薄層流動式光電檢測器及抗氧化容量的檢測方法與流程
2023-07-08 04:29:02
本發明屬於光電材料技術領域，尤其涉及薄層流動式光電檢測器及抗氧化容量的檢測方法。
背景技術：
隨著國民經濟的發展和人們生活水平的提高，疾病和衰老成為大家越來越關注的話題。自從Denham Harman教授在1956年提出的衰老自由基理論以來，研究者們對抗氧化物質的研究興趣經久不衰。通過食物及時適當補充人體必需的抗氧化劑對促進人體健康，減少疾病發生具有積極意義。通過食品補充的抗氧化劑主要包括維生素E、維生素C、胡蘿蔔素、類黃酮以及多酚等物質。一系列細胞和組織實驗已經證實這些食品中的抗氧化劑可以對氧化損傷起到保護作用。因此，對抗氧化劑及抗氧化能力的測定具有重要的意義。
目前常用於抗氧化劑檢測的方法有三種：光譜法；色譜法和電化學方法。然而，三種方法除了操作繁瑣、儀器昂貴等缺點外，各自在抗氧化檢測中表現出自身的劣勢。光譜法在測定時容易受測試樣品顏色幹擾，嚴重時使測定數據嚴重失真；色譜法雖然能精確測定每種抗氧化劑的濃度，但濃度和抗氧化能力有顯著的區別，同時抗氧化劑間的協同效應不能被測定；電化學方法中工作電極容易被毒害，重現性差。因此急需一種新的方法解決上述問題。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明要解決的技術問題在於提供一種薄層流動式光電檢測器及抗氧化容量的檢測方法，該檢測方法的重現性較好。
本發明提供了一種薄層流動式光電檢測器，包括：樣品池，所述樣品池設置有樣品溶液進口與樣品溶液出口；所述樣品池的底部為透明的工作電極；所述工作電極的下方設置有LED光源；所述樣品池中設置有對電極與參比電極；所述工作電極的表面塗覆有碳氮/二氧化鈦複合納米材料、碳氮/氧化鋅複合納米材料、碳粉/二氧化鈦複合納米材料、石墨烯/二氧化鈦複合納米材料與石墨烯/氧化鋅複合納米材料中的一種或多種。
優選的，所述工作電極的面積為1～200mm2；所述對電極的面積為1～80mm2。
優選的，所述對電極為鉑絲、鉑片、鈦片或碳片；所述參比電極為Ag/AgCl或飽和甘汞電極。
優選的，所述碳氮/二氧化鈦複合材料按照以下方法製備：
將三聚氰胺在保護氣氛中高溫煅燒，超聲分散在水中，得到氮化碳；
將氮化碳、三價鈦鹽、雙氧水與陰離子表面活性劑在水中混合，加熱反應，得到中間產物；
將所述中間產物在保護氣氛中煅燒，得到碳氮/二氧化鈦複合材料。
優選的，所述氮化碳與三價鈦鹽中鈦離子的比例為1g：(2～4)mol；所述氮化碳與陰離子表面活性劑的質量比為3：(1.5～2.5)。
優選的，所述加熱反應的溫度為80℃～100℃；所述加熱反應的時間為10～30h；所述煅燒的溫度為400℃～500℃；所述煅燒的時間為1～4h。
本發明還提供了一種抗氧化容量的檢測方法，包括以下步驟：
採用上述的薄層流動式光電檢測器；
將待測樣品溶液通過樣品溶液進口注入樣品池中，進行抗氧化容量的檢測。
優選的，所述工作電極的工作電壓為-0.2～0.4V。
優選的，所述待測樣品溶液的注入流速為0.1～50ml/min。
優選的，所述LED光源的波長為380～560nm。
本發明提供了一種薄層流動式光電檢測器，包括：樣品池，所述樣品池設置有樣品溶液進口與樣品溶液出口；所述樣品池的底部為有透明的工作電極；所述工作電極的下方設置有LED光源；所述樣品池中設置有對電極與參比電極；所述工作電極的表面塗覆有碳氮/二氧化鈦複合納米材料、碳氮/氧化鋅複合納米材料、碳粉/二氧化鈦複合納米材料、石墨烯/二氧化鈦複合納米材料與石墨烯/氧化鋅複合納米材料中的一種或多種。與現有技術相比，本發明提供的光電檢測器操作簡便，成本低廉，可迅速地進行抗氧劑抗氧化容量的檢測；其光源的入射方式為背射式，能最大化避免有色樣品背景信號的影響。此外薄層流動式進樣的引入，不僅有利於測得光電流保持恆定，而且提高了傳質能力，靈敏度大大提升。
