基于纳米技术的电化学传感器用于监测运动营养食品中抗氧化剂的研究

运动营养食品是功能性食品，具有提高运动表现、促进机体恢复、增强免疫力等功能。运动营养食品中的维生素C、维生素E、茶多酚等抗氧化剂，能有效减少因剧烈运动产生的氧化应激，从而保护细胞免受损伤。因此，如何有效、准确地监测和评估运动营养食品中抗氧化剂的含量与稳定性，是当前食品科学和健康领域的重要研究课题。传统的抗氧化剂检测方法，如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）和紫外-可见分光光度法（UV-Vis），虽然具有高灵敏度和高精确度，但设备昂贵、操作复杂、检测过程耗时长，不利于快速检测和大规模应用。本文对基于纳米技术的电化学传感器监测运动营养食品中抗氧化剂展开研究，以期为抗氧化剂的快速、灵敏和精确检测提供全新的技术路径和理论支持。

一、相关概念界定

（一）抗氧化剂

抗氧化剂能够抑制或减缓氧化反应，从而防止或延缓生物体的化学物质氧化损伤。在运动营养食品中，添加抗氧化剂具有三方面作用：一是清除自由基与减少氧化应激，其可以中和运动过程中产生的活性氧，防止脂质过氧化，减轻氧化应激对机体的危害；二是促进恢复和提高运动表现，其可以降低氧化损伤，减少肌肉疲劳和组织损伤，促进运动后的恢复；三是延长产品保质期，其可以防止食品中脂类、蛋白质和其他敏感成分的氧化降解，延长食品的保质期。

（二）电化学传感器

电化学传感器是通过电化学反应原理检测和定量分析目标化合物的分析工具，因有高灵敏度、快速响应、低成本、易于集成等优势，被广泛应用于环境监测、生物医学分析和食品安全等多个领域。比如，安培型传感器是基于目标物质在固定电位下的氧化还原反应所产生的电流信号进行分析，可用于检测葡萄糖、过氧化氢等电化学活性物质。伏安型传感器是通过改变工作电极的电位，记录电流随电位变化的unup/1HRAFzGtKfZ8MWcIstsn+6oBe6O2HHtqvUD1xc=关系来分析目标物质，常用于药物分析、环境污染物检测，以及复杂基质中的多组分分析。电导型传感器是基于目标物质浓度的变化引起溶液电导率的改变进行分析，主要用于检测水质、食品和饮料中的离子型污染物、重金属。

（三）纳米技术

纳米技术是研究物质在1-100nm尺度上的应用科学技术，其核心是通过精确控制物质的结构与组成来赋予其新的功能，从而实现特定的应用目的，其广泛应用于医学、能源、环境、材料科学和信息技术等多个领域。

二、基于纳米技术的电化学传感器设计

（一）纳米材料的选择与特性分析

纳米材料决定着传感器的稳定性、响应时间、重复性等，理想的纳米材料应具有优异的导电性、良好的催化活性以及可控的表面结构和功能化特性，以便最大限度地增强目标物质的电化学响应信号。在众多纳米材料中，碳基纳米材料和金属纳米颗粒因具有良好的物理化学性质而被广泛应用。碳基纳米材料中的石墨烯是单层碳原子构成的二维材料，石墨烯的晶格结构中π电子高度离域化，具有出色的导电性和超高的比表面积，其导电性远超大多数传统导电材料。金属纳米颗粒（如金、银、铂纳米颗粒）由于表面等离子体共振效应，能够在特定波长的光照射下激发产生集体振荡电子云，可以显著增强局部电场强度，进而提高电极表面的电子转移速率和电化学反应效率。

（二）传感器构建与电极修饰技术

电化学传感器的构建与电极修饰技术能决定传感器检测性能的优劣。电极作为传感器的核心元件，其材料的选择、结构的设计、表面修饰方法等，均会对传感器的灵敏度、选择性和稳定性产生直接影响，尤其是电极的修饰方法，通过在电极表面引入功能材料或化学基团等内容，能有效增加电极表面活性位点的数量和质量，促进目标分子的吸附及其电化学反应。比如，碳基材料中的石墨烯和碳纳米管有优异的导电性和高比表面积，将其用于电极修饰能极大提升电极的电化学活性。另外，电极修饰技术还依赖于物理吸附、化学键合或电化学沉积等方法。如化学键合修饰方法通过共价键合将功能分子固定在电极表面，确保其在电极界面上的稳定性，提高传感器的选择性和特异性，进而增强信号响应。

