周婵媛化学修饰电极检测食品中组胺的研究进展

           

化学修饰电极检测食品中组胺的研究进展

周婵媛,赵晓娟*,杨春婷

摘 要 综述了近十年来食品中组胺的电化学检测方法的研究进展,主要对应用于食品中组胺检测领域的化学修饰电极的几个重要部分:电极材料、修饰物质、修饰方法和修饰膜表面表征方法进行了介绍,以期为该方法在食品中组胺快速检测领域的广泛应用提供参考。

关键词 电化学检测;食品;组胺;化学修饰电极

生物胺(biogenic amines, BAs)是动植物及多数微生物体内的生物活性细胞不可缺少的组分之一,在调节核酸与蛋白质的合成及生物膜稳定性方面起着重要作用[1]。适量的生物胺对人体正常的生理功能有着重要作用,过量摄入生物胺则会引起头疼、心悸、血压变化、呼吸紊乱等不良生理反应,严重的还会危及生命[2-4]。组胺(histamine, His)是食物中最常见的生物胺之一[5-6],也是毒性最大的生物胺之一[7]。摄入富含组胺的食物会导致鲭鱼中毒综合症,这是一种不良的生理反应,可引起神经、胃肠道、循环和呼吸道症状以及皮疹、荨麻疹等症状[8-10]。通常可能含有高浓度组胺的食物有鱼类以及鱼制品、肉类、饮料和发酵食品,如奶酪、葡萄酒等[7,11],其中生物胺的存在可能导致这些食物变质或在加工制造过程中产生不良风味[12]。鲭鱼或其他含有组氨酸的鱼中产生的组胺含量可以用来评估鱼的腐坏程度,它通常被认为是食品生产、运输和市场上质量控制的生物标志物之一[13];由于高蛋白的食品在加工、贮藏和运输过程中会发生组氨酸脱羧反应产生组胺,组胺也被作为评价食品新鲜度和品质的重要指标[14]

食品中组胺的现有检测方法包括分光光度法[15]、色谱法(高效液相色谱法[16-17]、薄层色谱法[18]、气相色谱法[19]、离子色谱法[20])、毛细管电泳法[21]、比色法[22]和电化学方法[23]等。相比较而言,电化学检测方法操作简便、灵敏度高、成本低廉,所用仪器设备简单、更易于微型化和实现现场快速检测,近年来受到了学者的广泛关注。

化学修饰电极(chemically modified electrodes, CMEs)兴起于20世纪70年代中期,经历了40余年的发展,目前仍是电化学和电分析化学研究的热门前沿领域。它是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计,将具有优良化学性质的分子、离子、聚合物固定在电极表面,赋予电极某种特定的化学和电化学性质,在提高选择性和灵敏度方面具有独特优越[24]。本文综述了近十年来采用电化学方法检测食品中组胺的研究进展,主要对化学修饰电极中的几个重要部分:电极材料、修饰物质、修饰方法和修饰膜表面表征方法进行了介绍,并对其发展趋势予以了展望,以期为该领域的发展提供基础性信息,使该方法在食品中组胺快速检测领域得到更为广泛的应用和推广。

1 电极材料

化学修饰电极作为三电极体系中的工作电极,其电极材料会直接影响电化学检测的结果。通常根据测定的物质、体系以及方法的不同来进行选择。电极材料种类较多,目前测定食品中组胺所使用的电极主要有:玻碳电极[25-31](glassy carbon electrode, GCE)、金电极[32-33,37](gold electrode, GE)、碳糊电极[34-36](carbon paste electrode, CPE)、丝网印刷电极[36](screen printed electrodes, SPE)、悬汞电极[38](hanging mercury drop electrode, HMDE)。其中以玻碳电极、碳糊电极和金电极作为修饰基底的较为普遍。

2 修饰物质

目前修饰电极的材料种类繁多,不同的修饰物质沉积在电极表面,可赋予其更优良或特定的功能,如提高电极检测灵敏度等。本文探讨的用于组胺测定的电极修饰物质主要有:碳纳米材料[25-26,32,34]、金属及金属氧化物[30-31,35-36]、金属纳米粒子[28-29]、聚合物[27,37]等。

2.1 碳纳米材料

碳纳米材料因其尺寸小和比表面积大的结构特点而具有独特的电子、物理和化学特性,可以选择性地沉积在电极表面上,作为一种催化剂促进电极表面和电活性物质之间的电子传递,提高传感器的检测灵敏度,目前被广泛应用于电分析化学中。

