周婵媛化學修飾電極檢測食品中組胺的研究進展

           

化學修飾電極檢測食品中組胺的研究進展

周婵媛,趙曉娟*,楊春婷

摘 要 綜述了近十年來食品中組胺的電化學檢測方法的研究進展,主要對應用于食品中組胺檢測領域的化學修飾電極的幾個重要部分:電極材料、修飾物質、修飾方法和修飾膜表面表征方法進行了介紹,以期為該方法在食品中組胺快速檢測領域的廣泛應用提供參考。

關鍵詞 電化學檢測;食品;組胺;化學修飾電極

生物胺(biogenic amines, BAs)是動植物及多數微生物體内的生物活性細胞不可缺少的組分之一,在調節核酸與蛋白質的合成及生物膜穩定性方面起着重要作用[1]。适量的生物胺對人體正常的生理功能有着重要作用,過量攝入生物胺則會引起頭疼、心悸、血壓變化、呼吸紊亂等不良生理反應,嚴重的還會危及生命[2-4]。組胺(histamine, His)是食物中最常見的生物胺之一[5-6],也是毒性最大的生物胺之一[7]。攝入富含組胺的食物會導緻鲭魚中毒綜合症,這是一種不良的生理反應,可引起神經、胃腸道、循環和呼吸道症狀以及皮疹、荨麻疹等症狀[8-10]。通常可能含有高濃度組胺的食物有魚類以及魚制品、肉類、飲料和發酵食品,如奶酪、葡萄酒等[7,11],其中生物胺的存在可能導緻這些食物變質或在加工制造過程中産生不良風味[12]。鲭魚或其他含有組氨酸的魚中産生的組胺含量可以用來評估魚的腐壞程度,它通常被認為是食品生産、運輸和市場上質量控制的生物标志物之一[13];由于高蛋白的食品在加工、貯藏和運輸過程中會發生組氨酸脫羧反應産生組胺,組胺也被作為評價食品新鮮度和品質的重要指标[14]

食品中組胺的現有檢測方法包括分光光度法[15]、色譜法(高效液相色譜法[16-17]、薄層色譜法[18]、氣相色譜法[19]、離子色譜法[20])、毛細管電泳法[21]、比色法[22]和電化學方法[23]等。相比較而言,電化學檢測方法操作簡便、靈敏度高、成本低廉,所用儀器設備簡單、更易于微型化和實現現場快速檢測,近年來受到了學者的廣泛關注。

化學修飾電極(chemically modified electrodes, CMEs)興起于20世紀70年代中期,經曆了40餘年的發展,目前仍是電化學和電分析化學研究的熱門前沿領域。它是通過化學修飾的方法在電極表面進行分子設計,将具有優良化學性質的分子、離子、聚合物固定在電極表面,賦予電極某種特定的化學和電化學性質,在提高選擇性和靈敏度方面具有獨特優越[24]。本文綜述了近十年來采用電化學方法檢測食品中組胺的研究進展,主要對化學修飾電極中的幾個重要部分:電極材料、修飾物質、修飾方法和修飾膜表面表征方法進行了介紹,并對其發展趨勢予以了展望,以期為該領域的發展提供基礎性信息,使該方法在食品中組胺快速檢測領域得到更為廣泛的應用和推廣。

1 電極材料

化學修飾電極作為三電極體系中的工作電極,其電極材料會直接影響電化學檢測的結果。通常根據測定的物質、體系以及方法的不同來進行選擇。電極材料種類較多,目前測定食品中組胺所使用的電極主要有:玻碳電極[25-31](glassy carbon electrode, GCE)、金電極[32-33,37](gold electrode, GE)、碳糊電極[34-36](carbon paste electrode, CPE)、絲網印刷電極[36](screen printed electrodes, SPE)、懸汞電極[38](hanging mercury drop electrode, HMDE)。其中以玻碳電極、碳糊電極和金電極作為修飾基底的較為普遍。

