CN105259226B - 一种双波长检测抗坏血酸的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双波长检测抗坏血酸的装置及方法，该装置包括双波长光源、检测池、光阀、三电极体系、暗箱以电化学工作站。检测池内放置光敏电极、参比电极、铂电极和待测溶液，通过在双波长条件下检测回路中的光电流来达到检测抗坏血酸的目的。本发明双波长检测抗坏血酸的装置及方法，在不改变现有的操作条件基础上，分别以254nm和365nm光源为激发光，通过两种不同的电极反应来检测抗坏血酸，提高了检测的准确性和可靠性。

Description

一种双波长检测抗坏血酸的装置及方法

技术领域

本发明涉及电化学技术，特别涉及一种双波长检测抗坏血酸的装置及方法。

背景技术

抗坏血酸又名维生素C。抗坏血酸外观为白色结晶，水溶性维生素，大量存在于新鲜的水果蔬菜中。在医学临床方面主要用来预防和治疗坏血病，也对龋齿以及牙龈脓肿、贫血、生长发育停滞等疾病辅助治疗。抗坏血酸是人体维持正常生理功能的必备维生素之一，并且人类不能像其他大多数哺乳动物依靠肝脏自身合成只能通过食物或者药物摄取。因此越来越多的科学家投入到对抗坏血酸的高效、精确、便捷的检测研究中，发展出了诸如分光光度法、电化学法和色谱法等检测方法。

光电化学过程指的是光敏材料在光照作用下所发生的经由电子激发及电荷转移的光电转换过程。电化学生物传感器作为一种独立的集成检测装置，已经对生化、医疗领域产生了日益重要的影响。随着纳米技术和材料化学的快速发展，在光电化学过程与电化学生物传感器结合的基础上发展出了新一代光电化学生物传感，从而为探索各类生物学相互作用提供了一种新的灵敏检测方法。本质上，和其它已经建立的分析技术如电致化学发光一样，光电化学分析也是一种基于传统电化学的分析技术。因此，该方法继承了后者的诸多优点，如价格低廉，设备简单，灵敏度高。但是，两者之间也存在了很大的差异，光电化学传感技术具有一些在传统电化学平台上难以实现的优点。在光电化学检测中，光被用作激发信号来激发光电化学物质，而电信号则作为检测信号，该过程与电致化学发光正好相反。由于采用了两种不同形式的激发和检测信号，该技术背景信号较低，故具有很高的灵敏度。实际上，在使用相同设计进行同一物质检测时，基于光电化学的方法也比基于电化学的方法呈现出更好的检测性能。

基于光电化学为基础检测抗坏血酸的方法种类多种多样，但是综合目前存在的各种检测抗坏血酸的方法都是选择一定波长范围的光源为激发光源。其缺点在于一定波长范围的光源激发下，光电化学检测仪的光敏电极的表面只发生单一电极反应，只能利用单一的阳极光电流进行检测，其缺点在于检测的选择性和准确性有待提高。

发明内容

本发明研究过程中，偶然发现：在254nm波长下检测抗坏血酸时，光敏电极表面会发生电子的跃迁，产生光生电子和电子空穴；而抗坏血酸则会转化为某种中间产物而具有较强的吸电子的能力，捕获上述光敏电极表面的光生电子，使光电流减小，产生阴极光电流。利用上述原理，本发明提供了一种双波长检测抗坏血酸的装置及方法，进一步提高对于抗坏血酸检测的准确性和和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

波长为A的光在光电化学法检测抗坏血酸或尿酸含量中的应用，其特征在于，A的范围为240nm-254nm之间。

波长为A和B的光在光电化学法检测抗坏血酸或尿酸含量中的应用，其特征在于，A的范围为240nm-254nm之间，B的范围为365nm-400nm之间。

一种双波长检测抗坏血酸的装置，包括光电化学装置，所述光电化学装置具有发射出A波长和B波长的双波长光源；所述A波长的范围为240nm-254nm之间，所述B波长的范围为365nm-400nm之间。

