Charakterystyka i zastosowania nowych czujników potencjometrycznych w analizie farmaceutycznej

TITLE: Characteristic and application of new potentiometric sensors in pharmaceutical analysis

STRESZCZENIE: Niesteroidowe leki przeciwzapalne (NLPZ-y) są grupą związków, która ze względu na popularność, szerokie zastosowanie i dostępność jest najczęściej spożywaną w Polsce grupą lekarstw, obok leków przeciwbakteryjnych. W związku z szerokim stosowaniem i również szerokim spektrum działania NLPZ-ów stale rośnie liczba nowych, opartych na tych składnikach aktywnych preparatów farmaceutycznych, co wiąże się z intensywnym rozwojem i doskonaleniem metod analitycznych. Czujniki potencjometryczne (elektrody jonoselektywne) mają szerokie zastosowanie w analizie farmaceutycznej. Koszty wytwarzania czujników oraz koszty analizy są znacznie niższe w porównaniu do wielu innych technik analitycznych. Ponadto czujniki te w analizie farmaceutycznej charakteryzują się wieloma innymi cechami, takimi jak: selektywność na dany lek, dobra powtarzalność, stabilność, odpowiednia dokładność i precyzja pomiaru. Są łatwe w przygotowaniu i obsłudze, wykazują kompatybilność z analizowaną próbką. W prezentowanej pracy przedstawiono: główne parametry analityczne elektrod, charakterystykę opracowanych w ostatnich latach wybranych czujników selektywnych na leki oraz badania własne nad opracowaniem elektrod jonoselektywnych czułych na substancje z grupy niesteroidowych leków przeciwzapalnych, tj.: ibuprofen, ketoprofen, naproksen, diklofenak.

SŁOWA KLUCZOWE: elektrody jonoselektywne, potencjometria, ibuprofen, naproksen, diklofenak ketoprofen

SUMMARY: Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are a group of compounds which, due to their popularity, wide application and availability, are the most frequently consumed group of drugs in Poland, apart from antibacterial drugs. Due to the wide use and also a broad spectrum of action of NSAIDs, the number of new pharmaceutical preparations based on these active ingredients is constantly growing, which is associated with the intensive development and improvement of analytical methods. Potentiometric sensors (ion-selective electrodes) are widely used in pharmaceutical analysis. The sensor manufacturing and analysis costs are significantly lower as compared to many other analytical techniques. In addition, these sensors in pharmaceutical analysis are characterized by many other features, such as selectivity for a drug, good repeatability, stability, appropriate accuracy and precision of measurement. They are easy to prepare, operate and are compatible with the analyzed sample. In this paper, the main analytical parameters of the electrodes, the characteristics of selected sensors selective to drugs developed in recent years, and research on the development of ion-selective electrodes sensitive to non-steroidal anti-inflammatory drugs, i.e. ibuprofen, ketoprofen, naproxen, diclofenac, are presented.

KEYWORDS: ion-selective electrodes, potentiometry, ibuprofen, naproxen, diclofenac, ketoprofen

Czujniki potencjometryczne są łatwe w przygotowaniu i w obsłudze, wykazują także kompatybilność z analizowaną próbką. Ponadto czujniki te w analizie farmaceutycznej charakteryzują się wieloma innymi cechami, takimi jak: dobra powtarzalność, stabilność, odpowiednia dokładność i precyzja pomiaru.

W ciągu ostatnich kilku lat obserwuje się duży rozwój czujników – zwłaszcza potencjometrycznych – do oznaczania substancji leczniczych zarówno w próbkach farmaceutycznych, jak i w płynach ustrojowych, tj. mocz, surowica krwi. Analiza kliniczna leków i oznaczanie ich stężenia w próbkach biologicznych są bardzo ważne z medycznego punku widzenia. Takie badania przeprowadza się, zanim lek zostanie wprowadzony do obrotu, czyli musi przejść odpowiednie fazy badań przedklinicznych in vitro, następnie in vivo, przeprowadzanych na zwierzętach. Na tym etapie badań pomiary stężeń leku w różnych tkankach i płynach ustrojowych zwierząt dostarczają informacji o profilu farmakokinetycznym badanej cząsteczki w organizmie zwierząt, co pozwala wstępnie ustalić zachowanie się leku w organizmie człowieka i ogólny pogląd na profil jego skuteczności i bezpieczeństwa.