2 修飾物質

目前修飾電極的材料種類繁多,不同的修飾物質沉積在電極表面,可賦予其更優良或特定的功能,如提高電極檢測靈敏度等。本文探讨的用于組胺測定的電極修飾物質主要有:碳納米材料[25-26,32,34]、金屬及金屬氧化物[30-31,35-36]、金屬納米粒子[28-29]、聚合物[27,37]等。

2.1 碳納米材料

碳納米材料因其尺寸小和比表面積大的結構特點而具有獨特的電子、物理和化學特性,可以選擇性地沉積在電極表面上,作為一種催化劑促進電極表面和電活性物質之間的電子傳遞,提高傳感器的檢測靈敏度,目前被廣泛應用于電分析化學中。

GETO等[25]通過電聚合4-氨基-3-羟基苯磺酸鹽(4-amino-3-hydroxynaphthalene sulfonic acid, AHNSA)和滴塗多壁碳納米管(multi-walled nanotubes, MWCNTs)對玻碳電極進行修飾,并用于測定魚肉中的組胺,檢測線性範圍為0.1~100 μmol/L,檢出限為0.076 2 μmol/L。SAGHATFOROUSH等[26]用聚苯乙烯-氧化石墨烯納米複合材料(polystyrene/graphene oxide nanocomposite, PS/GONC)修飾玻碳電極,并用于魚樣中組胺的測定,檢測線性範圍為0.1~3 μmol/L,檢出限為0.03 μmol/L。邢憲榮[32]結合多壁碳納米管的電子傳遞特性和辣根過氧化物酶信号放大作用,構建了一種新型的靈敏檢測啤酒和葡萄酒樣本中組胺的分子印迹電化學傳感器,檢測線性範圍為0.087~1 μmol/L,檢出限為0.087[34]制備了單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)修飾碳糊電極,測定了啤酒和葡萄酒樣本中的組胺,組胺的檢測線性範圍是4.5~720 μmol/L,檢出限為1.26 μmol/L。

2.2 聚合物

由于聚合物能在電極表面形成微結構,其本身既能提供許多可利用的勢場,又能與電極結合為一體構成檢測器,從而使得聚合物薄膜可以控制電荷傳輸、能量轉移、信息傳遞等。聚合物薄膜修飾的電極,能在電極表面形成高密度的功能團,還能提高所固定功能團的穩定性和反應的選擇性,非常有利于電催化,具有潛在應用價值大和多功能等優點。

DEGEFU等[27]用木質素(lignin)修飾玻碳電極檢測葡萄酒樣本中的組胺,組胺檢測線性範圍為5~200 μmol/L,檢出限為0.28 μmol/L。姜随意等[37]在金電極表面制備分子印迹聚合物(molecular imprinted polymer, MIP)膜,對水樣中的組胺進行檢測,檢測範圍為0.004 5~0.45 μmol/L,檢出限為0.004 5 μmol/L。

2.3 金屬納米粒子

金屬納米粒子具有較高的穩定性和良好的電催化性能,可以顯著增強修飾電極的電子轉移效率,改善和提高傳感器的性能。

姜随意等[28]将納米金(Au nanoparticles, AuNPs)電沉積在玻碳電極表面,結合能特異性識别組胺的 MIP膜,對豆腐乳樣中的組胺進行檢測,檢測線性範圍為0.002 3~0.90 μmol/L,檢出限為0.002 0 μmol/L。CARRALERO等[29]用AuNPs修飾的玻碳電極,采用脈沖安培測定法檢測沙丁魚中的組胺,檢測線性範圍為2~100 μmol/L,檢出限為0.6 μmol/L。

2.4 金屬及金屬氧化物

金屬及金屬氧化物可作為催化介質,通常可以降低分析物的過電位,從而降低幹擾物質對測定結果的影響,尤其是其他生物胺的幹擾,可提高對組胺檢測的選擇性,增加傳感器的靈敏度。

