способ измерения редокс потенциала биологических сред

Формула изобретения

Способ измерения редокс потенциала биологических сред путем определения потенциала рабочего электрода при разомкнутой цепи относительно хлорсеребряного электрода сравнения в тестируемой среде, отличающийся тем, что рабочий электрод подвергают предварительному катодно-анодному сканированию в растворе неорганического восстановителя в циклическом потенциодинамическом режиме в течение не менее пятидесяти циклов в диапазоне потенциалов от -600 до +600 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения со скоростью не менее 500 мВ/с с платинированным титаном в качестве вспомогательного электрода, затем дополнительно проводят не менее десяти циклов в диапазоне потенциалов от +100 до +200 мВ со скоростью не менее 500 мВ/с, затем измеряют потенциал рабочего электрода при разомкнутой цепи относительно хлорсеребряного электрода сравнения в 0,05 до 0,5 М водном растворе сульфата натрия до диапазона потенциалов от 135 до 145 мВ с последующим измерением редокс потенциала биологических систем в режиме непрерывной записи изменения потенциала в течение не менее 30 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу измерения редокс потенциала биологических сред (кровь, плазма крови, сыворотка крови, спинномозговая жидкость, моча и др.), отражающему состояние окислительно-восстановительного равновесия исследуемой системы. Способ может быть использован для мониторинга изменения окислительно-восстановительного состояния организма с целью получения диагностической информации о состоянии пациента и обеспечения своевременной коррекции его лечения.

Известен способ определения оксидантно/антиоксидантной активности растворов. В данном способе оксидантно/антиоксидантную активность оценивают по изменению окислительно-восстановительного потенциала до и после введения анализируемого вещества в специальный раствор, содержащий медиаторную пару [патент РФ 2235998 С2].

Основным недостатком этого способа является необходимость введения в систему дополнительной окислительно-восстановительной пары, в том числе ионов тяжелых металлов (V, Fe, Sn). Также приводятся только дискретные значения величин окислительно-восстановительного потенциала (0,17 В и 0,21 В до и после введения пробы соответственно) без указания времени измерения.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является способ оценки общего окислительного статуса жидких сред организма путем измерения их окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Показано, что метод может быть полезен для диагностики, оценки и контроля состояния пациентов, перенесших травму (например, травму головы), пациентов с подозрениями на критическое состояние либо пребывающих в критическом состоянии, пациентов с подозрением на инфекции и инфаркт миокарда, либо перенесших инфаркт миокарда. Кроме того, было обнаружено, что метод полезен при контроле и оценке сохранности препаратов крови, а также при мониторинге пациентов, которые получали такие препараты [патент США 0267074 А1].

Основным недостатком данного способа является невоспроизводимость метода измерения редокс потенциала, поскольку известно, что в процессе измерения на поверхности электрода возможно протекание процессов адсорбции белков и других компонентов исследуемых объектов, что приводит к загрязнению поверхности электрода и, как следствие, снижается точность измерений редокс потенциала. Кроме того, приведены только дискретные значения величины редокс потенциала в диапазоне от -4,1 до -34,0 мВ без указания времени, через которые они были получены, хотя известно, что редокс потенциал в биологических средах не достигает стационарного значения даже в течение длительного времени, поэтому необходимо регистрировать динамику изменения редокс потенциала во времени и принимать за конечную величину редокс потенциала значение через определенное время измерения.

Технической задачей способа является обеспечение точного и воспроизводимого измерения редокс потенциала электрода в биологических жидкостях (кровь, сыворотка крови, плазма крови, спинномозговая жидкость и др.) и тканях. Кроме того, необходимо непрерывно фиксировать изменения значения редокс потенциала, как для стандартизации времени измерения редокс потенциала, так и для получения дополнительной информации о тестируемой среде в ходе измерения.

Поставленная задача достигается тем, что рабочий электрод подвергают предварительному катодно-анодному сканированию в растворе неорганического восстановителя в циклическом потенциодинамическом режиме в течение не менее пятидесяти циклов в диапазоне потенциалов от -600 до +600 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения со скоростью не менее 500 мВ/с с платинированным титаном в качестве вспомогательного электрода, затем дополнительно проводят не менее десяти циклов в диапазоне потенциалов от +100 до +200 мВ со скоростью не менее 500 мВ/с, затем измеряют потенциал рабочего электрода при разомкнутой цепи относительно хлорсеребряного электрода сравнения в 0,05 до 0,5 М водном растворе сульфата натрия до диапазона потенциалов от 135 до 145 мВ с последующим измерением редокс потенциала биологических систем в режиме непрерывной записи потенциала в течение не менее 30 минут.

