綦翠華,李一葦,張曉偉
(1.濟南大學酒店管理學院,山東 濟南 250022;2.山東省科學院生物研究所,山東省 生物傳感器重點實驗室,山東 濟南 250014;3.濟南大學化學化工學院,山東 濟南 250022)
果汁原漿中葡萄糖含量測定的酶電極設計
綦翠華1,李一葦2,3,張曉偉1
(1.濟南大學酒店管理學院,山東 濟南 250022;2.山東省科學院生物研究所,山東省 生物傳感器重點實驗室,山東 濟南 250014;3.濟南大學化學化工學院,山東 濟南 250022)
利用易于制備的水不溶性普魯士藍制備了介體摻入式絲網印刷電極,并以該電極作為電化學換能器制備葡萄糖氧化酶電極。電化學表征結果顯示,酶電極對葡萄糖的電流響應特征良好,其線性范圍為8.0 μmol/L~2.2 mmol/L,檢測限達0.082 7 μmol/L(RSN=3),靈敏度為1.016 μA·L/mmol,響應時間5 s,其抗干擾性能、穩定性及重復性良好。實驗還確定了該酶電極的最佳制備配方及工作條件。該電極制作簡單、廉價,適用于成分復雜的果汁原漿的快速分析測試。
果汁原漿;葡萄糖;絲網印刷電極;工業應用
果汁原漿是指用新鮮的水果榨成果漿的果汁,其與新鮮水果本身的營養價值接近,是果汁工業的重要原料或半成品,可作為各種不同濃度果汁的基料。果汁原漿中的糖類含量是監控其品質及濃度的重要指標之一。其中,單一組分糖類物質的檢測,對于果汁原漿類產品的營養分析及改善、加工過程及產品質量控制等具有重要意義。果汁原漿成分復雜,濃度高、黏度大,其單一成分的定量分析難度較大。目前,尚缺乏對果汁原漿單一糖分分析的相關國家標準。葡萄糖與其他重要糖類如果糖、蔗糖、乳糖及海藻糖等一同作為水果及果汁原漿中的主要糖類組分,在果汁類產品的分析、評價中具有特殊意義[1]。迄今已發展出多種葡萄糖的檢測方法,如光學法[2-3]、色譜法[4]、酶法[5]等。這些方法雖然具備分析精度足夠高、測試重復性良好和目標組分分辨能力強等優勢,但這些方法往往需要昂貴的分析儀器或分析成本、儀器往往體積較大,且要求檢測環境苛刻、需要專業人員的操作及較長的測定時間而較難大規模進入食品工業應用。此外,對于果汁原漿的檢測,通常還存在需要樣本前處理的問題。
葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)電極具有靈敏度高、穩定性好的特點,且市場上已出現了用途多樣的商品化GOx電極[6]。GOx電極多是通過測定有氧條件下GOx對其底物葡萄糖進行生物催化氧化時所產生的H2O2實現的。目前,能夠實現H2O2的低電位還原的技術方案有2 種,即過氧化物酶及鐵氰化物修飾電極。相比過氧化物酶法,普魯士藍(Prussian blue,PB)靈敏度高[7]、成本低廉、穩定性良好、檢測電位低且能夠有效避免雙酶傳感器電子傳質速率低[8]的缺陷。學界已有大量基于PB構建的酶傳感器的研究報道,可應用于葡萄糖[9-10]、氨基酸[11]、有機酸[12]、乙醇[13]等食品組分的分析測定。PB可在極低的電位條件下[11,14](0 mV附近)完成對H2O2的電催化,相比傳統電極[14]可以有效避免實際樣品中多種物質的干擾。當前研究中,PB的合成主要有電化學沉積法及化學沉積法2 類[15-16]。電化學沉積法需要沉積液現用現配、設備要求較高、操作復雜。此外,化學沉積法制得的PB在堿性環境中具備較高的穩定性[7]。在化學沉積法的應用中,多數研究者使用水溶性PB[17-18]。該方法雖然易獲得粒徑更小、更為均質的PB粒子,但沉積周期長,合成后仍需要丙酮的誘導以加速沉降[19]。以化學沉積法獲得水不溶性PB,制備簡易、廉價、便于批量制取,更適合在食品工業中應用。
殼聚糖(chitosan,CHIT)具有無毒、成膜性良好、分子易于進行修飾、在多數酶的工作環境中不溶等優點,已成為酶固定化的一種優良載體。CHIT具有良好的成膜特性[20],在其成膜過程中,具有線性結構的CHIT分子可形成網狀的空間結構。同時,CHIT可與碳納米管、石墨烯、石墨等碳系材料良好融合。利用這些特性,可以將CHIT作為GOx的載體將之固定于電極表面制成酶電極。張彥等[21]利用雞蛋殼膜為載體固載GOx后,滴加CHIT固定后制成了葡萄糖生物傳感器。其研究表明,CHIT固定化的GOx較戊二醛固定化的效果更為理想。避免使用具有一定毒性的戊二醛,將使固定化修飾后的GOx電極在食品行業中具有更大的推廣價值。
本實驗旨在介紹一種適合食品工業中果汁原漿葡萄糖含量的高效分析檢測方法。該方法采用比合成方法更為簡便的水不溶性PB構建對H2O2具有線性電化學響應的換能元件,并以CHIT制成GOx膜將其固定于電化學換能元件上構成酶電極,從而實現對待測樣本中的葡萄糖含量的測定。結合特別適于大規模生產的絲網印刷技術[22]用以PB修飾的電化學換能器的制備,為該方法的實用化提供技術方案。以消費量大、成分復雜且較具代表性的蘋果汁原漿[23]作為分析樣本,對其性能進行了綜合評價。實驗證明,此電極的檢測限低、靈敏度高、線性范圍寬。同時,其所需響應時間極短,能夠有效抵抗分析樣本中其他單糖或雙糖、有機酸、抗壞血酸、酚類等組分的干擾,且生產成本極低,完全能夠滿足食品工業中果汁原漿的分析測試要求,可作為開發食品工業質量檢驗儀器、便攜式測試儀器等的核心部件。
1.1材料與試劑
蘋果汁原漿 萊州姜之源飲料食品有限公司。
GOx(E.C1.1.3.4,177 U/mg) 美國Sigma公司;葡萄糖 國藥集團化學試劑有限公司;質量分數50%戊二醛溶液、CHIT(脫乙酰度≥95%,黏度>400 mPa·s)、鐵氰化鉀、六水合氯化鐵 美國Aladdin試劑公司;JUJO CH-8型碳基導電油墨 日本十條公司;透析袋(截留分子質量8 000~14 000 D) 美國Spectrum公司;水系微孔濾膜(35 mm×0.15 μm)上海市新亞凈化器件廠;其他試劑皆為分析純。
1.2儀器與設備
CHI760d型電化學工作站、Ag/AgCl(飽和KCl溶液)電極 上海辰華儀器有限公司;JB-2型磁力攪拌器、PHSJ-3F型酸度計 上海雷磁公司。
1.3方法
1.3.1化學沉積法制備PB
配制含有K3Fe(CN)6、鹽酸及KCl各0.03 mol/L溶液50 mL,在快速攪拌條件下向其中逐滴加入含0.04 mol/L FeCl3溶液50 mL,溶液隨即變為深藍色。以此比例制備的PB粒子不易在近中性溶液環境中溶解[24],從而降低其作為介體材料在修飾電極上流失的可能。持續攪拌過夜后,將溶液轉入透析袋內以蒸餾水不斷透析至透析液透明無色、無法檢出Cl-,且袋內PB完全沉降于袋底部為止(約2 d)。經此處理后,粒徑過小的PB粒子得以去除,使制備的PB更加適于穩定性更佳的絲網印刷電極(screen-printed electrode,SPE)片的制作。傾去上層水液后置于烘箱內,95 ℃條件下將多余水分揮發干凈,再于100 ℃條件下烘烤1 h,使PB粒子得到活化。將活化后的PB置于瑪瑙研缽內研細,置于干燥器內待用。
1.3.2PB修飾的SPE(PB/SPE)的制備
準確稱取一定質量的PB粉末置于瑪瑙研缽內,與一定質量的導電油墨及0.3 mL N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF)充分混合并研磨成質地均一、無顆粒感的PB修飾印漿。
取厚度為0.5 mm聚氯乙烯基片,以1 mol/L NaOH溶液浸泡處理4 h后洗凈晾干備用。手工制作網版,在聚氯乙烯基片上以未添加PB的導電油墨手工印制如圖1A所示的雙電極體系。溶劑揮發后以PB修飾的導電油墨印制工作電極部分,其工作電極部分為直徑3 mm的圓形面。印刷完成后,置于90 ℃的烘箱內鼓風干燥2 h使有機溶劑充分揮發并使基底電極活化。除工作電極、對電極和電極接口外,在充分揮發溶劑后以硅酮膠印刷覆蓋其余部分形成絕緣層,構成完整的PB/SPE。

