光电化学技术应用于抗氧化分析的研究进展

韩方杰,代梦娇,梁芷珊,宋忠乾,韩冬雪,,牛 利,

(1.中国科学院长春应用化学研究所,现代分析技术工程实验室&电分析化学国家重点实验室,长春 130022;2.中国科学技术大学,合肥 230026; 3.广州大学分析科学技术研究中心,化学化工学院,广州 510006)

生物体在新陈代谢过程中会产生大量具有高氧化活性的物质(如氧活性自由基、氮活性自由基、碳活性自由基、双氧水和单线态氧等),当其浓度过高时,会损伤细胞中的DNA、蛋白质等生物大分子,破坏细胞组织平衡态,进而诱发癌症、心血管疾病及糖尿病等疾病[1～4].植物多酚能够有效地消除自由基,从而使生物体延缓衰老、保持健康,这种具有消除自由基能力的物质被称作抗氧化剂.因此,对食品中抗氧化剂消除氧化活性物质的能力——抗氧化容量的测定和评价具有重要意义.此外,抗氧化剂具有防止或延缓食品氧化的能力,可作为食品添加剂用于提高食品的稳定性和延长贮存期,为人们提供更安全的食品[4～7].

目前,常规的抗氧化容量检测方法有色谱法[8～10]、光谱法[11～13]和电化学法[14～17].色谱法仪器成本昂贵,虽然能对食物中单个抗氧化成分逐一区分,但是仅能给出浓度信息,无法实现真正意义上的抗氧化容量的评价[18,19].光谱法主要根据有色标准物质与氧化活性物质反应前后颜色的变化或者发光强度的变化,以及加入抗氧化剂后对其影响来进行测定; 虽然已在抗氧化测定上有诸多尝试,但是光谱法由于本身的测定原理,导致其容易受背景颜色的干扰,测定结果会有一定误差,尤其是测定橙汁、葡萄汁等实际样品.电化学法包括电位法与伏安法等,由于电极易被污染,导致其重现性差.鉴于此,亟待建立一种低成本、简单快捷、灵敏度高且重现性好的方法以克服上述不足.

光电化学检测技术同时具备光学和电化学的优势,利用光源与检测信号的完全分离,能在低背景、低电位下分析多种分子,而引起研究者的广泛关注[20～23].光电化学过程源于物质因吸收光子而使电子受激发产生电荷传递,从而实现光能向电能的转化[24～26].光电化学分析传感是通过将光电化学过程与化学/生物识别过程相结合,以光电流信号输出的方式对物质进行定性或者定量分析,从而建立起来的一种新分析方法,实质上是利用处于激发态的光电材料与待测物之间发生的电子传递来实现对待测物的检测(图1).光电化学分析方法兼具电化学法的低成本、高集成,以及光化学法的高信噪比和高灵敏度等特性,已被应用于诸多化学生物传感及分析领域,主要包括基于待测物的直接光电化学法[27～30]、基于酶联免疫反应的间接光电传感法[31,32]和基于能量转移机制的光电化学传感法[33,34]等.

Fig.1 Process and principle of photoelectrochemical analysis

本课题组率先开发出一种基于光电化学技术测定食品及生物体系总抗氧化容量的新方法,克服了现有方法的缺陷和弊端,可有效模拟人体内源型自由基及反应环境,操作简单、选择性好、抗干扰性佳且便于实现活体在线检测[35～41].众所周知,在光电化学平台中光电材料的选择至关重要,可将常用的光电材料根据其能带位置分为3类[24]: (1) 价带位置较正者具有更强的氧化能力,能够产生·OH自由基,如WO3,SnO2,BiVO4,TiO2及ZnO等(见图2左半部分),可用于有机污染物降解、O2析出及氧化抗氧化剂.其中,通过氧化具有还原性的物质,如抗氧化剂,可产生更高的光电流信号,达到对抗氧化剂进行检测的目的; (2) 导带位置较负者具有更强的还原能力,可用于CO2还原以及H2析出,如CdS,C3N4,Bi2S3和Cu2O(见图2右半部分); (3) 具有合适的导带和价带位置的半导体,可用于光解H2O(导带和价带分别用于析出H2和O2),如CdS,C3N4,ZnO和TiO2等.抗氧化剂作为还原性电子给体,可与具有氧化性的光生空穴发生反应,因此需要选择价带电位高于抗氧化剂氧化电位的半导体材料,并且要实现高灵敏度,通常需用半导体材料复合构筑异质结,加快载流子传输速率,减小电子空穴复合速率[42～45].

