化學(xué)修飾電極檢測食品中組胺的研究進(jìn)展

周嬋媛，趙曉娟，楊春婷

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東 廣州,510225)

生物胺(biogenic amines, BAs)是動植物及多數(shù)微生物體內(nèi)的生物活性細(xì)胞不可缺少的組分之一，在調(diào)節(jié)核酸與蛋白質(zhì)的合成及生物膜穩(wěn)定性方面起著重要作用[1]。適量的生物胺對人體正常的生理功能有著重要作用，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(yīng)，嚴(yán)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(dǎo)致鯖魚中毒綜合癥，這是一種不良的生理反應(yīng)，可引起神經(jīng)、胃腸道、循環(huán)和呼吸道癥狀以及皮疹、蕁麻疹等癥狀[8-10]。通?？赡芎懈邼舛冉M胺的食物有魚類以及魚制品、肉類、飲料和發(fā)酵食品，如奶酪、葡萄酒等[7,11]，其中生物胺的存在可能導(dǎo)致這些食物變質(zhì)或在加工制造過程中產(chǎn)生不良風(fēng)味[12]。鯖魚或其他含有組氨酸的魚中產(chǎn)生的組胺含量可以用來評估魚的腐壞程度，它通常被認(rèn)為是食品生產(chǎn)、運(yùn)輸和市場上質(zhì)量控制的生物標(biāo)志物之一[13]；由于高蛋白的食品在加工、貯藏和運(yùn)輸過程中會發(fā)生組氨酸脫羧反應(yīng)產(chǎn)生組胺，組胺也被作為評價食品新鮮度和品質(zhì)的重要指標(biāo)[14]。

食品中組胺的現(xiàn)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(xì)管電泳法[21]、比色法[22]和電化學(xué)方法[23]等。相比較而言，電化學(xué)檢測方法操作簡便、靈敏度高、成本低廉，所用儀器設(shè)備簡單、更易于微型化和實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，近年來受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

化學(xué)修飾電極(chemically modified electrodes, CMEs)興起于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)歷了40余年的發(fā)展，目前仍是電化學(xué)和電分析化學(xué)研究的熱門前沿領(lǐng)域。它是通過化學(xué)修飾的方法在電極表面進(jìn)行分子設(shè)計，將具有優(yōu)良化學(xué)性質(zhì)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(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，在提高選擇性和靈敏度方面具有獨特優(yōu)越[24]。本文綜述了近十年來采用電化學(xué)方法檢測食品中組胺的研究進(jìn)展，主要對化學(xué)修飾電極中的幾個重要部分：電極材料、修飾物質(zhì)、修飾方法和修飾膜表面表征方法進(jìn)行了介紹，并對其發(fā)展趨勢予以了展望，以期為該領(lǐng)域的發(fā)展提供基礎(chǔ)性信息，使該方法在食品中組胺快速檢測領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用和推廣。

1 電極材料

化學(xué)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(xué)檢測的結(jié)果。通常根據(jù)測定的物質(zhì)、體系以及方法的不同來進(jìn)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(wǎng)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(zhì)

目前修飾電極的材料種類繁多，不同的修飾物質(zhì)沉積在電極表面，可賦予其更優(yōu)良或特定的功能，如提高電極檢測靈敏度等。本文探討的用于組胺測定的電極修飾物質(zhì)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(jié)構(gòu)特點而具有獨特的電子、物理和化學(xué)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(jìn)電極表面和電活性物質(zhì)之間的電子傳遞，提高傳感器的檢測靈敏度，目前被廣泛應(yīng)用于電分析化學(xué)中。

2.2 聚合物

由于聚合物能在電極表面形成微結(jié)構(gòu)，其本身既能提供許多可利用的勢場，又能與電極結(jié)合為一體構(gòu)成檢測器，從而使得聚合物薄膜可以控制電荷傳輸、能量轉(zhuǎn)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(tuán)，還能提高所固定功能團(tuán)的穩(wěn)定性和反應(yīng)的選擇性，非常有利于電催化，具有潛在應(yīng)用價值大和多功能等優(yōu)點。

