Разработка методики определения суммарного количества антиоксидантов в БАД и пищевой, косметической, фармацевтической продукции методом катодной инверсионной вольтамперометрии на основе электровосстановления кислорода

Тип работы: Дипломная работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 68 страниц
В избранное:

Нормативные ссылки

В настоящей дипломной работе используются ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСО РК 5. 03. 016 - 2009. Правила выполнения дипломной работы (проекта) в высших учебных заведениях от 01. 09. 2009.

Правила экономической оценки ущерба от загрязнения окружающей среды от 27. 06. 2007.

ГОСТ 12. 0. 003 - 74. Опасные и вредные производственные факторы. Межгосударственный стандарт. - 1974.

РК 3. 02. 036-99. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

Трудовой кодекс РК.

Закон «О промышленной безопасности на опасных производственных объектах от 03. 04. 2002.

СТП 1273458-0101-92. Нормоконтроль дипломного проекта.

ГОСТ 2. 104-73. ЕСКД. Текстовые документы.

ТУ 4215-001-20694097-98 Комплекс СТА аналитический . Технические условия.

ГОСТ 12. 1. 004-91 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования.

ГОСТ 12. 1. 019-79 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

ГОСТ 12. 4. 009-83 Система стандартов безопасности труда. Пожарная техника.

ГОСТ 1770-74 Посуда мерная лабораторная стеклянная. Цилиндры, мензурки, колбы, пробирки. Технические условия.

ГОСТ 9736-91 Приборы электрические прямого преобразования для измерения неэлектрических величин. Общие технические требования и методы испытаний.

ГОСТ 14919-83 Электроплиты, электроплитки и жарочные электрошкафы бытовые. Общие технические условия.

ГОСТ 17792-72 Электрод сравнения хлорсеребряный насыщенный образцовый 2-го разряда.

ГОСТ Р 8. 563-96 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений.

ГОСТ 19908-90 Тигли, чашки, стаканы, колбы, воронки, пробирки и наконечники из прозрачного кварцевого стекла. Общие технические условия.

ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения.

ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 6. Использование значений точности на практике.

Обозначения и сокращения:

БАД - биологически-активная добавка;

ААС - атомно-абсорбционная спектроскопия;

х. ч. - химически чистый;

о. с. ч - особо чистый;

РГЭ - ртутно-графитовый электрод;

РПЭ - ртутно-пленочный электрод;

ХСЭ - хлорсеребряный электрод;

ИВА - инверсионная вольтамперометрия;

ПАВ - поверхносто-активные вещества;

ГСО - государственные стандартные образцы;

НИИ - научно-исследовательский институт;

ПДК - предельно-допустимая концентрация;

ОС - окружающая среда;

СНиП - система норм и правил;

ЛВЖ - легковоспламеняющиеся жидкости;

ТБ - техника безопасности.

Введение

Актуальность темы. Использование антиоксидантов, веществ, прерывающих радикально-цепные процессы окисления в объектах органического и неорганического происхождения, получило широкое распространение в последнее время в различных областях химии, биологии и медицины. На основе индивидуальных антиоксидантов и БАВ создаются новые фармацевтические препараты и БАД, предназначенные для лечения и профилактики ряда заболеваний, нормализации обмена веществ.

Лавинообразный рост вновь синтезированных БАД, появляющихся на рынке и не всегда качественных, предъявляет все более серьезные требования к исследованию их свойств. В настоящее время не существует единой меры антиоксидантной активности подобных препаратов, нет единой регламентированной процедуры оценки антиоксидантной активности БАД, а результаты, полученные методами с различными модельными системами, зачастую не совпадают. Для проверки качества при сертификации БАД используются длительные, трудоемкие исследования, опирающиеся иногда на негостированные методики. Необходимость введения новых показателей, методик и приборов, обеспечивающих надежные результаты по исследованию свойств и активности подобных препаратов, становится актуальной задачей, от решения которой зависит эффективность и безопасность предлагаемых на рынке БАД, продукции пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.

