絲網印刷電極在食品檢測中的應用研究進展

周建紅，令玉林，司士輝

（1.湖南科技大學生命科學學院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭411201；3.中南大學化學化工學院，湖南長沙 410083)

絲網印刷電極在食品檢測中的應用研究進展

周建紅1，令玉林2，司士輝3

（1.湖南科技大學生命科學學院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學化學化工學院，湖南湘潭411201；3.中南大學化學化工學院，湖南長沙 410083)

絲網印刷電極因價格便宜、使用方便、重現(xiàn)性好、檢測靈敏度高而成為研究熱點。對絲網印刷電極在食品檢測中的應用進行了綜述，主要闡述絲網印刷電極在亞硝酸鹽、硫化物、毒枝菌素、致病菌、海產食品毒性等污染物的檢測和乳酸的檢測、電子鼻和電子舌的應用與發(fā)展趨勢。對于同一種成分，則按工作電極的修飾方法或檢測方法來進行分述，并對絲網印刷電極的應用前景進行了展望。

絲網印刷電極，綜述，傳感器，食品檢測

電分析化學方法具有靈敏度高、選擇性好、可野外操作和價格便宜的優(yōu)勢，有些電分析技術能夠在線、活體內檢測各種性能的物質，其中一種就是采用絲網印刷電極（Screen－printed electrode，SPE）的電化學分析。SPE又稱厚膜電極，是用厚膜集成電路工藝制備的電化學傳感器。絲網印刷技術主要優(yōu)點包括：設計靈活，印制過程容易實現(xiàn)自動化，重現(xiàn)性好，適用于各種材質，成本低廉。由于可大批量生產重現(xiàn)性好的傳感器且成本低，可以一次性使用，對使用者十分方便。這種在用戶手上不需要標定的一次性產品成功地解決了電極重現(xiàn)性差等問題。這項技術為現(xiàn)場檢測提供了很大的發(fā)展前景[1]。SPE的多功能性表現(xiàn)在可采用不同方法來修飾電極。印刷的各種油墨的比例可通過添加不同的物質例如金屬、酶、聚合物、復合劑等來改變[2－5]；另一方面，可在已生產出的電極表面上采用不同電沉積方式來修飾電極[6－7]。本文主要對近年來的各種SPE在食品中的應用進行了綜述概括。根據(jù)被檢測的成分來進行分類，闡述了絲網印刷電極在食品方面的應用與發(fā)展，并對其以后的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 絲網印刷電極的應用

最早的絲網印刷傳感器主要集中在血糖的測定方面，之后逐漸拓展到諸如生物分子、殺蟲劑、離子及污染物的測定。以下就近年來絲網印刷電極在食品中有關成分的檢測做一闡述。

1.1 亞硝酸鹽（Nitrite）和硫化物的檢測

亞硝酸鹽的檢測結果對地下水及飲用水質量的評價非常重要。Neuhold[8]等將Aliquat 336a陰離子交換劑加入碳油墨中來印刷電極，克服了以往采用固態(tài)交換劑操作費時且不嚴密的弊端。Chang[9]等報道，發(fā)展一種便宜的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基電化學電池，設計了一種一次性超微SPE，采用FIA系統(tǒng)來檢測亞硝酸鹽。Lin[10]等采用聚3，4－乙撐二氧噻吩/鐵酞菁/多壁碳鈉米管（PEDOT/FePc/MWCNT）來修飾絲網印刷電極，減小了亞硝酸鹽氧化的過電位，使檢測限達到了71nM，靈敏度達到638mA·cm－2·M－1。

對于硫外物的測定，有采用聚（L－交酯）固定金鈉米粒子修飾SPCE，利用As3+減少氧化電流能間接測定硫化物，其檢測限為0.04μM[11]。徐肖邢[12]等在一次性印刷碳電極（SPCE）的基礎上，研究了N，N－二甲基對苯二胺（DMPD）在印刷電極上的電化學行為及其對硫離子的電催化氧化，采用DPV測定了S2－。

