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抗氧化剂被认为是预防疾病和延缓衰老的重要物质。天然抗氧化剂广泛存在于食源性植物中，根据营养价值(维生素/非维生素)和极性(水溶性/脂溶性)可以分为四类(水溶性维生素、水溶性非维生素、脂溶性维生素和脂溶性非维生素)。各类抗氧化剂之间的相互作用特别是它们之间的协同抗氧化效果得到了广泛关注。大量研究报道了抗氧化剂在均相溶液、异相体系(脂质体或乳状液)、细胞和体内的抗氧化效果与机理。
本论文利用纳秒时间分辨吸收光谱和皮秒时间分辨荧光光谱，结合稳态吸收和荧光光谱、电化学以及量化计算等手段，对类胡萝卜素和类黄酮两类天然抗氧化剂的自由基结构和反应动力学进行了研究，并探讨了二者在均相和异相体系中的相互作用机理。主要结果归纳如下：
(一)溶剂极性对β胡萝卜素自由基前体的影响。
β胡萝卜素在氯仿中受到光激发可通过以下两类反应生成阳离子自由基。(1)在飞秒尺度上直接将电子注入到溶剂氯仿中；(2)前述过程中生成的氯仿自由基在微秒尺度上与基态β胡萝卜素分子发生二级反应。我们发现β胡萝卜素阳离子自由基的前体在混合溶剂中以二级反应动力学衰减，衰减速率随着溶剂介电常数的增加(正己烷＜乙酸＜乙醇＜乙腈＜甲醇)而下降。该前体被归属为离子对[β-Car·+…CHCl2-]，它在纯氯仿中可生成阳离子自由基，在极性混合溶剂中则可通过双分子均裂反应衰减，并且离子的引入可以加速该过程。自由基前体可以通过溶剂极性的提高来稳定。这些结果有助于理解β胡萝卜素在脂水界面的抗氧化和促氧化平衡。
(二)葛根素的自由基动力学。
葛根素在乙腈中通过直接光激发可生成寿命为4.2μs的激发态和长寿命的自由基。该激发态既可以被氧气淬灭也能够敏化生成三重态的玉米黄质素(一种类胡萝卜素)，因此归属为葛根素的三重电子激发态。葛根素自由基不与氧发生反应，其未成对电子(自旋密度)在整个分子骨架上离域。在含有5％甲醇的乙腈溶液中，(1)葛根素一价阴离子在光激发下(355 nm)可生成[AC]·随后以3.6×105s-1的速率通过由B环羟基电离诱导的分子内电子转移转化为[ACB]·。4位取代的葛根素阴离子光激发后生成[AC]·且不随时间进一步转化。A环7位丙基取代衍生物阴离子在光激发后生成自旋密度离域在CB环的[CB]·和少量由于A环C-O键裂解而生成的[ACB]·。(2)葛根素二价阴离子在光激发下(355 nm)最初生成[ACB]·，随后又以1.6×104 s-1的速率转化为[CB]·，该过程可能是7位阴离子的甲基化反应。上述葛根素的自由基动力学行为为进一步研究葛根素和类胡萝卜素的协同抗氧化作用打下了基础。
(三)葛根素的荧光特性。
葛根素是带有两个羟基基团的异黄酮糖苷，它在pH=8.5下一价阴离子浓度最大(91％)且荧光最强，荧光量子产率和寿命分别为φfl=0.040±0.001和τfl=1.91±0.01 ns。当pH降低时(pH8.5→2.0)，荧光强度减弱，但在较低pH下荧光并不为零，且荧光光谱形状保持不变，表明中性葛根素(不发光)到达激发态后，由于7位羟基酸性增强而发生电离成为一价阴离子(发光)。当pH升高时(pH8.5→13.0)，荧光强度减弱的趋势符合葛根素一价阴离子含量的变化趋势，而且荧光寿命不随pH的改变而变化，表明葛根素二价阴离子与中性葛根素一样无荧光发射。另外，B环取代的葛根素衍生物与葛根素荧光特性相似，而A环取代衍生物却没有荧光发射，表明A环7位羟基在荧光发射性质中的重要角色。我们还通过量化计算从分子结构的角度研究了葛根素及其阴离子的荧光性质。葛根素具有独特的荧光特性，因而在研究葛根素在脂/水异相体系中的抗氧化作用时，可将它本身作为一种荧光探针。
(四)类黄酮化合物抗氧化性质研究。
我们选取了结构相关联的几种天然类黄酮化合物，属于黄酮类的芹菜素、属于黄烷酮的柚皮素，以及属于异黄酮的染料木素、大豆素和葛根素等；测定了它们的基本物理化学性质，如消光系数、油水分配系数和氧化还原电位等，并且用吸收光谱手段测定了它们的酸碱平衡常数；进一步对比研究了它们对ABTS·+的清除能力，得到了表示自由基清除能力的TEAC值。结果表明，B环在C环上的取代位置以及C环结构对该类化合物的氧化还原电位和清除能力具有非常大的影响：B环取代在C环3位的染料木素分子具有较低的氧化还原电位和相对较强的自由基清除能力；柚皮素(黄烷酮)缺少了C2、C3之间的双键，却表现出比芹菜素(黄酮)的清除能力强。
(五)葛根素与β胡萝卜素的抗氧化协同作用及自由基反应机理。
利用停-流实验对比研究了葛根素及其7位和4位丙基取代物的抗氧化活性，发现葛根素的4位羟基比7位羟基具有更好的自由基(ABTS·+)清除能力；葛根素及其衍生物的自由基清除能力与各羟基的氧化还原电位(相对于二茂铁电对)一致：葛根素(862 mV)＞7-丙基葛根素(905 mV)＞4-丙基葛根素(1064 mV)。葛根素在水溶液中的氧化还原电位随pH的升高而降低，虽然7位羟基酸性(pKa1=7.20)比4位羟基酸性(pKa2=9.84)强，但后者的自由基清除能力比7位羟基高得多。在pH为7.4的卵磷脂囊泡中，当在水相中用AAPH引发脂质体氧化时，葛根素与β胡萝卜素均具有一定的抗氧化活性；当在脂相中用AMVN引发脂质体氧化时，观测到两种抗氧化剂之间的显著抗氧化协同作用。利用纳秒时间分辨吸收光谱对葛根素和β胡萝卜素的自由基反应动力学进行研究，发现葛根素阴离子以2.7×104 L mol-1 s-1的速率常数通过双分子反应还原β胡萝卜素阳离子自由基。因此，协同作用的机制是葛根素阴离子在脂/水界面通过电子转移反应再生β胡萝卜素。
总的来说，本论文在均相体系中研究了β胡萝卜素和葛根素自由基和激发态的性质，并在此基础上开展了异相体系中二者之间的抗氧化协同作用，从分子机制上讨论了协同作用的机理。另外，研究了几种结构相关的类黄酮化合物的基本物理化学性质和抗氧化活性，并讨论了类黄酮化合物的结构活性关系。