韓方杰,代夢(mèng)嬌,梁芷珊,宋忠乾,韓冬雪,,牛 利,

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所,現(xiàn)代分析技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室&電分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026; 3.廣州大學(xué)分析科學(xué)技術(shù)研究中心,化學(xué)化工學(xué)院,廣州 510006)

生物體在新陳代謝過程中會(huì)產(chǎn)生大量具有高氧化活性的物質(zhì)(如氧活性自由基、氮活性自由基、碳活性自由基、雙氧水和單線態(tài)氧等),當(dāng)其濃度過高時(shí),會(huì)損傷細(xì)胞中的DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子,破壞細(xì)胞組織平衡態(tài),進(jìn)而誘發(fā)癌癥、心血管疾病及糖尿病等疾病[1～4].植物多酚能夠有效地消除自由基,從而使生物體延緩衰老、保持健康,這種具有消除自由基能力的物質(zhì)被稱作抗氧化劑.因此,對(duì)食品中抗氧化劑消除氧化活性物質(zhì)的能力——抗氧化容量的測(cè)定和評(píng)價(jià)具有重要意義.此外,抗氧化劑具有防止或延緩食品氧化的能力,可作為食品添加劑用于提高食品的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)貯存期,為人們提供更安全的食品[4～7].

目前,常規(guī)的抗氧化容量檢測(cè)方法有色譜法[8～10]、光譜法[11～13]和電化學(xué)法[14～17].色譜法儀器成本昂貴,雖然能對(duì)食物中單個(gè)抗氧化成分逐一區(qū)分,但是僅能給出濃度信息,無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的抗氧化容量的評(píng)價(jià)[18,19].光譜法主要根據(jù)有色標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與氧化活性物質(zhì)反應(yīng)前后顏色的變化或者發(fā)光強(qiáng)度的變化,以及加入抗氧化劑后對(duì)其影響來進(jìn)行測(cè)定; 雖然已在抗氧化測(cè)定上有諸多嘗試,但是光譜法由于本身的測(cè)定原理,導(dǎo)致其容易受背景顏色的干擾,測(cè)定結(jié)果會(huì)有一定誤差,尤其是測(cè)定橙汁、葡萄汁等實(shí)際樣品.電化學(xué)法包括電位法與伏安法等,由于電極易被污染,導(dǎo)致其重現(xiàn)性差.鑒于此,亟待建立一種低成本、簡(jiǎn)單快捷、靈敏度高且重現(xiàn)性好的方法以克服上述不足.

光電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)同時(shí)具備光學(xué)和電化學(xué)的優(yōu)勢(shì),利用光源與檢測(cè)信號(hào)的完全分離,能在低背景、低電位下分析多種分子,而引起研究者的廣泛關(guān)注[20～23].光電化學(xué)過程源于物質(zhì)因吸收光子而使電子受激發(fā)產(chǎn)生電荷傳遞,從而實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)化[24～26].光電化學(xué)分析傳感是通過將光電化學(xué)過程與化學(xué)/生物識(shí)別過程相結(jié)合,以光電流信號(hào)輸出的方式對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或者定量分析,從而建立起來的一種新分析方法,實(shí)質(zhì)上是利用處于激發(fā)態(tài)的光電材料與待測(cè)物之間發(fā)生的電子傳遞來實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的檢測(cè)(圖1).光電化學(xué)分析方法兼具電化學(xué)法的低成本、高集成,以及光化學(xué)法的高信噪比和高靈敏度等特性,已被應(yīng)用于諸多化學(xué)生物傳感及分析領(lǐng)域,主要包括基于待測(cè)物的直接光電化學(xué)法[27～30]、基于酶聯(lián)免疫反應(yīng)的間接光電傳感法[31,32]和基于能量轉(zhuǎn)移機(jī)制的光電化學(xué)傳感法[33,34]等.

