A sensitive electrochemical sensor based on an organomodified glassy carbon electrode for monitoring the release of amikacin from biodegradable coatings of bone implants

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The high catalytic activity of arenediazonium, along with the ability of gold ions to form specific bonds with amikacin, has been used in the fabrication of an electrochemical sensor based on a glassy carbon electrode modified with a gold solution and arenediazonium tosylate (Ar/GGCE) for the detection and quantification of amikacin upon its release from implants. Atomic force microscopy, cyclic voltammetry, and square-wave voltammetry were used to demonstrate that the use of a gold solution and arenediazonium tosylate for the surface modification of a glassy carbon electrode significantly enhances the electrode characteristics. The determination of amikacin was achieved using square wave voltammetry, which enabled the detection of amikacin at the Ar/GGCE in the concentration range 0.2–60 μM and ensured a limit of detection of 0.058 μM for amikacin released from implants.

Full Text

Restricted Access

About the authors

G. B. Slepchenko

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: slepchenkogb@mail.ru
Russian Federation, 634050, Tomsk

E. V. Dorozhko

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: slepchenkogb@mail.ru
Russian Federation, 634050, Tomsk

Е. S. Moiseeva

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: slepchenkogb@mail.ru
Russian Federation, 634050, Tomsk

A. N. Solomonenko

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: slepchenkogb@mail.ru
Russian Federation, 634050, Tomsk

