Дослідження механізму електрохімічного окислення, швидке та низькорівневе визначення для відбілюючої косметики: арбутин у водному розчині за допомогою наносепіолітової глини

Контакти:joanna.jia@wecistanche.com/ WhatsApp: 008618081934791

Севда Айдар Барутчу1 · Ділек Ескікёй Байрактепе2 · Зехра Язан2 · Камран Полат2 · Хаяті Філік1

Анотація

Арбутин(AR) є одним із важливих хімічних агентів, який не має побічних ефектів у косметичному застосуванні, який все ще має біологічне значення та зростаючий інтерес доарбутинв косметичній промисловості. Електрохімічні датчики привернули велику увагу через їх високу чутливість, простоту та швидкість. У цій роботі було розроблено та підтверджено електроаналітичний метод для кількісного визначення AR на електродах із вуглецевої пасти з наносепіоліту та глини. ЕлектрохімічнийокисленняМеханізм АР також досліджувався у водному середовищі. Електрод із модифікованої вуглецевої пасти з наносепіолітової глини використовувався як швидкий та низькорівневий електрохімічний датчик для визначення АР. Електрохімічні реакції AR порівнювали на поверхнях голого електрода та електрода, модифікованого вугільною пастою, модифікованого наносепіолітом, використовуючи циклічний вольтамперометричний метод у буферному розчині BR. Результати показали чудову електрокаталітичну ефективність при піковому струмі AR на модифікованому вугільному електроді. Умови очищення та експериментальні параметри (рН, вплив вмісту модифікатора, потенціал накопичення та час) були оптимізовані для отримання найкращихокисленнясигнал АР. За оптимізованих умов були отримані лінійні калібрувальні криві в діапазоні концентрацій {{0}}.0362–80,0 мкМ (з межею виявлення 10,8 нМ) за допомогою прямокутної адсорбційної вольтамперометрії. Метод успішно застосований для визначення АР у зразку косметичного крему Tritone. Таким чином, ця робота підтверджує, що електрохімічні датчики можуть бути потенційним майбутнім кандидатом на швидкий, чутливий, низькорівневий і відтворюваний аналіз.

Ключові слова:Арбутин, Сепіолітова глина, Електрод з вугільної пасти, Косметичний крем, Вольтамперометрія

Цистанхеє антиоксидантом

вступ

Арбутин(AR) – це гідрохінон- -d-глюкопіранозид, видобутий із рослини мучниці. Він міститься у високих концентраціях у багатьох видах лікарських рослин, зокрема в родині Ericaceae (Pavlović et al. 2009). Арбутин може запобігти утворенню меланіну шляхом інгібування важливого ферменту тирозинази (Parvez et al. 2007). AR використовувався в багатьох скінахвідбілюваннякосметичні засоби. Косметичний ефект цієї глікозидної структури менший, ніж гідрохінону, але його токсичність відносно низька, а його розчинність у воді висока порівняно з гідрохіноном, якщо він не повністю видалений. Завдяки цим властивостям часто використовуються багато косметичних засобів для відбілювання шкіри та видалення пігменту (Libánský та ін. 2011; Mehrabi та ін. 2021; Shih та Zen 2000).

Депігментуючий ефектарбутинПовідомлялося, що він знижує перетворення тирозину в меланін шляхом інгібування тирозинази і, таким чином, зниження біосинтезу меланіну. Меланін — це темний біологічний пігмент, який зазвичай міститься в шкірі, волоссі, оболонках очей, деяких частинах мозку та в деяких продуктах, які називаються меланіном. У меланоцитах, які є клітинами, що продукують меланін, інгібування ферменту тирозинази, що каталізує перетворення тирозину в меланін, пригнічує вироблення пігменту меланіну. AR, одна з небагатьох сполук, які виявляють бажанувідбілюванняефекту, є кращим через канцерогенну дію гідрохінону, найефективнішого відбілювача (Libánský et al. 2011). Оскільки концентрації відбілюючих речовин, які повільно вбираються в кров шкіри, були обмежені в косметичних продуктах, вони можуть не досягати порогових концентрацій (Degen 2016). Тому визначення ввідбілюваннятаких агентів, як арбутин, гідрохінон і койєва кислота, у косметиці є важливими для контролю якості та безпеки.