当利用本发明装置检测抗坏血酸时，先使用波长在365nm-400nm之间的光源为激发光源，在此波长下光敏电极表面发生的电子的跃迁，从而产生光生电子和电子空穴。电子空穴具有强氧化性，会得到具有还原性的抗坏血酸提供的电子，从而使光电流增大，产生阳极光电流。然后切换到具有高能量的波长在240nm-254nm之间的光源为激发光源，在此波长下光敏电极表面也会发生的电子的跃迁，从而产生光生电子和电子空穴。因为240nm-254nm波长的光源具有的能量较高，会将抗坏血酸转化为某种中间产物而具有较强的吸电子的能力，就会捕获光敏电极表面的光生电子，从而使光电流减小，产生阴极光电流。利用两种激发光源波长去检测抗坏血酸，进一步提高对于抗坏血酸检测的准确性和可靠性。

优选的，所述光电化学装置包括双波长光源、暗箱、检测池、电极体系、电化学工作站。检测池位于暗箱中，检测池内有光敏电极、参比电极、对电极三电极体系。所述电极系统、检测池、均放置在暗箱内，三电极通过对应的导线连接到电化学工作站上，化学工作站连接计算机进行参数设置与数据采集。

优选的，所述暗箱为金属壳体。将金属壳体接地，则能够起到良好的屏蔽作用，屏蔽外界杂乱信号，减小所测信号的噪音，提高灵敏度。

优选的，所述光电化学装置采用三电极体系。

优选的，所述双光电检测池材料为石英光学玻璃。

优选的，所述三电极体系，包括工作电极即光敏电极、参比电极和铂电极，均放置在光电检测池中接触检测池中电解质溶液。

在对人体血清中抗坏血酸检测时，由于抗坏血酸的氧化产物对电极产生钝化污染，造成电极“中毒”，电流减小，电化学氧化过程无法进行。同时，由于它在一般电极上有较高的过电位，而导致其测定灵敏度低、重现性差。因此，在本发明的优选实施例中，采用C3N4修饰的纳米二氧化钛管光敏电极，该电极有良好的电化学性能，具有极高析氧过电位，具备自净化功能，有利于消除电极表面因生成有机物氧化膜而使电极失活的现象，同时不会产生钝化污染，无论在酸性、碱性或中性水溶液中都有较宽的电压窗口，具有极好的抗污染能力及较长的寿命。

优选的，所述光敏电极的尺寸为40×15mm。

所述光电传感器表面的二氧化钛纳米粒子通过烧结作用固定于光电极表面，使该传感器具有更高的稳定性，易于保存。所述光电传感界面上的二氧化钛具有疏松多孔的结构，可担载更多的抗坏血酸且便于小分子在功能界面上的扩散和与抗坏血酸的接触，因此所述传感器具有灵敏度高和响应快速等优势。

优选的，所述电化学工作站的实验参数设定为：初始电压0V、采样间隔0.2s、等待时间0、运行时间2400s、灵敏度选择10μA、滤波参数选择10Hz、放大倍率1、电流极性为氧化、基线扣除为关、IR降补偿为关。

本发明还提供了一种用于双波长检测抗坏血酸的光源，包括灯；光滤波器，所述光滤波器被配制成从所述灯接收光并且允许波长为A和B的光大量输出。

所述双波长激发光源为一种改造光源，所发出的激发光的波长能够在A和B之间切换。

本发明还提供了一种用于双波长检测抗坏血酸的光发生器，包括上述的光源。

本发明提供了一种双波长检测抗坏血酸的方法，采用光电化学装置分别在A波长和B波长的激发光源下检测抗坏血酸。

优选的，所述在A波长和B波长的激发光源下检测抗坏血酸的步骤为：在A波长激发光源下通氮气，先光照约30min让光电流信号趋于稳定。然后黑暗3min光照1min依次交替，每次往检测池加样都是在黑暗状态下加入。加入的样品浓度依次为1×10^-7M、1×10^-6M、1×10^-5M、1×10^-4M、1×10^-3M。然后切换为B波长激发光源，重复上述操作。

一种基于上述装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)连接整个装置，进行仪器预热；

(2)清洗光电检测池，将一定浓度的电解质溶液加入到光电检测池中；

(3)在光电检测池中分别放入光敏电极、参比电极和铂电极，然后将光电检测池固定在暗室内。电极分别通过导线与LK2005电化学工作站相连，关闭暗箱；

(4)设定电化学测量参数后分别在A波长和B波长的激发光源下检测抗坏血酸；

(5)存储分析数据，清洗电极以及检测池。

所述步骤(2)的具体方法为：用超纯水将光电检测池清洗干净；在测定待测物质含量之前，所有溶液都需要用超纯水现配现用；配制好的溶液再通入氮气除氧；将光电检测池放入暗室中，每次放置的位置保持一致。

