Вугільно-пастовий електрод, модифікований βциклодекстрином для вольтамперометричного визначення деяких харчових барвників
Вантажиться...
Дата
2022
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії у галузі 10 – Природничі науки за спеціальністю 102 – Хімія. Одеський національний університет імені І.І. Мечникова, МОН України, Одеса, 2022. Дисертацію присвячено розробці нового вольтамперометричного сенсора на основі вугільно-пастового електрода, модифікованого β-циклодекстрином, вивченню особливостей протікання на його поверхні редокс-реакцій за участю харчових азобарвників (Тартразин — ТАР, Жовтий «захід сонця» — ЖЗС, Кармоазин — КАН, Понсо 4 R — П4R, Спеціальний Червоний AG — CЧАG), а також розробці методики їх вольтамперометричного визначення у різних продуктах харчування. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, встановлено мету та завдання дослідження, відзначено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів. У першому розділі представлено огляд літератури, наведені загальні відомості щодо використання харчових азобарвників, розглянуто їх потенційну токсичність, наведені останні дослідження щодо їх перетворення у ШКТ та вплив на здоров’я людини та тварини. Наведені приклади та проаналізовано механізм дії сорбентів на основі β-циклодекстрину, як ефективних засобів вилучення азобарвників з водних розчинів. Детально розібрано та проаналізовано використання β-циклодекстрину, як модифікатора електродів, при створенні нових вольтамперометричних сенсорів для визначення аналітів різної природи. На основі розглянутої літератури зроблено припущення про механізми дії β-циклодекстрину як модифікатора електродів. Детально розглянуто використання вольтамперометричних сенсорів, які мають у своєму складі модифікатори різної природи та дії, необхідні для визначення харчових азобарвників у продуктах харчування. Розглянуто та
систематизовано редокс-поведінку харчових азобарвників на електродах з модифікаторами різної природи. Проаналізовано переваги, недоліки та обмеження використання вольтамперометричних сенсорів з різними типами електродів та модифікаторів, а також низки інших фізико-хімічних методів аналізу при визначенні барвників. У другому розділі описано характеристики використаних приладів, обладнання та реактивів. Описані методики приготування розчинів фонового електроліту, стандартних та робочих розчинів барвників. Наведено методики приготування немодифікованого та модифікованого вугільно-пастового електроду. Описані умови та основні етапи експериментальних досліджень. У третьому розділі розглянуто особливості редокс-поведінки харчових азобарвників на поверхні вугільно-пастового електроду, модифікованого β-циклодекстрином. Встановлено, що усі досліджені барвники на розробленому сенсорі мають як пік відновлення азогрупи, так і пік її окиснення. Відповідно до циклічних вольтамперограм такі азобарвники, як ЖЗС та П4R окислюються квазізворотно, а КАН, ТАР та СЧАG повністю незворотно. Встановлено співвідношення протонів до електронів, що приймають участь в окиснені барвників - 1:2 (ЖЗС, ТАР, СЧАG, П4R) та 1:1 (КАН). При вивченні впливу швидкості розгортки потенціалу було встановлено, що природа струму окиснення для усіх барвників на поверхні розробленого сенсору має адсорбційний характер. Виходячи з цього, використовуючи теорію Лавірона, були розраховані кількість електронів, що приймають участь у процесі окиснення барвників на поверхі електроду: 2 для ЖЗС, ТАР, СЧАG, П4R та 1 для КАН. При детальному дослідженні циклічних вольтамперограм встановлено, що для таких барвників як ЖЗС та П4R при збільшені швидкості розгортки потенціалу співвідношення струму піку окиснення до відповідного йому піку відновлення зменшується, що свідчить про наявність необоротної хімічної реакції з інтермедіатом окиснення (ECir механізм). При детальному дослідженні редокс-поведінки барвників при методом