附圖說明
圖1為本發明實施例1中得到的本體的氮化碳與超薄的氮化碳的分散液圖片；
圖2為本發明實施例1中得到的超薄的氮化碳的原子力顯微鏡照片；
圖3為本發明實施例1中得到的超薄的氮化碳的原子力顯微鏡力曲線圖；
圖4為本發明實施例1中得到的超薄的氮化碳的透射電鏡照片；
圖5為本發明實施例1中得到的本體的氮化碳的透射電鏡照片；
圖6為本發明實施例1中得到的碳氮/二氧化鈦複合納米材料的透射電鏡照片；
圖7為本發明實施例1中得到的碳氮/二氧化鈦複合納米材料的高分辨透射電鏡照片；
圖8為本發明實施例1中得到的本體的氮化碳、超薄的氮化碳與碳氮/二氧化鈦複合納米材料的X射線衍射譜圖；
圖9a為本發明實施例1中得到的超薄的氮化碳與碳氮/二氧化鈦複合材料的X射線光電子能譜圖；；圖9b-d為本發明實施例1中得到的超薄碳氮/二氧化鈦複合材料中各元素的X射線光電子能譜圖；
圖10為本發明實施例1中得到的TiO2(a0,a1)，bg-C3N4/TiO2(b0,b1)和utg-C3N4/TiO2(c0,c1)三種材料的光電響應信號圖；
圖11為本發明提供的薄層流動式光電檢測器的結構示意圖；
圖12為本發明實施例2中沒食子酸抗氧化容量的抗幹擾測試結果圖；
圖13為本發明實施例3中不同濃度下CA、CT和AA三種抗氧化劑的光電響應圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明提供了一種薄層流動式光電檢測器，包括：樣品池，所述樣品池設置有樣品溶液進口與樣品溶液出口；所述樣品池的底部為有透明的工作電極；所述工作電極的下方設置有LED光源；所述樣品池中設置有對電極與參比電極；所述工作電極的表面塗覆有碳氮/二氧化鈦複合納米材料、碳氮/氧化鋅複合納米材料、碳粉/二氧化鈦複合納米材料、石墨烯/二氧化鈦複合納米材料與石墨烯/氧化鋅複合納米材料中的一種或多種。
按照本發明，所述樣品池為密閉遮光體系；所述樣品池設置有樣品溶液進口與樣品溶液出口；通過樣品溶液進口與樣品溶液出口，使樣品溶液在樣品池內形成流動體系。
所述樣品池的底部為透明的工作電極，使樣片溶液從工作電極表面流過；所述工作電極的面積優選為1～200mm2，更優選為25～200mm2，再優選為25～150mm2，最優選為25～127.17mm2；所述工作電極的表面塗覆有碳氮/二氧化鈦複合材料、碳氮/氧化鋅複合納米材料、碳粉/二氧化鈦複合納米材料、石墨烯/二氧化鈦複合納米材料與石墨烯/氧化鋅複合納米材料中的一種或多種；其塗覆量優選為0.0005～0.1mg/mm2，更優選為0.0005～0.01mg/mm2，再優選為0.0005～0.004mg/mm2，最優選為0.0007～0.004mg/mm2。
其中，所述碳氮/二氧化鈦複合納米材料優選按照以下方法製備：將氮化碳、三價鈦鹽、雙氧水與陰離子表面活性劑在水中混合，加熱反應，得到中間產物；將所述中間產物在保護氣氛中煅燒，得到碳氮/二氧化鈦複合納米材料。
本發明對所有原料的來源並沒有特殊的限制，為市售或自製均可。
其中，所述氮化碳為本領域技術人員熟知的氮化碳即可，並無特殊的限制，本發明中優選按照以下方法製備：將三聚氰胺在保護氣氛中高溫煅燒，得到氮化碳。
