電化學(xué)方法在糠醛類化合物檢測(cè)中的研究進(jìn)展

黃露 ，李玉真 ，萬(wàn)嗣寶，游春蘋 *

1.乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院（上海 200436）；2.上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（上海 200444）；3.江南大學(xué)食品安全與營(yíng)養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心（無(wú)錫 214122）

食品在熱處理過(guò)程中容易產(chǎn)生褐變反應(yīng)，伴隨著諸如糠醛（furfural，2-furfural，F(xiàn)）、5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，HMF）等中間產(chǎn)物的生成。研究表明，人體攝入的糠醛和HMF達(dá)到一定劑量后，肝臟、腎臟和心臟等器官會(huì)受到損傷，高濃度的HMF還會(huì)對(duì)皮膚、眼睛、黏膜和呼吸道等造成傷害，甚至可能導(dǎo)致昏迷[1]。

目前，糠醛和HMF的常見(jiàn)檢測(cè)方法有分光光度法[2]、液相色譜法[3]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[4]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[5]等，這些方法存在價(jià)格昂貴、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[6]。所以目前仍迫切需要探索其它快速、可靠、靈敏和精確的方法來(lái)測(cè)定各種實(shí)際樣品中糠醛類化合物的含量。電化學(xué)方法通常將試液作為化學(xué)電池的一個(gè)組成部分，根據(jù)該電池的某種電參數(shù)與待測(cè)物質(zhì)的濃度間存在一定關(guān)系而進(jìn)行檢測(cè)。相較于其他檢測(cè)方法，電化學(xué)方法具有成本低、操作簡(jiǎn)便、分析速度快和檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)。理論上，任何可以被氧化或還原的化合物都有可能被電分析技術(shù)分析?？啡┰陔姌O上可被氧化為糠酸，產(chǎn)生氧化峰，但氧化峰值往往很低，不易觀測(cè)到；通常在施加陰極電流時(shí)，糠醛被還原為糠醇，產(chǎn)生還原峰，反應(yīng)式如圖1（A）所示。HMF在電極上則被還原為2,5-呋喃二甲醇，產(chǎn)生還原峰，反應(yīng)式如圖1（B）所示。

圖1 糠醛（A）和5-羥甲基糠醛（B）電極反應(yīng)方程

1 直接法

1.1 線性掃描伏安法（linear sweep voltammetry，LSV法）

線性掃描伏安法在工作電極上施加的電勢(shì)是時(shí)間的線性函數(shù)，測(cè)定電流隨電勢(shì)的變化，所得到的電流-電壓曲線圖被稱為線性掃描伏安圖。Kumbhat等[7]采用滴汞電極作為工作電極，以LiOH溶液為電解質(zhì)溶液，用LSV同時(shí)測(cè)定了低濃度的糠醛和其他脂肪醛的含量，檢測(cè)限為0.05～1.0 μg/mL。

1.2 循環(huán)伏安法（cyclic voltammetry，CV法）

循環(huán)伏安法施加三角波電壓，控制電極電勢(shì)以不同的速率進(jìn)行單次或者多次反復(fù)掃描，電勢(shì)范圍使氧化和還原反應(yīng)可以交替在電極上發(fā)生，并記錄下電流-電勢(shì)曲線[8]。

Parpot等[9]用CV法研究了糠醛在貴金屬金和鉑（Au，Pt）電極和非貴金屬鉛、鎳、銅（Pb，Ni，Cu）電極上的電化學(xué)性質(zhì)。在pH 9.4的NaHCO3/Na2CO3緩沖溶液中，糠醛在Au電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，其氧化性較弱；在Pt電極上也出現(xiàn)了微弱的氧化峰，并且電極由于吸附了有機(jī)物，受到污染，使電極活性降低；在Ni電極上的氧化響應(yīng)強(qiáng)度明顯比在Au電極和Pt電極上的強(qiáng)。研究表明，糠醛在Ni電極上（強(qiáng)堿性介質(zhì)）電氧化效果最好，糠酸產(chǎn)率為80%；在Cu電極上（pH 10碳酸鹽緩沖液）電還原效果最佳，糠醇產(chǎn)率為55%。

1.3 方波伏安法（square wave voltammetry，SWV法）

方波伏安法向電解池中施加直流電壓時(shí)，疊加一個(gè)很小幅值的交流方波電壓。改變外加直流電壓，測(cè)定此時(shí)交變電流的大小，即可得到交變電流-直流電壓曲線，進(jìn)行分析。