Z kolei badania z zakresu kontroli jakości leków są związane z chemiczną oceną jakości substancji leczniczych w aspekcie ich przydatności do sporządzania leków i potrzeb farmakoterapii. Substancja o właściwościach leczniczych musi odpowiadać ściśle określonym przez ustawodawstwo normom, gwarantującym ich odpowiednią jakość. Zbiór podstawowych przepisów i wymagań dotyczących substancji leczniczych jest obecnie zawarty w Farmakopei Polskiej (Farmakopea Polska XII 2020). Zakres badań chemicznych oceniających jakość i przydatność substancji obejmuje: potwierdzenie tożsamości związku lub jego identyfikację, badanie czystości leku, określenie zawartości substancji czynnej w badanym preparacie farmaceutycznym. Jest wiele metod instrumentalnych, które mają zastosowanie w analizie farmaceutycznej do oznaczania cząsteczek leków w preparatach, jak również próbkach biologicznych. Należą do nich najczęściej techniki chromatograficzne (np.: HPLC, LC-MS, GC-MS), spektroskopowe i spektrometryczne (np.: AAS, spektrofotometria UV-VIS, ICP-MS, AFS). Metody te nie są zbyt odpowiednie do monitorowania leków na dużą skalę ze względu na ich wysoki koszt, kompleksowe użytkowanie, wysokie zużycie energii i czasu oraz wymóg wstępnej obróbki próbki. Alternatywą ww. metod, które znalazły zastosowanie w określonych obszarach badań, są metody potencjometryczne, a wśród nich czujniki potencjometryczne, które oferują wiele korzyści, w tym: wysoką selektywność i czułość, krótki czas reakcji, długi czas życia, niską granicę wykrywalności, szeroki zakres pomiaru. Czujniki potencjometryczne są łatwe w przygotowaniu i w obsłudze, wykazują także kompatybilność z analizowaną próbką. Ponadto czujniki te w analizie farmaceutycznej charakteryzują się wieloma innymi cechami, takimi jak: dobra powtarzalność, stabilność, odpowiednia dokładność i precyzja pomiaru. Koszty wytwarzania czujników oraz koszty analizy są znacznie niższe w porównaniu do wielu innych technik analitycznych. Oprócz dokładnej i precyzyjnej analizy ilościowej związków leczniczych w preparatach farmaceutycznych, płynach ustrojowych czy próbkach środowiskowych mogą one znaleźć zastosowanie w nowoczesnym urządzeniu do automatycznej analizy i rozróżniania próbek, np. lekowych – elektronicznym języku (EJ). Potencjometria należy do metod analizy elektrochemicznej i polega na pomiarze potencjału systemu dwóch elektrod: elektrody odniesienia oraz elektrody wskaźnikowej. Elektroda odniesienia ma stały, odwracalny w danych warunkach potencjał; natomiast elektroda wskaźnikowa to elektroda o zmiennym potencjale zależnym od stężenia analitu. Czujniki potencjometryczne (elektrody jonoselektywne (ISE)) mierzą różnicę potencjałów między dwiema elektrodami w warunkach bezprądowych. Czujniki te reagują selektywnie na obecność wybranego jonu, tzn. zmiana potencjału elektrody (sygnał analityczny) pochodzi nie tylko od tzw. głównego jonu, ale od innych jonów obecnych w roztworze. Najważniejszym elementem elektrody jest membrana jonowymienna (część receptorowa czujnika), w której zachodzi oddziaływanie jonów z substancją aktywną, tzw. jonoforem. Na granicy faz membrana – roztwór próbki powstaje różnica potencjałów, która zależy od aktywności jonu znajdującego się zarówno w membranie, jak i w roztworze i przechodzącego z jednej fazy do drugiej. Potencjał (E) powstaje wskutek zachodzącej reakcji wymiany jonowej pomiędzy membraną a roztworem próbki (równanie 1).

𝐸 = 𝐸⁰ ± 𝑅𝑇 / 𝑧_𝑖𝐹 ln [𝑎_𝑖 + ∑ 𝐾_𝑖𝑗𝑎_𝑗 ^{𝑧𝑖 / 𝑧𝑗} ] (1),

gdzie: 𝐸⁰ – potencjał standardowy, R – stała gazowa, T – temperatura, F – stała Faradaya, 𝑧_𝑖 – ładunek jonu głównego, 𝑧_𝑗 – ładunek jonu interferującego, 𝑎_𝑖 – aktywność jonu głównego, 𝑎_𝑗 – aktywność jonu interferującego, 𝐾_𝑖𝑗 – współczynnik selektywności.