1.2 致癌物質——毒枝菌素的檢測

很多食品中的毒枝菌素含量超標。牛奶通常被少量的黃曲霉毒素M1（AFM1）即奶牛對黃曲霉毒素B1（AFB1）的代謝產物所污染。Micheli[13]等描述了一種在SPCEs表面上直接固定抗體制得的電化學免疫傳感器，在其表面游離的AFM1與連接有HRP的AFM1發(fā)生競爭抗體；另一種建立在間接競爭的ELISA基礎上的一種一次性電化學免疫傳感器，采用DPV和SPCEs來簡單快速地測定AFB1[14]。表面吸附有抗AFB1抗體的SPCEs，基于游離分析物與連接有AFB1生物素之間競爭抗體的原理而被應用于競爭性免疫分析中[15]。隨后添加結合有ALP的生物素，1－萘基磷酸鹽底物能產生一種電化學活性產物1－萘酚，采用線性掃描伏安法（LSV）得以測定。Piermarini[16]等首次采用一個微盤多通道的電化學檢測器，采用間歇脈沖電流（IPA）技術來檢測AFB1。Alarcon[17]等描述了一種直接競爭性的ELISA來測定另一種毒枝菌素——赭曲霉素A（OTA，ochratoxin），他們采用了多克隆抗體的SPCEs，適合于普查食品中的OTA。Romanazzo[18]等將磁性珠子作為載體，SPEs作為敏感元件，利用便攜式掌式傳感器來檢測毒枝菌素，在數(shù)秒鐘內能自動完成八次測定。Hervas[19]等采用碳SPEs作為電化學免疫傳感器來檢測嬰兒食品中的玉米烯酮，檢測限低至0.007μgL－1。

1.3 致病菌的檢測

李斯特產單核細胞細菌污染的食品會引起嚴重的傳染病。Crowley[20]等描述了一種測定牛奶中該菌的免疫傳感器，采用直接三明治式的對兩種親合多克隆的山羊、兔和一種單克隆的老鼠抗L.產單核細胞抗體進行了比較分析，應用生物素－抗生物素蛋白的SPCEs進行檢測來克服敏感性低的弊端。Rao[21]等描述了一次性的電流式免疫傳感器快速測定霍亂弧菌（V.cholerae）。另有研究采用錐蟲成蟲期表面的醣蛋白制成的電流式免疫傳感器來診斷查格斯氏病[22]。Farabullini[23]等采用電化學基因傳感器陣列來同時快速檢測污染食品中的不同病原菌。Elizabeth Tully[24]等用聚苯胺（PANI）絲網印刷電極，將生物素－抗生物素蛋白固定在（PANI）表面，隨后多克隆抗－內化素B（InlB）抗體，采用電化學阻抗光譜（EIS）來實現(xiàn)無標檢測。Fernandez－Baldo[25]等采用碳鈉米管修飾絲網印刷免疫傳感器測定蘋果中的灰葡萄孢菌。利用競爭性的免疫方法達到0.02μg·mL－1，而一般的ELISA的檢測限為10μg·mL－1。SPE用于致病菌的檢測發(fā)展很迅速，也是目前研究的熱點。Lin[26]等利用商業(yè)的銀和碳墨制成的SPE，采用雙層抗體的制成安培免疫條帶，利用間接的三明治式的酶聯(lián)免疫分析快速檢測Escherichia coliO157∶H7。Escamilla－Gómez[27]等采用自組裝單層修飾金SPE，然后固定抗體制成無標的電化學阻抗免疫傳感器。采用的硫基化抗體使得分析性能明顯改善，在不用富集和預處理的情況下能選擇性地檢測Escherichia coli，檢測限達到了3.3cfu· mL－1。Salam和Tothill IE[28]采用集三電極系統(tǒng)于一體的SPE來實現(xiàn)Salmonella typhimurium的檢測。Mata[29]等采用集成的SPE微系統(tǒng)電化學檢測致病菌。對于濃度為102cfu·mL－1和108cfu·mL－1的致病菌在樣品量只需10μL，不到30min內得以快速檢測。為推行手提式病原菌控制裝置奠定了基礎。

1.4 海產食品毒性的檢測

大部分的海產品中毒是因為攝取了海產品中低分子量的毒性物質[30]。Kreuzer[31]等通過檢測標有ALP而產生的p－氨基酚，嘗試制作了一種免疫傳感器來快速地、準確地評定痕量海產品毒性物質。在軟骨藻酸（DA）存在的情況下[32]，DA與BSA共軛覆蓋在SPCE工作電極上，接著樣品（或標準的毒物）和抗－DA抗體共同培養(yǎng)，用一種抗山羊IgG－堿性磷酸酯酶（AP）來產生信號，利用DPV方法來進行測定。