按照本發明優選採用程序升溫三聚氰胺達到高溫煅燒的溫度；所述程序升溫的升溫速度優選為2～5K·min-1，更優選為2～3K·min-1，再優選為2.5K·min-1；所述高溫煅燒的溫度優選為500℃～600℃；所述高溫煅燒的時間優選為1～4h，更優選為2～3h；所述保護氣氛為本領域技術人員熟知的保護氣氛即可，並無特殊的限制。
高溫煅燒後優選冷卻至室溫，用醇溶劑與水洗滌，再進行乾燥；所述醇溶劑為本領域技術人員熟知的醇溶劑即可，並無特殊的限制，本發明優選為甲醇和/或乙醇；所述乾燥的溫度優選為60℃～80℃，更優選為70℃～80℃；所述乾燥的時間優選為10～15h，更優選為12～14h。
乾燥後，優選將產物超聲分散至水中，自然沉降，離心取上層清液，得到氮化碳。
將氮化碳、三價鈦鹽、雙氧水與陰離子表面活性劑在水中混合；所述鈦鹽為本領域技術人員熟知的鈦鹽即可，並無特殊的限制，本發明中優選為三氯化鈦；所述氮化碳與三價鈦鹽的比例優選為1g：(2～4)mol；所述陰離子表面活性劑為本領域技術人員熟知的陰離子表面活性劑即可，並無特殊的限制，本發明中優選為烷基磺酸鹽類表面活性劑，更優選為十二烷基苯磺酸鈉；所述氮化碳與陰離子表面活性劑的質量比優選為3：(1.5～2.5)。在本發明中，優選氮化碳與陰離子表面活性劑在水中混合攪拌，然後在加入鈦鹽與雙氧水；所述混合攪拌的時間優選為0.5～2h，再優選為1～1.5h；所述三價鈦鹽優選以水溶液的形式加入，所述三價鈦鹽水溶液中三價鈦離子的濃度優選為0.3～1mol/L，更優選為0.4～0.8mol/L，再優選為0.6mol/L。在本發明中，陰離子表面活性劑可促進氮化碳在水中的分散，還可提供負電荷有利於三價鈦離子的吸附，進而使形成的二氧化鈦高密度均勻分布於氮化碳上。
混合後，加熱反應；所述加熱反應的溫度優選為80℃～100℃，更優選為90℃～100℃，再優選為90℃；所述加熱反應的時間優選為10～30h，更優選為12～25h，再優選為14～20h，最優選為16～18h。
加熱反應後，優選用醇溶劑與水洗滌，乾燥後，得到中間產物；所述醇溶劑為本領域技術人員熟知的醇溶劑即可，並無特殊的限制，本發明中優選為甲醇和/或乙醇；所述乾燥的溫度優選為60℃～80℃，更優選為70℃～80℃；所述乾燥的時間優選為10～15h，更優選為12～14h。
將所述中間產物在保護氣氛中煅燒；所述保護氣氛為本領域技術人員熟知的保護氣氛即可，並無特殊的限制，本發明中優選為氮氣；所述煅燒的溫度優選為400℃～500℃；所述煅燒的時間優選為1～4h，更優選為2～3h，再優選為2h。
煅燒後，將產物用醇溶劑與水洗滌，乾燥後，得到碳氮/二氧化鈦複合材料；所述醇溶劑為本領域技術人員熟知的醇溶劑即可，並無特殊的限制，本發明中優選為甲醇和/或乙醇；所述乾燥的溫度優選為60℃～80℃，更優選為70℃～80℃；所述乾燥的時間優選為10～15h，更優選為12～14h。
本發明在氮化碳上原位生長二氧化鈦納米粒子，然後在保護氣氛中煅燒使其晶型發生轉變，從而使得到的碳氮/二氧化鈦複合納米材料可作為光電材料用於抗氧化劑抗氧化容量的測定。
為使薄層流動式光電檢測器可重複利用，所述工作電極優選位於樣品池的底部且可更換，此時為了保證樣品池的密封性，所述工作電極與樣品池的側壁優選通過密封膠圈相連接。
所述工作電極的下方設置有LED光源，樣品溶液從工作電極表面流過的同時採用LED光源進行照射；所述LED光源的功率優選為1000～5000mW/cm2。