Bardzo interesującym i intensywnie rozwijającym się kierunkiem badań nad elektrodami jonoselektywnymi jest modyfikowanie składu membranowego, co w efekcie daje znaczne osiągnięcia w otrzymywaniu elektrod o lepszych właściwościach. Możliwości w tym polu działania są różnorodne – są to m.in.: dobór odpowiedniego jonoforu (wykorzystanie typowych dostępnych handlowo związków, jak również synteza nowych, niezbadanych substancji), wykorzystanie różnych rodzajów plastyfikatorów lub ich kombinacji, dobór odpowiedniej matrycy. Ponadto inne możliwości w kierunku uzyskania lepszych parametrów przynosi zastosowanie innych, nowych konstrukcji czujników potencjometrycznych, zwłaszcza ze stałym kontaktem, bez roztworu wewnętrznego [1, 2].

Parametry wpływające na działanie elektrod jonoselektywnych

Do podstawowych parametrów analitycznych czujników można zaliczyć: czułość, zakres prostoliniowości, granicę wykrywalności, selektywność, czas odpowiedzi, odwracalność potencjału, zakres pH oraz czas życia. Ponieważ parametry elektrod jonoselektywnych zmieniają się w czasie, istnieje konieczność kalibracji elektrod bezpośrednio przed danym pomiarem, która umożliwia wyznaczenie aktualnych wartości parametrów, tj.: nachylenie, zakres prostoliniowości, granica wykrywalności czy potencjał standardowy.

• Czułość to nachylenie (S) liniowej części krzywej odpowiedzi sensora w roztworze zawierającym jony główne, wyrażona jako wartość sygnału na jednostkę stężenia, np. mV/pc (pa). Parametr ten – zgodnie z równaniem Nernsta – powinien teoretycznie wynosić S = 2,3026 RT/zF [mV/dekadę], czyli w temperaturze 25°C dla jonów jednowartościowych 59,2, dla dwuwartościowych 29,6 mV/dekadę. Czułość oraz potencjał standardowy można wyznaczyć na podstawie pomiaru potencjału elektrody w przynajmniej trzech roztworach wzorcowych o różnym stężeniu lub metodą regresji liniowej. Zwiększa się dzięki temu dokładność oraz możliwa jest analiza statystyczna wyznaczanego parametru.
• Granica wykrywalności odpowiada aktywności (stężeniu) jonów głównych w punkcie przecięcia ekstrapolowanych, liniowych odcinków krzywej wzorcowej. Metoda ta jest zgodna z zaleceniem Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC). Inna definicja mówi, że jest to najmniejsze stężenie jonu, które może być mierzone za pomocą danej elektrody, wyznaczone w punkcie przecięcia ekstrapolowanych, liniowych odcinków krzywej odpowiedzi elektrody.
• Zakres prostoliniowości elektrody definiuje się jako zakres, w którym punkty danych na krzywej kalibracyjnej nie odbiegają więcej niż o 2 mV od jej prostoliniowego przebiegu. Zależność liniową potencjału elektrody od stężenia można wyrazić za pomocą współczynnika korelacji liniowej R2.
• Selektywność – jest to zdolność elektrody do pomiaru stężenia jednego chemicznego składnika w obecności innych substancji w roztworze, tzw. interferentów. Miarą selektywności w przypadku czujników potencjometrycznych jest współczynnik selektywności wyznaczany z równania Nikolskiego-Eisenmana (równanie 1) w przypadku odpowiedzi nernstowskiej oraz zgodności ładunków obu jonów głównego i interferującego. Jeśli warunki te nie są spełnione, co często jednak występuje, zalecane są inne metody, np. roztworów mieszanych, dopasowania potencjału (MPM).
• Czas odpowiedzi – jest definiowany według IUPAC jako czas potrzebny do ustabilizowania potencjału ogniwa w granicach 1 mV lub kiedy sygnał osiągnie 95% jego wartości końcowej (t95%), po umieszczeniu w badanym roztworze ogniwa pomiarowego.
• Czas życia elektrody – określa czas poprawnie działającego sensora z zaznaczeniem trybu stosowania (przechowywanie, w użyciu).
• Powtarzalność potencjału jest określana jako wartość odchylenia standardowego wyrażania w jednostkach potencjału, dla wielokrotnych pomiarów sensora w roztworze o znanej aktywności jonu głównego. Natomiast odwracalność potencjału jest definiowana jako szybki powrót do wartości równowagowej po niewielkim przejściowym zaburzeniu; badanie odwracalności potencjału można przeprowadzić, zanurzając elektrody naprzemiennie do roztworu jonu głównego o różnych stężeniach.
• Badania określenia wpływu pH dla danej elektrody sprowadzają się do pomiarów zależności potencjału od stężenia jonów wodorowych w danej próbce jonu głównego o określonym stężeniu. Zakres, w którym wielkość pH nie ma wpływu na SEM ogniwa elektroda odniesienia – elektroda wskaźnikowa, jest określany jako zakres pH dla danej elektrody [3, 4-6].

Czytaj także: Sondy fluorescencyjne jako czujniki biomolekuł