电化学分析法研究天然抗氧化剂的应用及展望

1、电化学分析法研究天然抗氧化剂的应用及展望作者：佚名 科研信息来源：本站原创 点击数： 47 更新时间：2003-1-9关键词：药健康网讯： 摘要 现代研究表明，氧自由基的代谢失衡与多种疾病的产生密切相关，由此天然抗氧化剂的研究正成为研究热点，各种方法层出不穷。悄然崛起的电化学分析法研究天然抗氧化剂有其独特的一面，本文就近年来以电化学分析法研究天然抗氧化剂的应用作一综述，并对其在抗氧化中药中的应用进行展望。 现代医学研究表明，内源性抗氧化体系出现故障或机体处在一些病理或恶劣的生理环境下（吸烟，紫外辐射，高脂肪摄取等），氧自由基大量产生在错误的时间及部位，其代谢就会出现失衡，导致细胞损伤，引起心脏

2、疾病、癌症和衰老。因此摄取一些抗氧化物质协助体内维持氧代谢的平衡对防止疾病的发生和减少生命过程中不断积累起来的氧化损伤是十分有益的。由于目前使用的合成抗氧化剂如丁基甲氧基苯酚（BHA）、丁基甲基苯酚（BHT）等已被发现有一定的毒性，人们把注意力转移到天然抗氧化剂上。 根据作用机理，天然抗氧化剂一般可分为4类：氧自由基清除剂：直接清除氧自由基；酶抑制剂：抑制参与氧自由基产生的酶的活性；金属离子螯合剂：络合在氧自由基产生过程中起重要作用的过渡金属；其他。研究天然抗氧化剂抗氧化活性的思路一般是：先以化学或物理的方法，在某一研究体系，如水溶液体系，光照体系，酶体系，细胞体系或组织体系中产生氧自由基并对

3、这一体系造成损害，然后采用氧自由基检测技术如电子自旋共振（electron spin reson ance，ESR）波谱解析技术等，对氧自由基及其氧化产物进行检测，从而对抗氧化剂的抗氧化活性及机理进行研究。这些研究方法在不同程度上都能反映出抗氧化剂的抗氧化活性，但结果极易受实验条件的影响，尤其对于那些以生物实验为基础的方法，由于操作烦琐，加上生物实验不确定因素相对的增加，使得实验结果往往对实验条件有很强的依赖性。有些抗氧化剂在不同的实验模型中表现出来的抗氧化活性各不相同，甚至有时有助氧化现象发生，从而阻碍了人们对其抗氧化作用的正确评价。近年来悄然崛起的以电化学分析技术研究天然抗氧化剂的抗氧化活

4、性的方法有望解决这一难点。 电化学分析技术研究天然抗氧化剂抗氧化活性的理论基础是：氧自由基清除剂的抗氧化作用是通过电子转移清除氧自由基，其在电极上的氧化反应与其在体内的抗氧化反应类似。由此，氧自由基清除剂的电化学特性，如氧化电位，电子转移数等，应与其抗氧化活性密切相关；氧化电位值应是其最基本的抗氧化活性的指标；氧自由基清除剂的电极反应行为有助于解释和推测其抗氧化机理。纵观国内外电化学分析法研究天然抗氧化剂抗氧化活性的报道，结果显示出电化学技术研究天然抗氧化剂抗氧化活性的前景。 抗氧化活性的评价 以氧化电位评价黄酮化合物抗氧化活性 临床统计表明，黄酮化合物的摄取量与某些疾病，如心脏疾病、癌症等的

5、发病率成负相关。如著名的"France paradox"，即法国人经常摄取高脂肪食物，但其心脏疾病的发病率并不如想象的那样高，原因是法国人经常饮用的葡萄酒中富含黄酮化合物；日本的研究表明经常饮用绿茶能大大降低血清胆固醇和收缩压，从而减少心脏疾病的发生。上述发病率降低的原因是源于黄酮化合物的抗氧化作用。对此，黄酮化合物抗氧化作用与心脏病，癌症的发生，细胞调亡及抗衰老等的关系正成为研究热点。国内外学者建立多种方法研究黄酮化合物的抗氧化活性，如对氧自由基（超氧阴离子、羟自由基、脂自由基等）的清除；对脂质过氧化的抑制；对低密度脂蛋白氧化的抑制及对心肌缺血再灌注的保护等，并得到正结果