References

  1. Brunton L.L., Lazo J.S., Parker L.K. Pharmacotherapy of gastric acidity, peptic ulcers and gastroesophageal reflux / Goodman and Gilman’s The Pharmacological Basis of Therapeutics. 11th Ed. McGraw-Hill Companies, 2005.
  2. Serrano J.M., Silva M. Determination of amikacin in body fluid by high-performance liquid-chromatography with chemiluminescence detection // J. Chromatogr. B. 2006. V. 843. № 1. P. 20. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2006.05.016
  3. Usmani M., Ahmed S., Sheraz M., Ahmad I. Analytical methods for the determination of amikacin in pharmaceutical preparations and biological fluids: A review // Iran. J. Anal. Chem. 2018. V. 5. № 2. P. 29. https://doi.org/10.30473/ijac.2018.41591.1133
  4. Wichert B., Schreier H., Derendorf H. Sensitive liquid chromatography assay for the determination of amikacin in human plasma // J. Pharm. Biomed. Anal. 1991. V. 9. № 3. P. 251. https://doi.org/10.1016/0731-7085(91)80154-2
  5. Lu C.Y., Feng C.H. Micro-scale analysis of aminoglycoside antibiotics in human plasma by capillary liquid chromatography and nanospray tandem mass spectrometry with column switching // J. Chromatogr. A. 2007. V. 1156. № 1–2. P. 249. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2007.01.001
  6. Korany M.A.T., Haggag R.S., Ragab M.A., Elmallah O.A. Liquid chromatographic determination of amikacin sulphate after pre-column derivatization // J. Chromatogr. Sci. 2014. V. 52. № 8. P. 837. https://doi.org/10.1093/chromsci/bmt126
  7. Bijleveld Y., de Haan T., Toersche J., Jorjani S., van der Lee J., Groenendaal F. et al. A simple quantitative method analysing amikacin, gentamicin, and vancomycin levels in human newborn plasma using ion-pair liquid chromatography/tandem mass spectrometry and its applicability to a clinical study // J. Chromatogr. B. 2014. V. 951. P. 110. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2014.01.035
  8. Soliven A., Ahmad I.A.H., Tam J., Kadrichu N., Challoner P., Markovich R., Blasko A. A simplified guide for charged aerosol detection of non-chromophoric compounds – Analytical method development and validation for the HPLC assay of aerosol particle size distribution for amikacin // J. Pharm. Biomed. Anal. 2017. V. 143. P. 68. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2017.05.013
  9. Yang M., Tomellini S.A. Non-derivatization approach to high-performance liquid chromatography–fluorescence detection for aminoglycoside antibiotics based on a ligand displacement reaction // J. Chromatogr. A. 2001. V. 939. № 1–2. P. 59. https://doi.org/10.1016/S0021-9673(01)01337-1
  10. Omar M.A., Hammad M.A., Nagy D.M., Aly A.A. Development of spectrofluorimetric method for determination of certain aminoglycoside drugs in dosage forms and human plasma through condensation with ninhydrin and phenyl acetaldehyde // Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2015. V. 136. P. 1760. https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.10.079
  11. Bhatt D.A., Prajapati L.M., Joshi A.K., Lkharodiya M. Development and validation of spectrophotometry method for simultaneous estimation of cefepime hydrochloride and amikacin sulphate // World J. Pharm. Res. 2015. V. 4. № 5. P. 1482.
  12. Kissinger P.T., Heineman W.R. Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry. 2nd Ed. Marcel Dekker, 1996. 1008 p.
  13. Xu J.Z., Zhu J.J., Wang H., Chen H.Y. Nano-sized copper oxide modified carbon paste electrodes as an amperometric sensor for amikacin // Anal. Lett. 2003. V. 36. № 13. P. 2723. https://doi.org/10.1081/AL-120025251
  14. Norouzi P., Nabi Bidhendi G.R., Ganjali M.R., Sepehri A., Ghorbani M. Sub-second accumulation and stripping for pico-level monitoring of amikacin sulphate by fast Fourier transform cyclic voltammetry at a gold microelectrode in flow-injection systems // Microchim. Acta. 2005. V. 152. P. 123. https://doi.org/10.1007/s00604-005-0392-x
  15. Xue-Liang W. A. Linear sweep polarographic determination of amikacin with amaranth as electrochemical probe // Chin. J. Anal. Lab. 2006. V. 6. P. 43.
  16. Wang X. L., Yu Z. Y., Jiao K. Voltammetric studies on the interaction of amikacin with methyl blue and its analytical application // Chin. Chem. Lett. 2007. V. 18. № 1. P. 94. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2006.11.028
  17. Липовая А.С., Евсеев А.К., Горончаровская И.В., Царькова Т.Г., Шабанов А.К. Электрохимический метод определения амикацина в биологических средах // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. 2022. Т. 36. № 4. С. 104.
  18. Filimonov V.D., Trusova M., Postnikov P., Krasnokutskaya E.A., Lee Y.M., Hwang H.Y., Kim H., Chi K.W. Unusually stable, versatile, and pure arenediazonium tosylates: their preparation, structures, and synthetic applicability // Org. Lett. 2008. V. 10. № 18. P. 3961. https://doi.org/10.1021/ol8013528
  19. Saby C., Ortiz B., Champagne G.Y., Bélanger D. Electrochemical modification of glassy carbon electrode using aromatic diazonium salts. 1. Blocking effect of 4-nitrophenyl and 4-carboxyphenyl groups // Langmuir. 1997. V. 13. № 25. P. 6805. https://doi.org/10.1021/la961033o
  20. Каплин А.А., Кубрак В.А., Рубан А.И. Непараметрическая оценка предела обнаружения в методе инверсионной вольтамперометрии // Журн. аналит. химии. 1978. T. 33. № 12. С. 2298. (Kaplin A.A., Kubrak B. A., Ruban A. I. Nonparametric estimation of the limit of detection in inverse voltammetry // J. Anal. Chem. 1978. V. 33. № 12. P. 1762.)
  21. Экспериандова Л.П., Беликов К.Н., Химченко С.В., Бланк Т.А. Еще раз о пределах обнаружения и определения // Журн. аналит. химии. 2010. Т. 65. № 3. С. 229. (Eksperiandova L.P., Belikov K.N., Khimchenko S.V., Blank T.A. Once again about determination and detection limits // J. Anal. Chem. 2010. V. 65. P. 223. https://doi.org/10.1134/S1061934810030020)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. AFM images of the SUE surface: (a) – SUE surface (5000×); (b) – Ar/SUE surface (8000×); (c) – modifier colonies on SUE (120,000×).

Download (57KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. AFM image of the surface of the SUE modified with arendiazonium and gold (1000×).

Download (92KB)
Indexing metadata
4. 3. Cyclic voltammogram of a ferricyanide/ferrocyanide pair on (1) FE and (2) Ar/ZSUE in 0.1 M H3PO4 (pH 2) containing 1.0 mM K3[Fe(CN)6]/1.0 mM K4[Fe(CN)6].

Download (52KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Amikacin voltammograms in 0.1 M H3PO4 (pH 2) per 1 – SUE; 2 – Ar/ZSUE (sAM = 2.0 × 106 M); 3 – Ar/ZSUE (sAM = 3.0 × 106 M).

Download (47KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Influence of the gold content (0.05–0.2 mM) on the currents of the peaks of oxidation of amikacin on the SUE in 0.1 M H3PO4 (pH 2) at a scanning speed of 30 mV/s.

Download (47KB)
Indexing metadata
7. 6. Voltammograms of amikacin electrooxidation on Ar/CSUE at different pH values (E = 0.715 V at pH 2.0; E = 0.875 V at pH 6.0; E = 0.950 V at pH 9.0), sAM = 2.0 µm, scanning speed 30 mV/s.

Download (49KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».