一种利用未经改性的掺硼金刚石电极对黄酮类化合物没食子素进行快速、灵敏伏安法定量分析的新方法

《Diamond and Related Materials》：A new approach for rapid and sensitive voltammetric quantification of the flavonoid myricetin using a non-modified boron-doped diamond electrode

采用裸硼掺杂金刚石电极开发了方波伏安法检测山柰酚的新方法，在BR缓冲液（pH4.0）中观察到两个氧化峰（+0.49V和+0.81V），优化后检测限分别为0.0015μg/mL和0.075μg/mL，并通过与HPLC结果对比验证了准确性。

　　

云努斯·贝迪尔|亚武兹·亚尔达姆

土耳其凡省凡尤宗库尤尔大学理学院分析化学系，邮编65080

摘要

本文开发了一种利用方波伏安法检测没食子单宁的电化学传感方法，该方法采用未经改性的掺硼金刚石（BDD）电极。在Britton-Robinson（BR）缓冲液（0.04 M，pH 4.0）中，循环伏安法显示没食子单宁发生扩散控制的不可逆氧化反应，在Ag/AgCl电极上产生两个明显的阳极峰，分别位于约+0.49 V（P_A1）和+0.81 V（P_A2）。没食子单宁的电化学氧化行为受溶液pH值和支撑电解质的性质显著影响，其检测基于这两个阳极峰。在优化的实验条件下，阳极峰电流与没食子单宁浓度成正比，在pH 4.0的BR缓冲液中，P_A1的浓度范围为0.005–0.1 μg/mL^?1，P_A2的浓度范围为0.25–5.0 μg/mL^?1。该方法的最小检测限分别为0.0015 μg/mL^?1（P_A1）和0.075 μg/mL^?1（P_A2）。该方法成功应用于膳食补充剂样品中没食子单宁的定量分析，并通过与高效液相色谱（HPLC）结果的比较验证了其准确性。

引言

黄酮类化合物是一大类结构多样的植物次生代谢物，包含超过6000种化合物，通常分为花青素、黄酮、黄酮醇和黄烷酮等亚类[1]、[2]。它们在医药和营养领域得到广泛应用，这得益于其多种生物活性，如抗炎、抗过敏和抗痉挛作用，这些作用主要与其抗氧化和清除自由基的特性相关，而这些特性又受取代模式、聚合度和 conjugation 类型等结构特征的影响[3]、[4]、[5]、[6]。其中，没食子单宁是一种富含羟基的黄酮类化合物，天然存在于Myrica rubra以及浆果、葡萄、茶叶和红葡萄酒等常见食物中[7]。体内研究表明，没食子单宁具有多种健康促进作用，包括抗炎、抗氧化、神经保护、心脏保护和清除自由基等[8]。因此，含没食子单宁的产品越来越多地被添加到功能性食品和药物制剂中，如水果饮料、滴剂和分散片剂[9]。然而，有报告指出过量摄入没食子单宁可能产生不良影响，这可能与其在水中的溶解度低和生物利用度有限有关，因此需要严格的质量控制[10]。因此，对膳食补充剂和功能性食品进行严格评估——特别是通过准确量化关键生物活性标志物——对于确保产品的安全性、有效性和一致性至关重要。

现有科学文献调查显示，用于没食子单宁定量分析的分析技术有限，主要包括反相高效液相色谱（HPLC）[11]、[12]、高效薄层色谱与HPLC联用[13]、HPLC-毛细管区电泳（CZE）[14]、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）[15]、流动注射（FI）分析方法[16]、[17]以及多种伏安技术[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

掺硼金刚石（BDD）电极在极端阳极和阴极极化下表现出优异的结构稳定性，确保了电化学测量的长期可靠性[25]、[26]。BDD电极的一个显著优点是其对吸附中间体或氧化产物引起的表面污染具有很强的抵抗力，这是伏安传感中常见的限制因素，常常导致信号下降[25]、[27]。金刚石晶格中sp³杂化碳的存在使其在水性和非水性介质中都具有极宽的电化学电位窗口，从而能够在宽广的电位范围内选择性地检测电活性物质[28]。此外，BDD电极还具有出色的化学惰性、在高腐蚀性电解质中的高耐腐蚀性、良好的导电性以及对溶解氧的极低敏感性，这些都是可靠伏安分析所需的理想特性。尽管如此，BDD电极的伏安和分析性能仍高度依赖于多个材料相关参数，包括硼掺杂程度、非金刚石（sp²）碳杂质的含量以及表面终止状态（氢终止或氧终止）。其中，BDD薄膜结构引起的表面化学变化是最关键的挑战，因为它们直接影响界面电荷转移动力学、吸附行为和整体传感性能[29]、[30]、[31]、[32]。

对现有电分析文献的全面评估表明，以往报道的没食子单宁检测方法几乎都依赖于化学修饰或纳米材料修饰的电极表面来实现足够的灵敏度和选择性。相比之下，本研究首次采用未经改性的BDD电极直接进行伏安定量分析，从而消除了通常会降低重复性和长期稳定性的表面修饰需求。这种方法展示了通过BDD电极本身的电化学性质即可实现可靠且灵敏的没食子单宁检测，代表了方法论上的重大进步。通过在实际含有没食子单宁的膳食补充剂制剂中的定量分析中成功应用，验证了该方法的实用性。为了进一步证实伏安结果的准确性和可靠性，还使用高效液相色谱（HPLC）方法对相同商业产品进行了对比评估，两种分析方法的结果高度一致，证明了所开发电化学方法的稳健性，表明其作为常规质量控制分析的快速且经济有效的替代方法具有潜力。

仪器与电化学测量

所有电化学测量均使用Metrohm Autolab Type III电位计/电流计进行。数据收集和分析采用GPES 4.9软件包。为确保最佳信号质量，原始伏安数据经过两步数字处理：首先使用Savitzky-Golay算法进行平滑处理（峰宽0.01 V），然后使用移动平均滤波器进行基线校正。

没食子单宁的电化学行为

为了表征在预处理过的BDD电极上没食子单宁的电化学性质，在0.04 M BR缓冲液（pH 4.0）中记录了50 μg/mL^?1没食子单宁的连续循环伏安图，该缓冲液被确定为最佳分析介质。与空白电解质的比较分析显示，在初始正向扫描过程中出现了两个明确的不可逆氧化峰，分别位于约+0.49 V（P_A1）和+0.80 V（P_A2）（图1A）。

结论

本研究提出了一种使用未经改性的BDD电极检测没食子单宁的新电分析方法，填补了现有分析方法的主要空白，现有方法大多依赖于复杂的电极修饰。所开发的方法相比传统技术具有多项优势，包括操作程序简化、分析成本降低以及常规分析的实用性增强。通过消除对电极修饰的需求……

CRediT作者贡献声明

云努斯·贝迪尔：方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。亚武兹·亚尔达姆：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、验证、实验监督、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢凡尤宗库尤尔大学科学研究基金会在项目编号FDK-2023-10914下的资助。本研究基于云努斯·贝迪尔在凡尤宗库尤尔大学自然与应用科学研究所进行的博士研究。