基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中抗氧化劑的研究

運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品是功能性食品，具有提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、促進(jìn)機(jī)體恢復(fù)、增強(qiáng)免疫力等功能。運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中的維生素C、維生素E、茶多酚等抗氧化劑，能有效減少因劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氧化應(yīng)激，從而保護(hù)細(xì)胞免受損傷。因此，如何有效、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和評(píng)估運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中抗氧化劑的含量與穩(wěn)定性，是當(dāng)前食品科學(xué)和健康領(lǐng)域的重要研究課題。傳統(tǒng)的抗氧化劑檢測(cè)方法，如高效液相色譜法（HPLC）、氣相色譜法（GC）和紫外-可見分光光度法（UV-Vis），雖然具有高靈敏度和高精確度，但設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、檢測(cè)過程耗時(shí)長(zhǎng)，不利于快速檢測(cè)和大規(guī)模應(yīng)用。本文對(duì)基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中抗氧化劑展開研究，以期為抗氧化劑的快速、靈敏和精確檢測(cè)提供全新的技術(shù)路徑和理論支持。

一、相關(guān)概念界定

（一）抗氧化劑

抗氧化劑能夠抑制或減緩氧化反應(yīng)，從而防止或延緩生物體的化學(xué)物質(zhì)氧化損傷。在運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中，添加抗氧化劑具有三方面作用：一是清除自由基與減少氧化應(yīng)激，其可以中和運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的活性氧，防止脂質(zhì)過氧化，減輕氧化應(yīng)激對(duì)機(jī)體的危害；二是促進(jìn)恢復(fù)和提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，其可以降低氧化損傷，減少肌肉疲勞和組織損傷，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)后的恢復(fù)；三是延長(zhǎng)產(chǎn)品保質(zhì)期，其可以防止食品中脂類、蛋白質(zhì)和其他敏感成分的氧化降解，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。

（二）電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器是通過電化學(xué)反應(yīng)原理檢測(cè)和定量分析目標(biāo)化合物的分析工具，因有高靈敏度、快速響應(yīng)、低成本、易于集成等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)分析和食品安全等多個(gè)領(lǐng)域。比如，安培型傳感器是基于目標(biāo)物質(zhì)在固定電位下的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的電流信號(hào)進(jìn)行分析，可用于檢測(cè)葡萄糖、過氧化氫等電化學(xué)活性物質(zhì)。伏安型傳感器是通過改變工作電極的電位，記錄電流隨電位變化的unup/1HRAFzGtKfZ8MWcIstsn+6oBe6O2HHtqvUD1xc=關(guān)系來(lái)分析目標(biāo)物質(zhì)，常用于藥物分析、環(huán)境污染物檢測(cè)，以及復(fù)雜基質(zhì)中的多組分分析。電導(dǎo)型傳感器是基于目標(biāo)物質(zhì)濃度的變化引起溶液電導(dǎo)率的改變進(jìn)行分析，主要用于檢測(cè)水質(zhì)、食品和飲料中的離子型污染物、重金屬。

（三）納米技術(shù)

納米技術(shù)是研究物質(zhì)在1-100nm尺度上的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，其核心是通過精確控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與組成來(lái)賦予其新的功能，從而實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用目的，其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境、材料科學(xué)和信息技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。

二、基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)

（一）納米材料的選擇與特性分析

納米材料決定著傳感器的穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、重復(fù)性等，理想的納米材料應(yīng)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的催化活性以及可控的表面結(jié)構(gòu)和功能化特性，以便最大限度地增強(qiáng)目標(biāo)物質(zhì)的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)。在眾多納米材料中，碳基納米材料和金屬納米顆粒因具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用。碳基納米材料中的石墨烯是單層碳原子構(gòu)成的二維材料，石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)中π電子高度離域化，具有出色的導(dǎo)電性和超高的比表面積，其導(dǎo)電性遠(yuǎn)超大多數(shù)傳統(tǒng)導(dǎo)電材料。金屬納米顆粒（如金、銀、鉑納米顆粒）由于表面等離子體共振效應(yīng)，能夠在特定波長(zhǎng)的光照射下激發(fā)產(chǎn)生集體振蕩電子云，可以顯著增強(qiáng)局部電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率和電化學(xué)反應(yīng)效率。