Косметика — це складні зразки, і для визначення косметичних аналітів можна використовувати багато методів, у тому числі газову хромато-мас-спектрометрію (Chisvert та ін. 2010), капілярний електрофорез (Lin та ін. 2007), рідинну хромато-мас-спектрометрію (Kim та ін. 2018), електрохімії (Shahamirifard and Ghaedi 2019; Shih and Zen 2000) і методів високоефективної рідинної хроматографії (Huang et al. 2004). У порівнянні з цими методами, електрохімічні методи прості, швидкі, точні, економічні, а споживання органічних розчинників нижче (Gupta та ін. 2011; Hoyos-Arbeláez та ін. 2017). Крім того, електрохімічні сенсори мають великий потенціал для вибіркового та чутливого аналізу хімічних і біологічних аналітів завдяки простоті експлуатації, економічності та високій різноманітності електродних матеріалів (Karimi-Maleh et al. 2020, 2019).

Сучасні електрохімічні сенсори працюють в системі, яка містить три електроди (референтний, допоміжний і робочий). Серед них робочий електрод є найважливішим, оскільки окислювально-відновні реакції відбуваються між розчином і межею розділу робочого електрода. Різні типи робочих електродів, такі як ртутні (Christie та ін. 1977), електроди на основі металу (Masek та ін. 2011) і вуглецю (Yazan та ін. 2018; Erden та Yazan 2018) використовувалися у вольтамперометрії. аналіз за роки. Вугільні електроди, зокрема електроди з вугільної пасти, мають широкий діапазон потенціалів, тривалу стабільність, низький фоновий струм, відтворюваність, процедуру оновлення поверхні та легкість модифікації (Bayraktepe та ін. 2016; Švancara та ін. 2001). Для покращення чутливості та вибірковості вольтамперометричного сигналу на електроді з вугільної пасти деякі матеріали, наприклад, наночастинки (Ardakani та ін. 2008), вуглецеві нанотрубки (Afkhami та ін. 2014), іонні рідини (Shabani-Nooshabadi та Roostaee 2016), були використані деякі глинисті мінерали (Bayraktepe et al. 2015; Sathisha et al. 2012) тощо. Сепіоліт, один із глинистих мінералів, забезпечує адсорбцію органічних речовин на поверхні електрода та підвищує електропровідність робочого електрода (Pekin et al. 2017).

Представлена ​​робота спрямована на розробку чутливого, селективного, простого адсорбційного вольтамперометричного методу (AdsSWV) для визначенняарбутинв косметичній продукції. Для цієї мети використовувався електрод із модифікованої сепіолітовою глиною вуглецевої пасти (Clay/CPE) із використанням таких переваг, як низький фоновий струм, широке потенційне вікно, високі адсорбційні властивості, легке використання та відновлення поверхні. Незважаючи на те, що в літературних звітах було шість вольтамперометричних досліджень щодо AR (Blasco та ін. 2004; Butwong та ін. 2020; Libánský та ін. 2011; Liu та ін. 2008; Shahamirifard та Ghaedi 2019; Shih та Zen 2000), у У цьому дослідженні розроблений датчик Clay/CPE пропонує найнижчі межі виявлення та найширший лінійний робочий діапазон для AR.

cistanche відгуки

Експериментальний

Реактиви та апаратура

Усі розчинники, AR, сепіолітова глина, графітовий порошок і мінеральне масло були поставлені від Sigma-Aldrich, а інші використані хімікати мали аналітичну чистоту. Базовий розчин АР (10× 10–3 моль/л) готували шляхом розчинення твердого АР у воді. Приготований матковий розчин зберігають у холодильнику при температурі плюс 4 град. Як опорний електроліт використовували буфер Бріттона-Робінсона 0,04 моль/л.

