969)