ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОКСИЦИКЛИНА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ, СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОКСИЦИКЛИНА В ВОДНОМ РАСТВОРЕ С ИХ ПОМОЩЬЮ
FIBER OPTICAL SENSORS FOR DETERMINING DOXYCYCLINE IN AQUEOUS SOLUTION, METHODS FOR THEIR PRODUCTION AND METHOD FOR DETERMINING DOXYCYCLINE IN AQUEOUS SOLUTION WITH THEIR HELP

Изобретения относятся к области аналитических исследований, а  именно к анализу водных растворов и могут быть использованы для определения в них доксициклина с помощью оптической спектроскопии.
G02F1/00
Известен оптический плазмонно-резонансный биосенсор [RU 127209 U1, МПК (2006.01), опубл. 20.04.2013], выполненный на основе дифракционной решетки из поликарбоната с поверхностным слоем золота, размещенной в канале с исследуемым раствором. Дифракционная решетка имеет трапецеидальную форму с параметрами, обеспечивающими на рабочей длине волны возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов. Для освещения решетки использован лазер. Для регистрации отраженного от решетки оптического излучения использована фотоприемная камера. Период решетки равен 1,6 мкм, а толщина слоя золота равна 0,11 мкм. Этот биосенсор имеет низкую селективность к выбранным аналитам.
Известен способ определения доксициклина [Siddiqui, A., Anwar, H., Ahmed, S.W., Naqvi, S., Shah, M.R., Ahmed, A., Ali, S.A., 2020. Synthesis and sensitive detection of doxycycline with sodium bis 2-ethylhexylsulfosuccinate based silver nanoparticle. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 225, 117489. https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.117489], заключающийся в использовании наночастиц серебра покрытых Бис-2-этилгексилсульфосукцинатом натрия, который химически связывается с доксициклином. Концентрацию доксициклина определяют по изменению инфракрасного спектра и сдвигу абсорбционного пика, полученного при взаимодействии наночастиц серебра и доксициклина. Доксициклин демонстрирует максимумы поглощения при 279 и 338 нм, которые смещаются в сторону большей длины волны после взаимодействия с наночастицами, в то время как абсорбционный максимум наночастиц с 426 нм синего цвета смещается до 400 нм после взаимодействия, указывая на образование связывающих комплексов.
Данный способ имеет ограниченный диапазон измерения от 0,1 до 140 мкМ. Кроме того, наночастицы серебра без дополнительной обработки имеют плохую стабильность.
G01N33/15
G01N21/64
·
-1
Известен способ определения доксициклина в лекарственных препаратах [RU 2471184 C2, МПК (2006.01),  (2006.01), опубл. 27.12.2012], включающий пробоподготовку, модификацию силикагеля, нанесенного на подложку, неионным ПАВ Бридж-35 в  количестве не менее 1,5 мкл 110 М с последующим добавлением пробы анализируемого раствора лекарственного препарата. О содержании доксициклина судят по интенсивности флуоресценции в зоне нанесения пробы, определяемой с помощью видеоденситометра и компьютерной обработки на основе градуировочного графика, построенного в аналогичных условиях для стандартных растворов доксициклина. При этом объем исследуемого раствора выбран в диапазоне 1,5-3,0 мкл.
Недостатком этого способа является зависимость интенсивности флуоресценции от объема анализируемого раствора доксициклина, которая уменьшается при использовании больших объемов раствора антибиотика. Кроме того такой способ позволяет определять доксициклин только в лабораторных условиях.
Известен способ определения тетрациклинов с помощью пьезоэлектрического сенсора [RU 2687742 C1, МПК G01N33/543 (2006.01), СПК G01N33/5438 (2019.02), опубл. 16.05.2019], характеризующийся тем, что на поверхности сенсора нанесена подложка на основе самоорганизующихся монослоев тиолов 11-меркаптоундеканола и 2-амино-5-меркапто-1,3,4 - триазола, на которую иммобилизуют тетрациклин-белковый конъюгат. К пробе добавляют фиксированное количество поликлональных антител к  тетрациклинам и выдерживают в течение 2–3 мин до образования иммунокомплекса, вводят в ячейку для детектирования в фосфатном буферном растворе с рН 7,1–7,2 и регистрируют изменение частоты колебания сенсора в результате взаимодействия не связавшихся антител с тетрациклин-белковым конъюгатом на поверхности электродов сенсора, аналитический сигнал обратно пропорционален суммарной концентрации тетрациклинов в анализируемой пробе, концентрацию определяют по градуировочному графику.