DEGEFU等[27]用木質(zhì)素(lignin)修飾玻碳電極檢測葡萄酒樣本中的組胺，組胺檢測線性范圍為5～200 μmol/L，檢出限為0.28 μmol/L。姜隨意等[37]在金電極表面制備分子印跡聚合物(molecular imprinted polymer, MIP)膜，對水樣中的組胺進(jìn)行檢測，檢測范圍為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(wěn)定性和良好的電催化性能，可以顯著增強(qiáng)修飾電極的電子轉(zhuǎn)移效率，改善和提高傳感器的性能。

姜隨意等[28]將納米金(Au nanoparticles, AuNPs)電沉積在玻碳電極表面，結(jié)合能特異性識別組胺的 MIP膜，對豆腐乳樣中的組胺進(jìn)行檢測，檢測線性范圍為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，檢測線性范圍為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(zhì)，通?？梢越档头治鑫锏倪^電位，從而降低干擾物質(zhì)對測定結(jié)果的影響，尤其是其他生物胺的干擾，可提高對組胺檢測的選擇性，增加傳感器的靈敏度。

3 修飾方法

修飾材料在電極表面的固定化是制備化學(xué)修飾電極的重要環(huán)節(jié)。修飾材料固定化的好壞程度將直接影響到化學(xué)修飾電極的靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性等。因此，選擇合適的修飾方法可賦予電極更優(yōu)良的性能。目前電化學(xué)傳感器測定食品中組胺的文獻(xiàn)報道中，所用的修飾方法主要有滴涂法、聚合法、電沉積法等。

3.1 滴涂法

滴涂法是指將制備的修飾物質(zhì)滴加到預(yù)處理好的電極表面，使電極于一定條件下晾干的方法。GETO等[25]將10 μL多壁碳納米管滴涂在電聚合了4-氨基-3-羥基苯磺酸鹽的玻碳電極上，室溫自然晾干。邢憲榮[32]將20 μL功能化多壁碳納米管滴加到預(yù)處理好的金電極上，電極過夜晾干。這2種修飾電極的電流響應(yīng)值明顯大于裸電極。

3.2 聚合法

聚合法是指將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(jī)溶劑)中，或者將聚合溶液滴加在絲網(wǎng)印刷電極等表面，通過電或熱引發(fā)單體聚合的方法。GETO等[25]將玻碳電極置于含4-氨基-3-羥基苯磺酸鹽的0.1 mol/L HNO3溶液中，采用循環(huán)伏安電聚合法制備了聚4-氨基-3-羥基苯磺酸修飾電極。DEGEFU等[27]將玻碳電極置于含有10 mg/mL木質(zhì)素的酸性介質(zhì)中，在0.9 V的恒電位下連續(xù)掃描2 min，得到木質(zhì)素聚合物修飾電極。結(jié)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(yīng)明顯增強(qiáng)。

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，通常伴隨有電子得失。姜隨意等[28]將玻碳電極浸入0.5 g/L的氯金酸水溶液中，在-0.2 V 的恒電位下連續(xù)掃描 200 s，使AuNPs沉積在玻碳電極表面。VARC-GAJIC′等[30]將玻碳電極置于由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(xù)掃描 240 s，使鎳膜沉積于玻碳電極表面。金屬納米顆?；蚪饘倩衔飪?yōu)越的導(dǎo)電能力和電催化特性與玻碳電極導(dǎo)電性好和化學(xué)穩(wěn)定性高等特點相結(jié)合，使該類修飾電極的穩(wěn)定性和靈敏度大幅提高。

3.4 其他方法

4 表征方法

4.1 電化學(xué)分析方法

修飾電極的電化學(xué)性能表征是電化學(xué)傳感器研究的一個重要部分。目前常用的電化學(xué)分析表征方法主要有伏安分析法、電化學(xué)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(dǎo)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(jìn)行測定，并做出電極電位(V)與電極電流(A)的關(guān)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(huán)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。