GETO等[25]通过电聚合4-氨基-3-羟基苯磺酸盐(4-amino-3-hydroxynaphthalene sulfonic acid, AHNSA)和滴涂多壁碳纳米管(multi-walled nanotubes, MWCNTs)对玻碳电极进行修饰,并用于测定鱼肉中的组胺,检测线性范围为0.1~100 μmol/L,检出限为0.076 2 μmol/L。SAGHATFOROUSH等[26]用聚苯乙烯-氧化石墨烯纳米复合材料(polystyrene/graphene oxide nanocomposite, PS/GONC)修饰玻碳电极,并用于鱼样中组胺的测定,检测线性范围为0.1~3 μmol/L,检出限为0.03 μmol/L。邢宪荣[32]结合多壁碳纳米管的电子传递特性和辣根过氧化物酶信号放大作用,构建了一种新型的灵敏检测啤酒和葡萄酒样本中组胺的分子印迹电化学传感器,检测线性范围为0.087~1 μmol/L,检出限为0.087[34]制备了单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes, SWCNTs)修饰碳糊电极,测定了啤酒和葡萄酒样本中的组胺,组胺的检测线性范围是4.5~720 μmol/L,检出限为1.26 μmol/L。

2.2 聚合物

由于聚合物能在电极表面形成微结构,其本身既能提供许多可利用的势场,又能与电极结合为一体构成检测器,从而使得聚合物薄膜可以控制电荷传输、能量转移、信息传递等。聚合物薄膜修饰的电极,能在电极表面形成高密度的功能团,还能提高所固定功能团的稳定性和反应的选择性,非常有利于电催化,具有潜在应用价值大和多功能等优点。

DEGEFU等[27]用木质素(lignin)修饰玻碳电极检测葡萄酒样本中的组胺,组胺检测线性范围为5~200 μmol/L,检出限为0.28 μmol/L。姜随意等[37]在金电极表面制备分子印迹聚合物(molecular imprinted polymer, MIP)膜,对水样中的组胺进行检测,检测范围为0.004 5~0.45 μmol/L,检出限为0.004 5 μmol/L。

2.3 金属纳米粒子

金属纳米粒子具有较高的稳定性和良好的电催化性能,可以显著增强修饰电极的电子转移效率,改善和提高传感器的性能。

姜随意等[28]将纳米金(Au nanoparticles, AuNPs)电沉积在玻碳电极表面,结合能特异性识别组胺的 MIP膜,对豆腐乳样中的组胺进行检测,检测线性范围为0.002 3~0.90 μmol/L,检出限为0.002 0 μmol/L。CARRALERO等[29]用AuNPs修饰的玻碳电极,采用脉冲安培测定法检测沙丁鱼中的组胺,检测线性范围为2~100 μmol/L,检出限为0.6 μmol/L。

2.4 金属及金属氧化物

金属及金属氧化物可作为催化介质,通常可以降低分析物的过电位,从而降低干扰物质对测定结果的影响,尤其是其他生物胺的干扰,可提高对组胺检测的选择性,增加传感器的灵敏度。

VARC-GAJIC′等[30]用镍膜(nickel-film)修饰的玻碳电极对组胺进行测定,线性范围为4.50~990.99 μmol/L,检出限为0.99 μmol/L。VARC-GAJIC′等[31]用一种汞膜修饰的玻碳电极测定奶酪中的组胺,线性范围为18.02~810.81 μmol/L,检出限为11.80 μmol/L。PEKEC等[35]制备了氧化锌薄膜(ZnO)修饰碳糊电极,并用于检测鱼露和醋中的组胺,检测范围为45.05~4 504.50 μmol/L,检出限为45.05 μmol/L。VESELI[36]等用二氧化铼(ReO2)分别掺杂修饰碳糊电极和丝网印刷电极,对鱼酱中的组胺进行电化学测定,其检测线性范围为9.01~90.09 μmol/L,检出限分别为1.80 μmol/L (E=-0.1 V)和2.70 μmol/L (E=-0.15 V)。

3 修饰方法

修饰材料在电极表面的固定化是制备化学修饰电极的重要环节。修饰材料固定化的好坏程度将直接影响到化学修饰电极的灵敏度、稳定性和重现性等。因此,选择合适的修饰方法可赋予电极更优良的性能。目前电化学传感器测定食品中组胺的文献报道中,所用的修饰方法主要有滴涂法、聚合法、电沉积法等。