G01N21/55
Известен сенсорный элемент для детектирования изменения состава исследуемой жидкой среды [RU 2637364 C2, МПК  (2014.01), опубл. 04.12.2017], представляющий собой многослойный наноструктурированный материал с сенсорной поверхностью, выполненный в виде дифракционной решетки с периодом от 300 до 3000 нм, обеспечивающей возможность возбуждения на границе раздела сенсорная поверхность/исследуемая среда поверхностных плазмон-поляритонов. Многослойный наноструктурированный материал включает последовательно расположенные на полимерной подложке один слой из ферромагнитного материала (железо, или никель, или кобальт) и один слой из благородного металла. Слой из пассивирующего диэлектрика или оксида алюминия толщиной не более 50 нм расположен поверх слоя благородного металла. Толщина слоя из ферромагнитного материала составляет от 2 до 50 нм. Толщина слоя из благородного металла (золото, серебро, или платина) составляет от 10 до 100 нм.
G01N21/55
Известен способ детектирования изменения состава исследуемой жидкой среды [RU 2637364 C2, МПК  (2014.01), опубл. 04.12.2017], характеризующийся тем, что вышеуказанный сенсорный элемент помещают в емкость с исследуемой средой с обеспечением прямого непосредственного контакта сенсорной поверхности и исследуемой среды. Затем сенсорный элемент подвергают ТМ-поляризованному оптическому облучению длиной волны λ=400-3000 нм под углом падения θ в диапазоне 15–70° для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. При этом сенсорный элемент намагничивают переменным магнитным полем частотой 10–200 Гц в продольной геометрии. Затем регистрируют интенсивность отраженной от сенсорной поверхности электромагнитной волны при помощи фотоэлектронного умножителя и анализируют с использованием экваториального эффекта Керра. В результате при выявлении сдвига положения минимума относительно шкалы длины волны в спектре отраженной волны по длине волны делают вывод об изменении состава исследуемой среды.
Известные технические решения не подходят для повседневного анализа, так как требуют использования дорогостоящего оборудования и квалифицированный персонал для работы.
Техническим результатом изобретений является расширение арсенала технических средств для определения доксициклина в водных растворах.
Согласно заявленному техническому решению первый волоконно-оптический сенсор для определения доксициклина в водных растворах содержит оптическое волокно из кварцевого стекла длиной не менее 10,5 см, поверхность средней части которого длиной 1 см выполнена с нанесенным слоем золота толщиной 40 нм, и ограничена с двух сторон оболочкой из фторопласта, причем концы оптического волокна являются участками ввода и вывода излучения.
6
4
4
Согласно другому техническому решению второй волоконно-оптический сенсор для определения доксициклина в водных растворах, содержит оптическое волокно из кварцевого стекла длиной не менее 10,5 см, поверхность средней части которого длиной 1 см выполнена с нанесенным слоем золота толщиной 40 нм, покрытым сверху металлоорганической каркасной структурой толщиной 20 нм с формулой ZrO(OH) в качестве лиганда c 1,4-benzodicarboxylic acid (UIO-66), и ограничена с двух сторон оболочкой из фторопласта, причем концы оптического волокна являются участками ввода и вывода излучения.
В первом и втором волоконно-оптическом сенсоре для определения доксициклина в водных растворах оптическое волокно из кварцевого стекла выполнено диаметром 200 мкм, а оболочка из фторопласта выполнена диаметром 500 мкм.