циклічної вольтамперометрії встановлено, що після процесу окиснення на циклічних вольтамперограмах з’являються піки нової оборотної редокс-пари (окрім випадку ТАР). Відповідний експеримент показав, що ці редокс-пари можуть утворюватися як після процесу окиснення барвників, так і після процесу їх відновлення за азогрупою. Виходячи з отриманої інформації, було запропоновано загальний механізм окиснення харчових азобарвників на поверхні вугільнопастового електроду, модифікованого β-циклодекстрином. Четвертий розділ присвячено оптимізації умов вольтамперометричного визначення харчових азобарвників (ТАР, ЖЗС, КАН, П4R СЧАG) на розробленому сенсорі. Використовуючи об’ємний метод модифікування було встановлено, що максимальний струм окиснення харчових барвників досягаєтеся при 10 мас.% вмісту модифікатору (β-циклодекстрин) у вугільно-пастовому електроді. Використовуючи рівняння Ренделса-Шевчика було встановлено, що активна площа поверхні вугільно-пастового електрода, модифікованого β-циклодекстрином, складає 0.105 см2, а різниця потенціалів піків стандартної системи становить 70 мВ, що вказує на добрі провідні здібності розробленого сенсору. Використовуючи підхід адсорбційно-інверсійної вольтамперометрії, запропонована модифікація, яка дозволяє зменшити кількість розчину для проведення визначення до 10 мкл, що суттєво зменшує кількість хімічних відходів, кількість використання аналітичних стандартів та зменшує собівартість проведення визначення. Методом циклічної вольтамперометрії були оптимізовані такі параметри, як рН адсорбції (ТАР, ЖЗС, КАН, П4R СЧАG – pHадс 2) та рН проведення електролізу (ТАР, ЖЗС, П4R СЧАG –pHелек. 7; КАН – pHелек. 3). Вольтамперометрія з квадратно-хвильовою розгорткою потенціалу використовувався як метод кількісного визначення. Після проведення оптимізації обрані наступні значення: частота коливання 15 Гц для усіх барвників, амплітуда коливання — 50 мВ (ЖЗС, КАН, СЧАG) та 35 мВ (П4R, ТАР). У якості оптимального часу накопичення для усіх барвників обрано 5 хв. Тест стабільності
за короткий та довгий проміжок часу показав задовільні результати при визначені харчових азобарвників на вугільно-пастовому електроді, модифікованому β-циклодекстрином. За оптимальних умов визначення харчових барвників на вугільно-пастовому електроді, модифікованому β-циклодекстрином, проведено валідаційний експеримент та встановлені основні метрологічні характеристики сенсору: діапазон лінійності (ЖЗС: 4.50-0.57 мкг/мл та 0.57-0.07 мкг/мл; КАН: 5.00-0.30 мкг/мл; ТАР: 5.30-0.17 мкг/мл; П4R: 3.00-0.19 мкг/мл; СЧАG: 5.00-0.16 мкг/мл), межа виявлення (ЖЗС: 42 нг/мл; КАН: 101 нг/мл; ТАР: 60 нг/мл; П4R: 102 нг/мл; СЧАG: 60 нг/мл), межа визначення (ЖЗС: 140 нг/мл; КАН: 337 нг/мл; ТАР: 200 нг/мл; П4R: 340 нг/мл; СЧАG: 200 нг/мл), відтворюваність (ЖЗС: 7.10 %; КАН: 8.80 %; ТАР: 7.40 %; П4R: 6.90 %; СЧАG: 7.20 %), коефіцієнт повернення (ЖЗС: 96 %; КАН: 93 %; ТАР: 93 %; П4R: 96 %; СЧАG: 94 %) та відносний зсув (ЖЗС: -4 %; КАН: -7 %; ТАР: -7 %; П4R: -4 %; СЧАG: -6 %). П’ятий розділ присвячено апробації розробленого методу визначення харчових барвників за допомогою вугільно-пастового електроду, модифікованого β-циклодекстрином. Для апробації розробленої методики були обрані комерційно доступні продукти харчування та поділені на 5 класів: газовані та негазовані солодкі напої, соки, желейні цукерки, слабоалкогольні сильногазовані напої та енергетичні напої. Використовуючи тест Фішера, було показано, що для усіх обраних зразків (окрім зразків соку та желейних цукерок), визначення барвників на вугільно-пастовому електроді, модифікованому β-циклодекстрином, дає похибку порівняну з похибкою визначення методом ВЕРХ. Таким чином, розроблений вугільно-пастовий електрод, модифікований β-циклодекстрином, придатний для проведення визначення харчових азобарвників (ТАР, ЖЗС, КАН, П4R СЧАG) у різних продуктах харчування. Окремі матеріали дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес кафедри аналітичної та токсикологічної хімії ОНУ імені І.І. Мечникова.