3.1 滴涂法

滴涂法是指将制备的修饰物质滴加到预处理好的电极表面,使电极于一定条件下晾干的方法。GETO等[25]将10 μL多壁碳纳米管滴涂在电聚合了4-氨基-3-羟基苯磺酸盐的玻碳电极上,室温自然晾干。邢宪荣[32]将20 μL功能化多壁碳纳米管滴加到预处理好的金电极上,电极过夜晾干。这2种修饰电极的电流响应值明显大于裸电极。

3.2 聚合法

聚合法是指将电极置于含有功能单体的聚合溶液(水溶液或DMF、二氯甲烷、甲醇等有机溶剂)中,或者将聚合溶液滴加在丝网印刷电极等表面,通过电或热引发单体聚合的方法。GETO等[25]将玻碳电极置于含4-氨基-3-羟基苯磺酸盐的0.1 mol/L HNO3溶液中,采用循环伏安电聚合法制备了聚4-氨基-3-羟基苯磺酸修饰电极。DEGEFU等[27]将玻碳电极置于含有10 mg/mL木质素的酸性介质中,在0.9 V的恒电位下连续扫描2 min,得到木质素聚合物修饰电极。结果表明通过聚合法修饰的聚合膜电极能使组胺的电流响应明显增强。

3.3 电沉积法

电沉积法是指金属、合金或金属化合物等在电场作用下从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中沉积在电极表面的过程,通常伴随有电子得失。姜随意等[28]将玻碳电极浸入0.5 g/L的氯金酸水溶液中,在-0.2 V 的恒电位下连续扫描 200 s,使AuNPs沉积在玻碳电极表面。VARC-GAJIC′等[30]将玻碳电极置于由25 g/LNiSO4和15 g/L柠檬酸钠组成的溶液中,在-1.2 V 的恒电位下连续扫描 240 s,使镍膜沉积于玻碳电极表面。金属纳米颗粒或金属化合物优越的导电能力和电催化特性与玻碳电极导电性好和化学稳定性高等特点相结合,使该类修饰电极的稳定性和灵敏度大幅提高。

3.4 其他方法

除上述修饰方法以外,也有文献利用掺杂法修饰的碳糊电极对组胺进行测定[34]将单壁碳纳米管、石墨粉和石蜡油混合制成的碳糊装入聚四氟乙烯管中,得到单壁碳纳米管修饰的碳糊电极,对啤酒和葡萄酒样本中的组胺进行了测定。VESELI等[36]在石墨粉中加入ReO2,和石蜡油混合组装成碳糊电极。这些掺杂修饰的碳糊电极抗干扰性能好,响应灵敏。

4 表征方法

4.1 电化学分析方法

修饰电极的电化学性能表征是电化学传感器研究的一个重要部分。目前常用的电化学分析表征方法主要有伏安分析法、电化学阻抗法、计时电位法等。

4.1.1 伏安分析法

伏安分析法一般采用贵金属(如Pt、Au等)、玻碳电极以及惰性导电的金属材料或非金属材料作为工作电极,在静止的测试溶液中对工作电极上的实时电流进行测定,并做出电极电位(V)与电极电流(A)的关系曲线,称之为伏安曲线,简称伏安图。常用的伏安分析法有循环伏安法(cyclic voltammetry, CV)、差示脉冲伏安法(differential pulse voltammetry, DPV)、方波伏安法(square wave voltammetry, SWV)、线性扫描伏安法(linear sweep voltammetry, LSV)、方波溶出伏安法(square wave stripping voltammetry, SWSV)等。

CARRALERO等[29]制备的AuNPs修饰玻碳电极在0.1 mol/L的NaOH溶液中,于-0.6~+0.9 V电势范围内进行CV连续扫描时得到的CV图形状相似,峰电流测量值的相对标准偏差 (RSD)为4.3%(n=30),表明AuNPs修饰玻碳电极有良好的稳定性[34]通过CV在0.40~1.60 V内、0.05 V/s的扫描速率下对90.0 μmol/L的组胺进行连续扫描,CV图显示单壁碳纳米管修饰电极具有更快的响应速率和更好的峰形,说明碳纳米管大大增强了组胺和电极表面之间的电子转移速率,碳纳米管的独特表面特性使碳糊电极的灵敏度提高。JAYAPRAKASAN等[39]采用LSV在含0.45 mmol/L组胺的0.1 mol/L磷酸缓冲溶液(pH 7.4)中扫描,与裸玻碳电极相比,修饰了二氧化铈/聚丙胺的玻碳电极上出现了明显的峰值电流,显示出修饰电极对组胺的电化学响应特性。YILMAZ等[38]基于Cu2+-组胺复合物在悬汞电极上的富集和还原反应,利用SWV间接测定组胺的含量。