Fig.1 Process and principle of photoelectrochemical analysis

本課題組率先開發(fā)出一種基于光電化學(xué)技術(shù)測(cè)定食品及生物體系總抗氧化容量的新方法,克服了現(xiàn)有方法的缺陷和弊端,可有效模擬人體內(nèi)源型自由基及反應(yīng)環(huán)境,操作簡(jiǎn)單、選擇性好、抗干擾性佳且便于實(shí)現(xiàn)活體在線檢測(cè)[35～41].眾所周知,在光電化學(xué)平臺(tái)中光電材料的選擇至關(guān)重要,可將常用的光電材料根據(jù)其能帶位置分為3類[24]: (1) 價(jià)帶位置較正者具有更強(qiáng)的氧化能力,能夠產(chǎn)生·OH自由基,如WO3,SnO2,BiVO4,TiO2及ZnO等(見圖2左半部分),可用于有機(jī)污染物降解、O2析出及氧化抗氧化劑.其中,通過氧化具有還原性的物質(zhì),如抗氧化劑,可產(chǎn)生更高的光電流信號(hào),達(dá)到對(duì)抗氧化劑進(jìn)行檢測(cè)的目的; (2) 導(dǎo)帶位置較負(fù)者具有更強(qiáng)的還原能力,可用于CO2還原以及H2析出,如CdS,C3N4,Bi2S3和Cu2O(見圖2右半部分); (3) 具有合適的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置的半導(dǎo)體,可用于光解H2O(導(dǎo)帶和價(jià)帶分別用于析出H2和O2),如CdS,C3N4,ZnO和TiO2等.抗氧化劑作為還原性電子給體,可與具有氧化性的光生空穴發(fā)生反應(yīng),因此需要選擇價(jià)帶電位高于抗氧化劑氧化電位的半導(dǎo)體材料,并且要實(shí)現(xiàn)高靈敏度,通常需用半導(dǎo)體材料復(fù)合構(gòu)筑異質(zhì)結(jié),加快載流子傳輸速率,減小電子空穴復(fù)合速率[42～45].

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

本文總結(jié)了基于半導(dǎo)體材料構(gòu)建的光電化學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于食品中抗氧化劑與抗氧化容量分析方面的研究工作,并對(duì)現(xiàn)階段報(bào)道的光電化學(xué)技術(shù)檢測(cè)食品中抗氧化容量體系進(jìn)行了整理和分類,包括對(duì)特定(單個(gè))抗氧化劑的測(cè)定以及多種不同體系總抗氧化容量的測(cè)定,評(píng)述了各種檢測(cè)體系的特點(diǎn)并對(duì)研究前景進(jìn)行了展望.

1 幾種常見抗氧化劑的測(cè)定

抗氧化劑(AO)按照來源可分為外源性抗氧化劑和內(nèi)源性抗氧化劑.外源性抗氧化劑分為天然抗氧化劑和人工合成抗氧化劑2種.天然抗氧化劑主要指水果和蔬菜中所含的抗氧化劑,如維生素A、維生素C、維生素E以及多酚類物質(zhì)等,大多數(shù)為水溶性物質(zhì); 人工合成抗氧化劑主要也是酚類物質(zhì),通常作為食品添加劑加入油脂中防止油脂氧化,多數(shù)為油溶性物質(zhì),目前使用最廣泛的是沒食子酸丙酯(PG)、丁基羥基茴香醚(BHA)、二丁基羥基甲苯(BHT)和叔丁基對(duì)苯二酚(TBHQ)等.內(nèi)源性抗氧化劑是指人體自身產(chǎn)生的抗氧化劑,主要是機(jī)體自身產(chǎn)生的一些酶,包括谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化歧化酶(SOD)和褪黑素等[46～49].單個(gè)抗氧化劑的測(cè)定對(duì)食品和藥物質(zhì)量監(jiān)控、食品安全性以及人體健康監(jiān)測(cè)與疾病預(yù)防具有重要意義[50～56].