Fig.2 Band positions and potential applications of some typical photocatalysts in aqueous solutions(pH=7)

本文总结了基于半导体材料构建的光电化学平台应用于食品中抗氧化剂与抗氧化容量分析方面的研究工作,并对现阶段报道的光电化学技术检测食品中抗氧化容量体系进行了整理和分类,包括对特定(单个)抗氧化剂的测定以及多种不同体系总抗氧化容量的测定,评述了各种检测体系的特点并对研究前景进行了展望.

1 几种常见抗氧化剂的测定

抗氧化剂(AO)按照来源可分为外源性抗氧化剂和内源性抗氧化剂.外源性抗氧化剂分为天然抗氧化剂和人工合成抗氧化剂2种.天然抗氧化剂主要指水果和蔬菜中所含的抗氧化剂,如维生素A、维生素C、维生素E以及多酚类物质等,大多数为水溶性物质; 人工合成抗氧化剂主要也是酚类物质,通常作为食品添加剂加入油脂中防止油脂氧化,多数为油溶性物质,目前使用最广泛的是没食子酸丙酯(PG)、丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)和叔丁基对苯二酚(TBHQ)等.内源性抗氧化剂是指人体自身产生的抗氧化剂,主要是机体自身产生的一些酶,包括谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化歧化酶(SOD)和褪黑素等[46～49].单个抗氧化剂的测定对食品和药物质量监控、食品安全性以及人体健康监测与疾病预防具有重要意义[50～56].

1.1 外源性抗氧化剂的测定

1.1.1 天然抗氧化剂的测定 天然抗氧化剂主要包括酚类及黄酮类化合物,存在于水果、蔬菜和谷物中,人体通过饮食摄取.其中,维生素类和酚类化合物是目前天然抗氧化剂领域研究较成熟的2大类,清除自由基效果十分明显.

抗坏血酸(AA)即维生素C,主要存在于新鲜蔬菜、水果等食物中,作为一种重要的营养物质,对食品中AA的检测十分重要[57～61].Mazhabi等[62]报道了一种基于g-C3N4/ITO的光电化学检测AA的方法,AA的还原特性使其作为电子供体可被g-C3N4产生的空穴氧化,产生更高的光电流而得以检测,检测的线性范围为0.25～100 μmol/L(图3),检出限(S/N=3)为0.12 μmol/L; 还测定了泡腾片及药用维生素C片中AA的含量.异质结的构筑有助于增加半导体的载流子传输,增大光电响应信号,从而提高检测灵敏度,Kang等[50]用g-C3N4/TiO2纳米管阵列复合膜组装的光电传感器,获得了1 nmol/L～10 μmol/L的检测范围及0.3 nmol/L的检出限.这一技术有望应用于药物检测及食品质量监测.

Fig.3 Photocurrent responses of the g-C3N4/ITO electrode to different concentrations of AA(A) and corresponding calibration curve(B) in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4)[62](A) c(AA)/(μmol·L-1): a.0; b. 0.25; c. 0.5; d. 1; e. 3; f. 5; g. 10; h. 15; i. 25; j. 35; k. 55; l. 75; m. 100; n. 125; o. 175; p. 225; q. 325; r. 425; s. 525; t. 775; u. 1275.Inset of (B) shows better illustration of linear part in calibration curve.Error bars correspond to the standard deviations from three independent measurements with RSD equal to 5.2%.Copyright 2018,Elsevier.