4.1.2 電化學(xué)阻抗法

電化學(xué)阻抗法(electrochemical Impedance spectroscopy, EIS)主要是通過給電化學(xué)系統(tǒng)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號的比值(此比值即為系統(tǒng)的阻抗)隨正弦波頻率的變化或者是阻抗的相位角隨正弦波頻率的變化，進(jìn)而分析電極過程動力學(xué)、雙電層和擴(kuò)散等，研究電極材料、固體電解質(zhì)、導(dǎo)電高分子等機(jī)理。姜隨意等[28]應(yīng)用EIS法對電極進(jìn)行表征，EIS曲線前面的半圓直徑表示電子轉(zhuǎn)移的電極表面電阻，EIS圖表明在玻碳電極表面電化學(xué)沉積AuNPs后，電子轉(zhuǎn)移明顯加快。姜等[37]應(yīng)用EIS法考察MIP修飾的金電極的精密度，洗脫和再生5次后電阻抗值變化較小，表明金電極上修飾的MIP膜精密度高、穩(wěn)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(guān)系曲線的方法。VARC-GAJIC′等[30]將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(jìn)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(yīng)。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(fā)生氧化反應(yīng)生成NiOOH，吸附的組胺將NiOOH還原為Ni(OH)2，Ni(OH)2/NiOOH發(fā)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(xué)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內(nèi)部結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，從而可以根據(jù)獲得的基本信息并結(jié)合制備方法和工藝來調(diào)控修飾薄膜的電化學(xué)性能?，F(xiàn)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(xué)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/氧化石墨烯納米復(fù)合材料的形態(tài)，SEM圖顯示其結(jié)構(gòu)特征是一個單一的原子厚度層，而PS/GONC的性質(zhì)與它們的微觀結(jié)構(gòu)、分散性和形態(tài)學(xué)密切相關(guān)；并用TEM對PS/GONC的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)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。姜隨意等[28]將修飾后的玻碳電極用SEM進(jìn)行表征，SEM圖表明電極上緊密排列的AuNPs清晰可見，結(jié)構(gòu)均一。CARRALERO等[29]用SEM對AuNPs修飾電極表面進(jìn)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(jìn)行了形態(tài)學(xué)觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)修飾電極上Ni(OH)2/NiOOH層的形成與裸電極有明顯形態(tài)差異。

表1 不同化學(xué)修飾電極測定組胺的方法和結(jié)果比較Table 1 Comparison on methods and results of the different CMEs for detection of histamine

5 結(jié)語

本文綜述了采用電化學(xué)方法檢測食品中組胺近十年的研究進(jìn)展，并對化學(xué)修飾電極中的幾個重要部分：電極材料、修飾物質(zhì)、修飾方法和修飾膜表面表征方法進(jìn)行了綜述(表1)。大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，目前用于食品中組胺電化學(xué)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(zhì)中，納米材料因其比表面積大、導(dǎo)電性能佳、電催化活性強(qiáng)而被廣泛使用；選擇合適的電極修飾方法可使修飾物質(zhì)更好的修飾在電極表面，賦予電極更優(yōu)良的性能；通過表征手段可以獲知修飾材料的電化學(xué)性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，從而根據(jù)獲得的基本信息并結(jié)合制備方法和工藝來調(diào)控材料的性能，可使電極性能更佳、靈敏度更高?，F(xiàn)有文獻(xiàn)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(xué)檢測方法在各類食品中組胺的檢測領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

但是，由于食品組分本身的復(fù)雜性，在電化學(xué)檢測方法中以下方面仍需要進(jìn)行深入的研究與探討：(1)其他生物胺和食品組分可能會干擾組胺的檢測，影響組胺檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；(2)在線實時檢測技術(shù)還不成熟。在今后的研究中，尋求新的電化學(xué)性能更好的功能性材料，深入探討檢測機(jī)理，構(gòu)建電化學(xué)檢測新體系，提高體系的檢測效率、靈敏度和特異性，能實現(xiàn)在線實時監(jiān)測是組胺電化學(xué)檢測領(lǐng)域主要的發(fā)展方向。