1.1 外源性抗氧化劑的測(cè)定

1.1.1 天然抗氧化劑的測(cè)定 天然抗氧化劑主要包括酚類及黃酮類化合物,存在于水果、蔬菜和谷物中,人體通過飲食攝取.其中,維生素類和酚類化合物是目前天然抗氧化劑領(lǐng)域研究較成熟的2大類,清除自由基效果十分明顯.

抗壞血酸(AA)即維生素C,主要存在于新鮮蔬菜、水果等食物中,作為一種重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),對(duì)食品中AA的檢測(cè)十分重要[57～61].Mazhabi等[62]報(bào)道了一種基于g-C3N4/ITO的光電化學(xué)檢測(cè)AA的方法,AA的還原特性使其作為電子供體可被g-C3N4產(chǎn)生的空穴氧化,產(chǎn)生更高的光電流而得以檢測(cè),檢測(cè)的線性范圍為0.25～100 μmol/L(圖3),檢出限(S/N=3)為0.12 μmol/L; 還測(cè)定了泡騰片及藥用維生素C片中AA的含量.異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑有助于增加半導(dǎo)體的載流子傳輸,增大光電響應(yīng)信號(hào),從而提高檢測(cè)靈敏度,Kang等[50]用g-C3N4/TiO2納米管陣列復(fù)合膜組裝的光電傳感器,獲得了1 nmol/L～10 μmol/L的檢測(cè)范圍及0.3 nmol/L的檢出限.這一技術(shù)有望應(yīng)用于藥物檢測(cè)及食品質(zhì)量監(jiān)測(cè).

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.

沒食子酸(GA),學(xué)名3,4,5-三羥基苯甲酸,是一種重要的天然抗氧化劑,廣泛存在于掌葉大黃、大葉桉、山茱萸、茶葉、葡萄、五倍子及漆樹等植物中[39].研究[63]發(fā)現(xiàn),GA可以有效消除生物體內(nèi)高活性的羥基自由基,從而表現(xiàn)出抗炎癥、抗腫瘤等活性,所以研究快速、靈敏測(cè)定沒食子酸的抗氧化容量方法具有重要意義.本課題組[39]采用一種簡(jiǎn)單的方法將還原的氧化石墨烯(rGO)、光催化劑TiO2與導(dǎo)電聚合物聚苯胺(PANI)三者結(jié)合,合成了rGO/TiO2/PANI 復(fù)合材料,用其構(gòu)建了一種光電化學(xué)傳感器,并應(yīng)用于GA的抗氧化能力評(píng)估.該光電傳感器表現(xiàn)出高靈敏度和高選擇性的優(yōu)勢(shì),線性響應(yīng)范圍為4.17～250.02 μmol/L[圖4(B)]; 檢出限為 1.72 μmol/L,對(duì)常見的干擾物種如AA、谷胱甘肽(GSH)、葡萄糖、氨基酸以及醇類物質(zhì)的響應(yīng)很低,抗干擾性良好[圖4(C)]; 還對(duì)響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探究[圖4(D)],在420 nm光照條件下,電子從PANI的LUMO流向rGO-TiO2的導(dǎo)帶,進(jìn)而流入ITO電極產(chǎn)生光電流.加入GA后,由 rGO-TiO2的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到 PANI 的HOMO空穴以及PANI自身產(chǎn)生的空穴均與GA反應(yīng),得到電子的空穴能夠被進(jìn)一步激發(fā)光電流,在一定范圍內(nèi)GA濃度越高光電流越高.

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,針對(duì)藥物中GA的選擇性測(cè)定,本課題組[42]構(gòu)建了基于Bi2MoO6/Bi2S3的光電化學(xué)平臺(tái).以水熱法合成的γ-Bi2MoO6納米帶為骨架,硫脲為硫源,通過陰離子交換法制備了Bi2MoO6/Bi2S3納米帶.采用密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法建立了Bi2MoO6與Bi2S3接觸區(qū)域的模型[圖5(A)],表明電子性能上的細(xì)微不同會(huì)影響材料的光催化活性.結(jié)構(gòu)與組分上的創(chuàng)新賦予了Bi2MoO6/Bi2S3極佳的光電性能以及對(duì)GA的良好選擇性[圖5(B)],實(shí)現(xiàn)了對(duì)藥物中GA的檢測(cè)[圖5(C)]; 還利用這一光電化學(xué)傳感器測(cè)定了玫瑰花口服液和石榴補(bǔ)血糖漿2種液體非處方藥,測(cè)定結(jié)果與HPLC分析結(jié)果一致.這也充分證明了該光電化學(xué)傳感器的精確性和可行性,有望將其用于醫(yī)藥行業(yè)的藥品質(zhì)量把關(guān).