所述步骤(2)中，电解质溶液为PH＝7.4浓度为0.2mol/L的NaHPO₄～NaH₂PO₄缓冲液或者浓度为0.2mol/L的Na₂SO₄溶液。

所述步骤(3)中，光敏电极为C3N4修饰的二氧化钛纳米管光电极，制备的方法是纯度大于等于99.8％的金属钛片作为阳极，铂电极为阴极，在5％的氢氟酸溶液中，20V直流电压下电解20min。然后再450摄氏度下退火30min即得二氧化钛纳米管光电极。参照现有的文献将C3N4修饰到二氧化钛纳米管光电极上。

所述步骤(4)中，当测定抗坏血酸含量前，在A波长的激发光源下通氮气，先光照约30min让光电流信号趋于稳定。然后黑暗3min光照1min依次交替，每次往检测池加样都是在黑暗状态下加入。加入的样品浓度依次为1×10^-9mol/L、1×10^-8mol/L、1×10^-7mol/L、1×10^-6mol/L、1×10^-5mol/L、1×10^-4mol/L等。然后切换为B波长的激发光源，重复上述操作。

所述步骤(5)中，每次测定完毕，都要将电极、光电检测池用超纯水清洗干净，以便进行下一次测量。

本发明的工作原理为：以激发光波长分别为254nm和365nm为例，通过将光电化学检测仪中传统的氙灯激发光源改装为波长固定的双波长激发光源。365nm的激发光下对抗坏血酸的检测与传统的氙灯激发光源相同，产生阳极光电流对抗坏血酸进行检测。但是在254nm产生的是阴极光电流对抗坏血酸进行检测。这样在两个不同的激发波长下会得到两条斜率相反的标准曲线。这是包括抗坏血酸在内少数物质具有的特性，因此进一步提高对于抗坏血酸检测的准确性和可靠性。同时本发明装置结构简单容易搭建。

本发明还提供了一种单波长检测抗坏血酸的装置，包括光电化学装置，所述光电化学装置具有发射出A波长的光源。

本发明还提供了一种用于单波长检测抗坏血酸的光源，包括灯；光滤波器，所述光滤波器被配制成从所述灯接收光并且允许波长为A的光大量输出。

本发明中所述的“光滤波器”是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。例如：熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器。

本发明还提供了一种用于单波长检测抗坏血酸的光发生器，包括上述的发射出A波长的光源。

本发明提供了一种单波长检测抗坏血酸的方法，采用光电化学装置分别在A波长的激发光源下检测抗坏血酸。

本发明的有益效果为：

(1)将传统的氙灯激发光源改装为能发射出A波长和B波长的双波长激发光源，在不改变现有的操作条件在两个不同的波长下，分别通过阳极光电流和阴极光电流对抗坏血酸进行检测，两种波长下的检测结果相互佐证，提高了检测准确性和可靠性。

附图说明

图1为双光源光电化学检测装置及系统的结构示意图。

图2为波长254nm条件下，检测AA的标准曲线图。

图3为波长365nm条件下，检测AA的标准曲线图。

其中：(1)双波长光源；(2)光阀；(3的标准曲线图)：光窗；(4)光敏电极；(5)参比

电极；(6)Pt电极；(7)暗箱；(8)LK2005电化学工作站；(9)计算机。

具体实施方式：

下面结合附图与实例对双波长光电化学检测装置检测抗坏血酸进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种双波长光电化学检测装置及系统，包括(1):双波长光源；(2):光阀；(3)：光窗；(4):光敏电极；(5)：参比电极；(6)：铂电极；(7):暗箱；(8):LK2005电化学工作站；(9):计算机。

(1)为双波长光源对光敏电极起激发作用，光源位于暗箱之外，实验过程中光源处于电源接通状态，通过控制光阀的打开或者关闭来控制光敏电极是在光照条件还是黑暗条件。

检测池接受光照的一侧即光窗(3)的材质为光学石英玻璃，因为可以透过紫外波长的光。

光敏电极(4)、参比电极(5)和铂电极(6)放置于检测池内，检测池内放入电解质溶液，检测池固定于暗箱内，电极通过对应的导线与电化学工作站连接。LK2005电化学工作站(8)由计算机(9)控制开关和数据的采集。