圖1 CHIT/PB/SPE結構示意圖Fig.1 Schematics of the structure of CHIT/PB/SPE
電極在使用前以蒸餾水清洗其工作面積后于室溫條件下晾干待用,進行電化學表征時,電極片接口與專門制作的轉接口連接后同電化學工作站連接。
1.3.3GOx電極的制備
將1 g CHIT片狀固體加入100 mL含0.1 mol/L冰乙酸溶液的蒸餾水中,加熱至90 ℃至完全溶解,冷卻至室溫后以針頭式過濾器過濾,得到質量分數1%稀溶液,貯存于4 ℃冰箱內待用。將150 μL質量分數1% CHIT溶液與200 μL 0.1 mol/L磷酸緩沖鹽(pH 5.5)緩沖液均勻混合;準確稱取2 mg GOx凍干粉末(約300~340 U),將其充分溶 解于CHIT混合液內,使其在室溫條件下靜置1 h。以移液器吸取15 μL GOx-CHIT混合溶膠,小心滴涂于切割至合適尺寸的微孔濾膜一側表面,于室溫條件下靜置2 h使水分充分揮發制成酶膜。將酶膜固定有GOx的一側小心貼附于PB/SPE片的工作電極面上,以新調配的環氧樹脂作為黏合劑使酶膜邊緣與電極片緊密黏合。室溫條件下靜置,待樹脂固化后形成如圖1B、1C中所示的GOx修飾的酶電極(CHIT/GOx/PB/SPE)。同時,以完全相同的方法制備不含GOx的修飾電極(CHIT/PB/ SPE)作為對照,以闡明酶電極的工作原理。進行電化學表征前,以蒸餾水充分沖洗電極表面,使未同酶膜緊密結合的成分被徹底清除。不使用時,將此電極于4 ℃條件下進行保存。
1.3.4酶電極的電化學表征及實際樣品測試
以手工印制的CHIT/GOx/PB/SPE雙電極電極片作為工作電極和輔助電極,參比電極為Ag/AgCl電極,連接至電化學工作站的對應電極夾上。反應池為10 mL小燒杯。進行安培法表征時,以磁力攪拌器不斷進行攪拌,反應溫度為室溫。
實驗選用工廠生產的新鮮蘋果汁原漿作為模式分析樣本,以檢驗此電極測試實際樣品的能力。蘋果汁原漿樣品在獲得后迅速以CHIT/GOx/PB/SPE進行安培法檢測,檢測前樣品不經過任何預處理步驟,直接稀釋至所需濃度后完成檢測。
2.1檢測條件優化
2.1.1PB修飾量
按照本實驗方法合成 的雖為水不溶性PB粒子,但PB本身仍為親水性組分,在長期處于水溶液環境中依然可以從修飾電極上發生部分泄漏。此外,在較低電位條件下,PB存在式(1)反應:

