БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 3, с. 577-582

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 577.3

РАЗВИТИЕ МЕТОДА МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ ИНВЕРСИОННОЙ

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ ДЛЯ АНАЛИЗА МЕДИЦИНСКИХ

ПРЕПАРАТОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФЕНТАНИЛА В СЛЕЗНОЙ ЖИДКОСТИ

*Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина PАН, 119071, Москва, Ленинский просп., 31/4

**НП Международный научно-практический Центр пролиферации тканей, 119034, Москва, ул. Пречистенка, 29/14

***Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова Минздрава РФ,

117997, Москва, ул. Островитянова, 1

E-mail: kolesnichenko-ii@mail.ru

Поступила в редакцию 28.12.2020 г.

После доработки 22.03.2021 г.

Принята к публикации 26.03.2021 г.

Для эффективной дозировки офтальмологических препаратов требуется оценка динамики измене-

ния их концентрации в слезной жидкости во времени. В работе приведены примеры определения с

помощью мультисенсорной инверсионной вольтамперометрии анальгезирующего препарата фен-

танил, применяемого для премедикации перед офтальмологическими хирургическими операция-

ми. Изучено поведение данного препарата в слезной жидкости пациентов при проведении опера-

ции в детской офтальмологии.

Ключевые слова: мультисенсорная инверсионная вольтамперометрия, планарные электроды, фентанил,

премедикация, офтальмология.

DOI: 10.31857/S0006302921030182

Известно, что, среди электрохимических ме-

На практике реализация метода инверсионной

тодов анализа, одним из наиболее информатив-

вольтамперометрии требует также тщательной

ных является метод инверсионной вольтамперо-

пробоподготовки, заключающейся в удалении из

анализируемой пробы органических веществ, ко-

метрии [1]. Этот метод широко используется при

анализе неорганических веществ, в частности тя-

торые существенным образом влияют на вид ана-

литических вольтамперограмм. С другой сторо-

желых металлов. В известных электрохимических

ны, именно эта способность органических ве-

устройствах типа «Электронный язык» в качестве

ществ изменять поведение электрохимической

линейки сенсоров используется набор электро-

системы, содержащей катионы различных метал-

дов с различными аналитическими характеристи-

лов, может быть использована для анализа соот-

ками (мультиэлектродные системы).

ветствующих объектов.

Сенсоры, используемые в аналитических ис-

В Институте физической химии и электрохи-

следованиях, должны одновременно обладать

мии им. А.Н. Фрумкина РАН (Москва) был раз-

работан электрохимический метод анализа орга-

воспроизводимыми аналитическими характери-

нических веществ - мультисенсорная инверси-

стиками и высокой перекрестной чувствительно-

онная вольтамперометрия [1, 3]. Этим методом

стью, под которой понимается чувствительность

определяется изменение электрохимической ак-

к нескольким компонентам анализируемого рас-

тивности катионов металлов в растворе в резуль-

твора [2]. Необходимы новые усилия по созданию

тате их взаимодействия с органическими веще-

оригинальных сенсорных композиций, а также

ствами. В качестве линейки сенсоров было пред-

по разработке методик практического примене-

ложено использовать содержащиеся в составе

ния «электронного языка» для решения конкрет-

фонового электролита катионы металлов с ча-

ных задач. При этом достаточно трудно добиться

стично заполненными d-орбиталями, которые

воспроизводимости характеристик каждого элек-

обладают способностью образовывать комплекс-

трода, что, в конечном счете, отрицательно ска-

ные соединения с алкалоидами и, таким образом,

зывается на разрешающей способности и досто-

формировать мультисенсорную тест-систему.

верности идентификации.

Эти металлы хорошо определяются методом ин-

577

578

КОЛЕСНИЧЕНКО и др.

версионной вольтамперометрии, что позволяет

осуществлять идентификацию различных ве-

ществ на основании анализа характерных изме-

нений вольтамперных кривых, происходящих в

результате введения различных алкалоидов в ис-

ходную тест-систему. При этом открывается воз-

можность получения необходимой информации

на единичном электроде. Таким образом, отпада-

ет необходимость использования набора из не-

скольких индикаторных электродов, от количе-

ства которых зависит число информативных па-

раметров. На получаемой вольтамперограмме

при этом фиксируются изменения пиков токов

растворения металлов, которые можно опреде-

лить для каждого металла тест-системы по от-

Рис. 1. Структурная формула фентанила.

