zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-5-5-13zldm-1412Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISМассивы твердоконтактных потенциометрических сенсоров для раздельного определения некоторых цефалоспориновых антибиотиковArrays of solid contact potentiometric sensors for separate determination of some cephalosporin antibioticsКулапинаЕ. Г.KulapinaE. G.

Елена Григорьевна Кулапина

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83

Elena G. Kulapina

83, Astrakhanskya ul., Saratov, 410012

kulapinaeg@mail.ruДубасоваА. Е.DubasovaA. E.

Анастасия Евгеньевна Дубасова

410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83

Anastasia E. Dubasova

83, Astrakhanskya ul., Saratov, 410012

КулапинаО. И.KulapinaO. I.

Ольга Ивановна Кулапина

410012, г. Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112

Olga I. Kulapina

112, Bol’shaya Kazach’ya ul., Saratov, 410012

olgakulapina@mail.ruАнкинаВ. Д.AnkinaV. D.

Влада Денисовна Анкина

410012, г. Саратов, ул. Большая Казачья, д. 112

Vlada D. Ankina

112, Bol’shaya Kazach’ya ul., Saratov, 410012

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. ЧернышевскогоРоссияN. G. Chernyshevsky Saratov State University, Department of ChemistryRussian FederationСаратовский государственный медицинский университет им. В. И. РазумовскогоРоссияV. I. Razumovsky Saratov State Medical UniversityRussian Federation202122052021875513Copyright © Кулапина Е.Г., Дубасова А.Е., Кулапина О.И., Анкина В.Д., 20212021Кулапина Е.Г., Дубасова А.Е., Кулапина О.И., Анкина В.Д.Kulapina E.G., Dubasova A.E., Kulapina O.I., Ankina V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1412

Предложены массивы потенциометрических сенсоров, включающие разработанные твердоконтактные немодифицированные и модифицированные сенсоры на основе ассоциатов тетрадециламмония с комплексными соединениями серебра (1) и некоторых β-лактамных антибиотиков (цефазолина, цефуроксима, цефотаксима); модификаторы — полианилин, оксид меди. Определены основные электроаналитические свойства сенсоров (диапазон определяемых концентраций в растворах антибиотиков — 1 · 10–4 – 0,1 моль/л, Cmin = = n 10–5 моль/л, время отклика — 4 – 10 с, дрейф потенциала — 4 – 6 мВ/сут, срок службы — 2 мес). Показано, что модифицирование поверхности мембран приближает крутизну электродных функций к нернстовским значениям для однозарядных ионов исследуемых антибиотиков; сокращается время отклика, уменьшается предел обнаружения антибиотиков, а интервалы линейности электродных функций одинаковы для исследуемых сенсоров. Коэффициенты потенциометрической селективности немодифицированных и модифицированных сенсоров на основе различных электродно-активных компонентов (ЭАК) к исследуемым цефалоспоринам в присутствии мешающих антибиотиков близки к единице; значения параметров перекрестной чувствительности для сенсоров (средний наклон электродной функции сенсора Sср (мВ/pC), фактор неселективности F, фактор воспроизводимости K) составляют: 46,3 < S < 48; 0,85 < F < 0,90; 144 < K < 170, что свидетельствует о стабильности и воспроизводимости потенциалов. Показано применение сенсоров в мультисенсорном анализе модельных смесей цефалоспориновых антибиотиков. Для обработки аналитических сигналов (значений эдс, мВ) использован метод искусственных нейронных сетей. Правильность определения проверяли методом «введено – найдено» при анализе контрольных модельных смесей (относительная погрешность определения не превышает 12 %).