其中,真正對H2O2起到電還原作用的物質為普魯士白(Prussian white,PW)[25],PW為水溶性組分,在施加檢測電位時易發生流失。PB修飾量過高,雖然電極的靈敏度有所提高,但所修飾的PB容易發生泄漏而導致檢測信號不斷減小,且易造成PB/SPE均一性降低。修飾量過低,電極的靈敏度及信號強度則明顯降低。因此,合適的PB修飾量是PB/SPE性能的首要影響因素。
固定DMF的用量0.3 mL,分別將新制的0、10、20、30、40、50、60 mg PB粉末與相應質量的導電油墨混合成總質量為3 g,PB含量不同的PB/SPE,并按1.3.2節及1.3.3節所述方法制得相應的CHIT/PB/SPEs,在0.1 mol/L pH 6.0的PBS中通過循環伏安(cyclic voltammetry,CV)法進行表征,結果如圖2所示。CV掃描結果顯示,PB的摻入使得PB/SPE在約100 mV及約200 mV處出現一對對稱性良好的氧化還原峰,該氧化還原峰的存在可以由式(1)的反應進行解釋。隨著PB在PB/SPE中含量的增加,電極的基底電流信號總體表現出增大趨勢。但同時,峰電位差(ΔE)也有所增大,說明電極的可逆性隨之略有降低;當PB含量大于50 mg時,電極可逆性銳減。因此,選擇50 mg(即PB與導電油墨質量比為1∶59)為最佳PB添加量。

