《Journal of Food Composition and Analysis》：Phenolic compound determination through electrochemical methodologies and biosensors: A review supported by bibliometric analysis.
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这篇综述系统回顾了利用电化学方法与生物传感器测定酚类化合物（PC）及其抗氧化能力（AOC/TPC/AOA）的研究进展。文章对比了传统分光光度法（如FC、ABTS、DPPH）和色谱法（如HPLC）的优缺点，重点阐述了循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）等电化学技术以及基于碳、金属、酶和纳米材料（如纳米酶、MOF）的生物传感器的优势，包括成本低、操作简便、环境友好和快速检测。文献计量学分析揭示了该领域日益增长的研究热度、核心作者、国家贡献和未来趋势，指出电化学方法在农业、食品、医药等领域具有替代传统方法的巨大潜力，是解决传统技术高成本、高污染、操作复杂等痛点的前沿交叉研究方向。
在过去的二十年里，医学范式和方法的转变引发了对生物活性化合物，特别是酚类化合物（PC）日益增长的研究兴趣。这主要归功于它们作为抗氧化剂的特性。对这些物质的量化，即总酚含量（TPC）或抗氧化能力（AOC），以及它们对具有生物学相关性的自由基的亲和力（称为抗氧化活性，AOA）的测定，传统上是在提取物、果汁、叶、果实和根等植物制剂中，使用分光光度技术和色谱法进行的。这类技术通常需要污染性试剂、昂贵的大型设备以及高度专业的人员才能进行精确解读。作为一个新兴的多学科交叉领域，农业、食品工业、医学、药理学和营养学等领域对探索替代性方法的需求日益增长，这些方法应能提供价格合理、环境友好、易于使用的产品，供非分析化学专业的人员使用。其中，电化学方法和生物传感器尤为突出。
1. 引言：从传统医药到食源性抗氧化剂
随着科学技术在过去几十年的加速发展，深入研究各种疾病的细胞过程和生化转变已成为可能。与此同时，设计、合成和使用广泛的化学物质作为药物治疗和控制这些疾病也成为现实。然而，这类治疗常因其低效、高经济成本、不良反应甚至产生耐药性而受到质疑。这使得基于健康生活习惯、体育活动、食品质量和营养补充的预防医学等新方法变得重要。
在营养学领域，人们发现多样化、优质、健康的饮食不仅能提供维持生命和个体所有生理过程所需的营养物质和资源，还能提供少量但种类繁多的生物活性化合物。虽然它们没有营养价值，但能够有利地干预生化过程，优化它们或延迟/防止氧化应激等退化子过程的发生。目前，Omega-3脂肪酸、类胡萝卜素和酚类化合物（PC）因其特性和多样性而备受研究关注。PC是一个庞大的化合物家族，包含超过10,000种已鉴定的化学物种，存在于植物的根、叶、果实以及藻类和可食用真菌中。这些化合物因其抗氧化特性而被认识，即它们能中和导致细胞死亡、衰老和癌症的氧化应激化学物种。此外，它们的抗炎、神经保护、血糖调节和肠道菌群调节等特性也在广泛研究中。
这些特性使它们具备了基于植物化学组成的学术、工业和经済生产的潜力。特别令人感兴趣的是热带异国水果，这些在发达国家研究人员中认知和研究较少。这种生产涉及农业、食品和补充剂行业、制药工业以及医学和营养学领域。对这些实体而言，获取产品的抗氧化能力（AOC）或总酚含量（TPC）信息，以及其与抗氧化活性（AOA）相关的特性，对于质量控制、制造、加工、食品强化或补充剂生产至关重要。此外，这些化合物已被提议用于新药和治疗的研究，以及药物递送和饮食计划。
然而，为了描述和识别植物产品的酚类谱及其生物活性潜力，必须依赖经典的分析化学技术，主要是分光光度法和色谱法。分光光度技术包括使用氧化剂的测定，如Folin-Ciocalteu（FC）测定、ABTS和DPPH等。更复杂的光学技术包括荧光、紫外-可见和红外光谱。色谱技术包括气相色谱（GC）、薄层液相色谱（TLC）和高效液相色谱（HPLC）等，这些技术又可与质谱和紫外-可见等特定识别技术联用。然而，这些技术显示出缺点，主要是实践、经济和环境方面的。例如，使用FC等氧化剂的分光光度法会留下富含钨酸盐和钼酸盐的残留物，这些污染物被视为重金属。同样，紫外-可见光谱和HPLC色谱等大型设备需要数十万美元的昂贵设备，包括专业软件和昂贵的备件。此外，它们都有一个共同的缺点：需要合格的操作人员进行样品制备、危险试剂处理、测试执行和结果解读。