The dissertation is devoted to the development of a new voltammetric sensor based on a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin, to the study of the peculiarities of redox reactions on its surface of selected food azo dyes (Tartrazine — TAR, Sunset yellow FCF — YS, Сarmoisine — CAN, Ponceau 4R — P4R, Allura Red AC — ARAC), to the development of methods for the voltammetric determination of food dyes in various food products. In the introduction, the relevance of the chosen topic is grounded, goals and objectives of the study are established, scientific novelty and practical significance of the obtained results are noted. The first chapter presents a review of the literature, general information on the use of food azo dyes, their potential toxicity, recent studies on their transformation into the gastrointestinal tract and effects on human and animal health are given. Examples are presented and the mechanism of action of β-cyclodextrin-based sorbents as effective means of extracting azo dyes from aqueous solutions is analyzed. The use of β-cyclodextrin as an electrode modifier in the creation of new voltammetric sensors for the determination of analytes of various nature is analyzed and analyzed in detail. On the basis of the reviewed literature, assumptions are made about the mechanisms of action of β-cyclodextrin as an electrode modifier. The use of voltammetric sensors, which contain modifiers of various nature and action, necessary for the determination of food azo dyes in food products, is considered in detail. The redox behavior of food azo dyes on electrodes with modifiers of various nature is considered and systematized. The advantages, disadvantages, and limitations of using voltammetric sensors with various types of electrodes and modifiers, as well as a number of other physicochemical methods of analysis in the determination of dyes, are analyzed. The second chapter describes the characteristics of the used devices, equipment and reagents. Methods of preparation of background electrolyte solutions, standard and working solutions of dyes are described. Methods of preparation of unmodified and modified carbon-paste electrode are given. The conditions and main stages of experimental research are described. In the third chapter, the peculiarities of the redox behavior of food azo dyes on the surface of a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin are considered. It was established that all the investigated dyes on the developed sensor have both the azo group reduction peak and its oxidation peak. According to the cyclic voltammograms, such azo dyes as YS and P4R are oxidized quasi-reversibly, while CAN, TAR and ARAC are completely irreversibly oxidized. The ratio of protons to electrons participating in the oxidation of dyes was established - 1:2 (YS, TAR, ARAC, P4R) and 1:1 (CAN). When studying the effect of the speed of the potential sweep, it was established that the nature of the oxidation current for all dyes on the surface of the developed sensor has an adsorption character. Based on this, using Laviron's theory, the number of electrons participating in the process of oxidation of dyes on the surface of the electrode was calculated: 2 for YS, TAR, ARAC, P4R and 1 for CAN. During a detailed study of cyclic voltammograms, it was established that for such dyes as YS and P4R, with an increased speed of the potential sweep, the ratio of the oxidation peak current to the corresponding reduction peak decreases, which indicates the presence of an irreversible chemical reaction with an oxidation intermediate (ECir mechanism). During a detailed study of the redox behavior of dyes during a cyclic potential sweep, it was established that after the oxidation process, peaks of a new reversible redox pair appear on the cyclic voltammograms (except in the case of TAR). The corresponding experiment showed that these redox couples can be formed both after the process of oxidation of dyes and after the process of their reduction by the azo group. Based on the obtained information, a general mechanism of oxidation of food azo dyes on the surface of a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin was proposed. The fourth section is devoted to the optimization of the conditions for the voltammetric determination of food azo dyes (TAR, YS, CAN, P4R ARAC) on the developed sensor. Using the volumetric method of modification, it was established that the maximum oxidation current of food dyes is achieved at 10 wt.% content of the modifier (βcyclodextrin) in the carbon paste electrode. Using the Renedels-Shevchik equation, it was determined that the active surface area of the carbon-paste electrode modified with βcyclodextrin is 0.105 cm2, and the potential difference of the peaks of the standard system is 70 mV, which indicates good conductive capabilities of the developed sensor. Using the approach of adsorption-inversion voltammetry, a modification is proposed that allows reducing the amount of solution for determination to 10 μl, which significantly reduces the amount of chemical waste, the number of uses of analytical standards, and reduces the cost of determination. The cyclic voltammetry method was used to optimize such parameters as adsorption pH (TAR, YS, CAN, P4R, ARAC – pHads 2) and pH of electrolysis (TAR, YS, P4R, ARAC –pHelec. 