VARC-GAJIC′等[30]用鎳膜(nickel-film)修飾的玻碳電極對組胺進行測定,線性範圍為4.50~990.99 μmol/L,檢出限為0.99 μmol/L。VARC-GAJIC′等[31]用一種汞膜修飾的玻碳電極測定奶酪中的組胺,線性範圍為18.02~810.81 μmol/L,檢出限為11.80 μmol/L。PEKEC等[35]制備了氧化鋅薄膜(ZnO)修飾碳糊電極,并用于檢測魚露和醋中的組胺,檢測範圍為45.05~4 504.50 μmol/L,檢出限為45.05 μmol/L。VESELI[36]等用二氧化铼(ReO2)分别摻雜修飾碳糊電極和絲網印刷電極,對魚醬中的組胺進行電化學測定,其檢測線性範圍為9.01~90.09 μmol/L,檢出限分别為1.80 μmol/L (E=-0.1 V)和2.70 μmol/L (E=-0.15 V)。

3 修飾方法

修飾材料在電極表面的固定化是制備化學修飾電極的重要環節。修飾材料固定化的好壞程度将直接影響到化學修飾電極的靈敏度、穩定性和重現性等。因此,選擇合适的修飾方法可賦予電極更優良的性能。目前電化學傳感器測定食品中組胺的文獻報道中,所用的修飾方法主要有滴塗法、聚合法、電沉積法等。

3.1 滴塗法

滴塗法是指将制備的修飾物質滴加到預處理好的電極表面,使電極于一定條件下晾幹的方法。GETO等[25]将10 μL多壁碳納米管滴塗在電聚合了4-氨基-3-羟基苯磺酸鹽的玻碳電極上,室溫自然晾幹。邢憲榮[32]将20 μL功能化多壁碳納米管滴加到預處理好的金電極上,電極過夜晾幹。這2種修飾電極的電流響應值明顯大于裸電極。

3.2 聚合法

聚合法是指将電極置于含有功能單體的聚合溶液(水溶液或DMF、二氯甲烷、甲醇等有機溶劑)中,或者将聚合溶液滴加在絲網印刷電極等表面,通過電或熱引發單體聚合的方法。GETO等[25]将玻碳電極置于含4-氨基-3-羟基苯磺酸鹽的0.1 mol/L HNO3溶液中,采用循環伏安電聚合法制備了聚4-氨基-3-羟基苯磺酸修飾電極。DEGEFU等[27]将玻碳電極置于含有10 mg/mL木質素的酸性介質中,在0.9 V的恒電位下連續掃描2 min,得到木質素聚合物修飾電極。結果表明通過聚合法修飾的聚合膜電極能使組胺的電流響應明顯增強。

3.3 電沉積法

電沉積法是指金屬、合金或金屬化合物等在電場作用下從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中沉積在電極表面的過程,通常伴随有電子得失。姜随意等[28]将玻碳電極浸入0.5 g/L的氯金酸水溶液中,在-0.2 V 的恒電位下連續掃描 200 s,使AuNPs沉積在玻碳電極表面。VARC-GAJIC′等[30]将玻碳電極置于由25 g/LNiSO4和15 g/L檸檬酸鈉組成的溶液中,在-1.2 V 的恒電位下連續掃描 240 s,使鎳膜沉積于玻碳電極表面。金屬納米顆粒或金屬化合物優越的導電能力和電催化特性與玻碳電極導電性好和化學穩定性高等特點相結合,使該類修飾電極的穩定性和靈敏度大幅提高。

3.4 其他方法

除上述修飾方法以外,也有文獻利用摻雜法修飾的碳糊電極對組胺進行測定[34]将單壁碳納米管、石墨粉和石蠟油混合制成的碳糊裝入聚四氟乙烯管中,得到單壁碳納米管修飾的碳糊電極,對啤酒和葡萄酒樣本中的組胺進行了測定。VESELI等[36]在石墨粉中加入ReO2,和石蠟油混合組裝成碳糊電極。這些摻雜修飾的碳糊電極抗幹擾性能好,響應靈敏。