圖2 不同PB含量CHIT/GOx/PB/SPEs在PBS中的循環伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of CHIT/GOx/PB/SPEs with varying PB to paste ratios in 0.1 mol/L PBS at pH 6.0
取以此比例新制的CHIT/PB/SPE一支,以蒸餾水清洗其工作面后進行CV表征,結果如圖3所示。由圖3a可以看出,CHIT/PB/SPE在PBS中的CV響應中得到一對對稱性良好的氧化還原峰,此為PB的特征氧化還原峰,可由式(1)的反應加以解釋[19]。當向反應液中加入葡萄糖后,響應曲線未出現變化;而當加入H2O2后,可以明顯觀察到還原峰電位處的響應電流值增大并伴隨氧化峰電位處響應電流值的減小。該現象說明PB修飾的電極片對葡萄糖并無電化學響應,而H2O2則可在電極上被高效氧化,產生靈敏響應。

圖3 循環伏安響應Fig.3 Cyclic voltammograms
以相同方法制備CHIT/GOx/PB/SPE,CV表征結果見圖3b。當緩沖體系內有葡萄糖存在時,其還原峰電流顯著增大,而氧化峰電流略有減小。說明在酶的催化條件下,葡萄糖被氧化并產生一定濃度的H2O2,所產生的H2O2在PB的電催化條件下發生氧化反應。可利用此反應完成酶電極對其底物的定量檢測。相比于CHIT/PB/SPE的響應結果,CHIT/GOx/PB/SPE的響應電流信號強度減小,這主要是由于在電極表面增加了酶膜部分,從而導致電極表面的電導率有所下降產生的。
2.1.2檢測電位
對于安培型電化學傳感器而言,檢測電位對分析結果是一個極其重要的影響因素。傳感器的靈敏度和抗干擾性能等皆可因檢測電位的不同而不同。根據上述實驗結果,以PB對導電油墨的質量比為1∶59配制的修飾碳漿制作PB/SPE的電極片為基底電極制作CHIT/GOx/PB/ SPE,在含有葡萄糖及抗壞血酸各0.5 mmol/L的pH 6.0的PBS中,分別于-150、-100、-50、0、50、100 mV與150 mV電位(飽和Ag/AgCl電極)條件下進行安培檢測,檢測溫度25 ℃。測量結果如圖4所示,以相應的電流響應值作為衡量CHIT/GOx/PB/SPE對葡萄糖響應靈敏度及受氧化型干擾組分影響程度的依據。

圖4 不同檢測電位條件下的響應信號Fig.4 Response signal intensity and interference of ascorbic acid recorded at varying detection potentials
在負電位區段,隨檢測電位的負向移動,酶電極對葡萄糖的電流響應信號強度增大,且由抗壞血酸產生的干擾信號強度明顯減小;在-100 mV時,酶電極對待測底物的電流響應信號達到增高水平,而受到抗壞血酸的影響水平最低(約為相應葡萄糖響應值的0.6%)。當檢測電位大于0 V時,酶電極對葡萄糖的電流響應強度降低而受到抗壞血酸干擾的程度明顯增高。因此,綜合考慮各指標性能,確定酶電極的最佳檢測電位為-100 mV。
2.1.3pH值
GOx是目前所應用的酶制劑中穩定性較理想的一種,其純酶制劑在pH值3.5~6.5的范圍內穩定性較好,最適pH值為5.0[26]。在經歷固定化操作后,酶的化學動力學參數及其最適催化條件會有所改變,尋找固定化后酶電極的最適pH值對增強其測試性能、延長其穩定期限等有重要意義。
通過向0.1 mol/L PBS中滴加不等量的0.5 mol/L NaOH溶液配制得pH值5.0~8.0的梯度溶液,用于實驗操作。分別測定CHIT/GOx/PB/SPE于不同pH值條件下的電流-時間響應,如圖5所示。pH值小于6.5時,響應電流強度隨pH值的增加而增大,至pH 6.5時達到最大值。當pH值水平高于中性條件后,電流響應強度下降。同時,考慮到在偏堿性pH值條件下,GOx及PB的穩定性均有所下降等因素,確定pH 6.0作為CHIT/GOx/PB/ SPE的最佳工作pH值。