所述樣品池中設置有對電極與參比電極；其中，所述對電極為本領域技術人員熟知的對電極即可，並無特殊的限制，本發明中優選為鉑絲、鉑片、鈦片或碳片；所述對電極的面積優選為1～80mm2，更優選為10～80mm2，再優選為10～60mm2；所述參比電極為本領域技術人員熟知的參比電極即可，並無特殊的限制，本發明中優選為Ag/AgCl或飽和甘汞電極；其中所述Ag/AgCl參比電極優選為Ag/AgCl(3mol/L KCl)或Ag/AgCl(飽和KCl)。
本發明提供的光電檢測器操作簡便，成本低廉，可迅速地進行抗氧劑抗氧化容量的檢測；其光源的入射方式為背射式，能最大化避免有色樣品背景信號的影響。此外薄層流動式進樣的引入，不僅有利於測得光電流保持恆定，而且提高了傳質能力，靈敏度大大提升。
本發明還提供了一種抗氧化容量的檢測方法，包括以下步驟：
採用上述的薄層流動式光電檢測器；將待測樣品溶液通過樣品溶液進口注入樣品池中，進行抗氧化容量的檢測。
其中，所述薄層流動式光電檢測器同上所述，在此不再贅述。
將待測樣品溶液通過樣品溶液進口注入樣品池中；所述待測樣品溶液的注入流速優選為0.1～50ml/min，更優選為1～50ml/min，再優選為10～50ml/min，最優選為10～45ml/min；所述工作電極的工作電壓優選為-0.2～0.4V，更優選為-0.1～0.4V，再優選為-0.1～0.2V；所述LED光源的波長優選為380～560nm，更優選為380～500nm，再優選為400～480nm。
為了進一步說明本發明，以下結合實施例對本發明提供的一種薄層流動式光電檢測器及抗氧化容量的檢測方法進行詳細描述。
以下實施例中所用的試劑均為市售(氮化碳合成中程序升溫的升溫速率為2.5K·min-1)。
實施例1
1.1超薄氮化碳的合成：
稱取2克三聚氰胺放入坩堝中，在氮氣氛圍下加熱至500℃，恆溫2小時，隨後冷卻至室溫。用甲醇、二次水分別離心洗滌數次，並於70℃乾燥12小時，獲得本體的氮化碳(簡稱bg-C3N4)。將所得產物超聲分散至二次水中，使溶液自然沉降，然後離心取上清液備用，即得到超薄的氮化碳(簡稱utg-C3N4)；
1.2超薄的碳氮/二氧化鈦複合材料的合成：
分別將3毫克utg-C3N4和1.5毫克十二烷基磺酸鈉分散至二次水中，均勻攪拌1小時。緊接著將10毫升三氯化鈦(0.6摩爾每升)和5毫升雙氧水(質量分數1％)分別迅速加入上述溶液，90℃下反應16小時。生成的沉澱分別用乙醇、二次水離心洗滌數次，並於70℃乾燥12小時。然後將上述乾燥產品加熱至400℃恆溫2小時，所得產物用乙醇、二次水洗滌數次，最終70℃乾燥12小時即得到超薄的碳氮/二氧化鈦複合納米材料(簡稱utg-C3N4/TiO2)。
圖1為實施例1中得到的本體的氮化碳與超薄的氮化碳的分散液圖片。由圖1可知，兩星期後bg-C3N4大多數沉澱，而utg-C3N4仍然保持澄清。說明utg-C3N4具有較好的分散性。(圖1中A、A1是bg-C3N4分散液，B、B1是utg-C3N4分散液)。
利用原子力顯微鏡對實施例1中得到的超薄的氮化碳進行分析，得到其原子力顯微鏡照片如圖2所示，得到其原子力顯微鏡力曲線圖如圖3。
利用透射電鏡對實施例1中得到的超薄的氮化碳進行分析，得到其透射電鏡照片，如圖4所示。
利用透射電鏡對實施例1中得到的本體的氮化碳進行分析，得到其透射電鏡照片，如圖5所示。
利用透射電鏡對實施例1中得到的碳氮/二氧化鈦複合納米材料進行分析，得到其透射電鏡照片，如圖6所示。
利用高分辨透射電鏡對實施例1中得到的碳氮/二氧化鈦複合納米材料進行分析，得到其高分辨透射電鏡照片，如圖7所示。
利用X射線衍射對實施例1中得到的本體的氮化碳、超薄的氮化碳與碳氮/二氧化鈦複合納米材料進行分析，得到其X射線衍射譜圖，圖8所示。