Способ изготовления первого волоконно-оптического сенсора для определения доксициклина в водном растворе заключается в том, что сначала термическим разложением удаляют оболочку из фторопласта с концов отрезка многомодового оптического волокна и с его средней части длиной не менее 1 см. Полученную заготовку промывают деионизированной водой, ацетоном и метанолом, сушат в течение не менее 60 минут в эксикаторе. Затем на освобожденную от оболочки поверхность кварцевого стекла, расположенную в средней части оптического волокна, наносят слой золота толщиной не менее 40 нм.
6
4
4
Способ изготовления второго волоконно-оптического сенсора для определения доксициклина в водном растворе заключается в том, что термическим разложением удаляют оболочку из фторопласта с концов отрезка многомодового оптического волокна и с его средней части длиной не менее 1 см. Полученную заготовку промывают деионизированной водой, ацетоном и метанолом, сушат в течение не менее 60 минут в эксикаторе. Затем на освобожденную от оболочки поверхность кварцевого стекла, расположенную в средней части оптического волокна, наносят слой золота толщиной не менее 40 нм, на который прививают 4-карбоксифенильные органические группы –Ph-COOH, путем погружения части сенсора  с  нанесенным слоем золота в 5 mM водный раствор 4-карбоксибензолдиазоний тозилата на 20 мин. Полученное покрытие на поверхности слоя золота промывают водой, этанолом и ацетоном, и сушат в эксикаторе при комнатной температуре в течение не менее 3 часов. После этого заготовку погружают в раствор маточной жидкости металлоорганической каркасной структуры с формулой ZrO(OH) в качестве лиганда c 1,4-benzodicarboxylic acid (UIO-66) на 10 дней. По   истечении этого времени заготовку извлекают, промывают диметилформамидом, хлороформом и сушат в вакууме в течение не менее 3 часов.
При изготовлении первого и второго волоконно-оптического сенсора на освобожденную от оболочки поверхность кварцевого стекла, расположенную в средней части оптического волокна, наносят слой золота методом магнетронного распыления при cиле тока 40 mA, расстоянии до мишени в 15 см, в течение времени распыления 420 сек.
1
2
рез
2
1
рез
Способ определения доксициклина в водном растворе заключается в  том, что используют первый и второй волоконно-оптические сенсоры, которые последовательно помещают сначала в дистиллированную воду, а затем в исследуемый раствор так, чтобы поверхность сенсора с нанесенным слоем золота и поверхность сенсора с металлоорганической каркасной структурой была погружена в воду/исследуемый раствор. Причем при каждом погружении через один конец оптического волокна в течение 5 мин пропускают свет с длиной волны 300–1200 нм и измеряют спектр пропускания на другом конце оптического волокна. По измеренным спектрам пропускания определяют положения максимумов абсорбционного пика. Определяют разницу ∆λв положении максимумов абсорбционного пика спектра пропускания первого волоконно-оптического сенсора в  дистиллированной воде и в исследуемом растворе и разницу ∆λв положении максимумов абсорбционного пика спектра пропускания второго волоконно-оптического сенсора в дистиллированной воде и в исследуемом растворе. По полученным данным определяют ∆λ = ∆λ - ∆λ, используя полученное значение ∆λ определяют содержание доксициклина в водном растворе по градуировочному графику, полученному для дистиллированной воды с заранее известной концентрацией доксициклина.
-6
-10
Предложенная группа изобретений позволяет селективно определять доксициклин в водных растворах с концентрацией от 10 до 10М/л. Для этого не требуется специальная пробоподготовка.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение волоконно-оптического сенсора.
На фиг. 2 изображено сечение волоконно-оптического сенсора.
На фиг. 3 представлена схема расположения волоконно-оптического сенсора при проведении измерений.
-6
На фиг. 4 представлены абсорбционные спектры волоконно-оптического сенсора, на слое золота которого нет металлоорганической структуры, где кривая 1 – спектр после погружения в дистиллированную воду, пунктирная кривая 2 – спектр после погружения в водный раствор доксициклина с концентрацией 10М.
-6
На фиг. 5 представлены абсорбционные спектры волоконно-оптического сенсора с металлоорганической каркасной структурой UIO-66 на  поверхности золота, где кривая 3 – спектр после погружения в дистиллированную воду и кривая 4 – спектр после погружения в водный раствор доксициклина с концентрацией 10М.