没食子酸(GA),学名3,4,5-三羟基苯甲酸,是一种重要的天然抗氧化剂,广泛存在于掌叶大黄、大叶桉、山茱萸、茶叶、葡萄、五倍子及漆树等植物中[39].研究[63]发现,GA可以有效消除生物体内高活性的羟基自由基,从而表现出抗炎症、抗肿瘤等活性,所以研究快速、灵敏测定没食子酸的抗氧化容量方法具有重要意义.本课题组[39]采用一种简单的方法将还原的氧化石墨烯(rGO)、光催化剂TiO2与导电聚合物聚苯胺(PANI)三者结合,合成了rGO/TiO2/PANI 复合材料,用其构建了一种光电化学传感器,并应用于GA的抗氧化能力评估.该光电传感器表现出高灵敏度和高选择性的优势,线性响应范围为4.17～250.02 μmol/L[图4(B)]; 检出限为 1.72 μmol/L,对常见的干扰物种如AA、谷胱甘肽(GSH)、葡萄糖、氨基酸以及醇类物质的响应很低,抗干扰性良好[图4(C)]; 还对响应机理进行了探究[图4(D)],在420 nm光照条件下,电子从PANI的LUMO流向rGO-TiO2的导带,进而流入ITO电极产生光电流.加入GA后,由 rGO-TiO2的价带转移到 PANI 的HOMO空穴以及PANI自身产生的空穴均与GA反应,得到电子的空穴能够被进一步激发光电流,在一定范围内GA浓度越高光电流越高.

Fig.4 Photocurrent responses of TiO2(a0,a1),rGO-TiO2(b0,b1) and PANI-rGO-TiO2(c0,c1) modified ITO without(a0—c0) and with(a1—c1) 166.8 mmol/L GA(A); photocurrent responses of PANI-rGO-TiO2 modified ITO with different concentrations of GA(B); photocurrent response of a PANI-rGO-TiO2 modified ITO electrode upon the addition of 166.8 mmol/L each of AA,GA,33.36 mmol/L each of GSH,CYs,L-citric acid,L-malic acid,0.167 mol/L each of ethanol,methanol,glucose,L-glycine in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4) at 0 V under 420 nm light excitation(C) and illustration of photoelectro-chemical process for GA oxidation at PANI-rGO-TiO2 modified ITO(D)[39](B) The photoelectrochemical sensors were applied at 0 V under 420 nm light excitation in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4).Inset in (B) is the linear calibration curve.Copyright 2013,Royal Society of Chemistry.

此外,针对药物中GA的选择性测定,本课题组[42]构建了基于Bi2MoO6/Bi2S3的光电化学平台.以水热法合成的γ-Bi2MoO6纳米带为骨架,硫脲为硫源,通过阴离子交换法制备了Bi2MoO6/Bi2S3纳米带.采用密度泛函理论的第一性原理计算方法建立了Bi2MoO6与Bi2S3接触区域的模型[图5(A)],表明电子性能上的细微不同会影响材料的光催化活性.结构与组分上的创新赋予了Bi2MoO6/Bi2S3极佳的光电性能以及对GA的良好选择性[图5(B)],实现了对药物中GA的检测[图5(C)]; 还利用这一光电化学传感器测定了玫瑰花口服液和石榴补血糖浆2种液体非处方药,测定结果与HPLC分析结果一致.这也充分证明了该光电化学传感器的精确性和可行性,有望将其用于医药行业的药品质量把关.

Fig.5 Schematic illustration of the surface contact region between Bi2MoO6 and Bi2S3, TDOS and LDOS of the Bi2MoO6/Bi2S3 heterostructures, the energy levels for valence and conduction bands of Bi2MoO6/Bi2S3(A); photocurrents of GA,EC,CT,CHA,CA and MT on Bi2MoO6/Bi2S3(B) and photocurrent responses of Bi2MoO6/Bi2S3 modified ITO electrode upon different concentrations of GA(C)[42]Inset of (C) is the corresponding liner calibration.The photoelectrochemical sensor was applied at 0 V under 470 nm irradiation in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4).Copyright 2017,Elsevier.

对于天然抗氧化剂的光电化学测定研究主要集中于以上2种常见的抗氧化剂,目前在天然抗氧化剂的光电化学检测中已取得了很多成果,对健康饮食和药品质量把关具有重要意义.