圖5 pH值對CHIT/GOx/PB/SPE電流響應強度的影響Fig.5 Effect of pH on the current response intensity of CHIT/GOx/PB/SPE
2.2葡萄糖在CHIT/GOx/PB/SPE上的安培型響應及其校正曲線的建立
為闡明CHIT/GOx/PB/SPE對葡萄糖的電流響應信號強度與所測定的葡萄糖濃度之間的關系,該實驗通過安培法研究CHIT/GOx/PB/SPE在最佳工作條件下對葡萄糖的電流響應特征,結果見圖6。

圖6 CHIT/GOx/PB/SPE在0.1 mol/L PBS(pH 6.0)中連續加入0.04 mmol/L 葡萄糖的安培響應圖Fig.6 Chronoamperometric responses of CHIT/GOx/PB/SPE in 0.1 mol/L PBS (pH 6.0) with successive addition of 0.04 mmol/L glucose
葡萄糖的加入使電流信號快速增大,經歷約8 s后電流響應達到其穩定響應值的95%。隨著底物葡萄糖濃度的增加,電流強度也隨之有規律地增大。通過對更大濃度范圍葡萄糖的測定分析,計算得校正曲線為:i/μA = 1.016 C/(mmol/L)+0.0911(R=0.999 4)。該酶電極對在8.0 μmol/L~2.2 mmol/L范圍內的葡萄糖具有線性響應,其靈敏度為1.016 μA·L/mmol。根據信噪比等于3的原則,該酶電極的檢測限為0.082 7 μmol/L(RSN=3)。
2.3抗干擾性測試
果汁原漿中的成分比較復雜,除單糖、雙糖外,氨基酸、抗壞血酸、有機酸、酚類等成分的存在,都可能對酶電極的葡萄糖定量測試結果產生干擾[27]。本實驗選擇了果糖、麥芽糖、蔗糖、檸檬酸、蘋果酸、草酸、抗壞血酸、甘氨酸、天冬氨酸、丁香酸10 種物質作為酶電極抗干擾性能評價的模式干擾物質。在最佳工作條件下,記CHIT/GOx/PB/SPE于含1 mmol/L葡萄糖的緩沖體系中的響應值為100%,分別測定向緩沖體系內添加與葡萄糖等濃度的10 種物質,記錄其各自響應信號的變化。測試結果見表1。

表1 干擾組分測試結果Table1 Results obtained in the presence of different interfering components
測定結果顯示,酶電極對多種蘋果汁原漿內所含的干擾組分皆表現出理想的抗干擾性能。其中,抗壞血酸所造成的干擾最明顯,但依然處于不足正常響應信號強度1%的水平,說明此酶電極具備良好的抗干擾性能,適合于在不經歷樣本預處理條件下的果汁原漿實際樣本檢測。
2.4實際樣品測試及回收率實驗
由于果汁原漿單糖含量較高且黏度大,分析前需進行適當稀釋。準確量取5 mL果汁原漿,以0.1 mol/L的PBS(pH 6.0)稀釋定容至50 mL,再以同樣方法繼續稀釋定容一次,得到1/100的梯度稀釋溶液。準確量取50 μL該稀釋液,注入含4.95 mL 0.1 mol/L的PBS(pH 6.0)的反應池內完成安培檢測,檢測時以磁力攪拌器勻速攪拌。共完成5次平行測定,測得稀釋樣品中的葡萄糖含量的平均值為0.181 5 mmol/L。并進行5 次加標回收率實驗,結果記錄于表2。

