薄层流动式光电检测器及抗氧化容量的检测方法与流程

本发明属于光电材料技术领域，尤其涉及薄层流动式光电检测器及抗氧化容量的检测方法。

背景技术：

随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，疾病和衰老成为大家越来越关注的话题。自从Denham Harman教授在1956年提出的衰老自由基理论以来，研究者们对抗氧化物质的研究兴趣经久不衰。通过食物及时适当补充人体必需的抗氧化剂对促进人体健康，减少疾病发生具有积极意义。通过食品补充的抗氧化剂主要包括维生素E、维生素C、胡萝卜素、类黄酮以及多酚等物质。一系列细胞和组织实验已经证实这些食品中的抗氧化剂可以对氧化损伤起到保护作用。因此，对抗氧化剂及抗氧化能力的测定具有重要的意义。

目前常用于抗氧化剂检测的方法有三种：光谱法；色谱法和电化学方法。然而，三种方法除了操作繁琐、仪器昂贵等缺点外，各自在抗氧化检测中表现出自身的劣势。光谱法在测定时容易受测试样品颜色干扰，严重时使测定数据严重失真；色谱法虽然能精确测定每种抗氧化剂的浓度，但浓度和抗氧化能力有显著的区别，同时抗氧化剂间的协同效应不能被测定；电化学方法中工作电极容易被毒害，重现性差。因此急需一种新的方法解决上述问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种薄层流动式光电检测器及抗氧化容量的检测方法，该检测方法的重现性较好。

本发明提供了一种薄层流动式光电检测器，包括：样品池，所述样品池设置有样品溶液进口与样品溶液出口；所述样品池的底部为透明的工作电极；所述工作电极的下方设置有LED光源；所述样品池中设置有对电极与参比电极；所述工作电极的表面涂覆有碳氮/二氧化钛复合纳米材料、碳氮/氧化锌复合纳米材料、碳粉/二氧化钛复合纳米材料、石墨烯/二氧化钛复合纳米材料与石墨烯/氧化锌复合纳米材料中的一种或多种。

优选的，所述工作电极的面积为1～200mm²；所述对电极的面积为1～80mm²。

优选的，所述对电极为铂丝、铂片、钛片或碳片；所述参比电极为Ag/AgCl或饱和甘汞电极。

优选的，所述碳氮/二氧化钛复合材料按照以下方法制备：

将三聚氰胺在保护气氛中高温煅烧，超声分散在水中，得到氮化碳；

将氮化碳、三价钛盐、双氧水与阴离子表面活性剂在水中混合，加热反应，得到中间产物；

将所述中间产物在保护气氛中煅烧，得到碳氮/二氧化钛复合材料。

优选的，所述氮化碳与三价钛盐中钛离子的比例为1g：(2～4)mol；所述氮化碳与阴离子表面活性剂的质量比为3：(1.5～2.5)。

优选的，所述加热反应的温度为80℃～100℃；所述加热反应的时间为10～30h；所述煅烧的温度为400℃～500℃；所述煅烧的时间为1～4h。

本发明还提供了一种抗氧化容量的检测方法，包括以下步骤：

采用上述的薄层流动式光电检测器；

将待测样品溶液通过样品溶液进口注入样品池中，进行抗氧化容量的检测。

优选的，所述工作电极的工作电压为-0.2～0.4V。

优选的，所述待测样品溶液的注入流速为0.1～50ml/min。

优选的，所述LED光源的波长为380～560nm。

本发明提供了一种薄层流动式光电检测器，包括：样品池，所述样品池设置有样品溶液进口与样品溶液出口；所述样品池的底部为有透明的工作电极；所述工作电极的下方设置有LED光源；所述样品池中设置有对电极与参比电极；所述工作电极的表面涂覆有碳氮/二氧化钛复合纳米材料、碳氮/氧化锌复合纳米材料、碳粉/二氧化钛复合纳米材料、石墨烯/二氧化钛复合纳米材料与石墨烯/氧化锌复合纳米材料中的一种或多种。与现有技术相比，本发明提供的光电检测器操作简便，成本低廉，可迅速地进行抗氧剂抗氧化容量的检测；其光源的入射方式为背射式，能最大化避免有色样品背景信号的影响。此外薄层流动式进样的引入，不仅有利于测得光电流保持恒定，而且提高了传质能力，灵敏度大大提升。