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.

對(duì)于天然抗氧化劑的光電化學(xué)測(cè)定研究主要集中于以上2種常見的抗氧化劑,目前在天然抗氧化劑的光電化學(xué)檢測(cè)中已取得了很多成果,對(duì)健康飲食和藥品質(zhì)量把關(guān)具有重要意義.

1.1.2 人工合成抗氧化劑的測(cè)定 人工合成抗氧化劑主要包括叔丁基對(duì)苯二酚(TBHQ)、沒食子酸丙酯(PG)、丁基羥基茴香醚(BHA)和二丁基羥基甲苯(BHT)等.這些抗氧化劑為油溶性抗氧化劑,主要用作油脂類食品添加劑,抗氧化劑通過與油脂中的游離基或者螯合金屬離子發(fā)生反應(yīng)以阻斷油脂氧化過程,從而保持油脂穩(wěn)定,防止油品氧化[51,52].

TBHQ雖然有較強(qiáng)的抗氧化能力,卻具有一定的毒性,會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞癌變.我國(guó)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2760-1996)中規(guī)定: TBHQ可用于食用油脂、油炸食品、干魚制品、餅干、方便面、速煮米、干果罐頭和腌肉制品等,其最大使用量為0.2 g/kg.Monteiro等[51]報(bào)道了一種基于CdSe/ZnS/LiTCNE/ITO的光電傳感器用于檢測(cè)TBHQ,該傳感器的檢測(cè)靈敏度為0.012 μA·L·μmol-1,線性范圍為0.6～250 μmol/L,檢出限為0.21 μmol/L,并且檢測(cè)了2種食用油當(dāng)中的TBHQ.該課題組[52]還開發(fā)了一種基于LiTCNE-TiO2復(fù)合物的光電傳感器用于檢測(cè)TBHQ,其表現(xiàn)出更寬的線性范圍(0.4～500 μmol/L),更小的檢出限(100 nmol/L),更高的靈敏度(0.01 μA·L·μmol-1),并被應(yīng)用于檢測(cè)生物柴油中的TBHQ,有望應(yīng)用于實(shí)際油品質(zhì)檢中.

沒食子酸丙酯(PG),即3,4,5-三羥基苯甲酸丙酯,是一種人工合成的抗氧化劑.我國(guó)《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB2760-2011)規(guī)定PG最大使用量為0.1 g/kg,可用于食品油脂、油炸食品、餅干、方便面、果仁罐頭和腌臘肉制品等食品中,超過此添加標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)損傷人體肝細(xì)胞,因此發(fā)展高靈敏檢測(cè)PG的方法十分必要[64～67].本課題組[66]通過水熱法和溶劑熱法2步合成了MoS2/ZnO 異質(zhì)結(jié)材料,基于此材料搭建的光電化學(xué)傳感器可在470 nm波長(zhǎng)光照下對(duì)PG進(jìn)行檢測(cè),并展現(xiàn)了良好的線性關(guān)系及穩(wěn)定性[圖6(B)],實(shí)現(xiàn)了無標(biāo)記的選擇性檢測(cè); 對(duì)其它幾種油溶性抗氧化劑BHA,BHT,TBHQ和維生素E(VE)也進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)其對(duì)PG具有優(yōu)異的選擇性[圖6(A)]; 并闡述了選擇性檢測(cè)的機(jī)理[圖6(C)],認(rèn)為該傳感器對(duì)PG的高選擇性來源于ZnO與PG中相鄰的3個(gè)羥基產(chǎn)生了五元環(huán)絡(luò)合結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了對(duì)PG的吸附和富集,從而導(dǎo)致對(duì)PG響應(yīng)的光電流增大.