Антиоксиданты являются в настоящее время объектом весьма интенсивного применения и изучения. Об этом свидетельствует большое количество публикаций в научной отечественной и зарубежной периодической литературе. Однако в систематизированном виде информация о свойствах антиоксидантов представлена очень ограниченно. Практически полностью отсутствуют сведения об электрохимических свойствах антиоксидантов природного и растительного происхождения, их влиянии на многостадийные электродные процессы и электровосстановление кислорода в частности.

В данной работе в качестве метода исследования предлагается использовать простой в аппаратурном оформлении, экспрессный и высокочувствительный метод вольтамперометрии, имеющий большие потенциальные возможности в области электроаналитической химии, исследования свойств БАВ, разработки методов аналитического контроля сложных объектов. Использование в качестве модельной реакции процесса электровосстановления кислорода, идущего по механизму, аналогичному восстановлению кислорода в клетках организма человека и животного, тканях растений, и являющегося основным окислительным процессом во всех объектах искусственного и природного происхождения, делает данный метод еще более привлекательным.

Цель работы: Разработка методики определения суммарного количества антиоксидантов в БАД, продукции пищевой, косметической, фармацевтической промышленности на основе процесса электровосстановления кислорода.

Задачи:

1. Рассмотреть закономерности процесса ЭВ О ₂ в условиях линейной полубесконечной диффузии, осложненного наличием последующих химических реакций взаимодействия активных кислородных радикалов с антиоксидантами.

2. Разработать методику выполнения измерений суммарного количества антиоксидантов в БАД, продукции пищевой, фармацевтической промышленности.

Научная новизна. Впервые рассмотрены закономерности процесса ЭВ О ₂ в присутствии антиоксидантов в условиях как стационарной, так и нестационарной диффузии, осложненного наличием последующих химических реакций взаимодействия активных кислородных радикалов с антиоксидантами по механизму ЕС.

Практическая значимость. Разработана новая методика определения суммарного количества антиоксидантов в БАД, продукции пищевой, косметической, фармацевтической промышленности с помощью метода катодной вольтамперометрии и процесса ЭВ О ₂ , отличающаяся чувствительностью, простотой в исполнении, экспрессностью, универсальностью.

1 Литературный обзор

1. 1 Объект исследования

Жизнедеятельность организма удовлетворяется двумя процессами - ассимиляцией и диссимиляцией, основа которых является обмен веществ между внутренними клетками организма и внешней средой. Для стабилизации обменных процессов следует поддерживать стабильность химического состава и физико-химических свойств внутренней среды организма (гомеостаз) . Однако, ряд неблагоприятных условий окружающей среды может провоцировать в клетках рост числа свободных радикалов, который является неконтролируемый и ведут к различным видоизменениям на клеточном уровне. В каждом организме имеется своя система антиоксидантной защиты, которая способна регулировать процессы образования свободных радикалов. Но под разнообразными факторами окружающей среды естественная система защиты организма, может, не справляется с большим потоком свободных радикалов. Антиоксиданты могут проявить свою способность защиты клеток и организма в целом, прекращая радикально-цепные процессы окисления, содействуя общему оздоровлению и омоложению организма [1]

1. 2 Антиоксиданты

Антиоксиданты - это вещества, способные в небольших дозах регулировать обменные процессы в организме, прекращать развитие свободнорадикальных паталогий, предназначаться профилактическими средствами для развития многих тяжелых заболеваний. Таким образом, антиоксиданты, усмиряя свободнорадикальное окисление, регулируют степень влияния окисления на большинство метаболических процессов. Конечным итогом действия АО является обеспечение нормального роста клеток и тканей и создание оптимальных условий для метаболизма.

Заинтересованность к исследованию соединений, которые имеют способность предотвращать или уменьшать процессы свободнорадикального окисления в клетках, возникла уже много десятков лет назад. В результате сотрудничества разных сфер биофизиков, химиков, физиологов и медиков в настоящее время собранно огромное количество информации об АО, а так же показатели их функций в живом организме, степени и механизмах воздействия, существенно расширен круг соединений схожего рода. В связи с этим препараты, у которых, ярко выражены антиоксидантные свойства, обширно используются в наше время в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности.