Arrays of potentiometric sensors including developed solid-contact unmodified and modified sensors based on tetradecylammonium associates with complex compounds of silver (1) and some β-lactam antibiotics (cefazoline, cefuroxime, cefotaxime (n = 3 – 6)) are proposed; polyaniline and copper oxide being modifiers. The main electroanalytic properties of the sensors are determined (the range of the determined concentrations in antibiotic solutions 1 × 10–4 – 0.1 M, 46.3 < S < 48, Cmin = n × 10–5 М, response time 4 – 10 sec, potential drift 4 – 6 mV/day, service life — 2 months). It is shown that modification of the membrane surfaces brings the steepness of the electrode functions to Nernst-values for single-charged ions of the antibiotics under study; reduces the response time and the detection limits, the linearity intervals of the electrode functions being the same. The potentiometric selectivity coefficients of unmodified and modified sensors based on different electrode active components (EAC) to the studied cephalosporins in the presence of interfering antibiotics are close to unity; cross sensitivity parameters for the considered sensors (the average slope of the electrode function of the sensor Sav, the unselectivity factor F, and the reproducibility factor K) are 46.3 < S (mV/pC) < 48; 0.85 < F < 0.90; 144 < K < 170, respectively. Application of sensors in the multisensory analysis of model mixtures of cephalosporin antibiotics is shown. Method of artificial neural networks (ANN) is used for processing of analytical signals. The correctness of the determination is carried out using «spike tests» on the reference model mixtures (the relative error of the determination does not exceed 12 %).