附图说明

图1为本发明实施例1中得到的本体的氮化碳与超薄的氮化碳的分散液图片；

图2为本发明实施例1中得到的超薄的氮化碳的原子力显微镜照片；

图3为本发明实施例1中得到的超薄的氮化碳的原子力显微镜力曲线图；

图4为本发明实施例1中得到的超薄的氮化碳的透射电镜照片；

图5为本发明实施例1中得到的本体的氮化碳的透射电镜照片；

图6为本发明实施例1中得到的碳氮/二氧化钛复合纳米材料的透射电镜照片；

图7为本发明实施例1中得到的碳氮/二氧化钛复合纳米材料的高分辨透射电镜照片；

图8为本发明实施例1中得到的本体的氮化碳、超薄的氮化碳与碳氮/二氧化钛复合纳米材料的X射线衍射谱图；

图9a为本发明实施例1中得到的超薄的氮化碳与碳氮/二氧化钛复合材料的X射线光电子能谱图；；图9b-d为本发明实施例1中得到的超薄碳氮/二氧化钛复合材料中各元素的X射线光电子能谱图；

图10为本发明实施例1中得到的TiO₂(a0,a1)，bg-C₃N₄/TiO₂(b0,b1)和utg-C₃N₄/TiO₂(c0,c1)三种材料的光电响应信号图；

图11为本发明提供的薄层流动式光电检测器的结构示意图；

图12为本发明实施例2中没食子酸抗氧化容量的抗干扰测试结果图；

图13为本发明实施例3中不同浓度下CA、CT和AA三种抗氧化剂的光电响应图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种薄层流动式光电检测器，包括：样品池，所述样品池设置有样品溶液进口与样品溶液出口；所述样品池的底部为有透明的工作电极；所述工作电极的下方设置有LED光源；所述样品池中设置有对电极与参比电极；所述工作电极的表面涂覆有碳氮/二氧化钛复合纳米材料、碳氮/氧化锌复合纳米材料、碳粉/二氧化钛复合纳米材料、石墨烯/二氧化钛复合纳米材料与石墨烯/氧化锌复合纳米材料中的一种或多种。

按照本发明，所述样品池为密闭遮光体系；所述样品池设置有样品溶液进口与样品溶液出口；通过样品溶液进口与样品溶液出口，使样品溶液在样品池内形成流动体系。

所述样品池的底部为透明的工作电极，使样片溶液从工作电极表面流过；所述工作电极的面积优选为1～200mm²，更优选为25～200mm²，再优选为25～150mm²，最优选为25～127.17mm²；所述工作电极的表面涂覆有碳氮/二氧化钛复合材料、碳氮/氧化锌复合纳米材料、碳粉/二氧化钛复合纳米材料、石墨烯/二氧化钛复合纳米材料与石墨烯/氧化锌复合纳米材料中的一种或多种；其涂覆量优选为0.0005～0.1mg/mm²，更优选为0.0005～0.01mg/mm²，再优选为0.0005～0.004mg/mm²，最优选为0.0007～0.004mg/mm²。

其中，所述碳氮/二氧化钛复合纳米材料优选按照以下方法制备：将氮化碳、三价钛盐、双氧水与阴离子表面活性剂在水中混合，加热反应，得到中间产物；将所述中间产物在保护气氛中煅烧，得到碳氮/二氧化钛复合纳米材料。

本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售或自制均可。

其中，所述氮化碳为本领域技术人员熟知的氮化碳即可，并无特殊的限制，本发明中优选按照以下方法制备：将三聚氰胺在保护气氛中高温煅烧，得到氮化碳。

按照本发明优选采用程序升温三聚氰胺达到高温煅烧的温度；所述程序升温的升温速度优选为2～5K·min^-1，更优选为2～3K·min^-1，再优选为2.5K·min^-1；所述高温煅烧的温度优选为500℃～600℃；所述高温煅烧的时间优选为1～4h，更优选为2～3h；所述保护气氛为本领域技术人员熟知的保护气氛即可，并无特殊的限制。