6、。 vanAcker等以循环伏安法测定了黄酮化合物在 2.5二甲基亚砜缓冲溶液中的氧化电位，同时以鼠肝及脑微粒体脂质过氧化体系为模型，以doxorubicin及Fe2+/ ascorbate为诱发剂，评估了这些黄酮类化合物对脂质过氧化的抑制率。结果表明黄酮类化合物脂质过氧化抑制率与氧化电位之间有较好的定性关系，即氧化电位较低的物质其脂质过氧化抑制率较高。其后，他们以azobisamidino propane（ABAP）为诱发剂诱发脂质过氧化，结果在黄酮类化合物脂质过氧化抑制率与氧化电位之间得到了良好的线性关系。 受工作电极表面积的限定，常规伏安法的电解效率不是很高，而且电极吸附现象容易发生，从

7、而影响测定数值的精确性。以柱电极为工作电极的流动进样体系可避免这些缺陷。由碳纤维组成的柱电极具有很大的电极表面积，从而使得电解效率近乎达到100，同时流动体系也减少了吸附的产生。我们利用流动柱电极电解体系对分属于5个类型的 29个常见于中药中的黄酮化合物进行了研究，考察了它们在生理pH值范围内的电极反应类型，测定了氧化电位及电子转移数，分析了化学结构对氧化电位的影响，明确了3 个对氧化电位有重要影响的结构。同时建立了以Fe3+/ ADP-NADPH为诱导剂的鼠肝微粒体脂质过氧化模型，评价了这些黄酮化合物在此模型中的抗氧化活性，并探讨了构效关系。结果表明影响氧化电位的3个重要结构也是影响抗氧化活

8、性的重要结构，以氧化电位为参考因子，得到了量化的构效关系，进而明确了黄酮化合物氧化电位与抗氧化活性之间的规律。 HPLC-库仑阵列检测（coulometric array detection）技术是将多通道库仑检测器与HPLC相结合，可以同时检测多个工作电压下的响应值，近年来常被用于检测食品、药用植物中的电活性成分。PeyratMaillard等采用HPLC-库仑阵列检测技术，对酚酸类化合物和黄酮类化合物的抗氧化能力进行了评估。在此实验中，酚酸类最大检测峰相对应的电位值与其抑制甲基亚油酸酯在无水十二烷中的加速自氧化能力及消除DPPH自由基的能力有良好的线性关系，但是黄酮类化合物最大检测峰相对应

9、的电位值与抗氧化活性之间未见有良好的线性关系，可能与在此实验条件下所测电位值的精确度有关。 以电活性成分的量评价含天然抗氧化剂植物的抗氧化活性 郭长江等根据-藻红素（-phycoerythrin，-PE）在540 nm光波激发下可发射565nm的荧光，-PE被氧化后荧光减退的特性，建立了ORA体系（oxygen radical absorbance capacityassay）评价抗氧化剂的抗氧化能力，即以AAPH作为氧自由基诱导剂，抗氧化剂与-PE竞争氧化剂，根据-PE 荧光消退的速度来评价抗氧化剂的抗氧化能力。郭氏等对 24种果实及蔬菜水溶性部分在ORA体系中的抗氧化活性进行了评价，同时以

10、HPLC-库仑阵列检测技术对这24种果实及蔬菜水溶性部分进行电活性物质检测，结果表明这些种类的抗氧化能力与其在高效液格色谱图上代表物质量的指标，如峰面积及峰高等均成良好的线性关系。虽然有许多电活性成分峰的归属并不明确，但良好的线性关系预示这个方法在筛选具抗氧化活性中药材上有光明的前景。 Nakarmura等以循环伏安法及高效液相电化学检测法（HPLC-ECD）对12种中药进行了研究，并研究了其在确定电位下峰面积值与消除DPPH自由基能力的关系。结果表明中药的甲醇提取物，凡在低电位值有氧化峰存在的都有很高的抗氧化能力，且峰面积值与消除DPPH自由基能力关系密切。 另外，马志茹等以单扫示波极谱法研