немодифицированные и модифицированные сенсорыцефуроксимцефотаксимцефазолинunmodified and modified sensorscefuroximecefotaximecefazolineReferencesБудников Г. К., Евтюгин Г. А., Майстренко В. Н. Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине. — М.: Бином, 2009. — 331 с.Budnikov G. K., Evtyugin G. A., Maistrenko V. N. Modified electrodes for voltammetry in chemistry, biology and medicine. — Moscow: Binom, 2009. — 331 p. [in Russian].Легин А. В., Рудницкая А. М., Власов Ю. Г. «Электронный язык» — системы химических сенсоров для анализа водных сред. В кн.: Проблемы аналитической химии. Т. 14. Химические сенсоры. — М.: Наука, 2011. С. 79 – 126.Legin A. V., Rudnitskaya A. M., Vlasov Yu. G. «Electronic Tongue» — chemical sensor systems for analysis of water media / Problems of analytical chemistry. Vol. 14. Chemical sensors. — Moscow: Nauka, 2011. P. 79 – 126 [in Russian].Кулапина Е. Г., Макарова Н. М. Мультисенсорные системы в анализе жидких и газовых объектов. — Саратов: Наука, 2010. — 165 с.Kulapina E. G., Makarova N. M. Multi-sensor systems in analysis of liquid and gas objects. — Saratov: Nauka, 2010. — 165 p. [in Russian].Wang W., Liu Y. Electronic tongue for food sensory evaluation / In the book: Evaluation Technologies for Food Quality. — Elsevier, 2019. P. 23 – 36. DOI: 10.1016/B978-0-12-814217-2.00003-2Wang W., Liu Y. Electronic tongue for food sensory evaluation / In the book: Evaluation Technologies for Food Quality. — Elsevier, 2019. P. 23 – 36. DOI: 10.1016/B978-0-12-814217-2.00003-2Ghasemi-Varnamkhasti M., Apetrei C., Lozano J., Anyogu A. Potential use of electronic noses, electronic tongues and biosensors as multisensor systems for spoilage examination in foods / Trends Food Sci. Technol. 2018. Vol. 80. P. 71 – 92. DOI: 10.1016/j.tifs.2018.07.018Ghasemi-Varnamkhasti M., Apetrei C., Lozano J., Anyogu A. Potential use of electronic noses, electronic tongues and biosensors as multisensor systems for spoilage examination in foods / Trends Food Sci. Technol. 2018. Vol. 80. P. 71 – 92. DOI: 10.1016/j.tifs.2018.07.018Oroian M., Ropciuc S. Romanian honey authentication using voltammetric electronic tongue. Correlation of voltammetric data with physico-chemical parameters and phenolic compounds / Comput. Electron. Agric. 2019. Vol. 157. P. 371 – 379. DOI: 10.1016/j.compag.2019.01.008Oroian M., Ropciuc S. Romanian honey authentication using voltammetric electronic tongue. Correlation of voltammetric data with physico-chemical parameters and phenolic compounds / Comput. Electron. Agric. 2019. Vol. 157. P. 371 – 379. DOI: 10.1016/j.compag.2019.01.008Elamine Y., Inacio P. M. C., Lyoussi B., et al. Insight into the sensing mechanism of an impedance based electronic tongue for honey botanic origin discrimination / Sens. Actuators, B. 2019. Vol. 285. P. 24 – 33. DOI: 10.1016/j.snb.2019.01.023Elamine Y., Inacio P. M. C., Lyoussi B., et al. Insight into the sensing mechanism of an impedance based electronic tongue for honey botanic origin discrimination / Sens. Actuators, B. 2019. Vol. 285. P. 24 – 33. DOI: 10.1016/j.snb.2019.01.023Sobrino-Gregorio L., Bataller R., Soto J., Escriche I. Monitoring honey adulteration with sugar syrups using an automatic pulse voltammetric electronic tongue / Food Control. 2018. Vol. 91. P. 254 – 260. DOI: 10.1016/j.foodcont.2018.04.003Sobrino-Gregorio L., Bataller R., Soto J., Escriche I. Monitoring honey adulteration with sugar syrups using an automatic pulse voltammetric electronic tongue / Food Control. 2018. Vol. 91. P. 254 – 260. DOI: 10.1016/j.foodcont.2018.04.003Rodrigues N., Marx I. M. G., Casal S., et al. Application of an electronic tongue as a single-run tool for olive oils’ physicochemical and sensory simultaneous assessment / Talanta. 2019. Vol. 197. P. 363 – 373. DOI: 10.1016/j.talanta.2019.01.055Rodrigues N., Marx I. M. G., Casal S., et al. Application of an electronic tongue as a single-run tool for olive oils’ physicochemical and sensory simultaneous assessment / Talanta. 2019. Vol. 197. P. 363 – 373. DOI: 10.1016/j.talanta.2019.01.055Harzalli U., Rodrigues N., Veloso A. C. A., et al. A taste sensor device for unmasking admixing of rancid or winey-vinegary olive oil to extra virgin olive oil / Comput. Electron. Agric. 2018. Vol. 144. P. 222 – 231. DOI: 10.1016/j.compag.1017.12.016Harzalli U., Rodrigues N., Veloso A. C. A., et al. A taste sensor device for unmasking admixing of rancid or winey-vinegary olive oil to extra virgin olive oil / Comput. Electron. Agric. 