幸运的是，与上述技术并行，电化学技术通过一系列方法和电极设备/生物传感器得以实施，这些设备使用各种新材料构建，所获结果与传统技术得到的结果具有良好的一致性。尽管使用精密设备，但这种电化学方法通常比传统大型设备在经济上更易实现。此外，样品预处理更安全、更简单，因为它不需要石油衍生溶剂或耗时的程序。电化学设备包括一个称为恒电位仪的信号处理单元和一个浸没在分析物溶液中的电化学池内的电极阵列。该领域的最新进展导致了具有与笨重恒电位仪相同性能和功能的更短电子电路板的开发，这与使用液滴传感生物传感器等设备并行，将电化学池减小到仅几平方毫米的面积，为此目的提供了更通用的工具。这些方法的简单性意味着只需一滴样品（果汁、饮料或制剂）即可进行完整的分析，这仅需几分钟，并允许对总含量进行灵敏测定，包括通过形态分析进行识别。相比之下，传统技术需要一个彻底的提取、分离和浓缩过程，使用醇、丙酮或烷烃等溶剂，可能需要数小时到数天，然后才能通过色谱仪、分光光度计或试剂测定运行测试，甚至同一项研究需要全部三种。然而，要实现更广泛的应用仍需克服挑战。因此，仍需致力于设备的微型化、提高电极表面的选择性并获得自动化系统的多功能性优势。随着当前技术变得更加容易获得，这些挑战有望得到克服，从而为这些需求提供具体的解决方案。
2. 电化学方法与生物传感器
电化学方法近年来作为研究植物基质中AOC的工具越来越受欢迎，因为它们在样品预处理灵活性以及避免使用化学危险试剂和污染物方面具有独特的优势。电化学方法基于样品分子与由两个电极之间的电位差产生的时间相关电场的相互作用，并相对于第三个参比电极进行测量。这种电场使分子发生电荷极化或重排，将电荷从一个分子转移到另一个分子或转移到工作电极，从而改变样品传导电流的能力（氧化-还原反应，RedOx）。从这个意义上说，不仅可以研究化学反应发生所需的能量（热力学），还可以研究反应机理和物理化学特性，这使得该技术成为量化、形态分析和识别不同化学化合物的多功能工具。
2.1. 常用电化学方法
电化学方法根据电位差随时间施加的方式定义，旨在执行从初始电位到最终电位的扫描，使样品从一种氧化态转变到另一种。最常用于研究生物活性和酚类化合物的方法包括：
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线性扫描伏安法（LSV）：这种方法是对样品施加一个随时间逐渐增加的电位差，通常从负电位到正电位，直到达到最大值，此时样品发生RedOx反应。电位以10到100 mV/s的速率线性增加，因此得名。LSV的响应表现为与电位相关的电流，以非线性方式增加，直至达到最大值或峰值电流（阴极或阳极）。
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循环伏安法（CV）：这是电分析工具中最流行和最完整的方法。与LSV非常相似，CV施加一个随时间增加的电位差，且速率相同。然而，施加的电位达到最大值后，方向会突然改变。现在电位以相同速率下降，直到回到起点。由于电位变化的形状，它也被称为三角波伏安法。然而，“循环”一词更流行，因为分析物的响应描述了一个循环，样品经历还原阶段，然后经历氧化阶段（或相反，取决于测试设置），最后回到起点。CV的一个重要方面是，它可以根据伏安图输出曲线的形状提供有关反应可逆性或不可逆性的信息。在循环伏安图中，电流随电位快速增加，直至其阳极或阴极峰值，之后由于缺乏对流，电流开始下降，这与LSV中发生的情况非常相似。相比之下，CV在超过电位的正值和阳极峰值后立即切断电位的增加，开始从正向负的电位扫描。在此阶段，将在相反方向再次达到电流峰值，对应于阴极峰值。一旦发生这个峰值，电位和电流都将回到起点。由于LSV和CV绘制了具有峰值的曲线，这些峰值是化学物种的特征（因为RedOx反应发生需要能量），因此该方法适用于形态分析。在这种背景下，LSV和CV可作为色谱技术的电化学等效方法。pa, cathodic peak voltage Vpc, anodic peak current Ipaand cathodic peak current Ipc, features by which a family of compounds might be identified. (Own authorship).">