表2 實際樣品及回收率測試Table2 Spiked recoveries in real sample
實驗測得回收率在96.17%~102.01%,表明酶電極對于果汁原漿實際樣品的檢測性能與被分析組分的標準物質具有相同的響應特征。該酶電極適用于果汁原漿的實際檢測。
2.5電極重復性及穩定性測試

圖7 酶電極重復性測試結果Fig.7 Repeatability of the enzymatic electrode

表3 酶電極穩定性測試結果Table3 Stability of the enzymacti electrode

表4 酶電極重復性測試結果Table4 Reproducibility of the enzymatic electrode
在最優檢測條件下,以安培法對含有1 mmol/L葡萄糖標準試樣的PBS緩沖體系獨立進行30次電化學檢測。每次測定時令酶電極在無底物的PBS中首先進行100 s掃描,以使電極充分極化、穩定。隨后立刻向緩沖體系中注入固定濃度與體積的底物,讀取注入底物5 s后的電流響應值作為底物定量結果。30 次重復測試的結果,平均響應電流強度為1.137 μA,相對標準偏差為1.57%,結果見圖7。酶電極在不使用時,貯存于4 ℃冰箱中。每隔3 d對同一支電極進行一次檢測,30 d后,響應電流強度下降為初始值的91.6%,說明酶電極的穩定性良好(結果見表3)。另外,為測試電極的重復性,以相同方法制作10 支酶電極,分別記錄其對含有1 mmol/L葡萄糖標準試樣的PBS緩沖體系的電流響應值。計算得10 次獨立測定結果的平均響應電流強度為1.087 μA,相對標準偏差為4.43%,表明CHIT/GOx/PB/S PE具有較理想的重復性,結果見表4。
本研究通過實驗確定CHIT/GOx/PB/SPE的最佳制作方法及工作條件為:按照PB與導電油墨的質量比為1∶59調制PB修飾的絲網印刷導電油墨用于酶電極制作;在0.1 mol/L的PBS(pH 6.0)中,以-100 mV(Ag/AgCl)作為檢測電位。通過電化學表征,證明CHIT/GOx/PB/ SPE對葡萄糖具有良好的電流響應特征。該酶電極對8.0 μmol/L~2.2 mmol/L范圍內的葡萄糖的電流響應呈線性關系,檢測限達0.082 7 μmol/L(RSN=3),靈敏度為1.016 μA·L/mmol。同時,該電極對果汁原漿實際樣品表現出理想的響應特征,且幾乎不受分析樣本中復雜成分的干擾,分析測定前無需對樣本進行預處理,適合作為適用于食品工業分析檢測的一次性或重復使用的葡萄糖電化學分析儀器核心部件。
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Development of Enzymatic Electrode for the Detection of Glucose in Not-From-Concentrate (NFC) Fruit Juices
QI Cuihua1, LI Yiwei2,3, ZHANG Xiaowei1
(1. School of Hotel Management, University of Jinan, Jinan 250022, China; 2. Key Biosensor Laboratory of Shandong Province,Biology Institute of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China;3. School of Chemistry and Chemical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China)
A glucose oxidase (GOx) electrode fabricated on the basis of an electron mediator b ulk-modifi ed screen-printed electrode as an electrochemical transducer made from water-insoluble prussian blue (PB), which was easy to prepare, was reported in this study. Electrochemical characterizations revealed that the enzyme electrode exhibited robust current response properties. It possessed a linearity toward glucose within the range of 8.0 μmol/L-2.2 mmol/L. Its limit of detection (LOD)was 0.082 7 μmol/L (RSN= 3), sensitivity was 1.016 μA·L/mmol, response time was 5 s and it showed satisfactory antiinterference capability, stability and reproducibility. The formulation and working conditions of the electrode were also optimized. This electrode is easy to prepare, economic and applicable for the rapid assay of glucose in not-from-concentrate(NFC) fruit juices.
not-from-concentrate (NFC) fruit juices; glucose; screen-printed electrode; industrial application
TS3
A
1002-6630(2015)14-0111-07
10.7506/spkx1002-6630-201514022
2014-09-09
山東省自然科學基金項目(ZR2014BP015);國家自然科學基金面上項目(21375047)
綦翠華(1965—),女,副教授,碩士,研究方向為食品營養與檢測。E-mail:st_qich@ujn.edu.cn