Object

Alternative title:

Electrochemical properties of selected preservatives and their voltammetric determination in pharmaceutical and cosmetic preparations

Abstract:

The increase in demand for products with a long shelf-life requires the use of effective and, above all, safe preservatives. The most popular preservatives for pharmaceutical and cosmetic preparations are parabens, phenoxyethanol and synthetic antioxidants (BHA and BHT). The adverse impact of these preservatives on human health makes it necessary to develop and improve the methods of their determination in everyday products. The literature review presented in the doctoral dissertation shows that mainly chromatographic techniques, rarely spectrophotometric and voltammetric ones, are used for this purpose. So far, there have been no data on the use of electroanalytical methods for qualitative and quantitative analysis of phenoxyethanol, and thus its electrochemical properties are not known. The previous studies of the electrode processes involving parabens and synthetic antioxidants, as well as their determination, have been conducted in aqueous and water-organic solutions. Therefore, the dissertation based on a coherent thematic cycle of 5 scientific publications presents the use of voltammetric techniques to determine the electrochemical properties of the most popular preservatives and their determination in pharmaceutical and cosmetic preparations in acetic acid containing 20% acetonitrile (v/v).The first stage of the undertaken actions included conducting basic studies on the electrochemical properties of selected preservatives, i.e. optimisation of the solution composition (the selection of a solvent or mixture of solvents and a supporting electrolyte), and testing its physicochemical properties affecting the course of electrode processes (viscosity, density, specific conductivity, pH), the selection of working electrode material and the operating parameters of measurement. The mechanisms of electrode processes were defined by delineating the number of electrons exchanged, verifying the possible participation of protons in the elemental process, determining the nature and degree of reversibility of the electrode reactions, and the involvement of any possible follow-up reactions to the electrode process. The measurements were carried out using voltammetric techniques: linear sweep voltammetry (LSV), differential pulse (DPV), cyclic voltammetry (CVA), and rotating disk electrode (RDE). The experimentally selected electrode materials were: platinum, carbon fibre (as microelectrodes), and platinum and glassy carbon (as macroelectrodes).As part of the research covered by this doctoral dissertation, the analytical signals from parabens, phenoxyethanol and synthetic antioxidants in pharmaceutical and cosmetic preparations were identified, without the need to separate them from the accompanying matrix. The use of the acetic acid-acetonitrile mixed solvent enabled the dissolution of both the basic electrolyte and the hydrophobic matrix of cosmetics and pharmaceuticals.
During the course of the study, procedures for the voltammetric determination of parabens, phenoxyethanol and synthetic antioxidants were developed and validated. In order to determine the selectivity of the proposed methods, the effect of substances most commonly included in pharmaceuticals and cosmetics on the signal of the preservatives analysed was examined. It was shown that, with the except for MP it did not exceed 4% for synthetic antioxidants and 2% for parabens and phenoxyethanol. Basic validation experiments aimed at determining the relationship between the size of the recorded signals and the concentration of analytes, as well as determining basic analytical parameters such as linearity range, the limit of detection (LOD) and the limit of quantification (LOQ). It was found that the proposed procedures were characterized by low LOD and LOQ values and one of the widest (in the case of parabens) or the widest (in the case of phenoxyethanol and synthetic antioxidants) ranges of linearity compared to the methods of their determination used so far. Based on the standard solutions, the accuracy and precision of the developed procedures were determined. The quantitative analysis was performed using the multiple standard addition method. Its selection allowed the determination of parabens, phenoxyethanol and synthetic antioxidants in pharmaceutical and cosmetic preparations in the presence of the accompanying matrices. In the final stage of the actions taken, the results of the quantitative analyses of analytes in cosmetics and pharmaceuticals were verified using liquid chromatography as a reference method. The voltammetric determination of parabens, phenoxyethanol and synthetic antioxidants in pharmaceutical and cosmetic preparations presented in the doctoral dissertation is simple, fast, cost-effective, precise and accurate. It was possible to omit the separation phase from the matrices during the quantitative analysis of the preservatives due to their very good solubility in the environments used, and the absence of interference from the accompanying substances. Limiting the sample preparation procedure only to its dissolution allows to minimize errors related to the loss of analytes, and thus shortens the time of research. In turn, the use of microelectrodes reduces both the consumption of reagents and the cost of analyses. These advantages combined with the use of environmentally safe acetic acid as the main component of the solution are important elements of the principles of green chemistry. It should be emphasized that the method developed to determine the phenoxyethanol content in real preparations is the first development of the electroanalytical determination of this analyte. This procedure was further claimed in the form of patent No. PL417079 granted in 2019. A practical aspect of the results obtained is the possibility to apply the developed procedures in the laboratory analyses of pharmaceutical and cosmetic industries to control the content of parabens, phenoxyethanol and synthetic antioxidants. They may, therefore, be an alternative to commonly used chromatographic methods.