利用X射線光電子能譜儀對實施例1中得到的超薄的氮化碳與碳氮/二氧化鈦複合納米材料進行分析，得到其X射線光電子能譜圖，如圖9所示。
圖10為TiO2(a0,a1)，bg-C3N4/TiO2(b0,b1)和utg-C3N4/TiO2(c0,c1)三種材料的光電響應信號圖。a0、b0和c0是在空白磷酸緩衝溶液(0.1摩爾每升pH＝7.4)的響應，施加電位為0伏，光源為LED 420納米(3瓦)的光電流，加入50微摩爾每升沒食子酸後，三種材料的光電流都迅速增加(a1、b2和c3)，其中無論是空白還是加入抗氧化劑沒食子酸後，utg-C3N4/TiO2的光電流都顯著高於其他對照材料，說明utg-C3N4/TiO2是一個較好的用於抗氧化劑抗氧化容量測定的光電材料。
實施例2
2.1工作電極的製備
選擇實施例1製備的碳氮/二氧化鈦(utg-C3N4/TiO2)複合納米材料為光電材料。將utg-C3N4/TiO2在二次水中超聲分散(1mg/mL)，取100μL上述分散液塗層到特定面積的ITO電極上，先自然乾燥然後在70℃乾燥1小時固化，得到光電檢測的工作電極。選擇鉑絲為對電極，Ag/AgCl(3mol/L)為參比電極，工作電極和對電極面積分別為127.17mm2和56.52mm2。
2.2設計薄層流動光電檢測池
將對電極、參比電極和工作電極固定到流動池中，其中工作電極是可更換的，樣品進樣方式採用流動進樣，併集成了LED光源接口，薄層流動式光電檢測器的結構示意圖如圖11所示。
2.3設定參數
選擇工作電位為0V，樣品進樣流速(10mL/min)，在420nm LED(光源功率5000mW/cm2)的光照下對抗氧化劑抗氧化容量進行測定。
2.4進行檢測
1000倍的脯氨酸、甘氨酸、組氨酸、甲醇和乙醇，500倍的蘇氨酸、果糖、葡萄糖、檸檬酸和蘋果酸，20倍的半胱氨酸存在的條件下對25mmol/L沒食子酸進行檢測，得到其抗幹擾測定結果圖，如圖12所示。
實施例3
3.1工作電極的製備
選擇實施例1製備的碳氮/二氧化鈦(utg-C3N4/TiO2)複合納米材料為光電材料。將utg-C3N4/TiO2在二次水中超聲分散(1mg/mL)，取100μL上述分散液塗層到特定面積的ITO電極上，先自然乾燥然後在70℃乾燥1小時固化，得到光電檢測工作電極。選擇鉑絲為對電極，Ag/AgCl(3mol/L)為參比電極，工作電極和對電極面積分別為127.17mm2和56.52mm2。
3.2設計薄層流動光電檢測池
將對電極、參比電極和工作電極固定到流動池中，其中檢測工作電極是可更換的，樣品進樣方式採用流動進樣，併集成了LED光源接口，薄層流動光電檢測池的結構示意圖如圖11所示。
3.3設定參數
選擇工作電位為0V，樣品進樣流速(10mL/min)，在420nm LED(光源功率5000mW/cm2)的光照下對抗氧化劑抗氧化容量進行測定。
3.4進行檢測
對九種標準的抗氧化劑進行測定，其中咖啡酸、茶鹼和抗壞血酸三種抗氧化劑的響應如圖13所示，其中從左至右依次為咖啡酸、茶鹼與抗壞血酸，在較寬的線性範圍內響應良好。其餘結果見表1。
表1 標準抗氧化劑檢測結果
註：每個樣品測定三次求平均值。
實施例4
4.1工作電極的製備
選擇實施例1製備的碳氮/二氧化鈦(utg-C3N4/TiO2)複合納米材料為光電材料。將utg-C3N4/TiO2在二次水中超聲分散(1mg/mL)，取100μL上述分散液塗層到特定面積的ITO電極上，先自然乾燥然後在70℃乾燥1小時固化，得到光電檢測工作電極。選擇鉑絲為對電極，Ag/AgCl(3mol/L)為參比電極，工作電極和對電極面積分別為127.17mm2和56.52mm2。