2018. Vol. 144. P. 222 – 231. DOI: 10.1016/j.compag.1017.12.016Dias L. G., Fernandes A., Veloso A. C. A., et al. Single-cultivar extra virgin olive oil classification using a potentiometric electronic tongue / Food Chem. 2014. Vol. 160. P. 321 – 329. DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.03.072Dias L. G., Fernandes A., Veloso A. C. A., et al. Single-cultivar extra virgin olive oil classification using a potentiometric electronic tongue / Food Chem. 2014. Vol. 160. P. 321 – 329. DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.03.072Buratti S., Malegori C., Benedetti S., et al. E-nose, e-tongue and e-eye for edible olive oil characterization and shelf life assessment: A powerful data fusion approach / Talanta. 2018. Vol. 182. P. 131 – 141. DOI: 10.1016/j.talanta.2018.01.096Buratti S., Malegori C., Benedetti S., et al. E-nose, e-tongue and e-eye for edible olive oil characterization and shelf life assessment: A powerful data fusion approach / Talanta. 2018. Vol. 182. P. 131 – 141. DOI: 10.1016/j.talanta.2018.01.096Garcia-Hernandez C., Comino C. S., Martin-Pedrosa F., et al. Impedimetric electronic tongue based on nanocomposites for the analysis of red wines. Improving the variable selection method / Sens. Actuators, B. 2018. Vol. 277. P. 365 – 372. DOI: 10.1016/j.snb.2018.09.023Garcia-Hernandez C., Comino C. S., Martin-Pedrosa F., et al. Impedimetric electronic tongue based on nanocomposites for the analysis of red wines. Improving the variable selection method / Sens. Actuators, B. 2018. Vol. 277. P. 365 – 372. DOI: 10.1016/j.snb.2018.09.023Rudnitskaya A., Schmidtke L. M., Reis A., et al. Measurements of the effects of wine maceration with oak chips using an electronic tongue / Food Chem. 2017. Vol. 229. P. 20 – 27. DOI: 10.1016/j.foodchem.2017.02.013Rudnitskaya A., Schmidtke L. M., Reis A., et al. Measurements of the effects of wine maceration with oak chips using an electronic tongue / Food Chem. 2017. Vol. 229. P. 20 – 27. DOI: 10.1016/j.foodchem.2017.02.013Gonzalez-Calabuig A., Valle M. Voltammetric electronic tongue to identify Brett character in wines. On-site quantification of its ethylphenol metabolites / Talanta. 2018. Vol. 179. P. 70 – 74. DOI: 10.1016/j.talanta.2017.10.041Gonzalez-Calabuig A., Valle M. Voltammetric electronic tongue to identify Brett character in wines. On-site quantification of its ethylphenol metabolites / Talanta. 2018. Vol. 179. P. 70 – 74. DOI: 10.1016/j.talanta.2017.10.041Wang J., Zhu L., Zhang W., Wei Zh. Application of the voltammetric electronic tongue based on nanocomposite modified electrodes for identifying rice wines of different geographical origins / Anal. Chim. Acta. 2019. Vol. 1050. P. 60 – 70. DOI: 10.1016/j.aca.2018.11.016Wang J., Zhu L., Zhang W., Wei Zh. Application of the voltammetric electronic tongue based on nanocomposite modified electrodes for identifying rice wines of different geographical origins / Anal. Chim. Acta. 2019. Vol. 1050. P. 60 – 70. DOI: 10.1016/j.aca.2018.11.016Garcia-Hernandez C., Garcia-Cabezon C., Martin-Pedrosa F., Rodriguez-Mendez M. L. Analysis of musts and wines by means of a bio-electronic tongue based on tyrosinase and glucose oxidase using polypyrrole/gold nanoparticles as the electron mediator / Food Chem. 2019. Vol. 289. P. 751 – 756. DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.03.107Garcia-Hernandez C., Garcia-Cabezon C., Martin-Pedrosa F., Rodriguez-Mendez M. L. Analysis of musts and wines by means of a bio-electronic tongue based on tyrosinase and glucose oxidase using polypyrrole/gold nanoparticles as the electron mediator / Food Chem. 2019. Vol. 289. P. 751 – 756. DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.03.107Ceto X., Gonzalez-Calabuig A., Crespo N., et al. Electronic tongues to assess wine sensory descriptors / Talanta. 2017. Vol. 162. P. 218 – 224. DOI: 10.1016/j.talanta.2016.09.055Ceto X., Gonzalez-Calabuig A., Crespo N., et al. Electronic tongues to assess wine sensory descriptors / Talanta. 