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.

對(duì)于人工合成抗氧化劑,主要是防止添加過量對(duì)人體產(chǎn)生損害,因此,實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度和精確性是檢測(cè)方法發(fā)展的重要方向,而開發(fā)性能更好的光電催化材料是提高光電傳感器靈敏度的關(guān)鍵.

1.2 內(nèi)源性抗氧化劑的測(cè)定

谷胱甘肽(γ-谷氨酰半胱氨酸基甘氨酸,GSH)是一種重要的巰基三肽,作為抗氧化劑,其細(xì)胞內(nèi)濃度是氧化應(yīng)激的指示劑.GSH的異常水平與癌癥、肝損傷和心血管疾病等疾病密切相關(guān)[46～48].Zhao等[46]開發(fā)了一種基于CdS/RGO/ZnO光電催化材料的傳感器用于檢測(cè)GSH,響應(yīng)的線性范圍為0.05～1 mmol/L,檢出限為10 μmol/L.Kang等[47]報(bào)道了一種基于Cu2O/ZnO雙氧化物p-n異質(zhì)結(jié)的光電生物傳感器用于檢測(cè)GSH,響應(yīng)的線性范圍是10～1000 μmol/L,檢出限為0.42 μmol/L.為實(shí)現(xiàn)更低的檢出限和更小濃度的檢測(cè)范圍,需要提高響應(yīng)的靈敏度,Li等[48]報(bào)道了一種基于AgNPs/GO/MS(介孔二氧化硅)/CDs(碳量子點(diǎn))的光電傳感器用于測(cè)定GSH,該傳感器的靈敏度和檢出限分別為57.6 nA·μmol·L-1和6.2 nmol/L(S/N=3),線性范圍為0.02～4 μmol/L,將其用于測(cè)定人血清和小鼠心肌細(xì)胞中的GSH,發(fā)現(xiàn)該傳感器比市面上的GSH試劑盒傳感器性能更好.生物學(xué)家可以利用上述傳感器來檢測(cè)人體不同部位血液中的GSH.為了實(shí)現(xiàn)這些傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以用于醫(yī)院等商業(yè)用途,制造工藝的可靠性仍然需要改進(jìn),而光電檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)對(duì)于未來復(fù)雜疾病的診斷也有著重要意義.我們建議: 針對(duì)批量化生產(chǎn)的傳感器,需要設(shè)計(jì)合成方法簡(jiǎn)易的光催化劑,并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化; 對(duì)于內(nèi)源性抗氧化劑的測(cè)定,而努力發(fā)展活體檢測(cè)方法,同時(shí)光電傳感器的激發(fā)光源應(yīng)由可見光向近紅外光源發(fā)展.

實(shí)現(xiàn)單個(gè)抗氧化劑的測(cè)定有選擇性和穩(wěn)定性2點(diǎn)關(guān)鍵因素.因此,對(duì)光催化材料的遴選尤為重要,須滿足如下要求: 價(jià)帶位置適當(dāng),能與待測(cè)抗氧化劑反應(yīng),而與常見干擾物種不反應(yīng); 帶隙合適,盡量利用可見光激發(fā).目前研制的傳感器主要存在穩(wěn)定性問題,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵仍然是光電催化劑,因此,輔以計(jì)算化學(xué)第一性原理設(shè)計(jì)開發(fā)新型高性能光催化劑仍是研究者們努力的方向.

2 全系抗氧化容量的測(cè)定

食品體系中抗氧化劑之間通常存在協(xié)同作用,僅測(cè)定單一抗氧化劑無法對(duì)整個(gè)體系的抗氧化容量進(jìn)行評(píng)估.因此,對(duì)于食品體系,尤其是加工食品的抗氧化容量評(píng)估在指導(dǎo)健康飲食和食品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)管方面具有重要的實(shí)用意義.