4.1.2 电化学阻抗法

电化学阻抗法(electrochemical Impedance spectroscopy, EIS)主要是通过给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波,来测量交流电势与电流信号的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率的变化或者是阻抗的相位角随正弦波频率的变化,进而分析电极过程动力学、双电层和扩散等,研究电极材料、固体电解质、导电高分子等机理。姜随意等[28]应用EIS法对电极进行表征,EIS曲线前面的半圆直径表示电子转移的电极表面电阻,EIS图表明在玻碳电极表面电化学沉积AuNPs后,电子转移明显加快。姜等[37]应用EIS法考察MIP修饰的金电极的精密度,洗脱和再生5次后电阻抗值变化较小,表明金电极上修饰的MIP膜精密度高、稳定性好。

4.1.3 计时电位法

计时电位法(chronopotentiometry, CP)是指在某一恒定电流下,测量电解过程中电极电位与时间之间的关系曲线的方法。VARC-GAJIC′等[30]将镍膜修饰的玻碳电极置于0.5 mol/LNaOH溶液中,以恒定电流20 μA进行CP扫描得到Ni(OH)2/NiOOH氧化还原电对,该电对能催化组胺的氧化反应。CP图表明在恒定电流下,电极表面的镍氧化形成的Ni(OH)2在电位为-0.36 V时发生氧化反应生成NiOOH,吸附的组胺将NiOOH还原为Ni(OH)2,Ni(OH)2/NiOOH发挥了电子传递媒介体的作用。

4.2 显微镜表征方法

修饰电极的表面形貌对修饰电极的电化学活性有重要影响,因此,考察修饰电极的表面形貌十分有意义。对于修饰薄膜制备及性能研究而言,通过表征能够获知其内部结构及化学组成,从而可以根据获得的基本信息并结合制备方法和工艺来调控修饰薄膜的电化学性能。现有的表征方法主要有:透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)、光学显微镜(optical microscope, OM)、原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)等。

SAGHATFOROUSH等[26]用SEM观察了合成的聚苯乙烯/氧化石墨烯纳米复合材料的形态,SEM图显示其结构特征是一个单一的原子厚度层,而PS/GONC的性质与它们的微观结构、分散性和形态学密切相关;并用TEM对PS/GONC的形态学特征进行了研究,图像显示出在聚苯乙烯上分布了石墨烯纳米薄片。姜随意等[28]将修饰后的玻碳电极用SEM进行表征,SEM图表明电极上紧密排列的AuNPs清晰可见,结构均一。CARRALERO等[29]用SEM对AuNPs修饰电极表面进行观察,SEM图显示有大量的金粒子沉积在电极表面,大小在90~180 nm之间。VARC-GAJIC′等[30]用OM对镍膜修饰电极与裸电极进行了形态学观察,结果发现修饰电极上Ni(OH)2/NiOOH层的形成与裸电极有明显形态差异。

表1不同化学修饰电极测定组胺的方法和结果比较
Table1ComparisononmethodsandresultsofthedifferentCMEsfordetectionofhistamine

5 结语

本文综述了采用电化学方法检测食品中组胺近十年的研究进展,并对化学修饰电极中的几个重要部分:电极材料、修饰物质、修饰方法和修饰膜表面表征方法进行了综述(表1)。大量文献数据表明,目前用于食品中组胺电化学检测的电极以玻碳电极为主,碳糊电极与金电极也较为常用;电极表面修饰物质中,纳米材料因其比表面积大、导电性能佳、电催化活性强而被广泛使用;选择合适的电极修饰方法可使修饰物质更好的修饰在电极表面,赋予电极更优良的性能;通过表征手段可以获知修饰材料的电化学性能、内部结构及化学组成,从而根据获得的基本信息并结合制备方法和工艺来调控材料的性能,可使电极性能更佳、灵敏度更高。现有文献中涉及检测的食品样品有酒类、水样、腐乳和鱼肉等。因此,电化学检测方法在各类食品中组胺的检测领域有着巨大的应用前景。

但是,由于食品组分本身的复杂性,在电化学检测方法中以下方面仍需要进行深入的研究与探讨:(1)其他生物胺和食品组分可能会干扰组胺的检测,影响组胺检测结果的准确性;(2)在线实时检测技术还不成熟。在今后的研究中,寻求新的电化学性能更好的功能性材料,深入探讨检测机理,构建电化学检测新体系,提高体系的检测效率、灵敏度和特异性,能实现在线实时监测是组胺电化学检测领域主要的发展方向。

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,赵晓娟,杨春婷.化学修饰电极检测食品中组胺的研究进展[J].食品与发酵工业,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