4.2設計薄層流動光電檢測池
將對電極、參比電極和工作電極固定到流動池中，其中檢測工作電極是可更換的，樣品進樣方式採用流動進樣，併集成了LED光源接口，薄層流動光電檢測池的結構示意圖如圖11所示。
4.3設定參數
選擇工作電位為0V，樣品進樣流速(10mL/min)，在420nm LED(光源功率5000mW/cm2)的光照下對抗氧化劑抗氧化容量進行測定。
4.4進行檢測
對四種商用茶葉和咖啡總抗氧化容量測定結果與兩種光譜法結果相一致，測量結果如表2所示。兩種光學測量方法如下：
(a)F-C方法：100μL各種稀釋濃度的茶葉和咖啡加入2mL的離心管中，然後分別加入200μL F-C試劑(10％，v/v)和800μL碳酸鈉溶液，20℃反應2h，紫外可見光譜記錄760nm的吸光度。
(b)DPPH方法：200μL各種稀釋濃度的茶葉和咖啡加入2mL的離心管中，然後加入800μL DPPH溶液(40mg/L)，避光情況下反應15min，紫外可見光譜記錄514nm的吸光度。
表2 四種商用茶葉和咖啡總抗氧化容量測定結果
註：每個樣品測定三次求平均值；GA：沒食子酸；TROLOX：水溶性維生素
實施例5
5.1工作電極的製備
選擇碳粉/二氧化鈦(C/TiO2)複合納米材料為光電材料。將C/TiO2在二次水中超聲分散，取100μL上述分散液塗層到特定面積的ITO電極上，先自然乾燥然後在70℃乾燥1小時固化，得到光電檢測的工作電極。選擇鉑絲為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，工作電極和對電極面積分別為80mm2和60mm2。
5.2設計薄層流動光電檢測池
將對電極、參比電極和工作電極固定到流動池中，其中檢測工作電極是可更換的，樣品進樣方式採用流動進樣，併集成了LED光源接口，薄層流動光電檢測池的結構示意圖如圖11所示。
5.3設定參數
選擇工作電位為0.2V，樣品進樣流速(20mL/min)，在480nm LED(光源功率5000mW/cm2)的光照下對抗氧化劑抗氧化容量進行測定。
5.4進行檢測
對四種商用茶葉總抗氧化容量測定結果與兩種光譜法結果相一致，測量結果如表3所示。
表3 四種商用茶葉總抗氧化容量測定結果
註：每個樣品測定三次求平均值；GA：沒食子酸；TROLOX：水溶性維生素。
實施例6
6.1工作電極的製備
選擇石墨烯/氧化鋅(G/ZnO)複合納米材料為光電材料。將G/ZnO在二次水中超聲分散，取100μL上述分散液塗層到特定面積的ITO電極上，先自然乾燥然後在70℃乾燥1小時固化，得到光電檢測工作電極。選擇鉑絲為對電極，Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極，工作電極和對電極面積分別為25mm2和10mm2。
6.2設計薄層流動光電檢測池
將對電極、參比電極和工作電極固定到流動池中，其中檢測工作電極是可更換的，樣品進樣方式採用流動進樣，併集成了LED光源接口，薄層流動光電檢測池的結構示意圖如圖11所示。
6.3設定參數
選擇工作電位為-0.1V，樣品進樣流速450mL/min，在400nm LED(光源功率5000mW/cm2)的光照下對抗氧化劑抗氧化容量進行測定。
6.4進行檢測
對四種商用咖啡總抗氧化容量測定結果與兩種光譜法結果相一致，測量結果如表4所示。
表4 四種商用咖啡總抗氧化容量測定結果
註：每個樣品測定三次求平均值；GA：沒食子酸；TROLOX：水溶性維生素。