Wzrost popytu na produkty posiadające długi okres przydatności do użytku wymaga stosowania efektywnych, a przede wszystkim bezpiecznych konserwantów. Najpopularniejszymi substancjami konserwującymi preparatów farmaceutycznych i kosmetycznych są parabeny, fenoksyetanol oraz antyutleniacze syntetyczne (BHA oraz BHT). Niekorzystny wpływ tych konserwantów na organizm człowieka sprawia, że konieczne staje się rozwijanie i udoskonalanie metod ich oznaczania w produktach codziennego użytku. Z przedstawionego w pracy doktorskiej przeglądu literatury wynika, że do tego celu służą głównie techniki chromatograficzne, rzadziej spektrofotometryczne oraz woltamperometryczne. Jak dotąd nie ma żadnych danych na temat wykorzystania metod elektroanalitycznych do jakościowej i ilościowej analizy fenoksyetanolu, a tym samym nie są znane jego właściwości elektrochemiczne. Dotychczasowe badania procesów elektrodowych zachodzących z udziałem parabenów oraz antyutleniaczy syntetycznych jak również ich oznaczanie było prowadzone w roztworach wodnych i wodno-organicznych. W związku z tym rozprawa opierająca się na spójnym tematycznie cyklu 5 publikacji naukowych przedstawia zastosowanie technik woltamperometrycznych do określenia właściwości elektrochemicznych najpopularniejszych konserwantów oraz ich oznaczania w preparatach farmaceutycznych i kosmetycznych w środowisku kwasu octowego zawierającym 20% acetonitrylu (v/v). Pierwszy etap podjętych działań obejmował wykonanie badań podstawowych w zakresie właściwości elektrochemicznych wybranych konserwantów tj. optymalizację składu roztworu (dobór rozpuszczalnika lub mieszaniny rozpuszczalników i elektrolitu podstawowego) oraz zbadanie jego właściwości fizykochemicznych mających wpływ na przebieg procesów elektrodowych (lepkości, gęstości, przewodnictwa właściwego, pH), dobór materiału elektrody pracującej oraz parametrów operacyjnych pomiaru. Określono mechanizmy procesów elektrodowych poprzez wyznaczenie liczby wymienianych elektronów, sprawdzenie ewentualnego udziału protonów w procesie elementarnym, określenie charakteru i stopnia odwracalności reakcji elektrodowych oraz udział ewentualnych reakcji następczych towarzyszących procesowi elektrodowemu. Pomiary były realizowane z zastosowaniem technik woltamperometrycznych: z liniowo zmieniającym się potencjałem (LSV), impulsowej różnicowej (DPV), chronowoltamperometrii cyklicznej (CVA) oraz wirującej elektrody dyskowej (RDE). Dobranymi doświadczalnie materiałami elektrodowymi były: platyna, włókno węglowe (jako mikroelektrody) oraz platyna i szklisty węgiel (jako makroelektrody).W ramach badań objętych niniejszą pracą doktorską dokonano identyfikacji sygnału analitycznego pochodzącego od parabenów, fenoksyetanolu oraz antyutleniaczy syntetycznych w preparatach farmaceutycznych i kosmetycznych bez konieczności ich wydzielania z towarzyszącej matrycy. Zastosowanie rozpuszczalnika mieszanego kwas octowy-acetonitryl umożliwiło rozpuszczenie zarówno elektrolitu podstawowego, jak i hydrofobowej matrycy kosmetyków i farmaceutyków. W trakcie realizacji badań do niniejszej dysertacji doktorskiej opracowano i zwalidowano procedury woltamperometrycznego oznaczania parabenów, fenoksyetanolu oraz antyutleniaczy syntetycznych.