1.1.2 人工合成抗氧化剂的测定 人工合成抗氧化剂主要包括叔丁基对苯二酚(TBHQ)、没食子酸丙酯(PG)、丁基羟基茴香醚(BHA)和二丁基羟基甲苯(BHT)等.这些抗氧化剂为油溶性抗氧化剂,主要用作油脂类食品添加剂,抗氧化剂通过与油脂中的游离基或者螯合金属离子发生反应以阻断油脂氧化过程,从而保持油脂稳定,防止油品氧化[51,52].

TBHQ虽然有较强的抗氧化能力,却具有一定的毒性,会诱导细胞癌变.我国《食品添加剂使用卫生标准》(GB2760-1996)中规定: TBHQ可用于食用油脂、油炸食品、干鱼制品、饼干、方便面、速煮米、干果罐头和腌肉制品等,其最大使用量为0.2 g/kg.Monteiro等[51]报道了一种基于CdSe/ZnS/LiTCNE/ITO的光电传感器用于检测TBHQ,该传感器的检测灵敏度为0.012 μA·L·μmol-1,线性范围为0.6～250 μmol/L,检出限为0.21 μmol/L,并且检测了2种食用油当中的TBHQ.该课题组[52]还开发了一种基于LiTCNE-TiO2复合物的光电传感器用于检测TBHQ,其表现出更宽的线性范围(0.4～500 μmol/L),更小的检出限(100 nmol/L),更高的灵敏度(0.01 μA·L·μmol-1),并被应用于检测生物柴油中的TBHQ,有望应用于实际油品质检中.

没食子酸丙酯(PG),即3,4,5-三羟基苯甲酸丙酯,是一种人工合成的抗氧化剂.我国《食品添加剂使用卫生标准》(GB2760-2011)规定PG最大使用量为0.1 g/kg,可用于食品油脂、油炸食品、饼干、方便面、果仁罐头和腌腊肉制品等食品中,超过此添加标准则会损伤人体肝细胞,因此发展高灵敏检测PG的方法十分必要[64～67].本课题组[66]通过水热法和溶剂热法2步合成了MoS2/ZnO 异质结材料,基于此材料搭建的光电化学传感器可在470 nm波长光照下对PG进行检测,并展现了良好的线性关系及稳定性[图6(B)],实现了无标记的选择性检测; 对其它几种油溶性抗氧化剂BHA,BHT,TBHQ和维生素E(VE)也进行了测定,发现其对PG具有优异的选择性[图6(A)]; 并阐述了选择性检测的机理[图6(C)],认为该传感器对PG的高选择性来源于ZnO与PG中相邻的3个羟基产生了五元环络合结构,增强了对PG的吸附和富集,从而导致对PG响应的光电流增大.

Fig.6 Photocurrents of 12 μmol/L PG,TBHQ,BHA,BHT and VE on MoS2/ZnO heterostructures(A); photocurrent responses of MoS2/ZnO heterostructures modified ITO electrodes upon different concentrations of PG(B) and chemical structures of five antioxidants and proposed mechanism of the MoS2/ZnO-based photoelectrochemical sensor for the detection of PG(C)[66](B) The inset is the corresponding linear calibration.The preceding photoelectrochemical experiments were applied at 0 V(vs.Ag/AgCl) under 470 nm irradiation in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4).Copyright 2019,American Chemical Society.

对于人工合成抗氧化剂,主要是防止添加过量对人体产生损害,因此,实现更高的灵敏度和精确性是检测方法发展的重要方向,而开发性能更好的光电催化材料是提高光电传感器灵敏度的关键.