生物體內(nèi)的羥基自由基濃度過高時(shí),會(huì)使DNA受損傷進(jìn)而導(dǎo)致疾病發(fā)生,而抗氧化劑可以與DNA競(jìng)爭(zhēng)性地與羥基自由基反應(yīng),從而保護(hù)DNA免于損傷.本課題組[40]使用氧化石墨烯-二氧化鈦(GO-TiO2)復(fù)合材料和DNA分子設(shè)計(jì)了一種抗氧化容量光電化學(xué)傳感器,在可見光照射下GO-TiO2能產(chǎn)生大量的羥基自由基,羥基自由基可以損傷DNA,導(dǎo)致DNA標(biāo)記分子亞甲基藍(lán)(MB)的電化學(xué)信號(hào)降低,加入抗氧化劑可以與DNA競(jìng)爭(zhēng)性地與羥基自由基反應(yīng)從而保護(hù)DNA免于損傷(見圖7),標(biāo)記分子電化學(xué)信號(hào)增加,其中GOB-TiO2為兩者最佳配比的復(fù)合物.利用此傳感器實(shí)現(xiàn)了茶葉中抗氧化劑的抗氧化容量檢測(cè),測(cè)定結(jié)果與光學(xué)方法分析結(jié)果一致(見表1).此類傳感器有望拓展應(yīng)用于活體分析,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抗氧化劑在體內(nèi)清除自由基的過程和效果.

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.

本課題組[37]將TiO2原位生長(zhǎng)在磺化石墨烯(SGE)上,發(fā)揮SGE良好的水溶性、吸附性和獨(dú)特的電性質(zhì),設(shè)計(jì)出磺化石墨烯-二氧化鈦(SGE-TiO2)光電傳感器(見圖8).在光照條件下,TiO2中的電子-空穴分離,產(chǎn)生的空穴將抗氧化劑氧化,從而增大光電流檢測(cè)信號(hào).采用該傳感器測(cè)定了茶葉中6種主要的茶多酚成分,沒食子酸(GA)、兒茶素(CT)、咖啡酸(CA)、兒茶素沒食子酸酯(ECG)、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)和表沒食子兒茶素(EGC)標(biāo)準(zhǔn)品在不同濃度下的光電流響應(yīng),結(jié)果如圖9所示; 還測(cè)定了用于評(píng)估不同品牌茶葉的整體抗氧化容量,并且對(duì)該傳感器的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性以及機(jī)理進(jìn)行了深入探究,認(rèn)為這種簡(jiǎn)便、快捷、有效的方法將為食品行業(yè)抗氧化容量的評(píng)估提供一個(gè)通用的途徑.

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,本課題組[38～41]對(duì)g-C3N4/TiO2復(fù)合體系的能帶結(jié)構(gòu)和光電性能進(jìn)行了研究,并通過構(gòu)建光電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了抗氧化容量檢測(cè).深入探討了g-C3N4/TiO2復(fù)合光電材料的能帶結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)化過程(見圖10),使其均合適的價(jià)帶位置可以氧化槲皮素、沒食子酸、咖啡酸、兒茶素、非瑟酮、蘆丁、水溶性維生素E及抗壞血酸等食品中常見的抗氧化劑,檢測(cè)池示意圖以及對(duì)部分抗氧化劑響應(yīng)的結(jié)果如圖11所示.通過構(gòu)建g-C3N4/TiO2光電平臺(tái)首次系統(tǒng)且深入地研究了光電抗氧化容量分析技術(shù)方法,并揭示了光電抗氧化分析中的電子轉(zhuǎn)移機(jī)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進(jìn)