高温煅烧后优选冷却至室温，用醇溶剂与水洗涤，再进行干燥；所述醇溶剂为本领域技术人员熟知的醇溶剂即可，并无特殊的限制，本发明优选为甲醇和/或乙醇；所述干燥的温度优选为60℃～80℃，更优选为70℃～80℃；所述干燥的时间优选为10～15h，更优选为12～14h。

干燥后，优选将产物超声分散至水中，自然沉降，离心取上层清液，得到氮化碳。

将氮化碳、三价钛盐、双氧水与阴离子表面活性剂在水中混合；所述钛盐为本领域技术人员熟知的钛盐即可，并无特殊的限制，本发明中优选为三氯化钛；所述氮化碳与三价钛盐的比例优选为1g：(2～4)mol；所述阴离子表面活性剂为本领域技术人员熟知的阴离子表面活性剂即可，并无特殊的限制，本发明中优选为烷基磺酸盐类表面活性剂，更优选为十二烷基苯磺酸钠；所述氮化碳与阴离子表面活性剂的质量比优选为3：(1.5～2.5)。在本发明中，优选氮化碳与阴离子表面活性剂在水中混合搅拌，然后在加入钛盐与双氧水；所述混合搅拌的时间优选为0.5～2h，再优选为1～1.5h；所述三价钛盐优选以水溶液的形式加入，所述三价钛盐水溶液中三价钛离子的浓度优选为0.3～1mol/L，更优选为0.4～0.8mol/L，再优选为0.6mol/L。在本发明中，阴离子表面活性剂可促进氮化碳在水中的分散，还可提供负电荷有利于三价钛离子的吸附，进而使形成的二氧化钛高密度均匀分布于氮化碳上。

混合后，加热反应；所述加热反应的温度优选为80℃～100℃，更优选为90℃～100℃，再优选为90℃；所述加热反应的时间优选为10～30h，更优选为12～25h，再优选为14～20h，最优选为16～18h。

加热反应后，优选用醇溶剂与水洗涤，干燥后，得到中间产物；所述醇溶剂为本领域技术人员熟知的醇溶剂即可，并无特殊的限制，本发明中优选为甲醇和/或乙醇；所述干燥的温度优选为60℃～80℃，更优选为70℃～80℃；所述干燥的时间优选为10～15h，更优选为12～14h。

将所述中间产物在保护气氛中煅烧；所述保护气氛为本领域技术人员熟知的保护气氛即可，并无特殊的限制，本发明中优选为氮气；所述煅烧的温度优选为400℃～500℃；所述煅烧的时间优选为1～4h，更优选为2～3h，再优选为2h。

煅烧后，将产物用醇溶剂与水洗涤，干燥后，得到碳氮/二氧化钛复合材料；所述醇溶剂为本领域技术人员熟知的醇溶剂即可，并无特殊的限制，本发明中优选为甲醇和/或乙醇；所述干燥的温度优选为60℃～80℃，更优选为70℃～80℃；所述干燥的时间优选为10～15h，更优选为12～14h。

本发明在氮化碳上原位生长二氧化钛纳米粒子，然后在保护气氛中煅烧使其晶型发生转变，从而使得到的碳氮/二氧化钛复合纳米材料可作为光电材料用于抗氧化剂抗氧化容量的测定。