Усі електрохімічні вимірювання [циклічна вольтамперометрія (CV), квадратно-хвильова вольтамперометрія (SWV) та спектроскопія електрохімічного імпедансу (EIS)] проводилися за допомогою CHI 660C (із США, Техас) і C3 клітинного стенду (Bioanalytical Systems, Inc., США, BASi). Ag/AgCl (в 3.0 моль L−1 NaCl, BAS MF-2052) використовувався як електрод порівняння, Clay/CPE, а датчики CPE використовувалися як робочі електроди та як допоміжні. електрод, використовувався платиновий дріт (BAS MW-1032). Перед усіма аналізами рН вимірювали рН/ОВП-метром HANNA Instruments HI2211. Для калібрування рН-метра використовували буфери зі значеннями рН 4.0, 7.0 і 10,0. Подвійну дистильовану воду подавали в систему mpMINIPure. Усі аналізи проводили при 25 градусах.

Процедура підготовки датчика

30 мг порошку графіту та 10 мкл мінерального масла змішували в чашці Петрі шпателем для приготування CPE. Що стосується приготування CPE, модифікованих сепіолітовою глиною, сепіолітову глину та порошок графіту змішували в різних пропорціях, потім додавали мінеральне масло (10 мкл). Масові співвідношення сепіолітової глини в суміші змінювалися від 3,3 до 10 відсотків. Електричне підключення здійснюється за допомогою мідного дроту. Поверхню підготовлених датчиків зачищають гладким папером. Перед усіма експериментами очищали поверхню модифікованих сенсорів CPE шляхом промивання сумішшю вода-етанол (1:1) (Aydar et al. 2018).

Аналітична процедура

У всіх експериментальних дослідженнях використовувався основний розчин AR (1.0× 10–3 моль/л). У всіх вольтамперометричних методах електроліт (0.04 моль L-1 BR буфер (pH 2,0) і основний розчин AR додавали в електрохімічну комірку загальним об’ємом 10,0 мл.

В електрохімічну комірку занурювали робочий електрод, електрод порівняння та протидіючий електрод. Надчистий азот (99,99 відсотка чистоти) становить ~1 хвилину перед кожним аналізом і ~30 с між кожним вимірюванням. Нарешті, вольтамперограмми були записані у вікні потенціалу 0.5–1.0 V за допомогою AdsSWV. Параметри пристрою для AdsSWV: амплітуда: 0.025 В, частота 20 Гц, діапазон потенціалів 0.5–1,0 В, а для EIS: амплітуда: 0,005 В, частотний діапазон: 0,05–105 Гц і графіки Найквіста були записані під потенціалом відкритого ланцюга.

Приготування проби крему

100,0 мг зразка крему Tritone (крем містить 2 відсоткиарбутин2% койєвої кислоти, 2% аскорбінової кислоти, 6% гліколевої кислоти та 0.1% глабридину) зважували та розчиняли в ультразвуковій ванні протягом 15 хвилин з деякою кількістю дистильованої води, і загальний об’єм доводили до 10 мл з дистильованою водою. Приготували розчин, що містить 7,4 × 10–4 моль Л−1 АР. Цей розчин витримували протягом ночі при плюс 4 градусах і відбирали з прозорої частини розчину у відповідних об’ємах і розбавляли в електрохімічній комірці буфером рН 2,0 BR.

Результати і обговорення

Характеристика електрода з вуглецевої пасти, модифікованої сепіолітом

Електрохімічні характеристики CPE, модифікованих голою та сепіолітовою глинами, проводилися за допомогою методів CV та EIS. На рис. S1a і b показано CV-криві (ʋ: 0.050 В/с) і графіки Найквіста для 5.0 мМ Fe(CN)63 −/4− у 0.1 М розчині KCl з використанням немодифікованого та модифікованого CPE-електродів із сепіолітової глини відповідно. Відповідно до рис. S1a видно, що, коли CPE модифіковано сепіолітовою глиною, як анодний, так і катодний пікові струми Fe(CN)63−/4− збільшуються (приблизно в 12-раз для анодного та в 1 раз. 1-раз для катодних пікових струмів), а потенціал розділення від амплітуди до піку (∆Ep) різко зменшується (приблизно 0.22 В). Відповідно, графіки Найквіста на рис. S1b представляють нижче значення Rct для Clay/CPE (приблизно 205{{30}} Ω), ніж немодифікований CPE (приблизно 4{{35} }82 Ω), що вказує на швидкий перенос електронів на електроді з модифікованої вуглецевої пасти з сепіолітової глини (Aydar et al. 2018). Крім того, площі активної поверхні CPE та Clay/CPE електродів були розраховані за допомогою рівняння Рендлса–Севчіка шляхом CV-вимірів 5,0 мМ Fe(CN)63−/4− у 0,1 M KCl при різних швидкостях сканування, і було встановлено, що вони становлять 0,08 ( ± 0,002) см2 та 0,09 (± 0,001) см2 для CPE та Clay/CPE відповідно (Bayrak tepe та ін. 2016; Elyasi та ін. 2013; Aydar та ін. 2018). Результати показали, що площа активної поверхні була збільшена після модифікації електрода, що призвело до вищого відгуку анодного пікового струму розробленого електрохімічного датчика.