Предлагаемый способ состоит в том, что платиновый рабочей электрод в виде проволоки, диска, стержня подвергается предварительному катодно-анодному сканированию в циклическом потенциодинамическом режиме. Электродом сравнения может служить стандартный хлорсеребряный электрод, изготовленный в виде стержня, проволоки или фольги, покрытых хлоридом серебра. Вспомогательным электродом может служить сетка, лист, фольга из платины, платинированной платины, платинированного титана, стеклоуглерода, термически расширенного графита.

Предлагаемый способ измерения редокс потенциала в биологических средах включает в себя: (а) катодно-анодное сканирование рабочего электрода в 0,05-0,2 молярном водном растворе неорганического восстановителя (сульфита натрия) в циклическом потенциодинамическом режиме с помощь потенциостата IPC-Compact в диапазоне потенциалов от -600 мВ (х.с.э.) до + 600 мВ (х.с.э.) в течение не менее 50 циклов при скорости развертки потенциала не менее 500 мВ/с, заТем в течение не менее 10 циклов в диапазоне потенциалов от +100 мВ (х.с.э.) до +200 мВ (х.с.э.) при скорости развертки потенциала не менее 500 мВ/с; (б) измерение потенциала при разомкнутой цепи рабочего электрода относительно хлорсеребряного электрода сравнения в водном растворе 0,05-0,5 молярного сульфата натрия с цельЮ контроля соответствия потенциала рабочего электрода стандартизованному значению, составляющему 140±5 мВ (х.с.э.); (в) измерение редокс потенциала рабочего электрода относительно хлорсеребряного электрода сравнения в тестируемой биологической среде в течение 30 минут, во время измерения производится постоянная запись изменения редокс потенциала с помощью потенциостата с компьютерным интерфейсом IPC-Compact, за величину редокс потенциала исследуемой среды принимается величина потенциала рабочего платинового электрода через 30 минут измерения.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (по прототипу).

Редокс потенциал плазмы крови практически здорового человека (как пример биологической системы) определяют путем измерения потенциала при разомкнутой цепи рабочего (платинового) электрода относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Запись динамики изменения редокс потенциала проводится в течение 30 минут (Фиг.1). После каждого измерения, рабочий электрод промывается дистиллированной водой и погружается в исследуемую биологическую систему для следующего измерения. Таким образом проводят 3 последовательных измерения.

Как видно из данных (Фиг.1), наблюдается динамика изменения редокс потенциала плазмы крови в процессе измерения, причем даже через 30 минут его величина не достигает постоянного значения. Поэтому необходимо оговаривать период времени измерения величины редокс потенциала. Кроме того, при измерении в биологических средах, величина редокс потенциала, измеренная за определенное время, смещается в положительную сторону с каждым последующим измерением. Так, для первого измерения величина редокс потенциала через 30 минут составила -49,1 мВ, а для второго и третьего -33,5 мВ и -1,0 мВ соответственно, что связано с загрязнением поверхности электрода компонентами биологической среды.

Пример 2.

Рабочий (платиновый) электрод диаметром 1 мм подвергают катодно-анодному сканированию в водном растворе 0,1 М Na₂SO₃ 30-ю циклами катодно-анодных импульсов напряжения со скоростью 500 мВ/с в диапазоне потенциалов от -600 до +600 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения, платинированный титан используют в качестве вспомогательного электрода, после чего измеряют потенциал рабочего электрода в водном растворе 0,1 М Na₂SO₄ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Данные, полученные указанным образом, приведены в таблице 1.

Таблица 1
Значения редокс потенциала платинового электрода в 0,1М растворе Na2SO4
Номер измерения	Величина редокс потенциала, мВ
1	123,62
2	113,58
3	120,92
4	111,26
5	106,43

Как видно из представленных данных, разброс данных измерений составляет ±8,73 мВ, что больше принятой нами величины ±5 мВ. Таким образом, обработка рабочего электрода в указанной области сканирования потенциалов не обеспечивает воспроизводимости результатов измерений.

Пример 3.