1.2 内源性抗氧化剂的测定

谷胱甘肽(γ-谷氨酰半胱氨酸基甘氨酸,GSH)是一种重要的巯基三肽,作为抗氧化剂,其细胞内浓度是氧化应激的指示剂.GSH的异常水平与癌症、肝损伤和心血管疾病等疾病密切相关[46～48].Zhao等[46]开发了一种基于CdS/RGO/ZnO光电催化材料的传感器用于检测GSH,响应的线性范围为0.05～1 mmol/L,检出限为10 μmol/L.Kang等[47]报道了一种基于Cu2O/ZnO双氧化物p-n异质结的光电生物传感器用于检测GSH,响应的线性范围是10～1000 μmol/L,检出限为0.42 μmol/L.为实现更低的检出限和更小浓度的检测范围,需要提高响应的灵敏度,Li等[48]报道了一种基于AgNPs/GO/MS(介孔二氧化硅)/CDs(碳量子点)的光电传感器用于测定GSH,该传感器的灵敏度和检出限分别为57.6 nA·μmol·L-1和6.2 nmol/L(S/N=3),线性范围为0.02～4 μmol/L,将其用于测定人血清和小鼠心肌细胞中的GSH,发现该传感器比市面上的GSH试剂盒传感器性能更好.生物学家可以利用上述传感器来检测人体不同部位血液中的GSH.为了实现这些传感器的长期稳定性以用于医院等商业用途,制造工艺的可靠性仍然需要改进,而光电检测技术的改进对于未来复杂疾病的诊断也有着重要意义.我们建议: 针对批量化生产的传感器,需要设计合成方法简易的光催化剂,并实现设备的微型化; 对于内源性抗氧化剂的测定,而努力发展活体检测方法,同时光电传感器的激发光源应由可见光向近红外光源发展.

实现单个抗氧化剂的测定有选择性和稳定性2点关键因素.因此,对光催化材料的遴选尤为重要,须满足如下要求: 价带位置适当,能与待测抗氧化剂反应,而与常见干扰物种不反应; 带隙合适,尽量利用可见光激发.目前研制的传感器主要存在稳定性问题,实现长期稳定性的关键仍然是光电催化剂,因此,辅以计算化学第一性原理设计开发新型高性能光催化剂仍是研究者们努力的方向.

2 全系抗氧化容量的测定

食品体系中抗氧化剂之间通常存在协同作用,仅测定单一抗氧化剂无法对整个体系的抗氧化容量进行评估.因此,对于食品体系,尤其是加工食品的抗氧化容量评估在指导健康饮食和食品质量监督监管方面具有重要的实用意义.

生物体内的羟基自由基浓度过高时,会使DNA受损伤进而导致疾病发生,而抗氧化剂可以与DNA竞争性地与羟基自由基反应,从而保护DNA免于损伤.本课题组[40]使用氧化石墨烯-二氧化钛(GO-TiO2)复合材料和DNA分子设计了一种抗氧化容量光电化学传感器,在可见光照射下GO-TiO2能产生大量的羟基自由基,羟基自由基可以损伤DNA,导致DNA标记分子亚甲基蓝(MB)的电化学信号降低,加入抗氧化剂可以与DNA竞争性地与羟基自由基反应从而保护DNA免于损伤(见图7),标记分子电化学信号增加,其中GOB-TiO2为两者最佳配比的复合物.利用此传感器实现了茶叶中抗氧化剂的抗氧化容量检测,测定结果与光学方法分析结果一致(见表1).此类传感器有望拓展应用于活体分析,实时监测抗氧化剂在体内清除自由基的过程和效果.

Fig.7 Schematic illustration of photoelectrochemical process for antioxidant capacity sensor designed with GO-TiO2 composites as source of OH radicals and DNA as a molecular probe(A) and agarose gel electrophoresis of different types of DNA(B) [40] Lane a: DNA markers; lanes b and c: DNA illuminated for 20 and 30 min with GOB-TiO2; lane d: after addition of gallic acid,DNA was illuminated 30 min with GOB-TiO2; lane e: DNA was illuminated 30 min without GOB-TiO2.Copyright 2013,Royal Society of Chemistry.

Table 1 Detection of antioxidant capacity by three different methods[40]

Copyright 2015,Elsevier.

Fig.8 Schematic illustration of photoelectrochemical process for tea polyphenols oxidation at SGE-TiO2 modified ITO electrode[37]Copyright 2014,American Chemistry Society.