三、电化学传感器的检测机制

（一）电化学信号传导与传感机制

电化学信号传导与传感机制是指目标分子与电极界面相互作用来引发电化学反应，并通过电流、电位或电导的变化转化为可测的电化学信号。一方面，电化学信号在传导过程中，电极材料的导电性、表面电荷分布能决定电子在电极表面的传递效率，进而影响整体信号响应速度和灵敏度。比如，石墨烯和碳纳米管等纳米材料能在极短时间内完成电极表面到目标分子之间的电子转移，减少电荷转移的阻抗，提高电子转移的频率和成功率。另一方面，电化学信号的产生依赖于电极表面反应的电子转移速率，这是传感机制的核心。电子转移反应分为外层电子转移和内层电子转移，在外层电子转移中，电子通过隧道效应从电极转移到溶液中的目标分子，传递速度较快，但效率会受到溶液环境和电极材料的表面电位的影响；内层电子转移是通过化学吸附形成共价键或离子键连接，电子转移效率虽然较高，但受限于反应物的扩散速率和电极表面的化学环境。

（二）纳米材料在检测过程中的作用

在抗氧化剂的检测过程中，纳米材料的引入能增强电子转移、提高催化活性。一方面，纳米材料具有独特的高比表面积、优异的导电性，能使电极表面具备更多活性位点，极大地提高了目标分子与电极之间的电子转移效率。另一方面，由于纳米材料的表面特性和可调控的化学官能团，电极可以通过纳米材料的修饰引入特定的分子识别单元，进而提高对目标分子的选择性。

（三）抗氧化剂的电化学检测路径

抗氧化剂的电化学检测旨在通过电化学反应直接或间接监测抗氧化剂的活性。在电化学检测中，抗氧化剂通过还原能力参与到电极的氧化还原反应中，抗氧化剂的还原产物会在电极表面形成稳定的化学键，进而引起电极电流的明显变化。比如，维生素C在电极表面的还原反应可以产生特定电流峰，通过监测电流峰的位置和大小，就可以精确判断维生素C的浓度。另外，抗氧化剂的电化学检测还需考虑选择性反应路径，以区分不同抗氧化剂的存在及其浓度差异。比如，儿茶素和黄酮等多酚类抗氧化剂，会在电极表面经历复杂的多步骤氧化反应，这就需要通过设定合适的工作电位范围、优化电极表面修饰材料，选择性地促进某一特定反应路径，以增强目标抗氧化剂的信号输出。

四、基于纳米技术的电化学传感器

监测运动营养食品中抗氧化剂分析

（一）能量饮料中的抗氧化剂检测

能量饮料中常含有维生素C、维生素E和茶多酚等多种抗氧化剂成分，它们有助于中和体内过量的自由基，以减轻因剧烈运动引起的氧化损伤。然而，能量饮料含有糖类、电解质、色素和其他添加剂等复杂基质，这对抗氧化剂的检测提出了严峻挑战。传统检测方法虽然精确，但需要复杂的样品预处理和长时间的分析过程。相较之下，基于纳米技术的电化学传感器能通过石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒等纳米材料修饰电极，有效增加电极表面的活性位点，增强电子传递速率，提高检测的灵敏度。比如，石墨烯修饰的电极能在低电位下快速氧化维生素C，生成脱氢抗坏血酸，释放出电子并转化为电信号。

（二）蛋白质补充剂中的抗氧化剂检测

对蛋白质补充剂进行抗氧化剂检测时，电化学传感器的设计需要考虑基质中的干扰因素，如蛋白质的吸附，其会影响电极的表面活性和信号输出。为此，可以选择碳纳米管或功能化石墨烯等纳米材料，其有独特的电化学活性，高度的电导性和比表面积使其能快速响应和捕捉电化学信号。比如，金属纳米颗粒可以在电极表面提供大量的高活性位点，促进目标抗氧化剂的氧化还原反应，使其在多种化合物的样品中仍能准确测定浓度。

（三）维生素类补充品中的抗氧化剂检测

在维生素类补充品中，维生素C（抗坏血酸）和维生素E（生育酚）等抗氧化剂通过中和体内的自由基来抵抗氧化压力，从而维持细胞完整性。传统检测方法虽然准确，但需要复杂的仪器设备和繁琐的样品预处理，难以实现快速检测。维生素C和E在电极表面的氧化还原反应具有特定的电位和电流特性，其特性可以被精确捕获和分析，在实际应用中，电化学传感器通过测量维生素C或E在电极表面引起的电流变化来定量其浓度，具有检测效率高、灵敏度高和特异性强等优点。比如，金或银等纳米粒子具有独特的表面等离子共振特性，将其用作电极的修饰材料时，可以通过提供更多的活性位点和增强的表面反应动力学，以提高对抗氧化剂的检测灵敏度。

综上，本文对基于纳米技术的电化学传感器监测运动营养食品中抗氧化剂进行深入研究，表明电化学传感器基于纳米材料的高比表面积和优异的电子传输特性，能够有效提升检测的灵敏度、选择性和抗干扰能力。因此，基于纳米技术的电化学传感器能够为食品质量控制、安全检测提供高效且低成本的选择，有效满足不断变化的检测需求。

作者简介：焦文辉（1991-），男，汉族，讲师，硕士研究生，研究方向为体育教学、运动营养。

*通信作者：马睿（1990-），女，回族，讲师，硕士研究生，研究方向为体育教学、运动训练。