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差分脉冲伏安法（DPV）：这种方法比前几种更为复杂，它使用一种特殊的周期性电位分布，设计成脉冲波的形式增加，旨在消除不需要的电容电流对总测量电流的贡献。电位是一种阶梯型函数，上面叠加了短时扰动或脉冲，在瞬间超过每个阶梯的高度。DPV不记录相对于其对应电位的电流，而是取两个电流之间的差值，这两个电流分别对应于一个阶梯的电位和下一个阶梯脉冲结束时的电位脉冲。脉冲的短持续时间以几十毫秒计，而脉冲之间的间隔或阶梯宽度从零点几秒到几秒不等。DPV伏安图提供了微分电流与阶梯电位的关系图，显示为具有高度对称性的单峰，这具有通过最小化寄生电流来提高灵敏度的优点。
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方波伏安法（SWV）：类似于DPV，这种方法旨在产生由于短时电位突然改变强度而在样品内部产生的电流。对于SWV，电位形状由叠加在阶梯信号上的方波组成；因此，获得了随时间增加强度的平坦的波谷和波峰。SWV在波峰作用期间产生阳极电流，在波谷作用期间产生阴极电流。方波伏安图是一个与DPV中获得的非常相似的单峰，但与之不同的是，它通过计算阳极和阴极电流之间的差值获得，从而产生更明显的电流峰，保证了更高的灵敏度。
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计时电流法（CAM）：顾名思义，这是一种研究样品中电流随时间行为的方法，其电位也随时间变化，具有非常特殊的阶跃信号特性。这种激励电位旨在施加并维持样品的化学平衡条件约一秒钟。因此，电位突然增加约一伏，保持恒定一秒或两秒，然后立即回到起始电位并保持相似的时间。由于电流依赖于电位变化率，电流也迅速增加直到达到饱和值，之后由于与电极相互作用的物种耗尽而开始衰减。电流衰减后，如果目的是研究单一反应（氧化或还原），则可以结束记录。然而，对于两个反应，需要设置电位偏移并返回起点。这样，分析物再次显示出相反方向的电流突然增加，直到再次达到饱和点，之后将由于相互作用物种的耗尽而衰减，并返回平衡条件。CAM对于研究电化学系统中的传质贡献特别有用，这与上述更多用于分析电荷转移引起组分的方法不同。
2.2. 电化学设备、电化学池和生物传感器
传统上，作为分析工具的电化学设备由一个电化学池构成，该池由一个容量为几十立方厘米的容器组成，配有穿孔盖，用于插入三个电极和一个搅拌系统。电极可以根据不同的几何标准设计，以实现根据测试要求的特定性能，例如棒状、板状、盘状或线状电极等。过去，用于电极构造最常用的材料是滴汞；然而，由于操作风险，尽管存在某些缺点，人们更倾向于使用其他材料和配置。近年来，表面电极变得流行，它们由惰性塑料（如特氟龙或PVC）圆柱体末端的几毫米直径的小圆盘组成，由贵金属（如金、银或铂）制成。此外，其他具有出色导电性的材料，如石墨、玻碳和碳糊，也经历了自身的发展。设备的其余部分本质上是一个称为恒电位仪或恒电流仪的电子信号发生和数据采集单元，连接到计算机等数据处理中心。
一个非常实用的替代方案是使用通过丝网印刷技术印刷或通过电沉积（AD）或物理气相沉积技术（PVD）构建的生物传感器，因为这些微型化单元在玻璃、陶瓷材料或聚合物制成的矩形载玻片表面上集成了一个三电极系统，尺寸仅几厘米。这些设备的主要优点是它们的小尺寸允许仅用几滴样品即可进行分析；因此，不需要电化学池，并且配备适当的电子卡和显示界面，该设备变得便携且适合现场工作。这类应用最常用的材料是基于碳油墨的材料，由石墨粉与油和石蜡混合而成，形成一种非常易延展和通用的糊状物，用于打印机或丝网印刷机——丝网印刷电极（SPE），从而在基材上沉积一层薄薄的材料。印刷后，糊状材料固化，设备即可使用。然而，这类材料尽管多功能、低成本且可大规模生产，但结果证明是不可重复使用的或使用次数有限，并且对特定感兴趣物质（如PC）的选择性不高。