4 表征方法

4.1 電化學分析方法

修飾電極的電化學性能表征是電化學傳感器研究的一個重要部分。目前常用的電化學分析表征方法主要有伏安分析法、電化學阻抗法、計時電位法等。

4.1.1 伏安分析法

伏安分析法一般采用貴金屬(如Pt、Au等)、玻碳電極以及惰性導電的金屬材料或非金屬材料作為工作電極,在靜止的測試溶液中對工作電極上的實時電流進行測定,并做出電極電位(V)與電極電流(A)的關系曲線,稱之為伏安曲線,簡稱伏安圖。常用的伏安分析法有循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)、差示脈沖伏安法(differential pulse voltammetry, DPV)、方波伏安法(square wave voltammetry, SWV)、線性掃描伏安法(linear sweep voltammetry, LSV)、方波溶出伏安法(square wave stripping voltammetry, SWSV)等。

CARRALERO等[29]制備的AuNPs修飾玻碳電極在0.1 mol/L的NaOH溶液中,于-0.6~+0.9 V電勢範圍内進行CV連續掃描時得到的CV圖形狀相似,峰電流測量值的相對标準偏差 (RSD)為4.3%(n=30),表明AuNPs修飾玻碳電極有良好的穩定性[34]通過CV在0.40~1.60 V内、0.05 V/s的掃描速率下對90.0 μmol/L的組胺進行連續掃描,CV圖顯示單壁碳納米管修飾電極具有更快的響應速率和更好的峰形,說明碳納米管大大增強了組胺和電極表面之間的電子轉移速率,碳納米管的獨特表面特性使碳糊電極的靈敏度提高。JAYAPRAKASAN等[39]采用LSV在含0.45 mmol/L組胺的0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(pH 7.4)中掃描,與裸玻碳電極相比,修飾了二氧化铈/聚丙胺的玻碳電極上出現了明顯的峰值電流,顯示出修飾電極對組胺的電化學響應特性。YILMAZ等[38]基于Cu2+-組胺複合物在懸汞電極上的富集和還原反應,利用SWV間接測定組胺的含量。

4.1.2 電化學阻抗法

電化學阻抗法(electrochemical Impedance spectroscopy, EIS)主要是通過給電化學系統施加一個頻率不同的小振幅的交流電勢波,來測量交流電勢與電流信号的比值(此比值即為系統的阻抗)随正弦波頻率的變化或者是阻抗的相位角随正弦波頻率的變化,進而分析電極過程動力學、雙電層和擴散等,研究電極材料、固體電解質、導電高分子等機理。姜随意等[28]應用EIS法對電極進行表征,EIS曲線前面的半圓直徑表示電子轉移的電極表面電阻,EIS圖表明在玻碳電極表面電化學沉積AuNPs後,電子轉移明顯加快。姜等[37]應用EIS法考察MIP修飾的金電極的精密度,洗脫和再生5次後電阻抗值變化較小,表明金電極上修飾的MIP膜精密度高、穩定性好。

4.1.3 計時電位法

計時電位法(chronopotentiometry, CP)是指在某一恒定電流下,測量電解過程中電極電位與時間之間的關系曲線的方法。VARC-GAJIC′等[30]将鎳膜修飾的玻碳電極置于0.5 mol/LNaOH溶液中,以恒定電流20 μA進行CP掃描得到Ni(OH)2/NiOOH氧化還原電對,該電對能催化組胺的氧化反應。CP圖表明在恒定電流下,電極表面的鎳氧化形成的Ni(OH)2在電位為-0.36 V時發生氧化反應生成NiOOH,吸附的組胺将NiOOH還原為Ni(OH)2,Ni(OH)2/NiOOH發揮了電子傳遞媒介體的作用。