本课题组[37]将TiO2原位生长在磺化石墨烯(SGE)上,发挥SGE良好的水溶性、吸附性和独特的电性质,设计出磺化石墨烯-二氧化钛(SGE-TiO2)光电传感器(见图8).在光照条件下,TiO2中的电子-空穴分离,产生的空穴将抗氧化剂氧化,从而增大光电流检测信号.采用该传感器测定了茶叶中6种主要的茶多酚成分,没食子酸(GA)、儿茶素(CT)、咖啡酸(CA)、儿茶素没食子酸酯(ECG)、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)和表没食子儿茶素(EGC)标准品在不同浓度下的光电流响应,结果如图9所示; 还测定了用于评估不同品牌茶叶的整体抗氧化容量,并且对该传感器的重现性、稳定性以及机理进行了深入探究,认为这种简便、快捷、有效的方法将为食品行业抗氧化容量的评估提供一个通用的途径.

Fig.9 Photocurrent responses of SGE-TiO2 modified ITO electrode upon different concentrations of GA(A),CT(B),CA(C),EGC(D),EGCG(E) and ECG(F),respectively [37]Inset in each graph is the corresponding liner calibration curve.The photoelectrochemical sensors were applied at 0 V under 420 nm light excitation in 0.1 mol/L PBS(pH=7.4).Copyright 2014,American Chemistry Society.

此外,本课题组[38～41]对g-C3N4/TiO2复合体系的能带结构和光电性能进行了研究,并通过构建光电平台实现了抗氧化容量检测.深入探讨了g-C3N4/TiO2复合光电材料的能带结构和光电转化过程(见图10),使其均合适的价带位置可以氧化槲皮素、没食子酸、咖啡酸、儿茶素、非瑟酮、芦丁、水溶性维生素E及抗坏血酸等食品中常见的抗氧化剂,检测池示意图以及对部分抗氧化剂响应的结果如图11所示.通过构建g-C3N4/TiO2光电平台首次系统且深入地研究了光电抗氧化容量分析技术方法,并揭示了光电抗氧化分析中的电子转移机理.

Fig.10 Mechanism of the photoelectrochemical sensor for the detection of the antioxidant capacity[38]AO: antioxidant; Ex(eV): the redox potential of the antioxidants with respect to a vacuum; E(V): the redox potential of the antioxidants(vs.Ag/AgCl); IP(kJ/mol): ionization potential of the antioxidants; AC: antioxidant capacity obtained from the slope of the standard calibration curve of each antioxidant.Copyright 2014,Royal Society of Chemistry.

3 抗氧化分析方法的改进

本课题组[35]结合电子软件工程技术,研发出首台光电食品抗氧化容量分析仪,并应用于多种食品体系的抗氧化容量分析测试.采用简单的一步化学法制备了 BiMoxV(1-x)O4,在一定含量的 Mo 掺杂下,花状BiMo0.015V0.985O4的导带与价带的位置刚好包含食物中常见的抗氧化成分的氧化还原电位,具有与抗氧化成分灵敏反应的优势,以其建立的光电平台已发展成一个通用的构架,已用于测定多种食物包括4种茶叶、16种饮品以及8种新鲜水果的抗氧化容量的大小.依据该原理,设计出的流动设备(见图12)可实现在线监测,该仪器操作简单、响应速度快、稳定性持久、耐干扰且实用性广.使用该设备对几种水果、茶叶以及饮品进行了在线抗氧化容量检测,表2和表3结果表明,该光电化学平台反应灵敏、便于操作且抗干扰性好,能高效地用于食品抗氧化容量的评估.

Fig.12 Photograph of the integrated PEC platform(A) and photocurrent responses of the BiMo0.015V0.985O4 modified ITO electrode in the PEC platform without(blank: PBS solution) and with a certain volume of juice into 4 mL PBS(0.1 mol/L,pH=7.4)(B)[35]Copyright 2015,Royal Society of Chemistry.

Table 2 Antioxidant capacities of fresh fruits detected by different methods(n=3)[35]

Copyright 2015,Royal Society of Chemistry.