дельности или оценить изменение всей вольтам-

перограммы интегрально. Измерения проводят

на одном индикаторном электроде, что имеет

следование методом мультисенсорной инверси-

большое преимущество по сравнению с мульти-

онной вольтамперометрии фармакокинетики

сенсорными методами, в которых используют

поведения в слезной жидкости препарата опио-

набор электродов. При решении задачи иденти-

идного ряда - фентанила - в детской офтальмо-

фикации конкретного органического вещества

логии у больных при проведении операции по

данным методом требуется сравнение с предва-

коррекции косоглазия.

рительно составленной базой данных.

Преимуществами мультисенсорного анализа

органических веществ методом инверсионной

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

вольтамперометрии являются:

Вещество фентанил (N-фенил-N-[1-(2-фени-

- простота формирования и высокая стабиль-

лэтил)-4-пиперидинил]пропанамид,

брутто-

ность рабочих характеристик мультисенсорной

формула C₂₂H₂₈N₂O) (рис. 1) - белый кристалли-

системы;

ческий порошок, практически нерастворимый в

- минимальное количество стадий аналитиче-

воде, но легко растворимый в спирте. Фармако-

ского процесса и, как следствие, простота алго-

логическое действие - анальгезирующее (опио-

ритма и малое время проведения анализа;

идное). Фентанил возбуждает опиатные (преиму-

- портативность и невысокая стоимость аппа-

щественно мю-) рецепторы центральной нервной

ратуры;

системы, спинного мозга и периферических тка-

ней, повышает активность антиноцицептивной

- возможность проведения экспресс-анализа

системы, увеличивает пороги болевой чувстви-

как в лабораторных, так и во внелабораторных

тельности. Он нарушает передачу возбуждения по

условиях;

специфическому и неспецифическому болевым

- полная автоматизация процесса обработки

путям к ядрам таламуса, гипоталамуса и миндале-

данных и формирования протокола измерения;

видному комплексу, изменяет эмоциональную

- низкая стоимость расходных материалов.

окраску боли. Также оказывает снотворное влия-

Ранее для экспресс-диагностики биологиче-

ние (преимущественно в связи со снятием боле-

ских объектов с использованием мультисенсор-

вого синдрома). Применяется фентанил для пре-

ной инверсионной вольтамперометрии нами был

медикации перед хирургическими операциями,

опробован метод ранней диагностики глаукомы

для вводного наркоза, послеоперационной

по сыворотке крови [4]. В дальнейшем работо-

анальгезии, при выраженном болевом синдроме

способноcть и эффективность метода была пока-

и др.

зана нами, в частности, пpи опpеделении ряда

Исследование проведено на больных детях в

офтальмологичеcких пpепаpатов - визомитина

возрасте от 2 лет 4 мес. до 17 лет, которым была

[5, 6], ланостерола [7], бетоптика и его дженери-

проведена операция по коррекции косоглазия.

ков [8, 9], а также местноанальгезирующих пре-

Послеоперационный период протекал без ослож-

паратов - наропина, хирокаина и лидокаина [10].

нений. Перед хирургическими вмешательствами

Для выяснения эффективной дозировки вновь

детям проводили ингаляцию препарата «Сево-

разрабатываемых анальгизирующих офтальмоло-

ран®» (действующее вещество -севофлуран) в

гических препаратов требуется оценка динамики

концентрации до 8%, что обычно обеспечивает

изменения их концентрации в слезной жидкости

введение в общую анестезию в течение менее

во времени. Целью данной работы являлось ис-

2 мин. Низкая растворимость севофлурана в кро-

БИОФИЗИКА том 66

№ 3

2021

РАЗВИТИЕ МЕТОДА МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ

579

Рис. 2. (а) - Внешний вид прибора ЭЛ-02; (б) - схема планарного электрода (трехэлектродная конфигурация).

ви обеспечивает быстрое повышение альвеоляр-

ми (углеродный материал) и хлорсеребряным

ной концентрации при введении в наркоз и быст-

электродом сравнения. Схема планарного элек-

рое снижение после прекращения ингаляции.

трода представлена на рис. 2б. Так как планарные

Быстрое выведение севофлурана из легких своди-

электроды являются одноразовыми, производить

ло к минимуму метаболизм препарата. Затем

подготовку поверхности индикаторного электро-

внутривенно (по стандартной методике) вводили

да не требовалось.