7; KAN – pHelec. 3). Squarewave potential sweep voltammetry was used as a quantitative method. After the optimization, the following values were selected: oscillation frequency 15 Hz for all dyes, oscillation amplitude — 50 mV (YS, CAN, ARAC) and 35 mV (P4R, TAR). 5 min was chosen as the optimal accumulation time for all dyes. The short- and long-term stability test showed satisfactory results for the determination of food azo dyes on a carbon paste electrode modified with β-cyclodextrin. Under optimal conditions for the determination of food dyes on a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin, a validation experiment was conducted and the main metrological characteristics of the sensor were established: the range of linearity (YS: 4.50-0.57 μg/ml and 0.57-0.07 μg/ml; CAN: 5.00-0.30μg/ml; TAR: 5.30-0.17 μg/ml; P4R: 3.00-0.19 μg/ml; ARAC: 5.00-0.16 μg/ml), LOD (YS: 42 ng/ml; CAN: 101 ng/ml; TAR : 60 ng/ml; P4R: 102 ng/ml; ARAC: 60 ng/ml), LOQ (YS: 140 ng/ml; CAN: 337 ng/ml; TAR: 200 ng/ml; P4R: 340 ng/ml; ARAC: 200 ng/ml), reproducibility (YS: 7.10 %; CAN: 8.80 %; TAR: 7.40 %; P4R: 6.90 %; ARAC: 7.20 %), recovery rate (YS: 96%; CAN: 93%; TAR: 93%; P4R: 96%; ARAC: 94%) and relative shift (YS: -4%; CAN: -7%; TAR: -7%; P4R: -4%; ARAC: -6%). The fifth chapter is devoted to the approbation of the developed method for the determination of food dyes using a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin. To test the developed methodology, commercially available food products were selected and divided into 5 classes: carbonated and non-carbonated sweet drinks, juices, jelly candies, low-alcohol strongly carbonated drinks and energy drinks. Using Fisher's test, it was shown that for all selected samples (except juice and jelly candy samples), the determination of dyes on a carbon paste electrode modified with β-cyclodextrin gives an error comparable to the error of HPLC determination. Thus, the carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin, developed in this way, is suitable for the determination of food azo dyes (TAR, YS, CAN, P4R, ARAC) in various food products. Separate materials of the dissertation work were introduced into the educational process of the Department of Analytical and Toxicological Chemistry of the Odesa I.I. Mechnikova National University.
The dissertation is devoted to the development of a new voltammetric sensor based on a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin, to the study of the peculiarities of redox reactions on its surface of selected food azo dyes (Tartrazine — TAR, Sunset yellow FCF — YS, Сarmoisine — CAN, Ponceau 4R — P4R, Allura Red AC — ARAC), to the development of methods for the voltammetric determination of food dyes in various food products. In the introduction, the relevance of the chosen topic is grounded, goals and objectives of the study are established, scientific novelty and practical significance of the obtained results are noted. The first chapter presents a review of the literature, general information on the use of food azo dyes, their potential toxicity, recent studies on their transformation into the gastrointestinal tract and effects on human and animal health are given. Examples are presented and the mechanism of action of β-cyclodextrin-based sorbents as effective means of extracting azo dyes from aqueous solutions is analyzed. The use of β-cyclodextrin as an electrode modifier in the creation of new voltammetric sensors for the determination of analytes of various nature is analyzed and analyzed in detail. On the basis of the reviewed literature, assumptions are made about the mechanisms of action of β-cyclodextrin as an electrode modifier. The use of voltammetric sensors, which contain modifiers of various nature and action, necessary for the determination of food azo dyes in food products, is considered in detail. The redox behavior of food azo dyes on electrodes with modifiers of various nature is considered and systematized. The advantages, disadvantages, and limitations of using voltammetric sensors with various types of electrodes and modifiers, as well as a number of other physicochemical methods of analysis in the determination of dyes, are analyzed. The second chapter describes the characteristics of the used devices, equipment and reagents. Methods of preparation of background electrolyte solutions, standard and working solutions of dyes are described. Methods of preparation of unmodified and modified carbon-paste electrode are given. The conditions and main stages of experimental research are described. In the third chapter, the peculiarities of the redox behavior of food azo dyes on the surface of a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin are considered. It was established that all the investigated dyes on the developed sensor have both the azo group reduction peak and its oxidation peak. According to the cyclic voltammograms, such azo dyes as YS and P4R are oxidized quasi-reversibly, while CAN, TAR and ARAC are completely irreversibly oxidized. The ratio of protons to electrons participating in the oxidation of dyes was established - 1:2 (YS, TAR, ARAC, P4R) and 1:1 (CAN). When studying the effect of the speed of the potential sweep, it was