1. 3 Понятие инверсионная вольтамперометрия

Инверсионная вольтамперометрия - нынешний высокочувствительный и экспрессивный метод, с помощью которого возможны определения неорганических, органических веществ, пригодный для разного рода анализов (геохимических, биологических, медицинских, фармацевтических и других объектов) .

Инверсионная вольтамперометрия берет за основу, концентрирования определяемого компонента в пробах. Предварительное концентрирование воплощаться в действительность за счет перевода интересующего компонента из большого объема раствора с низкой концентрацией на поверхность или в малый объем электрода. Перевод устанавливаемого компонента из раствора в объем электрода или на поверхность может быть реализован за счет протекания должной электрохимической реакции или за счет процесса адсорбции. После накапливания в объеме электрода или на поверхности изучаемое вещество подвергается процессу электрохимического превращения (восстановлению или окислению), который можно проводиться в разных режимах:

1) Потенциодинамическом (при линейном изменении потенциала электрода во времени - инверсионная вольтамперометрия) . На выводимой при этом вольтамперограмме (кривой “ток - потенциал”) будет наблюдаться пик, высота полученного пика определяет концентрацию накопленного на электроде вещества и является аналитическим сигналом.

Для роста чувствительности применяются различные варианты переменнотоковой, квадратно-волновой, дифференциально-импульсной и других видов вольтамперометрии.

2) Гальваностатическом (электрохимическое превращение накопленного на электроде анализируемого вещества при постоянном токе - инверсионная хронопотенциометрия) . Из полученой при этом хронопотенциограммы (кривой “потенциал - время”) определяется так называемое переходное время (время за которое происходит полное электрохимическое превращение накопленного вещества), которое однозначно связано с количеством накопленного вещества и является, следовательно, аналитическим сигналом.

3) Потенциостатическом режиме (при постоянном потенциале электрода - инверсионная хроноамперометрия и кулонометрия) . В данном случае при анализе выходит кривая “ток - время”, на основании кривой может быть установлено количество электричества, потребовшееся на электрохимическое превращение накопленного на электроде вещества и являющееся, следовательно, аналитическим сигналом. Если при потенциостатическом превращении накопленного на электроде изучаемого вещества значение тока практически не изменяется во времени, то он также может являться аналитическим сигналом [2] .

В лабораторных условиях наибольшее применение получил вариант инверсионной вольтамперометрии (переменнотоковой или дифференциально-импульсной) . Важнейшими преимуществами инверсионных электрохимических методов (ИЭАМ) перед иными методами определения неорганических и органических веществ в растворах являются:

возможность определения многих неорганических и органических веществ;
возможность синхронного определения нескольких компонентов системы в широком линейном диапазоне концентраций, а так же определение различных форм элементов;
высокая селективность ИЭАМ и хорошие метрологические характеристики методик на их основе;
низкие пределы обнаружения, достигающие для некоторых элементов (Cd, Pb, As) и органических веществ уровня 10-9- 10-10М;
эфирность компьютеризации, а так же автоматизация аналитических определений;
безусловная простота и относительная дешевизна приборов для ИЭАМ.

В качестве рабочих электродов в инверсионной вольтамперометрии во многих случаях используют ртутный капельный электрод (висящая ртутная капля), ртутный пленочный электрод, платиновый, стеклоуглеродный электроды, электрод из графитовой пасты и другие. На ртутном электроде проводят определение концентрации катионов определенных металлов, которые обратимо восстанавливаются в заданной области потенциалов (от потенциала окисления ртути до потенциалов восстановления фоновых катионов) и способны образовать со ртутью амальгаму. В наше время выбирают использовать ртутно-графитовые электроды (РГЭ) на которые заранее была нанесена ртуть.

Электроды, состоящие из благородных металлов в ИВА используются редко. Это обусловлено вследствие низкого перенапряжением водорода на электродах из платины, золота, серебра, иридия, родия, палладия и на электродах из сплавов данных металлов. Еще одним ограничением является образование на поверхности таких электродов оксидных слоев, что приводит к растворению металлов при положительных потенциалах. Осложняющим фактором является и взаимодействие материала электрода с выделяющимися металлами, что приводит к систематической погрешности [3, 4] .