0.005%-й раствора фентанила, объем вводимого

Статистическую обработку результатов прово-

препарата составлял 1 мл на 10 кг веса пациента.

дили в пакете программ Statistica 6.0.

Для получения образцов слезной жидкости в

конъюктивальный мешок глаза пациента поме-

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

щали диск диаметром 8 мм из предварительно об-

работанного пористого материала (фильтроваль-

В качестве электрохимической «тест-систе-

ной бумаги, которую тщательно промывали в

мы» использовали раствор электролита, содержа-

спирте и дистиллированной воде и сушили при

щий катионы ряда металлов, обладающих спо-

80°С в течение трех часов). С целью возможного

собностью образовывать комплексные соедине-

выявления растворов анестезиологических пре-

ния с органическими веществами: Zn²⁺, Cd²⁺,

паратов в слезе через определенное время (до вве-

Pb²⁺, Cu²⁺, Co³⁺, Hg²⁺ [1, 3]. Сформированная

дения препарата, через 10 мин и через 40 мин по-

таким образом на индикаторном электроде мат-

сле его введения) бумажный диск извлекали из

рица сенсоров в нашем случае обеспечивала ра-

конъюктивального мешка, помещали на элек-

боту прибора в формате «Электронный язык» [2].

трод с нанесенной на него тест-системой и сни-

мали инверсионные вольтамперограммы. Всего

Вольтамперограммы, получаемые методом

было взято 15 проб.

инверсионной вольтамперометрии, имеют опре-

деленный вид (рис. 3, кривая 1) и хорошо воспро-

Исследования осуществляли с помощью элек-

изводимы. Они представляют собой зависимости

трохимического мультисенсорного анализатора,

тока от потенциала рабочего электрода, меняю-

разработанного в ИФХЭ РАН. Общий вид анали-

щегося по линейному закону во времени. Реги-

затора ЭЛ-02 и схема планарной электродной си-

стрируемые пики соответствуют окислению раз-

стемы представлена на рис. 2а. Для обнаружения

ных металлов, входящих в тест-систему. Введе-

и идентификации алкалоидов формировали тест-

ние в тест-систему анализируемых органических

системы, в которых использовали растворы сле-

веществ приводит к изменению спектра вольтам-

дующих солей: нитраты ртути, цинка, кадмия,

перограмм. Эти изменения характерны для каж-

свинца, галлия, кобальта.

дого из органических веществ (или смеси ве-

Исследования проводили на планарных элек-

ществ), что позволяет проводить их идентифика-

тродах (ООО «КолорЭлектроникс»), представля-

цию. При электрорастворении металлов с

ющих собой полипропиленовую пластину с нане-

поверхности электрода потенциалы пиков токов

сенными рабочим и вспомогательным электрода-

растворения являются определяющей характери-

БИОФИЗИКА том 66

№ 3

2021

580

КОЛЕСНИЧЕНКО и др.

Рис. 3. Инверсионные вольтамперограммы тест-систе-

Рис. 4. Инверсионные вольтамперограммы, демон-

мы при воздействии на нее фентанила в различных кон-

стрирующие влияние слезной жидкости на тест-систе-

центрациях (%): 1 - 0 (фон), 2 - 10%; 3 - 25%.

му: 1 - тест-система, 2 - слезная жидкость через 10 мин.

после введения фентанила .

стикой растворяющегося металла, а их амплитуда

зависит от количества электрорастворенного ме-

Критерием выбора фонового электролита яв-

талла. Состав фоновых электролитов заметно

лялась степень влияния алкалоидов на пики то-

влияет как на величину токов растворения метал-

ков растворения металлов электрохимической

лов, так и на потенциалы пиков.

тест-системы. Влияние фентанила на пики токов

растворения цинка, кадмия, свинца и кобальта в

Были исследованы токи электрорастворения

перечисленных выше растворах приведено в

металлов в следующих фоновых электролитах:

табл. 1. Из опробованных фоновых растворов

0.5 M KCl, 0.1 M HCl, 0.05 M KCl, 0.1 M K₂SO₄.

наибольшее влияние алкалоидов на пики токов

растворения металлов наблюдается в 0.05 М KCl.

Возрастание прочности комплекса, присут-

Поэтому именно раствор 0.05 M KCl в дальней-

ствующего в фоне, приводит к увеличению высо-

шем использовали в качестве фонового электро-

ты пика тока растворения металла и соответ-

лита.