Shamsipur等[1]采用靜態(tài)滴汞電極作為工作電極，pH 9.5的NH3-NH4Cl緩沖溶液作為電解質(zhì)溶液，采用SWV法和方波吸附溶出伏安法同時(shí)檢測(cè)糠醛和HMF，二者的檢測(cè)限分別為400和10 ng/g，當(dāng)樣品中糠醛的含量為1.0 μg/g時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.79%。

Falciola等[10]在鉑盤或鉑基絲網(wǎng)印刷電極上使用SWV法，并以四丁基高氯酸銨作為支持電解質(zhì)。對(duì)所有電極而言，氧化峰的高度或面積與呋喃的濃度在1.5×10-5～1×10-3mol/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，其檢測(cè)限為1×10-5～2×10-5mol/L。

1.4 差分脈沖伏安法（differential pulse voltammetry，DPV法）

差分脈沖伏安法是在線性或階梯電勢(shì)基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)恒定振幅的矩形脈沖，在施加脈沖前和脈沖期后測(cè)定電流，輸出此周期中的電流差，以電流差對(duì)電勢(shì)作圖。脈沖的使用，可以避免電極表面的不可逆吸附，檢測(cè)限更低，因此在痕量分析中具有廣泛的用途[11]。

Reyes-Salas等[12]以硼酸鹽為電解質(zhì)，采用差分脈沖極譜法直接測(cè)定未處理蜂蜜樣本中5-羥甲基糠醛的含量。研究發(fā)現(xiàn)HMF在1 100 mV處呈現(xiàn)出一個(gè)單一、清晰的還原信號(hào)，檢測(cè)限為48 μg/L。

Shamsipur等[13]分別以3種離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[EMIM][BF4]）、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸鹽（[BMIM][Otf]）和1-丁基-1-甲基吡咯烷雙（三氟甲磺酰）酰亞胺（[bmpyrr][NTf2]）作為電解質(zhì)，玻碳電極作為工作電極，用DPV法對(duì)3種離子液體中的糠醛進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)得其檢測(cè)限分別為1.4，19.0 和2.5μg/g。

Wang等[14]通過(guò)將糠醛從油相中萃取到水相，然后在汞電極上用DPV法對(duì)水相中的糠醛進(jìn)行還原檢測(cè)。該方法靈敏度高，檢測(cè)限低，為0.03 μg/g。此外，在0～10 μg/g范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

1.5 脈沖安培檢測(cè)法（pulsed amperometric detection，PAD法）

PAD中的循環(huán)電位應(yīng)用主要有3個(gè)主要步驟：（1）施加電位以促進(jìn)目標(biāo)分析物的電催化氧化；（2）施加電位用于氧化或還原（或二者結(jié)合）電極表面，恢復(fù)電極的活性并去除氧化產(chǎn)物；（3）施加電位用于還原（或氧化）電極表面以準(zhǔn)備重復(fù)測(cè)量順序[15-16]。

Xu等[16]采用陰離子交換色譜結(jié)合脈沖安培檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)葡萄糖水溶液在滅菌或儲(chǔ)存過(guò)程中產(chǎn)生的5-羥甲基糠醛（HMF）和右旋糖。樣品溶液先經(jīng)陰離子交換色譜分離，再進(jìn)入脈沖安培檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，從而達(dá)到高效、快速、微量的分離與檢測(cè)。結(jié)果顯示HMF的檢測(cè)限為30～50 μg/L。

Bosworth等[17]使用PAD實(shí)現(xiàn)了變壓器油中糠醛的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。通過(guò)將待測(cè)變壓器油直接懸浮在水相測(cè)試溶液中或?qū)⒆儔浩饔蜆尤芙庠谟袡C(jī)溶劑中，不需要單獨(dú)的樣品提取步驟，即可進(jìn)行脈沖安培檢測(cè)。結(jié)果表明，脈沖安培響應(yīng)和糠醛的濃度在0～10 μg/mL范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，其檢測(cè)限為2 μg/mL。所得檢測(cè)限較高，重現(xiàn)性較差，故該法不適合在實(shí)際應(yīng)用中檢測(cè)糠醛的含量。

2 間接法

2.1 化學(xué)修飾電極法

納米材料的直徑小、比表面積大、表面能高。用其修飾電極，有利于電子傳遞，可提高電極的導(dǎo)電性、增強(qiáng)其催化性能[18]，使得電化學(xué)檢測(cè)在靈敏度、選擇性和再現(xiàn)性等方面得到改善[19-20]。

