Определение состава основных катионов в соках и нектарах методом капиллярного зонального электрофореза

Резюме

Предложена методика определения содержания катионов калия, натрия, кальция и магния методом капиллярного зонального электрофореза (с использованием катионов лития в качестве внутреннего стандарта) в соках и нектарах. Подобраны оптимальные условия электрофоретического разделения: pH рабочего буферного раствора (pH 3,6), концентрация имидазола (контрастное вещество, 15-20 ммоль/дм3 ), концентрация 18-краун-6 эфира (2 ммоль/дм3 ). Методика апробирована на 15 образцах соков и нектаров. Проведено сравнение полученных результатов определения катионов калия и магния с результатами определения методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Уравнение линейной регрессии и коэффициент достоверности аппроксимации при определении катионов магния были определены как: y=0,999x+3,29; R=0,952; при определении катионов калия: y=0,959x+51,94; R=0,997; что свидетельствует о хорошей корреляции между данными, полученными этими методами.

Ключевые слова:капиллярный зональный электрофорез, неорганические катионы, калий, магний, соковая продукция

Вопр. питания. - 2014. - № 1. - С. 74-79.

Актуальной проблемой гигиены питания является обеспечение населения адекватным количеством макроэлементов, в частности калия, кальция и магния. Одним из источников данных минеральных веществ являются фрукты и продукты их переработки. Кроме того, содержание катионов калия и натрия регламентируется СанПиН 2.3.2.1078-01 как показатель подлинности соков. Для оценки качества соков, а также определения вклада соков в обеспечение населения этими минеральными элементами необходимо использовать современные аналитические методы. Традиционно для определения минерального состава фруктовых соков применяется метод атомно-адсорбционной спектрометрии (например, ГОСТ Р 51429-99), который имеет ряд недостатков: сравнительная сложность и дороговизна аппаратурного оформления, трудоемкость. Альтернативным методом определения минерального состава может выступать метод капиллярного электрофореза, к достоинствам которого можно отнести относительную простоту аппаратурного оформления, невысокую стоимость, возможность совместного определения нескольких катионов, сравнительную экологичность. Однако у данного метода присутствуют и недостатки: необходимость точного воспроизведения состава буферного раствора, возможные значительные отклонения в объеме при вводе пробы [1, 2, 4, 7].

Целью данной работы явилась разработка метода качественного и количественного определения катионов калия и натрия во фруктовых соках с помощью капиллярного зонального электрофореза (КЗЭ).

Материал и методы

Исследование проводили на системе для капиллярного электрофореза "Agilent 3D CE" (США) с диодно-матричным детектором. Сравнительное определение катионов калия проводили на массспектрометре с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) ICP-MS серии 7700x (G 3281 A) производства фирмы "Agilent Technologies" (Япония) [3].

Для регистрации, обработки данных и определения параметров разделения использовали программное обеспечение "Agilent Chemstation B.04.03" (США).

Центрифугирование проводили на центрифуге "Eppendorf 5418" (Eppendorf, Германия).

Использовали реактивы: натрия хлорид (х.ч.), калия хлорид (х.ч.), кальция хлорид (ч.), магний хлористый 6-водный (х.ч.), лития ацетат 2-водный (х.ч.), вода деионизированная (сопротивление 18 Мом), имидазол (содержание основного вещества ≥99,5%, импортный), 18-краун-6 эфир (содержание основного вещества ≥99%, импортный), кислота муравьиная (х.ч.).

Информация об объектах исследования представлена в табл. 1.

Таблица 1. Объекты исследования



Условия разделения

Разделение осуществляли на капилляре с общей длиной 64,5 см, эффективной длиной - 56 см, внутренним диаметром - 50 мкм с увеличенным оптическим путем (Agilent G1600-61232, США).

Использовали рабочий буферный раствор следующего состава: 20 ммоль/дм 3 имидазола, 2 ммоль/дм 3 18-краун-6 эфира, рН 3,6 (доводили муравьиной кислотой).

Ввод пробы: гидродинамический в течение 4 с при давлении 5 кПа. Напряжение: 25 кВ. Детектирование проводили при длине волны 210 нм, длина волны сравнения - 350 нм. Перед проведением анализов капилляр промывали последовательно водой деионизированной в течение 10 мин, раствором щелочи с концентрацией 0,1 моль/дм3 в течение 5 мин, водой деионизированной в течение 10 мин, рабочим буфером в течение 10 мин.

После проведения анализов промывка включала те же этапы, за исключением последнего. Между анализами проводили промывку рабочим буферным раствором в течение 10 мин.

Подготовка проб

Навеску образца (около 1 г) помещали в мерную колбу объемом 100 см3, прибавляли 200 мм3 раствора ацетата лития с содержанием ионов лития 0,5%, затем доводили объем буферным раствором.

После перемешивания пробу центрифугировали в течение 10 мин (с относительной силой центрифугирования около 19 740g) и переносили в виалу объемом 2 см3 .

Количественное определение проводили методом абсолютной градуировки. Для построения градуировочного графика использовали растворы, полученные разбавлениями раствора, содержащего катионы калия (0,05%), кальция (0,02%), натрия (0,02%), магния (0,02%).

Для улучшения воспроизводимости использовали коррекцию по внутреннему стандарту - катионам лития. Выбор катионов лития в качестве внутреннего стандарта обусловлен сравнительно низкой электрофоретической подвижностью данных катионов и вследствие этого хорошим разрешением с исследуемыми катионами.

Результаты и обсуждение

Поскольку определяемые вещества не обладают необходимым поглощением в УФ и видимой областях спектра электромагнитного излучения, мы использовали так называемое непрямое УФдетектирование, при котором зоны веществ регистрируются как области с пониженной концентрацией поглощающего вещества. Для этой цели с учетом данных литературы [4-7] был выбран имидазол, поскольку, помимо необходимого УФпоглощения, он обладает электрофоретической подвижностью, близкой к катионам магния и натрия (что уменьшает размывание зон этих катионов при анализе).