ственно к уменьшению его ширины [11]. Ряд по

прочности комплексов в растворе совпадает с

При проведении испытаний на планарные

улучшением формы токов растворения металлов

электроды наносили 50 мкл тест-системы, содер-

и выглядит следующим образом:

жащей ионы металлов в одинаковых концентра-

циях (5 · 10^-5 М), и снимали фоновую инверсион-

0.5 M KCl > 0.1 M HCl > 0.05 M KCl > 0.1 M K₂SO₄. ную вольтамперограмму при потенциале катод-

Таблица 1. Влияние фентанила на пики токов растворения металлов для разных фоновых электролитов

№

Фоновый

Изменение пиков токов растворения металлов (ΔI, %)

электролит

0.1 M K₂SO₄

-1

-7

-9

0.5 M KCl

-100

0.05 M KCl

-3

-10

-70

0.1 M HCl

Примечание. «-» - Уменьшение пиков токов растворения металлов; «0» - пики токов растворения металлов не

изменялись.

БИОФИЗИКА том 66

№ 3

2021

РАЗВИТИЕ МЕТОДА МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ ИНВЕРСИОННОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ

581

Таблица 2. Влияние фентанила на тест-систему

Пики токов растворения металлов, мкА

Концентрация

Анестетик

фентанила

Фон

140

124

10%

134

Фентанил

12%

122

25%

115

Таблица 3. Влияние на слезную жидкость фентанила после его внутривенного введения

Пики токов растворения металлов, мкА

Анестетик

Время отбора пробы

Фон

140

124

До введения препарата

Фентанил

Через 10 мин после введения

Через 40 мин после введения

ного осаждения металлов -1.55 В относительно

влияют различные причины: рН раствора, нали-

хлорсеребряного электрода с последующей раз-

чие различных анионов, величина концентрации

верткой потенциала до 0.3 В. Затем на электрод

металлов. Те же условия влияют на токи раство-

помещали 50 мкл свежего раствора тест-системы

рения электроосажденных металлов. Важным

и диск из пористого материала (фильтровальной

критерием выбора фонового электролита являет-

бумаги) с нанесенным на него тем или иным пре-

ся степень влияния алкалоидов на пики токов

паратом в различной концентрации и снова сни-

растворения металлов тест-системы.

мали инверсионные вольтамперограммы.

В исследованном диапазоне концентраций

фентанила наиболее заметным было изменение

Влияние фентанила на тест-систему. На рис. 3

тока ионов кобальта - от 124 до 70 мкА, цинка -

показаны фоновая вольтамперограмма и вольт-

от 48 до 16 мкА. Несколько меньшим оказалось

амперограммы, полученные для фентанила в раз-

изменение тока ионов кадмия и свинца. Следова-

личных концентрациях in vitro.

тельно, в дальнейшем достаточно ограничиться

Можно видеть, что в присутствии фентанила

изучением влияния слезной жидкости пациентов

токи ионов металлов, входящих в тест-систему,

только на эти ионы, а остальные ионы из тест-си-

изменяются в разной степени в зависимости от

стемы были исключены. Данные по воздействию

концентрации фентанила: с ростом концентра-

фентанила на тест-систему приведены в табл. 2.

ции ток иона ртути возрастает, а у остальных ме-

Анализ слезной жидкости пациентов после внут-

таллов - уменьшается.

ривенного введения фентанила. Группа пациентов,

Влияние фентанила на токи растворения ме-

поступивших на операцию по поводу косоглазия,

таллов тест-системы можно объяснить двумя

которым вводили фентанил внутривенно, состо-

причинами. Первая - способность алкалоидов

яла из семи человек. Был проведен отбор образ-

образовывать комплексы с металлами, вторая -

цов слезной жидкости для исследования, как

адсорбция алкалоидов на электроде. Обе эти при-

описано в разделе «Материалы и методы». Рис. 2

чины приводят к затруднению процессов элек-

демонстрирует влияние слезной жидкости после

тровосстановления и электроокисления метал-

введения фентанила на тест-систему. Результаты

лов. Комплексы могут оказаться не электроак-

анализа методом мультисенсорной инверсион-

тивны, вследствие чего выделение из них

ной вольтамперометрии образцов слезной жид-

металлов на электроде будет затруднено. В этом

кости пациентов этой группы представлены в

случае количество электроосажденных металлов

табл. 3. На основе полученных данных можно

на электроде уменьшается, что вызывает последу-

сделать заключение, что наиболее значительны-

ющее уменьшение токов электрорастворения. На

ми оказались изменения токов растворения для

образование комплексов металлов с алкалоидами

ионов кобальта и свинца.