Jonathan等[21]比較了鎳修飾碳絲網(wǎng)印刷電極和銀汞修飾碳絲網(wǎng)印刷電極檢測(cè)糠醛的效果。采用CV法對(duì)電極進(jìn)行表征，并通過(guò)SWV法擴(kuò)大其檢測(cè)限。結(jié)果表明，鎳修飾碳絲網(wǎng)印刷電極與糠醛濃度在3.7～14.3 μg/mL范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)關(guān)系；銀汞修飾碳絲網(wǎng)印刷電極在8.9～36.4 μg/mL和0.9～8.9 μg/mL濃度范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)關(guān)系。銀汞絲網(wǎng)印刷電極能夠分辨出單個(gè)組分，效果更佳。

褚道葆等[22]將納米TiO2-碳納米管復(fù)合膜修飾于Ti基體表面，制備出TiO2膜電極。因碳納米管的比表面積和表面活性較高，可進(jìn)一步提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。在N,N-二甲基甲酰胺溶液中，采用CV法探究了糠醛在納米TiO2-碳納米管復(fù)合膜電極上的電催化還原性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陰極掃描時(shí)在可逆半波電位-2.27和-2.44 V處出現(xiàn)兩對(duì)氧化還原峰，分別與TiO2/Ti2O3氧化還原電對(duì)的可逆電極反應(yīng)過(guò)程和TiO2/Ti(OH)3電對(duì)的準(zhǔn)可逆電極反應(yīng)過(guò)程相對(duì)應(yīng)?？啡┑倪€原與TiO2/Ti(OH)3電對(duì)的氧化還原反應(yīng)偶聯(lián)。以電極表面的Ti(Ⅳ)/Ti(Ⅲ)氧化還原電對(duì)作為媒介，糠醛和Ti(Ⅳ)電催化還原生成的Ti(Ⅲ)在電極表面迅速發(fā)生隨后化學(xué)反應(yīng)，糠醛被間接還原為糠醇，Ti(Ⅲ)被氧化為Ti(Ⅳ)，還原峰電位負(fù)移。

da Silva等[23]使用鎳納米顆?；瘜W(xué)修飾玻碳電極，通過(guò)PAD結(jié)合反相色譜法，對(duì)實(shí)際樣品甘蔗渣水解產(chǎn)物中的呋喃醛進(jìn)行了定量分析。呋喃和HMF的檢測(cè)限分別為4.0×10-7mol/L和4.3×10-7mol/L，定量檢測(cè)限分別為1.3×10-6mol/L和1.4×10-6mol/L，電流靈敏度分別為2.2×106nA mol/L和2.7×106nA mol/L。用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定，樣品中HMF含量為1.54±0.02 g/kg，糠醛含量為11.5±0.2 g/kg。結(jié)果表明，該方法具有良好的分析重復(fù)性、靈敏度和準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)，還可用于呋喃醛的快速檢測(cè)，不受其它電活性物質(zhì)的干擾。da Silva等[24]將鎳納米顆粒修飾的玻碳電極作為工作電極，使用LSV法、SWV法和DPV法分別對(duì)0.1 mol/L LiOH中的糠醛進(jìn)行檢測(cè)。LSV法、SWV法和DPV法的檢測(cè)限分別為1.2×10-4，6.9×10-6和2.5×10-6mol/L，由此可知DPV的檢測(cè)限最低，即最靈敏。將LSV法、SWV法和DPV法應(yīng)用于甘蔗渣樣品中的糠醛檢測(cè)，測(cè)得糠醛的平均濃度分別為（12.9±0.5），（13.1±0.2）和（12.7±0.2）g/kg，其中DPV測(cè)得的結(jié)果與HPLC測(cè)得的（12.8±0.5）g/kg最接近。

2.2 糠醛衍生法

衍生法是先將待測(cè)樣品進(jìn)行衍生化，通過(guò)把難以分析檢測(cè)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為與其化學(xué)結(jié)構(gòu)相似但更容易分析檢測(cè)的物質(zhì)，從而便于定量和分離，再通過(guò)電化學(xué)方法進(jìn)行樣品檢測(cè)。該方法提升了樣品檢測(cè)的靈敏度，改進(jìn)了樣品混合物的分離度。