11、究抗氧化化合物的抗氧化作用。 抗氧化机理的探讨 以电解法研究抗氧化剂的氧化产物可以避免因氧化过程难以控制而引起的麻烦，因为电解氧化反应随时都可停止以避免副反应的发生。Jorgensen等利用电解法研究了槲皮素（quercetin），山奈酚（kaempferol）及毛地黄黄酮（luteolin）的氧化产物。结合紫外，质谱及碳、氢核磁共振技术，他们对槲皮素和山奈酚在乙腈中的氧化机理进行了研究，提出了相应的氧化产物。 光谱电化学（spectrum electrochemistry）是60年代发展起来的一种新技术，它是一种将光谱技术与电化学方法相结合在一个电解他内同时进行测量的方法。光谱电化学方法可以

12、就地获得多种信息。所得的光谱直接反映了电极表面发生的电化学变化，有利于电解产物的鉴定。以光透电极（optically transparent electrode）为工作电极，我们建立了微栅型电解池，以此对槲皮素和山奈酚在缓冲溶液中的电解氧化产物进行了研究，结果表明这一方法为研究抗氧化物质的氧化机理提供了良好的方法。 另一个研究氧化机理的有效手段为流动柱电极电解法。如上所述，柱电极的电解效率为100，其电流曲线下的面积可用来计算在电极反应中的电子转移数。与紫外检测器相连，可得到氧化产物的光谱图。运用这一方法，我们测量了29个黄酮类化合物电极氧化反应的电子转移数，并获得了氧化产物的光谱图，为研究氧

13、化机理提供了参考数据。 天然抗氧化剂在体内的代谢研究 电化学检测器的选择性及灵敏性使得检测体内的痕量代谢产物成为现实。由于抗氧化黄酮化合物均为电活性成分，以电化学检测技术很容易了解其在体内代谢的情况。我们以HPLC-ECD检测技术，对绿茶中抗氧化黄酮-儿茶素的体内代谢进行了研究，最小检测量为0.5pmol，结果表明电化学检测技术是研究抗氧化黄酮体内代谢的有效手段。 电化学分析法研究中药抗氧化活性的展望 中药在我国有悠久的使用历史，中药中富含天然抗氧化剂，如酚类，黄酮类，萜类及多种提取物等。从中药中筛选天然抗氧化剂切实可行。 抗氧化中药及其活性部位的筛选 利用伏安法或流动柱电极电解法对抗氧化中药

14、不同提取物进行筛选，分离活性部位，以HPLC-ECD技术对抗氧化成分进行定量分析，预测所测中药或提取物的抗氧化活性。 中药中抗氧化活性成分在体内的代谢研究 利用HPLC-ECD技术，结合紫外，质谱，核磁，红外等现代分析技术，对中药中抗氧化活性成分的体内代谢进行研究。 中药抗氧化机理的研究 利用微电极技术，对活体组织的电位进行调控，检测抗氧化中药加入后的变化，研究抗氧化机理。 （杨滨，黄璐琦中国中医研究院中药研究所） 0 前言 近年来，由于美、日等国对我国封锁，国际市场碳纤维又高度短缺，严重制约了我国航空航天事业的发展，民用工业也受到致命打击，因此扭转大量进口的局面是当前我国碳纤维工业发展的迫切

15、任务。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维生产工艺简单，具有较高的碳化收率，且力学性能优良，自20世纪60年代以来取得了长足发展，是当前碳纤维工业生产的主流。碳纤维很少直接应用，大多是经深加工制成中间产物或复合材料使用。碳纤维复合材料的性能不仅取决于其组成材料，也取决于其组成材料之间的界面质量，良好的界面结合能有效地传递载荷，充分发挥增强纤维高强高模的特性，提高复合材料的力学性能。然而，表面惰性是影响碳纤维发挥其特点的瓶颈，所以表面处理是生产碳纤维的重要环节。近些年，人们除了改善生产工艺、提高原丝质量外，也不断努力探究对成品碳纤维表面的改性处理方法。 碳纤维表面改性处理方法很多，如空气或臭氧氧化处理、液