2017. Vol. 162. P. 218 – 224. DOI: 10.1016/j.talanta.2016.09.055Lipkowitz J. B., Ross C. F., Diako Ch., Smith D. M. Discriminating aging and protein-to-fat ratio in Cheddar cheese using sensory analysis and a potentiometric electronic tongue / J. Dairy Sci. 2018. Vol. 101. N 3. P. 1990 – 2004. DOI: 10.3168/jds.2017-13820Lipkowitz J. B., Ross C. F., Diako Ch., Smith D. M. Discriminating aging and protein-to-fat ratio in Cheddar cheese using sensory analysis and a potentiometric electronic tongue / J. Dairy Sci. 2018. Vol. 101. N 3. P. 1990 – 2004. DOI: 10.3168/jds.2017-13820Rosa A. R. D., Leone F., Cheli F., Chiofalo V. Fusion of electronic nose, electronic tongue and computer vision for animal source food authentication and quality assessment / J. Food Eng. 2017. Vol. 210. P. 62 – 75. DOI: 10.1016/j.foodeng.2017.04.024Rosa A. R. D., Leone F., Cheli F., Chiofalo V. Fusion of electronic nose, electronic tongue and computer vision for animal source food authentication and quality assessment / J. Food Eng. 2017. Vol. 210. P. 62 – 75. DOI: 10.1016/j.foodeng.2017.04.024Banerjee M. B., Roy R. B., Tudu B., et al. Black tea classification employing feature fusion of E-Nose and E-Tongue responses / J. Food Eng. 2019. Vol. 244. P. 55 – 63. DOI: 10.1016/j.foodeng.2018.09.022Banerjee M. B., Roy R. B., Tudu B., et al. Black tea classification employing feature fusion of E-Nose and E-Tongue responses / J. Food Eng. 2019. Vol. 244. P. 55 – 63. DOI: 10.1016/j.foodeng.2018.09.022Xu M., Wang J., Zhu L. The qualitative and quantitative assessment of tea quality based on E-nose, E-tongue and E-eye combined with chemometrics / Food Chem. 2019. Vol. 289. P. 482 – 489. DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.03.080Xu M., Wang J., Zhu L. The qualitative and quantitative assessment of tea quality based on E-nose, E-tongue and E-eye combined with chemometrics / Food Chem. 2019. Vol. 289. P. 482 – 489. DOI: 10.1016/j.foodchem.2019.03.080Ouyang Q., Yang Y., Wu J., et al. Rapid sensing of total theaflavins content in black tea using a portable electronic tongue system coupled to efficient variables selection algorithms / J. Food Compos. Anal. 2019. Vol. 75. P. 43 – 48. DOI: 10.1016/j.jfca.2018.09.014Ouyang Q., Yang Y., Wu J., et al. Rapid sensing of total theaflavins content in black tea using a portable electronic tongue system coupled to efficient variables selection algorithms / J. Food Compos. Anal. 2019. Vol. 75. P. 43 – 48. DOI: 10.1016/j.jfca.2018.09.014Cruz M. G. N., Ferreira N. S., Gomes M. T. S. R., et al. Determination of paralytic shellfish toxins using potentiometric electronic tongue / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 263. P. 550 – 556. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.158Cruz M. G. N., Ferreira N. S., Gomes M. T. S. R., et al. Determination of paralytic shellfish toxins using potentiometric electronic tongue / Sens. Actuators B. 2018. Vol. 263. P. 550 – 556. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.158Кулапина Е. Г., Кулапина О. И., Анкина В. Д. Потенциометрические сенсоры для определения β-лактамных антибиотиков в лекарственных и биологических средах. — Саратов: Саратовский источник, 2019. — 106 с.Kulapina E. G., Kulapina O. I., Ankina V. D. Potentiometric sensors for the determination of β-lactam antibiotics in medicinal and biological media. — Saratov: Saratovsky Istochnik, 2019. — 106 p. [in Russian].Власов Ю. Г., Легин А. В., Рудницкая А. М. Катионная чувствительность стекол системы AgI – Sb2S3 и их применение в мультисенсорном анализе жидких сред / Журн. аналит. химии. 1997. Т. 52. № 8. С. 837 – 843.Vlasov Yu. G., Legin A. V., Rudnitskaya A. M. Cation sensitivity of AgI – Sb2S3 glasses and their use in the multisensor analysis of liquid media / J. Anal. Chem. 1997. Vol. 52. N 8. P. 758 – 763.Legin A., Vlasov Yu., Rudnitskaya A., Bychkov E. Cross-sensitivity of chalcogenide glass sensors in solutions of heavy metal ions / Sens. Actuators B. 1996. Vol. 34. N 1 – 3. P. 456 – 461. DOI: 10.1016/S0925-4005(96)01852-7Legin A., Vlasov Yu., Rudnitskaya A., Bychkov E. Cross-sensitivity of chalcogenide glass sensors in solutions of heavy metal ions / Sens. Actuators B. 1996. Vol. 34. N 1 – 3. P. 456 – 461. DOI: 10.1016/S0925-4005(96)01852-7Кулапина Е. Г., Тютликова М. С., Кулапина О. И., Дубасова А. Е. Твердоконтактные потенциометрические сенсоры для определения некоторых цефалоспориновых антибиотиков в лекарственных препаратах и ротовой жидкости/ Журн. аналит. химии. 2019. Т. 74. № 7. С. 63 – 70.Kulapina E. G., Tyutlikova M. S., Kulapina O. I, Dubasova A. E. Solid contact potentiometric sensors for the determination of some cephalosporin antibiotics in pharmaceuticals and oral fluid / J. Anal. Chem. 2019. Vol. 74. Suppl. N 1. P. 52 – 58. DOI: 10.1134/S1061934819070128

The authors declare that there are no conflicts of interest present.