（二）傳感器構(gòu)建與電極修飾技術(shù)

電化學(xué)傳感器的構(gòu)建與電極修飾技術(shù)能決定傳感器檢測(cè)性能的優(yōu)劣。電極作為傳感器的核心元件，其材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、表面修飾方法等，均會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，尤其是電極的修飾方法，通過在電極表面引入功能材料或化學(xué)基團(tuán)等內(nèi)容，能有效增加電極表面活性位點(diǎn)的數(shù)量和質(zhì)量，促進(jìn)目標(biāo)分子的吸附及其電化學(xué)反應(yīng)。比如，碳基材料中的石墨烯和碳納米管有優(yōu)異的導(dǎo)電性和高比表面積，將其用于電極修飾能極大提升電極的電化學(xué)活性。另外，電極修飾技術(shù)還依賴于物理吸附、化學(xué)鍵合或電化學(xué)沉積等方法。如化學(xué)鍵合修飾方法通過共價(jià)鍵合將功能分子固定在電極表面，確保其在電極界面上的穩(wěn)定性，提高傳感器的選擇性和特異性，進(jìn)而增強(qiáng)信號(hào)響應(yīng)。

三、電化學(xué)傳感器的檢測(cè)機(jī)制

（一）電化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)與傳感機(jī)制

電化學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)與傳感機(jī)制是指目標(biāo)分子與電極界面相互作用來(lái)引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，并通過電流、電位或電導(dǎo)的變化轉(zhuǎn)化為可測(cè)的電化學(xué)信號(hào)。一方面，電化學(xué)信號(hào)在傳導(dǎo)過程中，電極材料的導(dǎo)電性、表面電荷分布能決定電子在電極表面的傳遞效率，進(jìn)而影響整體信號(hào)響應(yīng)速度和靈敏度。比如，石墨烯和碳納米管等納米材料能在極短時(shí)間內(nèi)完成電極表面到目標(biāo)分子之間的電子轉(zhuǎn)移，減少電荷轉(zhuǎn)移的阻抗，提高電子轉(zhuǎn)移的頻率和成功率。另一方面，電化學(xué)信號(hào)的產(chǎn)生依賴于電極表面反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移速率，這是傳感機(jī)制的核心。電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)分為外層電子轉(zhuǎn)移和內(nèi)層電子轉(zhuǎn)移，在外層電子轉(zhuǎn)移中，電子通過隧道效應(yīng)從電極轉(zhuǎn)移到溶液中的目標(biāo)分子，傳遞速度較快，但效率會(huì)受到溶液環(huán)境和電極材料的表面電位的影響；內(nèi)層電子轉(zhuǎn)移是通過化學(xué)吸附形成共價(jià)鍵或離子鍵連接，電子轉(zhuǎn)移效率雖然較高，但受限于反應(yīng)物的擴(kuò)散速率和電極表面的化學(xué)環(huán)境。

（二）納米材料在檢測(cè)過程中的作用

在抗氧化劑的檢測(cè)過程中，納米材料的引入能增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移、提高催化活性。一方面，納米材料具有獨(dú)特的高比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性，能使電極表面具備更多活性位點(diǎn)，極大地提高了目標(biāo)分子與電極之間的電子轉(zhuǎn)移效率。另一方面，由于納米材料的表面特性和可調(diào)控的化學(xué)官能團(tuán)，電極可以通過納米材料的修飾引入特定的分子識(shí)別單元，進(jìn)而提高對(duì)目標(biāo)分子的選擇性。

（三）抗氧化劑的電化學(xué)檢測(cè)路徑

抗氧化劑的電化學(xué)檢測(cè)旨在通過電化學(xué)反應(yīng)直接或間接監(jiān)測(cè)抗氧化劑的活性。在電化學(xué)檢測(cè)中，抗氧化劑通過還原能力參與到電極的氧化還原反應(yīng)中，抗氧化劑的還原產(chǎn)物會(huì)在電極表面形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，進(jìn)而引起電極電流的明顯變化。比如，維生素C在電極表面的還原反應(yīng)可以產(chǎn)生特定電流峰，通過監(jiān)測(cè)電流峰的位置和大小，就可以精確判斷維生素C的濃度。另外，抗氧化劑的電化學(xué)檢測(cè)還需考慮選擇性反應(yīng)路徑，以區(qū)分不同抗氧化劑的存在及其濃度差異。比如，兒茶素和黃酮等多酚類抗氧化劑，會(huì)在電極表面經(jīng)歷復(fù)雜的多步驟氧化反應(yīng)，這就需要通過設(shè)定合適的工作電位范圍、優(yōu)化電極表面修飾材料，選擇性地促進(jìn)某一特定反應(yīng)路徑，以增強(qiáng)目標(biāo)抗氧化劑的信號(hào)輸出。