Накопление иследуюмых компонентов на электроде происходит при постоянном показателя потенциала электрода. Показатель потенциала предварительного накопления должно иметь определенное значение, чтобы процесс электровосстановления проходил на предельном токе (Id) . При этом с помощью перемешивания раствора поддерживают обстановку стационарной диффузии, т. е. постоянные гидродинамические условия. В последствии этого количество восстановившегося за определенное время изучаемого компонента оказывается прямо пропорционально его исходной концентрации в растворе. По окончанию стадии предварительного катодного накопления перед съемкой анодных вольтамперных кривых перемешивание раствора прекращают, и в течение 10 - 15 секунд осуществляют стадию успокоения раствора. Процесс окисления образовавшейся амальгамы проводят в неперемешиваемом электролите в потенциодинамическом режиме. Для повышения чувствительности метода при съемке вольтамперограмм применяют дифференциальную импульсную квадратно-волновую методику, которая дает возможность исключить влияние емкостного и фонового токов на получаемые зависимости.

После стадии успокоения регистрируют вольтамперограмму вещества, который находится на поверхности электрода или в его объеме. Значение этой процедуры в том, что продолжительность стадии накопления может быть значительно больше, чем стадии измерения. Если количество электричества, переносимого на этих стадиях одно и то же, то ток на стадии измерения должен быть значительно выше. При этом существенно повышается чувствительность метода, так как величина тока не ограничена скоростью диффузии вещества к поверхности электрода [5] .

1. 3. 1 Электрохимические методы анализа следовых количеств веществ

Для успешного проведения анализа следовых количеств веществ стоит решить проблемы:

довольно сильно снизить предел обнаружения, т. е. увеличить величину

отношения сигнал/шум (например, показатель отношения электрического тока к остаточному) ;

достичь требуемой избирательности, т. е. способность выявлять и определять следовые количества элементов на фоне других, имеющихся в концентрациях, на несколько порядков более высоких. Данный фактор сложно решить без использования предварительного отделения;
приготовить химические реактивы необходимой чистоты и улучшить технику работы с очень разбавленными растворами, в которых уменьшается из-за адсорбции на стенках ячейки, гидролиза и т. д.

Стандартные электрохимические методы, за основу которых взята стационарная поляризационная кривая (подчиненность стационарного электрохимического тока от напряжения, наложенного на электродную систему), имеют свой предел обнаружения порядка микрограммов веществ (или ~10-5 моль/л) . Данный предел обнаружения микрограммов веществ определяется отношением электролитического тока к остаточному току. Как вследствие величина остаточного тока имеет показатель по меньшей мере 10 ^-9 А, поэтому показатель измеряемого электролитического тока должен быть достаточно высоким для того, чтобы его можно было отличить от остаточного.

Предел обнаружения стандартных методов можно снизить, угнетая шум, используя более чувствительную к процессам измерительную аппаратуру, измеряя мгновенную концентрацию изучаемого вещества в диффузионном слое у электрода.

Для вращающихся и вибрирующих твердых электродов наравне с проблемами, объединенными с достижением воспроизводимой конвективной диффузии, возникают трудности воспроизводимого обновления активной электродной поверхности. В наше время наиболее перспективными являются вращающиеся дисковые электроды, для которых конвективный диффузионный поток электроактивного вещества может быть описан математически и активная поверхность которых с достаточно хорошей воспроизводимостью может быть обновлена полированием.

Чтобы понизить рамки обнаружения электроаналитических методов, следует заранее сконцентрировать разбавленный раствор образца. Для этой цели используются некоторые методы разделения (хроматография, жидкостная экстракция), где происходит процес отделение мешающих компонентов. Методики долговременные и трудоемкие, вероятны потери небольшой части определяемого вещества в процессе концентрирования, а так же введение загрязнений в анализируемую систему. Вследствие этого выгоднее накопление в системе проводить предварительно, в которой будут проводится определенные измерение. Данный принцип был взят за основу электрохимических инверсионных методов: определяемое вещество концентрируется электрохимически на индикаторном, после чего при обратном (электролитическом) процессе снова будет переводится в раствор. Таким образом получается, что определяемое вещество в фазе электрода (на границе электрод - раствор) будет находится в значительно большей концентрации, чем это было первоначально, и чувствительность определения как правило возрастает во много раз [7, 6] .