另一方面，基于贵金属电极的生物传感器具有高度可重复使用性，铂等材料具有催化特性，可以促进对大量高度关注的分析物的分析。然而，两种材料都可以进行化学处理，以在其表面粘附其他材料或试剂，从而提高其性能，特别是在电极对分析物的亲和力和选择性方面。在两种类型的生物传感器中，随着纳米材料的最新革命，通常以单壁和多壁碳纳米管、石墨烯和氧化石墨烯的形式看到它们的使用，作为优化工作电极性能的材料，允许更高效的电荷转移，从而克服与灵敏度和检测限相关的障碍。这些生物传感器优化的一个显著方面是使用对PC具有特殊亲和力的天然和合成酶，同时减少与其他具有类似相互作用的化合物（如抗坏血酸、糖和氨基酸）的干扰。亲和力和选择性变得尤为重要，因为所研究的植物基质含有所有这些物质的不同比例，从而导致由于高估而产生的误差。用于这些目的的最常用的酶包括来自不同来源的氧化酶和过氧化物酶，例如辣根或某些水果的某些部分，例如香蕉皮或苹果果肉。还有儿茶酚氧化酶和酚氧化酶，但那些表现出更好性能并且是当前多项研究主题的是酪氨酸酶和漆酶。然而，人们对它们的稳定性和储存条件存在一些担忧，因为它们极大地影响了基于类似PC的酶的传感器的可重复使用性。这仍然是研究的主题，这些研究寻找在体外环境中具有更高稳定性的酶变体，甚至在最近五年中，选择基于具有生物催化活性的纳米颗粒的合成酶的可能性。众所周知，蛋白质，以及酶，对温度和pH条件敏感；这些是外部因素，会使蛋白质结构变性，降低其催化活性直至失活。相反，纳米酶是多种纳米结构，范围从金属氧化物纳米颗粒到有机金属排列或金属有机框架（MOF）以及所谓的单原子纳米酶。因此，由于其化学性质，即使在天然酶可能失活或降解的条件下，纳米酶也能表现出与天然酶相似的催化活性。比较而言，在储存时间方面，天然酶在降解前可以在体外环境中保持其催化活性的一小部分几天到几周，而纳米酶可以保持其催化活性数周到几个月，仅损失一小部分性能。最后，在相对活性方面，纳米酶甚至可以超过天然酶的活性数倍，具体取决于环境条件。
3. 文献计量学洞察
3.1. 传统技术研究趋势
根据Scopus数据库，从2005年到2025年，共有162,707篇文档的标题、摘要或关键词中包含“酚类化合物”、“多酚”或“类黄酮”以及“健康益处”或“生物活性”或其任何同义词。每年发表的文档数量呈增长趋势，2024年是发表最多的年份，有20,137篇。按研究学科领域分类的出版物显示，文档数量最多的贡献来自农业和生物科学（71,823）、生物化学、遗传学和分子生物学（48,231）以及药理学、毒理学和药物学（39,544）。
具体到使用传统分析方法测定AOC和AOA的PC研究，根据Scopus，截至2025年2月，已发表9119篇论文。这个数字自2007年以来呈逐年增长趋势，2024年是发表最多的年份，有976篇文档。这表明PC正受到极大关注，对传统分析方法的需求很高，并且对更通用、更容易获得的分析资源的需求也在增加。发表这些著作的最重要来源是Elsevier的“Food Chemistry”，有631篇论文。其他来源则较为适中，例如MDPI的“Molecules”（285）、ACS的“The Journal of Agricultural and Food Chemistry”（234）和MDPI的“Antioxidants”（172）。涉及这些来源的学科领域清楚地表明，大多数关于PC及其通过传统分析方法进行的性质研究是在食品和农业领域进行的，而不是纯粹的化学或分析化学领域。
就作者而言，根据发表论文数量，最相关的作者是土耳其塞尔丘克大学生物学系的G?khan Zengin，有88篇出版物。其他著名作者包括阿尔及利亚生物技术研究中心的Chawki Bensouici（40篇）和毛里求斯大学科学系健康科学系的M. Fawzi Mahomoodally（40篇）。
就国家贡献而言，数据显示有179个国家对该主题的研究做出了贡献。出版物数量最多的贡献来自中国，有1584篇论文，被引54233次。土耳其第二，有700篇出版物，被引23670次，其次是印度，有656篇，被引12702次。在西方国家中，巴西有586篇，被引17772次，西班牙有554篇，被引33074次。