为使薄层流动式光电检测器可重复利用，所述工作电极优选位于样品池的底部且可更换，此时为了保证样品池的密封性，所述工作电极与样品池的侧壁优选通过密封胶圈相连接。

所述工作电极的下方设置有LED光源，样品溶液从工作电极表面流过的同时采用LED光源进行照射；所述LED光源的功率优选为1000～5000mW/cm²。

所述样品池中设置有对电极与参比电极；其中，所述对电极为本领域技术人员熟知的对电极即可，并无特殊的限制，本发明中优选为铂丝、铂片、钛片或碳片；所述对电极的面积优选为1～80mm²，更优选为10～80mm²，再优选为10～60mm²；所述参比电极为本领域技术人员熟知的参比电极即可，并无特殊的限制，本发明中优选为Ag/AgCl或饱和甘汞电极；其中所述Ag/AgCl参比电极优选为Ag/AgCl(3mol/L KCl)或Ag/AgCl(饱和KCl)。

本发明提供的光电检测器操作简便，成本低廉，可迅速地进行抗氧剂抗氧化容量的检测；其光源的入射方式为背射式，能最大化避免有色样品背景信号的影响。此外薄层流动式进样的引入，不仅有利于测得光电流保持恒定，而且提高了传质能力，灵敏度大大提升。

本发明还提供了一种抗氧化容量的检测方法，包括以下步骤：

采用上述的薄层流动式光电检测器；将待测样品溶液通过样品溶液进口注入样品池中，进行抗氧化容量的检测。

其中，所述薄层流动式光电检测器同上所述，在此不再赘述。

将待测样品溶液通过样品溶液进口注入样品池中；所述待测样品溶液的注入流速优选为0.1～50ml/min，更优选为1～50ml/min，再优选为10～50ml/min，最优选为10～45ml/min；所述工作电极的工作电压优选为-0.2～0.4V，更优选为-0.1～0.4V，再优选为-0.1～0.2V；所述LED光源的波长优选为380～560nm，更优选为380～500nm，再优选为400～480nm。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种薄层流动式光电检测器及抗氧化容量的检测方法进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售(氮化碳合成中程序升温的升温速率为2.5K·min^-1)。

实施例1

1.1超薄氮化碳的合成：

称取2克三聚氰胺放入坩埚中，在氮气氛围下加热至500℃，恒温2小时，随后冷却至室温。用甲醇、二次水分别离心洗涤数次，并于70℃干燥12小时，获得本体的氮化碳(简称bg-C₃N₄)。将所得产物超声分散至二次水中，使溶液自然沉降，然后离心取上清液备用，即得到超薄的氮化碳(简称utg-C₃N₄)；

1.2超薄的碳氮/二氧化钛复合材料的合成：

分别将3毫克utg-C₃N₄和1.5毫克十二烷基磺酸钠分散至二次水中，均匀搅拌1小时。紧接着将10毫升三氯化钛(0.6摩尔每升)和5毫升双氧水(质量分数1％)分别迅速加入上述溶液，90℃下反应16小时。生成的沉淀分别用乙醇、二次水离心洗涤数次，并于70℃干燥12小时。然后将上述干燥产品加热至400℃恒温2小时，所得产物用乙醇、二次水洗涤数次，最终70℃干燥12小时即得到超薄的碳氮/二氧化钛复合纳米材料(简称utg-C₃N₄/TiO₂)。

图1为实施例1中得到的本体的氮化碳与超薄的氮化碳的分散液图片。由图1可知，两星期后bg-C₃N₄大多数沉淀，而utg-C₃N₄仍然保持澄清。说明utg-C₃N₄具有较好的分散性。(图1中A、A1是bg-C₃N₄分散液，B、B1是utg-C₃N₄分散液)。