16、相氧化、电化学改性处理、射线辐照接枝、等离子体处理、气相沉积处理、硅氧烷等偶联剂涂层等，其中电化学改性处理过程缓和，反应易于控制，操作弹性大，适于在线配套使用，日本东丽公司、英国Courtaoclds公司、原RK公司和德国SGL公司等均采用此法。电化学改性处理法又称阳极电解氧化法，是以碳纤维作为阳极，石墨板、铜板或镍板作为阴极，以不同的酸碱盐溶液为电解液，在直流电场作用下对纤维表面进行改性处理，适当增大纤维表面极性和粗糙度，从而达到改善复合材料界面性能的目的。图1为电化学改性处理试验装置示意图。该法操作简单，效果显著，受到，人们的普遍关注，得到大量的研究。在碳纤维研究方面，国外发展较早、技术成

17、熟，而国内起步较晚。随着碳纤维工业的发展以及碳纤维及其复合材料使用范围的不断扩大，该领域的研究越来越重要。 1 碳纤维电化学改性技术研究 1.1 碳纤维改性工艺参数研究 电化学改性处理过程中，电解质及其浓度、电流密度、改性处理时间等工艺参数的选择对碳纤维的表面特性及相应碳纤维复合材料性能的影响很大，因此，工艺参数的选择及其优化是电化学改性处理研究中的重要部分之一。在电解质的选择上，国内采用单一的酸、碱或盐作为电解质进行改性研究，而国外则是在选用单一电解质的基础上，采用由不同的电解质混合而成的pH值不同的电解质体系来改性处理碳纤维。Donnet等发现采用碱性电解液电化学改性处理的碳纤维表面氧含量

18、不变，而硝酸改性会使碳纤维表面氧含量增多；Yumitori等却认为酸、碱电解液改性都会使碳纤维表面氧含量增加。研究结果的不统一，部分归因于研究阶段，研究人员采用的实验装置不一致，试验工艺条件不同，致使同一研究无法作纵向对比，所以迫切需要一套标准来规范实验条件及性能表征。 1.2 碳纤维改性机理研究 改性机理的研究将揭示碳纤维表面性质在极化电流和电解质共同作用下的演变规律，是实现碳纤维表面改性效果设计和控制的有力保证。因此，这方面的研究是十分重要和必要的。曹海淋等研究过H3PO4、NH4HCO3溶液中碳纤维表面电化学改性机理，但最终仅总结了纤维表面特性的改变，并未全面揭示碳纤维表面性质的演变规律

19、。为了更好地体现碳纤维复合材料的性能优势，仍需不断探索和研究碳纤维的电化学改性机理。 1.3 改性处理对复合材料性能的影响 碳纤维表面改性处理的目的在于通过改变纤维的表面特性以增强纤维与基体间的界面粘结强度，因此层间剪切强度的测定是表征碳纤维改性效果的重要方法。JGul-yas等研究了改性处理前后碳纤维与环氧树脂形成的复合材料层间剪切强度的变化，发现选用H2SO4和NaOH作电解质，复合材料层间剪切强度随表面性能变化的趋势正好相反。曹海琳等则发现采用不同电解质电化学处理碳纤维制备的复合材料其层间剪切强度变化趋势有很大的不同。这说明复合材料层间剪切强度的变化趋势很大程度上取决于电化学改性工艺参数

20、的选择。这就需要对工艺参数及改性机理做进一步研究，在此基础上建立改性模型并提出合适的复合材料界面理论，才能更好地理解碳纤维表面性能与复合材料层间剪切强度之间的关系，进而更有效地将研究成果应用于实际当中。随着复合材料使用范围的不断扩大，基体的选择也在不断改变，为使复合材料的性能更好地达到应用要求：碳纤维表面改性模型及界面理论的提出是必要的。 2 碳纤维表面特性表征手段评价 研究人员提出了许多表征碳材料的研究手段，常用于表征碳纤维表面特性的方法也很多，如扫描电镜、原子力显微镜、浸润仪、X射线光电子能谱、激光拉曼光谱、反气相色谱、X射线衍射等。本文对部分表征手段进行了分析，并提出其表征优势或指出存在