本課題組[35]結(jié)合電子軟件工程技術(shù),研發(fā)出首臺(tái)光電食品抗氧化容量分析儀,并應(yīng)用于多種食品體系的抗氧化容量分析測(cè)試.采用簡(jiǎn)單的一步化學(xué)法制備了 BiMoxV(1-x)O4,在一定含量的 Mo 摻雜下,花狀BiMo0.015V0.985O4的導(dǎo)帶與價(jià)帶的位置剛好包含食物中常見的抗氧化成分的氧化還原電位,具有與抗氧化成分靈敏反應(yīng)的優(yōu)勢(shì),以其建立的光電平臺(tái)已發(fā)展成一個(gè)通用的構(gòu)架,已用于測(cè)定多種食物包括4種茶葉、16種飲品以及8種新鮮水果的抗氧化容量的大小.依據(jù)該原理,設(shè)計(jì)出的流動(dòng)設(shè)備(見圖12)可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),該儀器操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性持久、耐干擾且實(shí)用性廣.使用該設(shè)備對(duì)幾種水果、茶葉以及飲品進(jìn)行了在線抗氧化容量檢測(cè),表2和表3結(jié)果表明,該光電化學(xué)平臺(tái)反應(yīng)靈敏、便于操作且抗干擾性好,能高效地用于食品抗氧化容量的評(píng)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]

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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

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在流動(dòng)體系的構(gòu)建過程中,參比電極是構(gòu)建裝置的難點(diǎn).本課題組[41]構(gòu)建了一種穩(wěn)定的兩電極體系(圖13),并用于流動(dòng)抗氧化容量的光電化學(xué)測(cè)定,獲得了與三電極體系一致的結(jié)果.使用兩電極體系在其它幾種材料上進(jìn)行測(cè)定,同樣獲得了良好結(jié)果.流動(dòng)體系的使用可以使生成的產(chǎn)物迅速排出,減少了其對(duì)工作電極的毒害; 相比于工作電極選擇較大面積的對(duì)電極,兩電極體系為光電傳感在高通量測(cè)定中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ),更有利于微流控芯片檢測(cè)[圖13(D)],更好地實(shí)現(xiàn)了裝置的簡(jiǎn)化和便攜.Kang等[50]研發(fā)了基于g-C3N4/TiO2納米管陣列復(fù)合膜組裝的雙電極光電傳感器,簡(jiǎn)化了檢測(cè)AA的裝置,同時(shí)研究了不同AA濃度下傳感器內(nèi)部電阻的差異及其對(duì)響應(yīng)電流大小和峰形的影響.

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.

除了檢測(cè)池的優(yōu)化,傳感材料的商業(yè)化優(yōu)化也是推動(dòng)抗氧化容量?jī)x器發(fā)展的重要步驟,本課題組[68]將商業(yè)化的二氧化鈦P25與氮摻雜的石墨烯復(fù)合材料用于構(gòu)建光電傳感平臺(tái),檢測(cè)了化妝品中的抗氧化劑含量,進(jìn)一步推動(dòng)了光電抗氧化儀器的發(fā)展.

4 總結(jié)與展望

本課題組在抗氧化分析領(lǐng)域引入了一種新方法——光電化學(xué)抗氧化容量檢測(cè)方法.基于此方法設(shè)計(jì)了幾種抗氧化容量傳感器,從光催化劑的合成到檢測(cè)池的設(shè)計(jì),再到集成化儀器的研發(fā),在光電化學(xué)技術(shù)測(cè)定抗氧化劑的研究方面取得了積極進(jìn)展; 從天然抗氧化劑的測(cè)定到人工合成抗氧化劑的測(cè)定,從單個(gè)抗氧化劑的測(cè)定到全系抗氧化容量的測(cè)定,未來的發(fā)展有望在儀器研發(fā)方面實(shí)現(xiàn)微型化、芯片式測(cè)試,開發(fā)新一代的抗氧化檢測(cè)儀,即用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè); 完善抗氧化指紋圖譜信息,實(shí)現(xiàn)高通量多通道同時(shí)測(cè)定的目標(biāo); 實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)抗氧化劑在生物體內(nèi)清除自由基的實(shí)時(shí)分析; 實(shí)現(xiàn)多種抗氧化劑之間的相互作用測(cè)定,對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)搭配和藥物配方設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)作用.