利用原子力显微镜对实施例1中得到的超薄的氮化碳进行分析，得到其原子力显微镜照片如图2所示，得到其原子力显微镜力曲线图如图3。

利用透射电镜对实施例1中得到的超薄的氮化碳进行分析，得到其透射电镜照片，如图4所示。

利用透射电镜对实施例1中得到的本体的氮化碳进行分析，得到其透射电镜照片，如图5所示。

利用透射电镜对实施例1中得到的碳氮/二氧化钛复合纳米材料进行分析，得到其透射电镜照片，如图6所示。

利用高分辨透射电镜对实施例1中得到的碳氮/二氧化钛复合纳米材料进行分析，得到其高分辨透射电镜照片，如图7所示。

利用X射线衍射对实施例1中得到的本体的氮化碳、超薄的氮化碳与碳氮/二氧化钛复合纳米材料进行分析，得到其X射线衍射谱图，图8所示。

利用X射线光电子能谱仪对实施例1中得到的超薄的氮化碳与碳氮/二氧化钛复合纳米材料进行分析，得到其X射线光电子能谱图，如图9所示。

图10为TiO₂(a0,a1)，bg-C₃N₄/TiO₂(b0,b1)和utg-C₃N₄/TiO₂(c0,c1)三种材料的光电响应信号图。a0、b0和c0是在空白磷酸缓冲溶液(0.1摩尔每升pH＝7.4)的响应，施加电位为0伏，光源为LED 420纳米(3瓦)的光电流，加入50微摩尔每升没食子酸后，三种材料的光电流都迅速增加(a1、b2和c3)，其中无论是空白还是加入抗氧化剂没食子酸后，utg-C₃N₄/TiO₂的光电流都显著高于其他对照材料，说明utg-C₃N₄/TiO₂是一个较好的用于抗氧化剂抗氧化容量测定的光电材料。

实施例2

2.1工作电极的制备

选择实施例1制备的碳氮/二氧化钛(utg-C₃N₄/TiO₂)复合纳米材料为光电材料。将utg-C₃N₄/TiO₂在二次水中超声分散(1mg/mL)，取100μL上述分散液涂层到特定面积的ITO电极上，先自然干燥然后在70℃干燥1小时固化，得到光电检测的工作电极。选择铂丝为对电极，Ag/AgCl(3mol/L)为参比电极，工作电极和对电极面积分别为127.17mm²和56.52mm²。

2.2设计薄层流动光电检测池

将对电极、参比电极和工作电极固定到流动池中，其中工作电极是可更换的，样品进样方式采用流动进样，并集成了LED光源接口，薄层流动式光电检测器的结构示意图如图11所示。

2.3设定参数

选择工作电位为0V，样品进样流速(10mL/min)，在420nm LED(光源功率5000mW/cm²)的光照下对抗氧化剂抗氧化容量进行测定。

2.4进行检测

1000倍的脯氨酸、甘氨酸、组氨酸、甲醇和乙醇，500倍的苏氨酸、果糖、葡萄糖、柠檬酸和苹果酸，20倍的半胱氨酸存在的条件下对25mmol/L没食子酸进行检测，得到其抗干扰测定结果图，如图12所示。

实施例3

3.1工作电极的制备

选择实施例1制备的碳氮/二氧化钛(utg-C₃N₄/TiO₂)复合纳米材料为光电材料。将utg-C₃N₄/TiO₂在二次水中超声分散(1mg/mL)，取100μL上述分散液涂层到特定面积的ITO电极上，先自然干燥然后在70℃干燥1小时固化，得到光电检测工作电极。选择铂丝为对电极，Ag/AgCl(3mol/L)为参比电极，工作电极和对电极面积分别为127.17mm²和56.52mm²。

3.2设计薄层流动光电检测池

将对电极、参比电极和工作电极固定到流动池中，其中检测工作电极是可更换的，样品进样方式采用流动进样，并集成了LED光源接口，薄层流动光电检测池的结构示意图如图11所示。

3.3设定参数

选择工作电位为0V，样品进样流速(10mL/min)，在420nm LED(光源功率5000mW/cm²)的光照下对抗氧化剂抗氧化容量进行测定。

3.4进行检测

对九种标准的抗氧化剂进行测定，其中咖啡酸、茶碱和抗坏血酸三种抗氧化剂的响应如图13所示，其中从左至右依次为咖啡酸、茶碱与抗坏血酸，在较宽的线性范围内响应良好。其余结果见表1。