1. 3. 2 Основы электрохимических инверсионных методов

Электролитическое накопление изучаемого вещества из раствора проводится при постоянном известном потенциале, который устанавливается таким образом, чтобы необходимая электродная реакция проходила с достаточной скоростью. Раствор в течение всего электролиза непрерывно перемешивается, чтобы осуществлялся непрерывный перенос деполяризатора из раствора. Для постоянных электродов по истечении установленного времени перемешивание прекращается и раствор успокаивается. За это время поток вещества к электроду целенаправленно уменьшается, и согласно этому величина электролитического тока также целенаправленно падает до величины стационарного диффузионного тока. После стадии успокоения происходит растворение выделенного вещества. При изучении зависимости тока от электродного потенциала, который меняется линейно со временем, результирующая поляризационная кривая имеет вид пика, положение пика (потенциал полупика φp/2) будет характеризовать данное вещество (по аналогии с φ1/2 -характеристической величиной в классической полярографии), а его площадь пропорциональна концентрации анализируемого вещества в растворе при поддержании неизменных условий предэлектролиза [8] .

То есть весь процесс можно поделить на три стадии: накопления, успокоения и растворения. Схематично эти процессы отображены в таблице 1. 1 и на рисунке 1. 1.

Таблица 1. 1

Стадии инверсионных методов анализа

Стадия

Накопление

Успокоение

Растворение

: Наложенный потенциал

Стадия:

\varphi_{el} = const

\varphi_{el} = const

\varphi_{el} = const

: Длительность

Стадия:

\tau

t_{развертки}

: Ток

Стадия: Поток деполяризатора

I_{el}\ = \ I_{L}

I_{s} = f\varphi

где $I_{el}$ - электрический ток;

$I_{L}$ - предельный ток;

$I_{s}$ - ток электрического растворения.

Рис. 1. 1 - Принцип электрохимического инверсионного определения.

1 - стадия накопления; 2 - стадия растворения

Вольтамперные инверсионные методы бывают как катодные, так и анодные в зависимости от характера инверсионного процесса (восстановления или окисления соответственно) . Согласно этому в инверсионной вольтамперометрии было найдено применение две методики работы. В соответствии одной из них потребно полное электролитическое выделение вещества из раствора, а так же контроль тока на протяжении всего времени, требуемого для полного растворения осажденного вещества. В подходящих условиях методика способствует получать точные и очень хорошо воспроизводимые результаты, хотя длительность процесса определения, особенно если идет речь о больших объемах раствора, является ее недостатком.

При выполнении работы с довольно малыми объемами образцов методика все же удобна, так как электрохимическое вещество выделяется из раствора за весьма короткий промежуток времени [9] .

В настоящее время часто используется техника: накопление электрохимического вещества проводят в течение заданного времени в условиях воспроизводимости. В этом случае количество материала, нанесенного на электрод, будет, является повторяющейся долей от общего количества вещества в исходном растворе. Техника требует поддержания постоянной скорости переноса вещества на электрод и удобна в тех случаях, когда можно выбрать условия предварительного электролиза, так что осажденная фракция составляет всего 2-3% от общего количества вещества.

Высота пика растворения обычно зависит от следующих факторов:

а) количество материала, нанесенного на электрод, который зависит от его концентрации в растворе, потенциала накопления, продолжительности накопления, скорости потока вещества от объема раствора до электрода (т. е. интенсивности перемешивания или скорость вращения электрода), площадь поверхности активного электрода, раствор, температура и электрохимические свойства системы;

б) условия процесса растворения, особенно скорость поляризации, площадь активной поверхности электрода, скорость удаления продуктов с электрода.

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.