Електрохімічна поведінка АР

Електрохімічна поведінка 5.0× 10–5 мкмоль L−1 AR на оголеній і модифікованій глиною поверхні електродів при швидкості сканування 0.1 В/с і (плюс 0,5) –( плюс 1,2) діапазон потенціалу досліджено методом CV. Як показано на рис. 1, одинокисленняпікарбутинвідбулося приблизно за {{0}}.834 В. У порівнянні з CPE було помічено, що піковий потенціал AR (0.834 В) змістився до більш негативних значень за Clay/CPE ( 0,790 В), а піковий струм AR збільшився приблизно в 14-раз. Результати показали, що сепіолітова глина мала електрокаталітичний ефект на електроокислення AR.

Оптимізація вмісту сепіолітового електроду

Визначено оптимальний вміст сепіолітової глини для виготовлення модифікованого електрода. Для цього готували модифіковані глиною електроди з вмістом глини 3,3; 5.0; 6,7; 8.3; 1{{10}}.0 відсотків (Пекін та ін. 2017; Байрактепе та ін. 2019). Вольтамперограмми записували CV-методом зі швидкістю сканування 0,1 В с−1 у буферному розчині БР рН 2,0, що містить 1,0×10–5 моль Л−1 АР. Як видно на рис. 2, піковий струм AR зменшився після відсотка сепіолітової глини 5,0%. З цієї причини оптимальна кількість сепіолітової глини, яка використовується для приготування CPE, модифікованого глиною, була обрана як 5,0 відсотка.

Вплив pH

Щоб дослідити електрохімічну поведінку AR на поверхні Clay/CPE, були виміряні піковий струм і пікові потенціали при різних значеннях pH. Оптимізацію pH проводили за допомогою буфера Бріттона-Робінсона (BR) (pH 2.0–6.0). Для цього був підготовлений буфер 0.04 M BR і вимірювання пікового струму АР зареєстровано методом CV (рис. 3).

Під час вивчення графіка pH—ip було видно, що піковий струм при значенні pH 2.0 був найвищим, а пікові струми поступово зменшувалися зі збільшенням pH при pH 6.0. З цієї причини найбільш підходящим рН для використання в дослідженнях розробки методу визначення AR було обрано 2.0.

Для вивчення електрохімокисленнямеханізму АР використано методику CV. Кількість електронів, переданих (n) при електроокисленні AR, було розраховано за допомогою наступного рівняння. (1):

Тут Eap – анодний піковий потенціал, Eap/2 – напівпіковий потенціал, – коефіцієнт переносу електронів. Для незворотного процесу приймається 0.5. Кількість електронів, переданих у цьому дослідженні (n), було розраховано як 2,32 (n=2,32).

Співвідношення між піковим потенціалом і логарифмом швидкості сканування можна визначити за допомогою наступного рівняння. (2), який виражено Лавіроном (Буккітгар та ін. 2015; Шетті та ін. 2018),

де E{{0}} — формальний окисно-відновний потенціал, — коефіцієнт переносу, F — стала Фарадея, n — число перенесених електронів, а k0 — стандартна константа швидкості. E0 було визначено з перетину графіка Ep від ʋ шляхом екстраполяції лінії ʋ=0, а E0 становило 0,738 В. Тоді k{ {13}} було розраховано як 2,6 × 104 с−1. Співвідношення між потенціалом анодного піку, Eap та pH було знайдено таким чином: Eap=−0,0229 pH плюс 0,8444 (R{ {17}}.995).