рез
На фиг. 6 показан градуировочный график зависимости ∆λ от концентрации доксициклина в исследуемом растворе при разном времени взаимодействия сенсоров с исследуемым раствором.
6
4
4
Один волоконно-оптический сенсор содержит оптическое волокно 1 из кварцевого стекла диаметром 200 мкм (фиг. 1, 2). На поверхность кварцевого стекла в средней части оптического волокна 1 длиной 1 см нанесен слой золота 2 толщиной 40 нм, который сверху покрыт металлоорганической каркасной структурой (UIO-66) 3 с формулой ZrO(OH) толщиной 20 нм. На поверхности оптического волокна 1, с двух сторон ограничивающей слой золота 2, покрытый металлорганической каркасной структурой 3, выполнена оболочка 4 из фторопласта (сополимер тетрафторэтилена и этилена) диаметром 500 мкм. Концы оптического волокна из кварцевого стекла 1 размерами 0,5 см являются участками ввода 5 и вывода 6 излучения.
Второй волоконно-оптический сенсор содержит оптическое волокно 1 из кварцевого стекла диаметром 200 мкм (фиг. 1). На поверхность кварцевого стекла в средней части оптического волокна 1 длиной 1 см нанесен слой золота 2 толщиной 40 нм. На поверхности оптического волокна 1, с двух сторон ограничивающей слой золота 2, выполнена оболочка 4 из фторопласта (сополимер тетрафторэтилена и этилена) диаметром 500 мкм. Концы оптического волокна из кварцевого стекла 1 размерами 0,5 см являются участками ввода 5 и вывода 6 излучения.
Для изготовления одного волоконно-оптического сенсора берут отрезок многомодового оптического волокна 1 из кварцевого стекла длиной 10,5 см с сердцевиной из кварцевого стекла диаметром 200 мкм и оболочкой 4 из фторопласта диаметром 500 мкм. С концов оптического волокна длиной 0,5 см и с его средней части длиной 1 см методом термического разложения с помощью стандартной газовой горелки удаляют оболочку 4. Полученную заготовку промывают деионизированной водой, ацетоном и метанолом. Сушат в течение 60 минут в эксикаторе. На цилиндрическую очищенную поверхность кварцевого стекла 1 наносят слой золота 2 толщиной 40 нм методом магнетронного распыления на установке Quorum Q300T при следующих параметрах: время распыления - 420 сек; cила тока - 40 mA; расстояние до мишени –15 см.
При изготовлении другого волоконно-оптического сенсора повторяют вышеописанные действия, а затем на полученный слой золота 2 самопроизвольно прививают 4-карбоксифенильные органические группы -Ph-COOHпутем погружения в 5 mM водный раствор 4-карбоксибензолдиазоний тозилата на 20 мин. Полученное покрытие на поверхности слоя золота 2 промывают от избытка соли и продуктов её восстановления водой, этанолом и ацетоном, и сушат в эксикаторе при комнатной температуре в течение 3 часов. После этого заготовку вертикально погружают в раствор маточной жидкости UIO-66 на 10 дней. По истечении этого времени образец промываютдиметилформамидом, хлороформом и сушат в вакууме в течение 3 часа.
6
4
4
В результате получают на слое золота 2металлоорганическую каркасную структуру 3 UIO-66 с формулой ZrO(OH) толщиной 20 нм.
Для определения доксициклина в водном растворе торец одного конца 5 оптического волокна сенсора с нанесенным слоем золота (без металлоорганической каркасной) структуры помещают в SMA-коннектор, который подключают к источнику света 7 (фиг. 3) в качестве которого используют широкополосную лампу AvaLight-DHS (Avantes) (с интервалом излучения от 300 до 1200 нм). Торец другого конца 6 оптического волокна помещают в SMA-коннектор и подключают к спектрометру 8 HR2000 (Ocean Optics), который соединен с компьютером 9 или смартфоном.
