化學修飾電極檢測食品中組胺的研究進展

周嬋媛，趙曉娟，楊春婷

(仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東 廣州,510225)

生物胺(biogenic amines, BAs)是動植物及多數微生物體內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，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致鯖魚中毒綜合癥，這是一種不良的生理反應，可引起神經、胃腸道、循環和呼吸道癥狀以及皮疹、蕁麻疹等癥狀[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致這些食物變質或在加工制造過程中產生不良風味[12]。鯖魚或其他含有組氨酸的魚中產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產、運輸和市場上質量控制的生物標志物之一[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產生組胺，組胺也被作為評價食品新鮮度和品質的重要指標[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，經歷了40余年的發展，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，將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。本文探討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。

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。

姜隨意等[28]將納米金(Au nanoparticles, AuNPs)電沉積在玻碳電極表面，結合能特異性識別組胺的 MIP膜，對豆腐乳樣中的組胺進行檢測，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，通常可以降低分析物的過電位，從而降低干擾物質對測定結果的影響，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修飾電極的重要環節。修飾材料固定化的好壞程度將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，選擇合適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滴加到預處理好的電極表面，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、甲醇等有機溶劑)中，或者將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]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

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。

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號的比值(此比值即為系統的阻抗)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。姜隨意等[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后，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]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，吸附的組胺將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內部結構及化學組成，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/氧化石墨烯納米復合材料的形態，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、分散性和形態學密切相關；并用TEM對PS/GONC的形態學特征進行了研究，圖像顯示出在聚苯乙烯上分布了石墨烯納米薄片。姜隨意等[28]將修飾后的玻碳電極用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態學觀察，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態差異。

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

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；選擇合適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、內部結構及化學組成，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著巨大的應用前景。

但是，由于食品組分本身的復雜性，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，影響組胺檢測結果的準確性；(2)在線實時檢測技術還不成熟。在今后的研究中，尋求新的電化學性能更好的功能性材料，深入探討檢測機理，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。