Нахил 0.0229 дляокисленняпік близький до половини теоретичного нернстівського значення 0.059 (David et al. 2016). З цим результатом можна вважати, що кількість електронів, переданих у механізмі окислення AR, дорівнює подвоєній кількості протонів.

Органічну сполуку {{0}}метоксифенолу з хімічною структурою, як AR (таблиця S1), досліджено в 0.04 M BR (pH 2.0) розчину на електроді Clay/CPE у тому ж діапазоні потенціалу. Як показано на рис. S2, з точки зору електрохімічної форми та властивостей 4-метоксифенолу та AR показали подібні реакції з чітко вираженим піком у 0.04 М розчині BR (pH 2,0) в потенцiалах 0,698 та 0,811 В вiдповiдно. Крім того, різниця в потенціалі окислення AR, ймовірно, має більш позитивний потенціал через стеричних перешкод, спричинених його геометричною структурою, ніж сполука 4-метоксифенолу (Pavitt та ін. 2017; Ohkatsu and Suzuki 2011). Розглядаючи отримані результати, ми можемо припустити, що наші можливіокисленняреакція (наведена на схемі 1) може відбуватися з фенольного фрагмента в AR, як 4-метоксифенол (Enache and Oliveira-Brett 2011; Nady et al. 2017).

цистанчевідбілюючий ефект на шкіру до антиоксидантної

Вплившвидкості сканування

Електрохімічні властивостіокисленнядосліджено пік АР. Для цього були записані вольтамперограмми в діапазоні {{0}}.005–0.5 В/с швидкість сканування та наявність 1.0× 10–5 М АР (pH 2,0 BR буфер) методом CV (рис. 4). Як показано на рис. 4, піку зниження AR не виявлено; спостерігався лише один анодний пік приблизно 0,8 В. Таким чином, можна сказати, що пік окислення AR на поверхні електрода Clay/CPE демонструє необоротну окисно-відновну поведінку (Nady et al. 2017). Щоб проаналізувати електрохімічний процес AR, графік logip–logʋ був побудований за допомогою методу CV, і значення нахилу графіка logip–logʋ було отримано приблизно 0,43 дляокисленняпік AR, можна сказати, щоарбутинпереноситься на поверхню електрода шляхом дифузії (Allen and Larry 2001).

Розробка аналітичного методу

Для визначення AR порівнювали метод SWV–AdsSWV на поверхні електрода Clay/CPE. Отримані вольтамперограмми наведено на рис. S3. Було помічено, що піковий потік АР збільшився в методі адсорбційної десорбції. Можна сказати, що хочаарбутинпереноситься на модифіковану поверхню електрода шляхом дифузії, він прикріплюється до поверхні електрода шляхом адсорбції.

Крім того, за наявності AR на поверхні Clay/CPE було проведено п’ять циклів за допомогою методу CV. Помічено, що першеокисленняпік був значно вищим, ніж інші, і висота піку поступово зменшувалася з другим циклом. Це зменшення, яке спостерігається в піках, підтверджує ідею, що приєднання AR до поверхні Clay/CPE електроду шляхом дифузії здійснюється шляхом адсорбції (рис. S3B) (Nady та ін. 2017). У цьому контексті дослідження методу визначення AR на поверхні Clay/CPE проводилися з використанням методів адсорбційного видалення.

Оптимізація умов експерименту

Значення потенціалу осадження та часу осадження були оптимізовані відповідно до цих параметрів пристрою для AdsSWV: амплітуда: {{0}}.025 В, частота 20 Гц, розчини AR 1,0×10 –5моль Л−1 в діапазоні потенціалів (0,5)–( плюс 1,0) В.

Для AdsSWV потенціал осадження змінювався в діапазоні {{0}}.0–1.0 V. Це можна побачити на рис. 5a, оптимальне значення осадження потенціал був обраний як 0.3 В. Подібні випробування для часу осадження проводилися при значенні потенціалу 0.3, а час осадження коливався від 0.0 до 80 с. Результати наведено на рис. 5b для AdsSWV. Оптимальним значенням часу осадження було обрано 15 с.