表1 标准抗氧化剂检测结果

注：每个样品测定三次求平均值。

实施例4

4.1工作电极的制备

选择实施例1制备的碳氮/二氧化钛(utg-C₃N₄/TiO₂)复合纳米材料为光电材料。将utg-C₃N₄/TiO₂在二次水中超声分散(1mg/mL)，取100μL上述分散液涂层到特定面积的ITO电极上，先自然干燥然后在70℃干燥1小时固化，得到光电检测工作电极。选择铂丝为对电极，Ag/AgCl(3mol/L)为参比电极，工作电极和对电极面积分别为127.17mm²和56.52mm²。

4.2设计薄层流动光电检测池

将对电极、参比电极和工作电极固定到流动池中，其中检测工作电极是可更换的，样品进样方式采用流动进样，并集成了LED光源接口，薄层流动光电检测池的结构示意图如图11所示。

4.3设定参数

选择工作电位为0V，样品进样流速(10mL/min)，在420nm LED(光源功率5000mW/cm²)的光照下对抗氧化剂抗氧化容量进行测定。

4.4进行检测

对四种商用茶叶和咖啡总抗氧化容量测定结果与两种光谱法结果相一致，测量结果如表2所示。两种光学测量方法如下：

(a)F-C方法：100μL各种稀释浓度的茶叶和咖啡加入2mL的离心管中，然后分别加入200μL F-C试剂(10％，v/v)和800μL碳酸钠溶液，20℃反应2h，紫外可见光谱记录760nm的吸光度。

(b)DPPH方法：200μL各种稀释浓度的茶叶和咖啡加入2mL的离心管中，然后加入800μL DPPH溶液(40mg/L)，避光情况下反应15min，紫外可见光谱记录514nm的吸光度。

表2 四种商用茶叶和咖啡总抗氧化容量测定结果

注：每个样品测定三次求平均值；GA：没食子酸；TROLOX：水溶性维生素

实施例5

5.1工作电极的制备

选择碳粉/二氧化钛(C/TiO₂)复合纳米材料为光电材料。将C/TiO₂在二次水中超声分散，取100μL上述分散液涂层到特定面积的ITO电极上，先自然干燥然后在70℃干燥1小时固化，得到光电检测的工作电极。选择铂丝为对电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，工作电极和对电极面积分别为80mm²和60mm²。

5.2设计薄层流动光电检测池

将对电极、参比电极和工作电极固定到流动池中，其中检测工作电极是可更换的，样品进样方式采用流动进样，并集成了LED光源接口，薄层流动光电检测池的结构示意图如图11所示。

5.3设定参数

选择工作电位为0.2V，样品进样流速(20mL/min)，在480nm LED(光源功率5000mW/cm²)的光照下对抗氧化剂抗氧化容量进行测定。

5.4进行检测

对四种商用茶叶总抗氧化容量测定结果与两种光谱法结果相一致，测量结果如表3所示。

表3 四种商用茶叶总抗氧化容量测定结果

注：每个样品测定三次求平均值；GA：没食子酸；TROLOX：水溶性维生素。

实施例6

6.1工作电极的制备

选择石墨烯/氧化锌(G/ZnO)复合纳米材料为光电材料。将G/ZnO在二次水中超声分散，取100μL上述分散液涂层到特定面积的ITO电极上，先自然干燥然后在70℃干燥1小时固化，得到光电检测工作电极。选择铂丝为对电极，Ag/AgCl(饱和KCl)为参比电极，工作电极和对电极面积分别为25mm²和10mm²。

6.2设计薄层流动光电检测池

将对电极、参比电极和工作电极固定到流动池中，其中检测工作电极是可更换的，样品进样方式采用流动进样，并集成了LED光源接口，薄层流动光电检测池的结构示意图如图11所示。

6.3设定参数

选择工作电位为-0.1V，样品进样流速450mL/min，在400nm LED(光源功率5000mW/cm²)的光照下对抗氧化剂抗氧化容量进行测定。

6.4进行检测

对四种商用咖啡总抗氧化容量测定结果与两种光谱法结果相一致，测量结果如表4所示。

表4 四种商用咖啡总抗氧化容量测定结果

注：每个样品测定三次求平均值；GA：没食子酸；TROLOX：水溶性维生素。