1.5 乳酸的檢測

Shkotova[33]等采用在絲網印刷鉑電極上固定乳酸氧化酶來測量發(fā)酵過程中酒中乳酸的含量。Prieto－Simon[34]等采用萘酚藍和輔因子NAD（+）固定在SPE’s上測定，靈敏度較差為260μA·M－1，而用介體－聚砜－石墨復合膜后的SPE’s靈敏度明顯改善，達到80mA·M－1，檢測限達到0.87μM。接著有Piano[35]等采用萘酚藍和雷氏鹽，并用乳酸脫氫酶和輔因子NAD（+）采用流動注射方法來檢測乳酸。該傳感器的線性范圍為0.55～10mM。

1.6 制得味覺和嗅覺傳感器來檢測食品

目前廣泛運用生物模擬味覺傳感系統(tǒng)：類脂/高聚物膜對接觸味覺物質產生的電勢差的原理制成多通道味覺傳感器。而瑞典Linkpoing大學Fredrik Winquist課題小組使用的惰性貴金屬傳感器陣列，使用六種惰性貴金屬（金、銥、鈀、鉑、錸、銠），中心為Ag/AgCl參比電極，外周為不銹鋼對電極組成傳感器陣列構成電子舌來檢測不同品牌的飲料，對其施加脈沖電壓，結果顯示使用脈沖電壓的電子舌也能夠區(qū)分不同類型的飲料[29，36]。因為在所施的電位下，溶液中的所有具有電化學活性的物質對儀器所測得的響應電流均有貢獻，需通過計量學方法來解析，對溶液中的金屬及其他導電性能良好的離子進行表達。俄羅斯圣彼得堡大學Hakhyun設計的絲網印刷電位傳感器[37]，它是一種全固態(tài)平面式電位電子舌系統(tǒng)，將摻有PVC、PPY、聚氨酯等不同物質的高交叉靈敏度聚合物薄膜覆蓋在由普魯士蘭修飾的碳糊絲網印刷傳感器陣列電極表面，該系統(tǒng)可用于檢測飲用水、軟飲料和啤酒的味道。Busch[38]等采用SPEs碳電極和酪氨酸酶以及過氧化物酶作為生物傳感器，來檢測輕榨優(yōu)質橄欖油中的酚類化合物，以此確定苦味和辛辣味。Gine Bordonaba[39]等采用葡萄糖生物傳感器快速估計草莓質量。利用萘酚藍作為介體，葡萄糖氧化酶固定在SPEs上，根據(jù)葡萄糖含量區(qū)分八種不同品種的草莓。

2 結論與展望

近年來，根據(jù)大量的參考資料報道，絲網印刷傳感器適應于執(zhí)行快速準確地現(xiàn)場分析和緊湊輕便的裝置的需要。本文綜述了絲網印刷電極在食品檢測中的應用，這項技術的主要改進體現(xiàn)在如下方面：引入新的印刷材料和新的支撐表面來提高絲網印刷傳感器的重現(xiàn)性和靈敏性；采用新的修飾工作電極方法，主要集中于新的配位體、聚合物和納米結構材料；采用不同的固定方法來固定酶；采用多陣列電極以及化學計量學手段進行多種產物的同時識別和檢測。

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Recent development of application of screen-printed electrodes in food determination

ZHOU Jian-hong1，LING Yu-lin2，SI Shi-hui3（1.College of Life Science，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；
2.School of Chemistry and Chemical Engineering of Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China；
3.College of Chemistry and Chemical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

This review presents various applications and the developments of screen-printed electrodes（SPEs）in food determination in recent years.They were categorized according to the types of analytes,including nitrite,sulfide,mycotoxins,pathogenic bacteria and seafood toxins.Lactic acid determination and electronic nose or tongue was also summarized.For the same analyze,they were categorized according to the materials that modified the working electrode and the determination methods.At the same time,the main trends of screen-printed electrode were predicted.

screen-printed electrodes；review；sensors；food determination

TS201.1

A

1002－0306（2012）01－0388－04

2010－12－06

周建紅（1973－），女，博士研究生，講師，研究方向：電分析化學。

湖南大學化學化工學院，國家化學生物傳感和計量學重點實驗室開放項目（200907）；國家科技重大專項湘江水環(huán)境重金屬水質目標管理與監(jiān)測技術研究子課題（2009ZX07212－001－06）。