21、的问题。 扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)是表征纤维表面形貌的测试方法。郭云霞等认为PAN基碳纤维在未进行表面处理前，其表面的轴向沟槽窄而浅，而经电化学表面氧化处理后，其表面的轴向沟槽会明显加宽加深。轴向沟槽是湿法纺丝工艺制备的PAN基碳纤维的表面特征，沟槽深度明显深浅不一(如图2(a)所示）。从SEM结果来看，经过一定程度的改性处理后，碳纤维表面形貌基本没有变化(如图2(b)所示）；若处理程度过大，则会对碳纤维表面造成严重破坏(如图2(c)所示）。 郭云霞等通过AFM发现，改性处理前后碳纤维表面形貌变化较大，未处理的碳纤维表面相对比较平滑，沿纤维轴方向分布有少量的微小沟槽；改性处理

22、后，纤维表面沟槽加宽加深，表面起伏增大，而且在大的沟槽面上又出现了细小沟槽（如图3所示），并且通过AFM表面粗糙度分析可以进一步判断碳纤维电化学改性处理的程度。 对比这2种碳纤维表面形貌的表征方法，发现采用SEM观察改性前后纤维表面形貌以判断改性效果并不直观，而采用AFM可以更直观、更准确地表征改性处理对纤维表面形貌的影响。 表面能(SE)是表征物质表面特性的重要参数，改性前后SE值可用来表征物质表面改性效果。碳纤维的表面张力不易直接测定，但可以通过双液法间接测定，即分别测量2种液体与碳纤维的接触角，再依据部分极性理论，通过几何平均法计算碳纤维的表面张力，计算公式如下： 式中：LV为探测液的表

23、面张力；咒v为探测液表面张力的极性部分；dLV为探测液表面张力的非极性部分；搬为碳纤维表面张力的极性部分；sd为碳纤维表面张力的非极性部分；为探测液对碳纤维表面的接触角；s为碳纤维的表面张力。 这种实验方法设备简单、操作简便，是测定碳纤维经表面处理后润湿性变化的一种有效方法。ABismarck等就采用该法研究了碳纤维的浸润性。近来部分研究人员开始采用动态毛吸浸润法测定纤维表面浸润特性，这也是一种灵敏有效的表面性能分析方法。 X射线光电子能谱(XPS)技术是在材料物理、化学等领域有重要应用价值的测试手段，许多研究人员采用该方法表征碳纤维改性前后表面化学性质的变化。图4力不同处理时间的碳纤维XPS

24、全谱图，图5为Cls的曲线拟合图。 XPS测试提供各种定性、定量的数据，对判断碳纤维表面改性处理效果非常有帮助。目前的研究仅采用XPS中的Cls峰表征碳纤维的表面化学性质，然而实际检测中发现碳纤维表面还含有其他元素。对所有元素谱图的分析可以更全面地表征纤维表面特性的改变，也有利于改性机理的分析，所以对XPS测试数据更深入全面的分析将是这种表征方法的研究重点。 Raman光谱是一种测定碳纤维表面晶体大小的方法。早在1970年Tuinstra等就利用激光拉曼光谱对石墨和碳材料的结构进行了研究。图6(a)为碳纤维的一级序区拉曼光谱图。从图6(a)中可以看到，这2个主峰严重重叠，故需要对其进行分峰处理来分析表面结构变化。采用Origin软件将曲线作分峰拟合(如图6(b)，拟合图更能表征纤维改性处理过程中微观结构的变化且有助于分析改性机理。过去仅采用Raman光谱研究碳纤维在石墨化过程中及改性前后微观结构的变化，但并未关注电化学处理过程中碳纤维表面微观结构随改性处理时间的演变。利用激