Рабочий (платиновый) электрод диаметром 1 мм подвергают катодно-анодному сканированию в водном растворе 0,1 М Na₂SO₃ 50-ю циклами катодно-анодных импульсов напряжения со скоростью 500 мВ/с в диапазоне потенциалов от -600 до +600 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения; платинированный титан используют в качестве вспомогательного электрода. Затем рабочий электрод сканируют 10-ю циклами в диапазоне потенциалов от +100 до +200 мВ при скорости развертки 500 мВ/с.После этого измеряют потенциал рабочего электрода в водном растворе 0,1 М Na₂SO₄ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. Данные, полученные указанным образом, приведены в таблице 2.

Таблица 2
Значения редокс потенциала платинового электрода в 0,1М растворе Na2SO4
Номер измерения	Величина редокс потенциала, мВ
1	145,62
2	144,27
3	140,16
4	141,02
5	143,3

Как видно из представленных данных, разброс измерений не превышает ±5 мВ, что обеспечивает воспроизводимость результатов измерений с высокой точностью.

Пример 4.

Платиновый электрод диаметром 1 мм подвергают катодно-анодному сканированию в водном растворе 0,1 М Na ₂SO₃ 50-ю циклами внешних импульсов напряжения со скоростью 500 мВ/с в диапазоне потенциалов от -600 до +600 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения, платинированный титан испольуют в качестве вспомогательного электрода; после этого платиновый электрод сканируют 10-ю циклами в диапазоне потенциалов от +100 до +200 мВ при скорости развертки 500 мВ/с. Затем измеряют потенциал рабочего электрода в водном растворе 0,1 М Na₂SO₄ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. После указанной обработки платинового электрода производят измерение редокс потенциала плазмы крови практически здорового человека в течение 30 минут (Фиг.2). После каждого измерения электрод вновь подвергают электрохимической обработке и контролю потенциала в деоксигенированном водном растворе 0,1М Na₂SO₄.

Как видно из данных (Фиг.2), редокс потенциал плазмы крови через 30 минут измерения составил -63,4 мВ, -63,2 мВ и -56,7 мВ, причем разброс данных измерений не превышает ±4,4 мВ против ±6,8 мВ [патент США 0267074]. Таким образом, предлагаемая предварительная обработка рабочего электрода обеспечивает воспроизводимость результатов измерений с ошибкой не более ±5 мВ.

Пример 5.

Проводят ежедневный мониторинг величины редокс потенциала сыворотки крови пациента К. Перед проведением измерения в биологической среде рабочий (платиновый) электрод подвергают анодно-катодной обработке в водном растворе 0,1 М Na₂ SO₃ 50-ю циклами катодно-анодных импульсов напряжения со скоростью 500 мВ/с в диапазоне потенциалов от -600 до +600 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения и платинированным титаном в качестве вспомогательного электрода, после этого платиновый электрод сканируют 10-ю циклами в диапазоне потенциалов от +100 до +200 мВ при скорости развертки 500 мВ/с. Затем измеряют потенциал рабочего электрода в водном растворе 0,1 М Nа₂SO ₄ относительно хлорсеребряного электрода сравнения. После этого проводят измерение редокс потенциала сыворотки крови пациента. За величину редокс потенциала принято значение потенциала рабочего электрода при разомкнутой цепи через 30 минут измерения.

Как видно из Фиг.3, редокс потенциал биологической среды отражает состояние пациента, что характеризуется смещением потенциала в положительную сторону с 1-ых по 7-ые сутки в связи с наличием у пациента воспалительного процесса, после 7-ых суток состояние пациента улучшается и наблюдается положительная динамика лечения, что совпадает с данными редокс потенциала (смещение РП в более отрицательную сторону). Т.е. можно сказать, что редокс потенциал сыворотки крови можно использовать в качестве диагностического критерия состояния пациента.

Как видно из примеров, без предварительной обработки платинового электрода невозможно получить воспроизводимые результаты измерений редокс потенциала. Это проблема решается предлагаемым способом электрохимической предобработки платинового электрода, который обеспечивает ошибку измерений не более ±5 мВ. Кроме того, из представленных данных видно, что редокс потенциал в биологических средах не достигает стационарного значения даже в течение длительного времени, поэтому необходимо регистрировать динамику изменения редокс потенциала во времени и принимать за конечную величину редокс потенциала значение через определенное время измерения (не менее 30 минут). Таким мониторинг РП сыворотки крови может быть использован в качестве диагностического критерия для оценки состояния пациентов и качества проводимых лечебных процедур.