Table3Antioxidantcapacitiesofcommercialteas(T,mg/g)anddrinks(D,mg/L)detectedbydifferentmethods(n=3)[35]

Practical sampleAntioxidant capacity/(mg·g-1 or mg·L-1)PEC sensorF-C methodDPPH methodT118.78±0.8035.82±0.2554.84±0.24T273.33±1.72106.56±0.53144.03±0.42T3108.63±1.91120.87±0.70161.18±0.85T452.11±1.5171.60±0.23106.90±0.73D1387.19±0.62420.30±1.07203.64±2.39D2345.31±1.24386.24±6.77193.31±2.30D3396.16±4.34437.52±1.32318.36±7.59D4429.88±4.24459.78±2.97325.78±2.39D5316.78±0.98337.46±2.21185.21±1.53D6393.10±0.98435.85±1.14250.63±4.08D7457.50±3.01492.08±1.14566.88±3.28D8712.10±13.04770.78±1.02731.51±1.55D9641.11±9.59701.33±3.70728.08±1.37D10436.60±4.37 487.50±0.41522.16±4.07D11296.41±0.76310.27±1.70164.06±2.06D12352.02±5.05388.18±0.62198.06±2.06D13391.22±1.42432.17±1.03232.09±4.07

Continued

Practical sampleAntioxidant capacity/(mg·g-1 or mg·L-1)PEC sensorF-C methodDPPH methodD14176.01±0.76137.02±0.5245.29±1.63D1558.07±0.3634.43±0.1927.96±0.73D1659.29±0.2740.32±0.1831.07±0.48

Copyright 2015,Royal Society of Chemistry.

在流动体系的构建过程中,参比电极是构建装置的难点.本课题组[41]构建了一种稳定的两电极体系(图13),并用于流动抗氧化容量的光电化学测定,获得了与三电极体系一致的结果.使用两电极体系在其它几种材料上进行测定,同样获得了良好结果.流动体系的使用可以使生成的产物迅速排出,减少了其对工作电极的毒害; 相比于工作电极选择较大面积的对电极,两电极体系为光电传感在高通量测定中的应用奠定了良好的基础,更有利于微流控芯片检测[图13(D)],更好地实现了装置的简化和便携.Kang等[50]研发了基于g-C3N4/TiO2纳米管阵列复合膜组装的双电极光电传感器,简化了检测AA的装置,同时研究了不同AA浓度下传感器内部电阻的差异及其对响应电流大小和峰形的影响.

Fig.13 Inside(A),the whole instrument(B),one part of the two-EPCS(C), scheme of microfluidic chip(D) and profile of concentration vs. photocurrent of GA on the microfluidic chip(E)[41](1) The counter electrode(d=8.5 mm); (2) the working electrode(d=10.0 mm); (3) the inlet; (4) the outlet; (5) the lead wire of counter electrode; (6) the lead wire of working electrode.Copyright 2015,Elsevier.

除了检测池的优化,传感材料的商业化优化也是推动抗氧化容量仪器发展的重要步骤,本课题组[68]将商业化的二氧化钛P25与氮掺杂的石墨烯复合材料用于构建光电传感平台,检测了化妆品中的抗氧化剂含量,进一步推动了光电抗氧化仪器的发展.

4 总结与展望

本课题组在抗氧化分析领域引入了一种新方法——光电化学抗氧化容量检测方法.基于此方法设计了几种抗氧化容量传感器,从光催化剂的合成到检测池的设计,再到集成化仪器的研发,在光电化学技术测定抗氧化剂的研究方面取得了积极进展; 从天然抗氧化剂的测定到人工合成抗氧化剂的测定,从单个抗氧化剂的测定到全系抗氧化容量的测定,未来的发展有望在仪器研发方面实现微型化、芯片式测试,开发新一代的抗氧化检测仪,即用手机APP实现快速检测; 完善抗氧化指纹图谱信息,实现高通量多通道同时测定的目标; 实现光电检测抗氧化剂在生物体内清除自由基的实时分析; 实现多种抗氧化剂之间的相互作用测定,对食品营养搭配和药物配方设计具有一定指导作用.