测定方法包括如下步骤：

1)首先打开仪器预热。对检测池、光敏电极、参比电极、铂电极进行处理清洗备用。

2)在检测池内加入30ml浓度为0.2mol/LPH＝7.2的PBS缓冲液，然后将光敏电极、参比电极和铂电极固定到测量池内，并保证检测池内的光敏电极每次浸入到PBS缓冲液中的面积保持一致，目的是为了控制变量。再将检测池固定在暗箱内。每次测量池固定的位置要保持一致，这样可以保证实验的重现性。固定好检测池的位置，将检测池内的光敏电极、参比电极和铂电极分别用对应的导线连接到LK2005电化学工作站的上，然后关闭暗箱，检测池内通30min氮气除氧。

3)打开LK2005电化学工作站软件，设置具体的实验信息和实验参数后点击“开始采样”按钮。

4)开始采样以后打开光阀，使光敏电极处于365nm光源的激发下，这时在计算机上会得到光电流信号，继续光照大约30min，这时光电压信号已经基本处于稳定的状态。

5)检测信号处于稳定后，关闭光阀使光敏电极处于黑暗状态3min后打开光阀光照1min，在关闭光阀。如此循环三次可以得到三个空白底液的光电流峰，如果这三个峰高基本保持一致即可进行下一步的检测。

6)在光阀关闭的状态下，在测量池内加入标准浓度的抗坏血酸300μL，3min后打开光阀，光照1min后关闭光阀。关闭光阀后继续在测量池内加入相同体积的第二个标准浓度的抗坏血酸3min后打开光阀，光照1min后关闭光阀。如此循环直到测量结束。

7)每次测量完毕之后，及时清洗电极和光电检测池，反复清洗多次。

8)将激发光源切换为254nm波长，重复上述操作。

应用举例

如在具体实施方式中所示：配制并检测抗坏血酸(AA)。分别以抗坏血酸浓度的对数为横坐标，以电流密度为纵坐标，做图2和图3。

在波长254nm条件下，检测抗坏血酸，线性关系为y＝-18.6738+(-4.43293logC_AA)，线性范围为1×10^-8mol/L至5×10^-5mol/L，相关系数为0.9868；在波长365nm条件下，检测抗坏血酸，线性关系为y＝24.3341+(1.8422logC_AA)，线性范围为1×10^-8mol/L至1×10^-4mol/L，相关系数为0.9879；两者检测限均为5×10^-10mol/L，线性关系均良好，相关系数较高。在检测实际样品时，在哪个波长下测量的电流密度结果就在那个波长下的线性关系下能够得出对应的抗坏血酸浓度。

该方法也可用于其它物质的检测如尿酸(UA)：如在具体实施方式中所示配制并检测尿酸。分别以尿酸浓度的对数为横坐标，以电流密度为纵坐标，得到在波长254nm条件下，检测尿酸，线性关系为y＝-21+(-4.2logC_UA)，相关系数为0.9795；在波长365nm条件下，检测尿酸，线性关系为y＝-23.0200+(-4.44logC_UA)，相关系数为0.9989；两者的线性范围为1×10^-8mol/L至1×10^-5mol/L，两个均线性关系良好，相关系数较高。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，本发明的激发光源的波长为240nm和400nm。在上述波长下，能供实现抗坏血酸和尿酸浓度的检测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种双波长检测抗坏血酸的装置，包括光电化学测试系统，其特征在于，所述光电化学装置具有发射出A波长和B波长的双波长光源；所述A波长的范围为240-254nm之间，所述B波长的范围为365-400nm之间，用于激发光敏电极产生不同的光电流；

所述光敏电极为C₃N₄修饰的二氧化钛纳米管光电极，制备的方法是纯度大于等于99.8％的金属钛片作为阳极，铂电极为阴极，在5％的氢氟酸溶液中，20V直流电压下电解20min；然后再450摄氏度下退火30min即得二氧化钛纳米管光电极。

2.一种双波长检测抗坏血酸的方法，其特征在于，光敏电极为C₃N₄修饰的纳米二氧化钛管光敏电极，先使用波长在365nm-400nm之间的光源为激发光源去检测抗坏血酸；然后切换到具有高能量的波长在240nm-254nm之间的光源为激发光源去检测抗坏血酸；

所述光敏电极的制备方法是纯度大于等于99.8％的金属钛片作为阳极，铂电极为阴极，在5％的氢氟酸溶液中，20V直流电压下电解20min；然后再450摄氏度下退火30min即得二氧化钛纳米管光电极。