БИОФИЗИКА том 66

№ 3

2021

582

КОЛЕСНИЧЕНКО и др.

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Разработана электрохимическая мультисен-

1. X. 3. Брайнина, Е. Я. Нейман и В. В. Слепушкин,

сорная тест-система, обеспечивающая проведе-

Инверсионные электроаналитические методы («Хи-

ние экспресс-анализа алкалоидов (на примере

мия», М., 1988).

фентанила) в формате «Электронный язык» ме-

2. В. Н. Андреев, В. М. Ганшин, А. Н. Доронин и др.,

тодом инверсионной вольтамперометрии на еди-

Патент на изобретение № 2375705 от 22.08.2008.

ничном электроде.

3. Г. К. Будников, В. Н. Майстренко и М. Р Вяселев,

2. Представлен новый подход к анализу алка-

Основы современного электрохимического ана-

лоидов, основанный на регистрации и количе-

лиза («Мир», М., 2003).

ственном учете влияния комплексообразования

4. И. И. Колесниченко, А. Л. Клюев, В. М. Ганшин

органических лигандов на мультисенсорную

и др., Физикохимия поверхности и защита мате-

тест-систему, представляющую собой раствор со-

риалов 50 (4), 440 (2014).

лей металлов с частично заполненными d-орби-

5. И. И. Колесниченко, Е. П. Кантаржи и А. Н. Доро-

талями.

нин, в сб. Труды 6-й Всероссийской науч.-практич.

конф. «Измерения в современном мире - 2017»

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

(СПбПУ, СПб., 2017), сс. 33-37.

Все процедуры с участием пациентов соответ-

6. Л. М. Балашова, И. И. Колеcниченко и Е. П. Кан-

ствовали этическим стандартам Хельсинкской

таpжи, Клин. геpонтология 23 (9-10), 6 (2017).

декларации 1964 г. и ее последующим изменени-

7. Л. М. Балашова, В. А. Намиот, И. И. Колеcничен-

ям. С учетом возраста пациентов письменное ин-

ко и др., Биофизика 63 (4), 825 (2018).

формированное согласие на проведение исследо-

8. Л. М. Балашова, И. И. Колеcниченко, В. А. На-

вания подписывали их родители, которые полу-

миот и др., Биофизика 64 (6), 1088 (2019).

чили полную информацию о методах и целях

9. I. I. Kolesnichenko, L. M. Balachova, and E. P. Kan-

исследования.

tarzhi, Am. J. Anal. Chem. 7 (7), 588 (2016).

10. Л. М. Балашова, В. А. Намиот, И. И. Колеcничен-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

ко и др., Биофизика 65 (6), 1211 (2020).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

11. Г. Л. Шлефер, Комплексообразование в растворах

интересов.

(«Химия», М., 1964).

Development of a Method of Multisensory Stripping Voltammetry for Analysis

of Medical Preparations. Determination of Fentanyl in Lacrimal Fluid

I.I. Kolesnichenko, L.M. Balashova**^, ***, and L.S. Korobova**^, ***

*Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences,

Leninskiy prosp. 31/4, Moscow, 119071 Russia

**International Scientific and Practical Center for Tissue Proliferation, ul. Prechistenka 29/14, Moscow, 119034 Russia

*** Pirogov Russian National Research Medical University, Ministry of Healthcare of the Russian Federation,

ul. Ostrovitianova 1, Moscow, 117997 Russia

For effective dosage of ophthalmic drugs, it is necessary to assess the dynamics of changes in drug concen-

tration in the lacrimal fluid over time. The paper provides information about premedication of surgical pa-

tients before ocular surgery with focus on the application of fentanyl, belonging to the class of analgesics. A

multisensory stripping voltammetric method was used to determine this drug. The behavior of the drug in the

lacrimal fluid of pediatric patients undergoing ophthalmic surgery was studied.

Keywords: multisensory stripping voltammetry, planar electrodes, fentanyl, premedication, ophthalmology

БИОФИЗИКА том 66

№ 3

2021