W celu określenia selektywności zaproponowanych metod sprawdzono wpływ substancji, które najczęściej wchodzą w skład farmaceutyków oraz kosmetyków na sygnały analizowanych konserwantów. Wykazano, że z wyjątkiem metyloparabenu nie przekraczał on 4% w przypadku antyutleniaczy syntetycznych oraz 2 % dla parabenów i fenoksyetanolu. Podstawowe eksperymenty walidacyjne miały na celu określenie zależności pomiędzy wielkością rejestrowanych sygnałów a stężeniem analitów oraz wyznaczenie podstawowych parametrów analitycznych, takich jak: zakres liniowości, granica wykrywalności (LOD) i oznaczalności (LOQ). Stwierdzono, że zaproponowane procedury charakteryzują się niskimi wartościami LOD i LOQ oraz jednymi z najszerszych (w przypadku parabenów) lub najszerszymi (dla fenoksyetanolu oraz antyutleniaczy syntetycznych) zakresami liniowości w porównaniu do stosowanych dotychczas metod ich oznaczeń. W oparciu o roztwory wzorcowe określono dokładność i precyzję opracowanych procedur. Analiza ilościowa była prowadzona z zastosowaniem metody wielokrotnego dodatku wzorca. Jej wybór pozwolił na oznaczenie parabenów, fenoksyetanolu oraz antyutleniaczy syntetycznych w preparatach farmaceutycznych i kosmetycznych w obecności towarzyszących im matryc. W ostatnim etapie podjętych działań zweryfikowano wyniki analiz ilościowych analitów w kosmetykach i farmaceutykach za pomocą chromatografii cieczowej jako metody odniesienia. Przedstawione w dysertacji doktorskiej procedury woltamperometrycznego oznaczania parabenów, fenoksyetanolu oraz antyutleniaczy syntetycznych w preparatach farmaceutycznych i kosmetycznych są proste, szybkie, tanie, precyzyjne i dokładne. Dzięki bardzo dobrej rozpuszczalności konserwantów w zastosowanych środowiskach oraz w większości przypadków, braku interferencji ze strony substancji towarzyszących, możliwa była ich ilościowa analiza z pominięciem etapu wydzielania z matryc. Ograniczenie procedury przygotowania próbki jedynie do jej rozpuszczenia pozwala zminimalizować błędy związane ze stratą analitów, a tym samym skrócić czas prowadzonych badań. Z kolei, zastosowanie mikroelektrod umożliwia zmniejszenie zużycia odczynników oraz obniżenie kosztów analiz. Zalety te w połączeniu z użyciem bezpiecznego dla środowiska kwasu octowego, jako głównego składnika roztworu są istotnymi elementami zasad zielonej chemii. Należy podkreślić, że opracowana metoda mająca na celu określenie zawartości fenoksyetanolu w preparatach rzeczywistych stanowi pierwsze opracowanie elektroanalitycznego oznaczania tego analitu. Procedura ta została ponadto zastrzeżona w postaci patentu nr PL417079 przyznanego w 2019 r. Praktycznym aspektem uzyskanych wyników jest możliwość zastosowania opracowanych procedur w analizach laboratoryjnych przemysłu farmaceutycznego oraz kosmetycznego do kontroli zawartości parabenów, fenoksyetanolu oraz antyutleniaczy syntetycznych. Mogą one być więc alternatywą w stosunku do powszechnie do tego celu stosowanych metod chromatograficznych.

Additional notes:

Streszcz. ang. ; Zawiera bibliografię

Identifier:

oai:bibliotekacyfrowa.ujk.edu.pl:4720

Computer catalogue:

click here to follow the link

Language:

pol

Degree name:

doktor

Date obtained:

26.11.2020

Degree grantor:

Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Supervisor:

Michałkiewicz, Sławomir Leszek

Reviewer:

Baś, Bogusław Józef ; Grabarczyk, Małgorzata Ewa

Field:

Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych

Scientific disciplines:

Nauki chemiczne

Faculty:

Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych

Type:

rozprawa doktorska

Access rights:

tylko w Oddziale Informacji Naukowej

Publication status:

niepublikowana