Saczk等[25]采用2,4-二硝基苯肼（2,4-dinitrophenylhydrazine，DNPH）對(duì)糠醛進(jìn)行衍生，再通過(guò)CV法對(duì)糠醛衍生物進(jìn)行檢測(cè)。制備糠醛衍生物時(shí)，依次加入1 mL 0.4%的DNPH溶液、4 mL的糠醛和50 μL 1 mol/L的磷酸溶液，在室溫下攪拌30 min，即得衍生物。用玻碳電極作為工作電極進(jìn)行CV法檢測(cè)，測(cè)得糠醛含量在5.0～400.0 ng/mL范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限為1.7～2.0 ng/mL，定量限為5.0～6.2 ng/mL。該方法簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，分析回收率高于95%。

Shamsipur等[26]以四芐醚杯[4]芳烴（tetrabenzyl ether Calix[4]arene）作為離子載體，采用Girard試劑T衍生糠醛，得到的親脂性腙衍生物FuGA能夠產(chǎn)生電響應(yīng)。通過(guò)四芐醚杯[4]芳烴和FuGA之間的主客體相互作用，設(shè)計(jì)了具有糠醛選擇性的聚氯乙烯膜電極，采用方波吸附溶出伏安法實(shí)現(xiàn)了糠醛的檢測(cè)。在pH 9.2時(shí)，電極在5.0×10-5～1.0×10-1mol/L的糠醛濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出能斯特響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為15 s，具有良好的再現(xiàn)性（±0.2 mV），且使用壽命長(zhǎng)。

綜上所述，直接檢測(cè)法中LSV法分析速度快，靈敏度相對(duì)較低；CV法與LSV法相似，適用范圍廣，可研究的電化學(xué)性質(zhì)更豐富，但由于電極易吸附有機(jī)物，電極的活性降低，從而導(dǎo)致靈敏度降低；SWV法能夠消除電容電流的干擾，具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的分辨力，但電極表面吸附活性物質(zhì)會(huì)使反應(yīng)速度受到阻礙；PAD法常與色譜技術(shù)結(jié)合使用，可以保持電極表面的清潔和活性，利于連續(xù)可重復(fù)檢測(cè)，但其電流噪音較大，檢測(cè)限較高，色譜的結(jié)合也使其操作相對(duì)較復(fù)雜；DPV法則在SWV法基礎(chǔ)上很大程度上消除了毛細(xì)管噪聲電流，進(jìn)一步提高靈敏度、分辨力。

間接檢測(cè)法中，化學(xué)修飾電極法通過(guò)納米材料修飾電極，操作相對(duì)復(fù)雜，從而使得檢測(cè)限更低，靈敏度得到提高，選擇性也更好；衍生法適用于難以分析的物質(zhì)，分辨力好，檢測(cè)限低。幾種常用電化學(xué)檢測(cè)方法的比較如表1所示。

表1 常用電化學(xué)檢測(cè)方法的比較

3 結(jié)語(yǔ)

糠醛類化合物廣泛存在于熱加工食品和發(fā)酵食品中，人體攝入達(dá)一定劑量會(huì)造成健康損害。從幾種不同的方法出發(fā)，對(duì)電化學(xué)法在糠醛類化合物檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述。電化學(xué)方法具有簡(jiǎn)便、快速、檢測(cè)限低等優(yōu)勢(shì)，且其靈敏度高、實(shí)時(shí)性好，即使發(fā)生微量的物質(zhì)變化也能夠通過(guò)易于測(cè)定的電流或電量等電參數(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，適用于快速實(shí)時(shí)檢測(cè)。采用納米材料修飾電極，使其表面積增大，改善傳質(zhì)效率并促進(jìn)電催化。但是，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電化學(xué)法檢測(cè)糠醛的研究報(bào)道仍然不多。特別是在國(guó)內(nèi)，未見(jiàn)有學(xué)者報(bào)道電化學(xué)法檢測(cè)食品糠醛含量的研究。食品中糠醛的含量通常較低，不易被檢出，且電化學(xué)檢測(cè)容易受外界干擾，其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性還有待提高。電化學(xué)方法在實(shí)際糠醛樣品的檢測(cè)中鮮見(jiàn)應(yīng)用。通過(guò)研究新型修飾電極來(lái)提高靈敏度、降低檢測(cè)限，有利于實(shí)現(xiàn)電化學(xué)法在糠醛痕量檢測(cè)中的應(yīng)用。這需要更多的科研人員對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。該文為進(jìn)一步研究電化學(xué)法檢測(cè)食品中糠醛類化合物，建立糠醛類化合物的快速檢測(cè)方法提供了參考。