established that the nature of the oxidation current for all dyes on the surface of the developed sensor has an adsorption character. Based on this, using Laviron's theory, the number of electrons participating in the process of oxidation of dyes on the surface of the electrode was calculated: 2 for YS, TAR, ARAC, P4R and 1 for CAN. During a detailed study of cyclic voltammograms, it was established that for such dyes as YS and P4R, with an increased speed of the potential sweep, the ratio of the oxidation peak current to the corresponding reduction peak decreases, which indicates the presence of an irreversible chemical reaction with an oxidation intermediate (ECir mechanism). During a detailed study of the redox behavior of dyes during a cyclic potential sweep, it was established that after the oxidation process, peaks of a new reversible redox pair appear on the cyclic voltammograms (except in the case of TAR). The corresponding experiment showed that these redox couples can be formed both after the process of oxidation of dyes and after the process of their reduction by the azo group. Based on the obtained information, a general mechanism of oxidation of food azo dyes on the surface of a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin was proposed. The fourth section is devoted to the optimization of the conditions for the voltammetric determination of food azo dyes (TAR, YS, CAN, P4R ARAC) on the developed sensor. Using the volumetric method of modification, it was established that the maximum oxidation current of food dyes is achieved at 10 wt.% content of the modifier (βcyclodextrin) in the carbon paste electrode. Using the Renedels-Shevchik equation, it was determined that the active surface area of the carbon-paste electrode modified with βcyclodextrin is 0.105 cm2, and the potential difference of the peaks of the standard system is 70 mV, which indicates good conductive capabilities of the developed sensor. Using the approach of adsorption-inversion voltammetry, a modification is proposed that allows reducing the amount of solution for determination to 10 μl, which significantly reduces the amount of chemical waste, the number of uses of analytical standards, and reduces the cost of determination. The cyclic voltammetry method was used to optimize such parameters as adsorption pH (TAR, YS, CAN, P4R, ARAC – pHads 2) and pH of electrolysis (TAR, YS, P4R, ARAC –pHelec. 7; KAN – pHelec. 3). Squarewave potential sweep voltammetry was used as a quantitative method. After the optimization, the following values were selected: oscillation frequency 15 Hz for all dyes, oscillation amplitude — 50 mV (YS, CAN, ARAC) and 35 mV (P4R, TAR). 5 min was chosen as the optimal accumulation time for all dyes. The short- and long-term stability test showed satisfactory results for the determination of food azo dyes on a carbon paste electrode modified with β-cyclodextrin. Under optimal conditions for the determination of food dyes on a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin, a validation experiment was conducted and the main metrological characteristics of the sensor were established: the range of linearity (YS: 4.50-0.57 μg/ml and 0.57-0.07 μg/ml; CAN: 5.00-0.30μg/ml; TAR: 5.30-0.17 μg/ml; P4R: 3.00-0.19 μg/ml; ARAC: 5.00-0.16 μg/ml), LOD (YS: 42 ng/ml; CAN: 101 ng/ml; TAR : 60 ng/ml; P4R: 102 ng/ml; ARAC: 60 ng/ml), LOQ (YS: 140 ng/ml; CAN: 337 ng/ml; TAR: 200 ng/ml; P4R: 340 ng/ml; ARAC: 200 ng/ml), reproducibility (YS: 7.10 %; CAN: 8.80 %; TAR: 7.40 %; P4R: 6.90 %; ARAC: 7.20 %), recovery rate (YS: 96%; CAN: 93%; TAR: 93%; P4R: 96%; ARAC: 94%) and relative shift (YS: -4%; CAN: -7%; TAR: -7%; P4R: -4%; ARAC: -6%). The fifth chapter is devoted to the approbation of the developed method for the determination of food dyes using a carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin. To test the developed methodology, commercially available food products were selected and divided into 5 classes: carbonated and non-carbonated sweet drinks, juices, jelly candies, low-alcohol strongly carbonated drinks and energy drinks. Using Fisher's test, it was shown that for all selected samples (except juice and jelly candy samples), the determination of dyes on a carbon paste electrode modified with β-cyclodextrin gives an error comparable to the error of HPLC determination. Thus, the carbon-paste electrode modified with β-cyclodextrin, developed in this way, is suitable for the determination of food azo dyes (TAR, YS, CAN, P4R, ARAC) in various food products. Separate materials of the dissertation work were introduced into the educational process of the Department of Analytical and Toxicological Chemistry of the Odesa I.I. Mechnikova National University.
Опис
Ключові слова
вугільно-пастовий електрод, β-циклодекстрин, харчові азобарвники, поверхнево-активні речовини, адсорбція, модифікація, електрохімічні методи аналізу, carbon-paste electrode, β-cyclodextrin, food azo dyes, surfactants, adsorption, modification, electrochemical methods of analysis
Бібліографічний опис
Плюта, К. В. Вугільно-пастовий електрод, модифікований β-циклодекстрином для вольтамперометричного визначення деяких харчових барвників : дис ... д-ра філософії : спец. 102 "Хімія", 10 "Природничі науки" / К. В. Плюта. – Одеса, 2022. – 154 с.