В начале на компьютер 9 или смартфон выводят данные со спектрометра 8, которые наблюдают в его программном обеспечении в разделе «Абсорбция». Включают лампу 7 и свет проходит по волоконно-оптическому сенсору 10 в спектрометр 8. Полученный спектр отображается на компьютере 9 в программном обеспечении спектрометра 8. Спектр представляет прямую линию.
Для получения градуировочного графика волоконно-оптический сенсорс нанесенным слоем золота, который помещают в емкость 11 с дистиллированной водой так, чтобы его поверхность покрытая золотом 2 была погружена в воду. Свет с длиной волны 300–1200 нм через один конец оптического волокна проходит по волоконно-оптическому сенсору 10. На другом конце оптического волокна с помощью спектрометра 8 измеряют спектр пропускания. Полученный спектр отображается на компьютере 9 в программном обеспечении спектрометра 8. По спектру (кривая 1 на фиг. 4) определяют исходный максимум абсорбционного пика. Слой золота 2 приводит к появлению плазмонной полосы поглощения, положение которой зависит от показателя преломления окружающей среды.
-6
1
Затем волоконно-оптический сенсор без металлорганической каркасной структуры на слое золота 2 погружают в емкость 11 с  исследуемым раствором, содержащим доксициклин, например, в  концентрации 10 М/л так, чтобы поверхность слоя золота 2 была погружена в раствор. Используя источник света 7, пропускают свет с длиной волны 300–1200 нм через оптическое волокно 1. Изменение показателя преломления раствора вызывает изменение в спектре пропускания оптического волокна. Это приводит к сдвигу максимума абсорбционного пика (пунктирная кривая 2 на фиг. 4). Фиксируют разницу в положении максимума абсорбционного пика в дистиллированной воде и в исследуемом растворе, которая составила ∆λ=2 нм через 5 минут и остается неизменной даже через 10 часов.
Затем берут волоконно-оптический сенсор с металлоорганической каркасной структурой 3 помещают в емкость 11 с раствором дистиллированной воды так, чтобы её поверхность была погружена в воду (фиг. 3). По аналогичной процедуре, используя источник света 7, пропускают свет через оптическое волокно 1. По спектру (кривая 3 на фиг. 5) определяют исходный максимум абсорбционного пика. Слой золота 2 и металлорганическая каркасная структура 3 приводят к появлению плазмонной полосы поглощения, которая также зависит от показателя преломления окружающей среды, однако металлоорганическая каркасная структура 3 поглощает доксициклин из раствора при его наличии, что приводит к значительному изменению показателя преломления вокруг слоя золота 2.
-6
2
2
2
2
Далее этот же волоконно-оптический сенсор с металлоорганической каркасной структурой 3 погружают в емкость 11 с исследуемый раствором, содержащим доксициклин в концентрации 10 М/л так, чтобы поверхность с металлоорганической каркасной структурой 3 была погружена в раствор. По аналогичной процедуре, используя источник света 7, пропускают свет через оптическое волокно 1. Доксициклин поглощается металлоорганической каркасной структурой 3 из раствора, что вызывает изменение в спектре пропускания оптического волокна 1. Это приводит к сдвигу максимума абсорбционного пика (кривая 4 на фиг. 5). Фиксируют разницу в положении максимума абсорбционного пика в дистиллированной воде и в исследуемом растворе, которая составила ∆λ=9,9 нм через 5 минут, ∆λ=12,7 нм через 5 часов, ∆λ=14,4 нм через 10 часов и достигла сатурационного плато через 16 часов в значении ∆λ=14,9 нм, что говорит о насыщении UIO-66.
рез
2
1
-6
По полученным данным построен градуировочный график зависимости ∆λ=∆λ-∆λ разницы максимумов абсорбционных пиков в водном растворе доксициклина и в дистиллированной воде для волоконно-оптического сенсора с металлоорганической каркасной структурой и волоконно-оптического сенсора без металлоорганической каркасной структуры для разного времени насыщения (фиг. 6, кривая для концентрации 10М).
Пример 1.  Определение доксициклина в водном растворе с неизвестной концентрацией.