Для выявления оптимальной концентрации имидазола были проведены исследования буферных электролитов с концентрацией имидазола 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40 ммоль/дм3 . Зависимость относительных величин времен миграции, кажущегося числа теоретических тарелок и соотношения сигнал/шум от концентрации имидазола представлены на рис. 1-3 (приведены средние значения 3 определений для каждого типа буфера).

Результаты подбора оптимальной концентрации имидазола (рис. 1-3) показали, что при его низких концентрациях не достигается необходимого разделения катионов магния и натрия, присутствует нестабильность базовой линии. При высоких концентрациях происходит значительное возрастание шума, наблюдается нестабильность базовой линии, теряется эффективность в результате избыточного джоулева разогрева и нарушается разделение катионов кальция и натрия. Подобранная оптимальная концентрация имидазола составила 20 ммоль/дм3 .



Для исследования зависимости эффективности разделения от pH была проанализирована смесь катионов с использованием буферных систем с различными значениями pH. Полученные данные представлены на рис. 4 и 5. При значениях pH менее 3,5, а также в диапазоне 4,5-6,0 наблюдалась нестабильность базовой линии. При росте pH наблюдается уменьшение времен миграции вследствие увеличения скорости электроосмотического потока, однако вследствие уменьшения буферной емкости происходит ухудшение робастности системы.

Оптимальное значение pH было подобрано как близкое к pK a муравьиной кислоты (pK a =3,75) для обеспечения необходимой буферной емкости, стабильности системы, а также для перевода определяемых веществ и имидазола в ионную форму.

Для повышения селективности системы, в частности для разделения катионов аммония и калия, использовали добавление в буферный раствор 18-краун-6 эфира. Было исследовано влияние концентрации 18-краун-6 эфира (0; 0,32; 1; 1,5; 2; 2,5; 4 ммоль/дм3 ) на разделение и разрешение катионов, полученные результаты представлены на рис. 6 и 7. Как следует из этих рисунков, 18-краун-6 эфир селективно взаимодействует с катионами калия, что вызывает увеличение их времени миграции и разделение с катионами аммония.



Рис. 3. Зависимость соотношения сигнала к шуму для разных катионов от концентрации имидазола

Для характеристики предложенной методики были определены линейность и минимальная обнаруживаемая концентрация (табл. 2).

Таблица 2. Параметры оценки методики



Методика была апробирована на 15 образцах соковой продукции. Полученные результаты, а также результаты определения катионов макроэлементов с использованием метода массспектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты определения катионов магния, кальция, натрия и калия в образцах соковой продукции.



По результатам проведенных исследований видно, что 5 исследованных образцов по содержанию натрия не соответствуют требованиям нормативной документации (не более 30 мг/дм3); 2 из них - по содержанию калия. По результатам определения содержания катионов калия и магния в образцах соковой продукции можно сделать вывод о том, что данные, полученные с помощью метода КЗЭ, достаточно хорошо совпадают с результатами, полученными с использованием метода ИСП-МС. Уравнение линейной регрессии и коэффициент достоверности аппроксимации при сравнении результатов, полученных методом КЗЭ и методом ИСП-МС по определению катионов магния, были определены как: y=0,999x+3,29; R=0,952; по определению катионов калия: y=0,959x+51,94; R=0,997; что свидетельствует о хорошей корреляции между этими методами.

Таким образом, результаты определения катионов калия и магния в соковой продукции, полученные методом капиллярного зонального электрофореза (при использовании капилляра с внутренним диаметром 50 мкм) с использованием катионов лития в качестве внутреннего стандарта с концентрацией контрастного вещества имидазола 15-20 ммоль/дм 3 и 18-краун-6 эфира 2 ммоль/дм 3 , pH 3,6, согласуются с результатами определения данных элементов методом ИСП-МС.



Рис. 4. Зависимость электрофоретического поведения исследуемых катионов от pH





Рис. 7. Влияние концентрации 18-краун-6 эфира на относительные величины времен миграции

Литература

1. Богачук М.Н., Бессонов В.В., Передеряев О.И. Методика количественного определения водорастворимых витаминов в витаминных премиксах и пищевых продуктах с использованием мицеллярной электрокинетической хроматографии на коротком конце капилляра // Вопр. питания. - 2011. - № 3. - С. 67-74.

2. Богачук М.Н., Передеряев О.И., Раменская Г.В. Определение водорастворимых витаминов в поливитаминных препаратах методом капиллярного зонального электрофореза // Вопр. биол., мед. и фармацевт. химии. - 2011. - № 9. - С. 14-22.

3. МР 1.2.2641-10 Определение приоритетных видов наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и живых организмах (п. 6.2). М.: Федеральный Центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2010. -103 л.

4. Руководство по капиллярному электрофорезу / Под ред. А.М. Волощука. - М.: Научный совет Российской академии наук по хроматографии, 1996. - 111 с.

5. Beckers J.L., Bochek P. The preparation of background electrolytes in capillary zone electrophoresis: Golden rules and pitfalls // Electrophoresis. - 2003. - Vol. 24. - P. 518-535.

6. Beck W., Engelhardt H. Capillary Electrophoresis of Organic and Inorganic Cations with Indirect UV Detection. // Chromatographia. -1992. V. 33. No. 7/8. P. 313-316.

7. Capillary electrophoresis methods for pharmaceutical analysis / Ed.: S. Ahuja, M.L. Jimidar. Vol. 9. - London: Academic Press, 2008. - 529 р.