4.2 顯微鏡表征方法

修飾電極的表面形貌對修飾電極的電化學活性有重要影響,因此,考察修飾電極的表面形貌十分有意義。對于修飾薄膜制備及性能研究而言,通過表征能夠獲知其内部結構及化學組成,從而可以根據獲得的基本信息并結合制備方法和工藝來調控修飾薄膜的電化學性能。現有的表征方法主要有:透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy, SEM)、光學顯微鏡(optical microscope, OM)、原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)等。

SAGHATFOROUSH等[26]用SEM觀察了合成的聚苯乙烯/氧化石墨烯納米複合材料的形态,SEM圖顯示其結構特征是一個單一的原子厚度層,而PS/GONC的性質與它們的微觀結構、分散性和形态學密切相關;并用TEM對PS/GONC的形态學特征進行了研究,圖像顯示出在聚苯乙烯上分布了石墨烯納米薄片。姜随意等[28]将修飾後的玻碳電極用SEM進行表征,SEM圖表明電極上緊密排列的AuNPs清晰可見,結構均一。CARRALERO等[29]用SEM對AuNPs修飾電極表面進行觀察,SEM圖顯示有大量的金粒子沉積在電極表面,大小在90~180 nm之間。VARC-GAJIC′等[30]用OM對鎳膜修飾電極與裸電極進行了形态學觀察,結果發現修飾電極上Ni(OH)2/NiOOH層的形成與裸電極有明顯形态差異。

表1不同化學修飾電極測定組胺的方法和結果比較
Table1ComparisononmethodsandresultsofthedifferentCMEsfordetectionofhistamine

5 結語

本文綜述了采用電化學方法檢測食品中組胺近十年的研究進展,并對化學修飾電極中的幾個重要部分:電極材料、修飾物質、修飾方法和修飾膜表面表征方法進行了綜述(表1)。大量文獻數據表明,目前用于食品中組胺電化學檢測的電極以玻碳電極為主,碳糊電極與金電極也較為常用;電極表面修飾物質中,納米材料因其比表面積大、導電性能佳、電催化活性強而被廣泛使用;選擇合适的電極修飾方法可使修飾物質更好的修飾在電極表面,賦予電極更優良的性能;通過表征手段可以獲知修飾材料的電化學性能、内部結構及化學組成,從而根據獲得的基本信息并結合制備方法和工藝來調控材料的性能,可使電極性能更佳、靈敏度更高。現有文獻中涉及檢測的食品樣品有酒類、水樣、腐乳和魚肉等。因此,電化學檢測方法在各類食品中組胺的檢測領域有着巨大的應用前景。

但是,由于食品組分本身的複雜性,在電化學檢測方法中以下方面仍需要進行深入的研究與探讨:(1)其他生物胺和食品組分可能會幹擾組胺的檢測,影響組胺檢測結果的準确性;(2)在線實時檢測技術還不成熟。在今後的研究中,尋求新的電化學性能更好的功能性材料,深入探讨檢測機理,構建電化學檢測新體系,提高體系的檢測效率、靈敏度和特異性,能實現在線實時監測是組胺電化學檢測領域主要的發展方向。

Research progress in chemically modified electrodes fordetermination of histamine in foods

ZHOU Chan-yuan, ZHAO Xiao-juan*, YANG Chun-ting

ABSTRACT Research progress on the electrochemical detection methods of histamine in foods in the last ten years was summarized. Chemical modified electrodes in determination of histamine, such as electrode materials, modifying materials, modifying methods and the characterization methods of modified membrane were reviewed. The study provides a reference for further application of this method in rapid detection of histamine in foods.

Key words electrochemical detection; food; histamine; chemically modified electrode

引用格式周婵媛,趙曉娟,楊春婷.化學修飾電極檢測食品中組胺的研究進展[J].食品與發酵工業,2018,44(6):281-286.

ZHOU Chan-yuan, ZHAO Xiao-juan,YANG Chun-ting.Research progress in chemically modified electrodes for determination of histamine in foods [J].Food and Fermentation Industries,2018,44(6):281-286.

收稿日期:2017-08-23,改回日期:2017-10-26