1
Берут волоконно-оптический сенсор без металлоорганической каркасной структуры 3 на слое золота 2 и погружают в емкость 11 с  исследуемым раствором так чтобы поверхность слоя золота 2 была погружена в дистиллированную воду. Используя источник света 7, пропускают свет через оптическое волокно 10. Через 5 минут c помощью спектрометра 8 фиксируют на компьютере 9 положение максимума абсорбционного пика 595 нм. Затем волоконно-оптический сенсор без металлоорганической каркасной структуры 3 на слое золота 2 помещают в исследуемый раствор, так чтобы поверхность слоя золота 2 была погружена в раствор и фиксируют разницу в положении максимума абсорбционного пика в дистиллированной воде и в исследуемом растворе через 5 минут после погружения. Разница составила ∆λ =1,1 нм.
2
Затем берут волоконно-оптический сенсор с металлоорганической каркасной структурой 3 и помещают его в емкость 11 с раствором дистиллированной воды так, чтобы поверхность 3 была погружена в воду. Используя источник света 7, пропускают свет через оптическое волокно 10. Фиксируют положение максимума абсорбционного пика на компьютере 9, которое составило 642 нм. Затем волоконно-оптический сенсор с металлоорганической каркасной структурой 3 помещают в исследуемый раствор так, чтобы поверхность 3 была погружена в него и фиксируют разницу в положении максимума абсорбционного пика в дистиллированной воде и в исследуемом растворе, через 5 минут после погружения. Разница составила ∆λ = 7,2 нм.
рез
-8
По полученным данным определили ∆λ= 6,1 нм. Содержание доксициклина определили по градуировочному графику (фиг. 6). Градуировочный график показал содержание доксициклина 10 М/л.
Пример 2.
1
Аналогично примеру 1 измеряют спектр пропуская волоконно-оптического сенсора без металлоорганической каркасной структуры 3 на слое золота 2 и измеряют спектр пропускания оптического волокна, по которому определяют разницу в положении максимума абсорбционного пика в дистиллированной воде и в исследуемом растворе с неизвестной концентрацией доксициклина через 5 минут после погружения. Разница составила ∆λ = 1,1 нм.
2
рез
2
2
Затем берут волоконно-оптический сенсор с металлоорганической каркасной структурой 3 и помещают его в емкость 11 с раствором дистиллированной воды так, чтобы поверхность 3 была погружена в воду. Используя источник света 7, пропускают свет через оптическое волокно 10. Фиксируют положение максимума абсорбционного пика на компьютере, которое составило 642 нм. Затем поверхность 3 погружают в исследуемый раствор и измеряют спектр пропускания волокна, по которому определяют разницу в положении максимума абсорбционного пика в дистиллированной воде и в исследуемом растворе через 5 минут после погружения. Разница составила ∆λ = 1,1 нм. Так как в этом случае ∆λ= 0, то снова берут этот же волоконно-оптический сенсор с металлоорганической каркасной структурой 3 и на 48 часов помещают его в емкость 11 с исследуемым раствором так, чтобы поверхность с металлоорганической каркасной структурой 3 была погружена в раствор. После этого снова измеряют спектр пропускания в  исследуемом растворе. ∆λопределяют исходя из данных положения максимума абсорбционного пика, полученного в начале эксперимента и положения максимума абсорбционного пика, полученного из спектра пропускания волокна через 48 часов нахождения в исследуемом растворе. Разница составила ∆λ = 3,7 нм.
рез
-10
По полученным данным определяют ∆λ= 2,6 нм. Содержание доксициклина определяли по градуировочному графику. Градуировочный график показал содержание доксициклина 10 М/л.
Значения насыщения для более высоких концентраций доксициклина, а также градуировочные графики (фиг. 6) позволяют оперативно проводить мониторинг и измерения присутствия доксициклина в водных растворах и его концентрации с помощью представленного способа.
После использования волоконно-оптические сенсоры промывают водой и хлороформом и сушат в вакууме в течение 3 часов. После этого сенсоры готовы к повторному использованию. Повторять процедуру промывки и дальнейшего использования сенсоров можно не более 10 раз.