四、基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器

監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中抗氧化劑分析

（一）能量飲料中的抗氧化劑檢測(cè)

能量飲料中常含有維生素C、維生素E和茶多酚等多種抗氧化劑成分，它們有助于中和體內(nèi)過量的自由基，以減輕因劇烈運(yùn)動(dòng)引起的氧化損傷。然而，能量飲料含有糖類、電解質(zhì)、色素和其他添加劑等復(fù)雜基質(zhì)，這對(duì)抗氧化劑的檢測(cè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法雖然精確，但需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理和長(zhǎng)時(shí)間的分析過程。相較之下，基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器能通過石墨烯、碳納米管、金屬納米顆粒等納米材料修飾電極，有效增加電極表面的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)電子傳遞速率，提高檢測(cè)的靈敏度。比如，石墨烯修飾的電極能在低電位下快速氧化維生素C，生成脫氫抗壞血酸，釋放出電子并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

（二）蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑中的抗氧化劑檢測(cè)

對(duì)蛋白質(zhì)補(bǔ)充劑進(jìn)行抗氧化劑檢測(cè)時(shí)，電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)需要考慮基質(zhì)中的干擾因素，如蛋白質(zhì)的吸附，其會(huì)影響電極的表面活性和信號(hào)輸出。為此，可以選擇碳納米管或功能化石墨烯等納米材料，其有獨(dú)特的電化學(xué)活性，高度的電導(dǎo)性和比表面積使其能快速響應(yīng)和捕捉電化學(xué)信號(hào)。比如，金屬納米顆?？梢栽陔姌O表面提供大量的高活性位點(diǎn)，促進(jìn)目標(biāo)抗氧化劑的氧化還原反應(yīng)，使其在多種化合物的樣品中仍能準(zhǔn)確測(cè)定濃度。

（三）維生素類補(bǔ)充品中的抗氧化劑檢測(cè)

在維生素類補(bǔ)充品中，維生素C（抗壞血酸）和維生素E（生育酚）等抗氧化劑通過中和體內(nèi)的自由基來(lái)抵抗氧化壓力，從而維持細(xì)胞完整性。傳統(tǒng)檢測(cè)方法雖然準(zhǔn)確，但需要復(fù)雜的儀器設(shè)備和繁瑣的樣品預(yù)處理，難以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。維生素C和E在電極表面的氧化還原反應(yīng)具有特定的電位和電流特性，其特性可以被精確捕獲和分析，在實(shí)際應(yīng)用中，電化學(xué)傳感器通過測(cè)量維生素C或E在電極表面引起的電流變化來(lái)定量其濃度，具有檢測(cè)效率高、靈敏度高和特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。比如，金或銀等納米粒子具有獨(dú)特的表面等離子共振特性，將其用作電極的修飾材料時(shí)，可以通過提供更多的活性位點(diǎn)和增強(qiáng)的表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，以提高對(duì)抗氧化劑的檢測(cè)靈敏度。

綜上，本文對(duì)基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)食品中抗氧化劑進(jìn)行深入研究，表明電化學(xué)傳感器基于納米材料的高比表面積和優(yōu)異的電子傳輸特性，能夠有效提升檢測(cè)的靈敏度、選擇性和抗干擾能力。因此，基于納米技術(shù)的電化學(xué)傳感器能夠?yàn)槭称焚|(zhì)量控制、安全檢測(cè)提供高效且低成本的選擇，有效滿足不斷變化的檢測(cè)需求。

作者簡(jiǎn)介：焦文輝（1991-），男，漢族，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)轶w育教學(xué)、運(yùn)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)。

*通信作者：馬睿（1990-），女，回族，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)轶w育教學(xué)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。