Калібрувальні дослідження та валідація оптимізованих методів

Для розробки методу AdsSWV для визначення AR були створені калібрувальні графіки в оптимальних умовах, визначених на поверхні Clay/CPE. У дослідженнях розробки методу на поверхні Clay/CPE концентрація AR була змінена, і для кожної концентрації вимірювалися пікові струми. Отримані вольтамперограмми та згенеровані калібрувальні графіки наведені на рис. 6.

Наведені результати на рис. 6 показують ідеальну лінійну залежність між iap і CAR. Лінійні рівняння для AdsSWV наведено нижче: iap(휇A)=0.0499CAR − 0,0027, R2=0.9994 (вставка на рис. 6)

Для розрахунку значень LOD і LOQ були використані такі рівняння: LOD=3s/m, LOQ=10s/m (3)

Тут s є стандартним відхиленням для досліджуваної концентрації AR (3.0× 10–7 моль L−1), а m є нахилом калібрувального графіка. Згідно з цими рівняннями, значення LOD і LOQ були знайдені як 0.0108 і 0.0362 мкмоль L-1 для AdsSWV, відповідно (Таблиця 1). Згідно з нашими літературними даними, ці значення LOD і LOQ є найнижчими результатами, знайденими на сьогодні (табл. 2).

Параметри перевірки запропонованих нових методів (Таблиця 1) і порівняльна таблиця інших літературних звітів про AR (Таблиця 2) з нашим новим вольтамперометричним датчиком (Clay/CPE) наведені вгору:

Щоб визначити стабільність електрода, було досліджено термін придатності Clay/CPE. Сигнали AR були записані в різні дні, і через десять днів виявилося, що сигнал датчика зберіг 96,4 відсотка свого початкового значення для AdsSWV. Під час усіх експериментів нещодавно розроблений датчик підтримувався при температурі плюс 4 градуси.

Втручання

Вплив деяких електроактивних речовин, які можна знайти в косметичних кремах, було досліджено за допомогою вольтамперометричного методу, розробленого з використанням Clay/CPE електрода для визначення AR. Коли концентрація іонів Na plus, Mg2 plus, K plus, Co2 plus, Fe3 plus, Cu2 plus, Ni2 plus була додана в 100 разів більше, ніж концентрація AR, значних змін поточних значень не спостерігалося. Однак, коли концентрації сечової кислоти, аскорбінової кислоти, фенолу та резорцину додавали десять разів,окисленняпік цих видів збігся з варбутинпік, що призводить до занадто великої різниці в значеннях струму та ефекті перешкод.

Аналіз реального зразка та відновлення

Щоб визначити точність розробленого методу визначення AR на Clay/CPE, було проведено дослідження відновлення з кремом Tritone, що містить 2.0 відсотківарбутинза допомогою методу прямого калібрування. Таблиця 3 показує дані, отримані в результаті дослідження відновлення, проведеного при різних концентраціях. Згідно з результатами аналізу, значення відновлення для методу AdsSWV коливаються від 98,68 до 104,06 відсотка. Ці результати показують, що розроблений метод може бути успішно застосований у зразках, що містять AR, без втручання інших інгредієнтів у зразок крему Tritone.

Висновки

Електрохімічнийокисленнямеханізм і поведінка АР, шкірвідбілюваннякосметичні, досліджували методом циклічної вольтамперометрії. Низький рівень, швидкий, недорогий електроаналітичний метод був розроблений для визначення AR у зразку косметичного крему. Електрод із наносепіолітової глини/CPE використовувався для визначення AR у розчині 0.04 M BR (pH 2,0) запропонованим вольтамперометричним методом AdsSW. Наносенсор Clay/CPE продемонстрував високу чутливість і хорошу електрокаталітичну активність щодо електроокислення AR. Значення LOD і LOQ були 10,8 і 36,2 нМ на модифікованому наносенсорі Clay/CPE відповідно. Запропонований метод демонструє не тільки найнижче виявлення ультраслідів AR, але також застосовується для кількісного визначення AR у зразку косметичного крему із задовільним відновленням (101,47 відсотка).

cistanche бодібілдінг