電化學方法在糠醛類化合物檢測中的研究進展

黃露 ，李玉真 ，萬嗣寶，游春蘋 *

1.乳業生物技術國家重點實驗室，上海乳業生物工程技術研究中心，光明乳業股份有限公司乳業研究院（上海 200436）；2.上海大學生命科學學院（上海 200444）；3.江南大學食品安全與營養協同創新中心（無錫 214122）

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

目前，糠醛和HMF的常見檢測方法有分光光度法[2]、液相色譜法[3]、液相色譜-質譜聯用法[4]、氣相色譜-質譜聯用法[5]等，這些方法存在價格昂貴、耗費時間長等問題[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測定各種實際樣品中糠醛類化合物的含量。電化學方法通常將試液作為化學電池的一個組成部分，根據該電池的某種電參數與待測物質的濃度間存在一定關系而進行檢測。相較于其他檢測方法，電化學方法具有成本低、操作簡便、分析速度快和檢測限低等優點。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分析。糠醛在電極上可被氧化為糠酸，產生氧化峰，但氧化峰值往往很低，不易觀測到；通常在施加陰極電流時，糠醛被還原為糠醇，產生還原峰，反應式如圖1（A）所示。HMF在電極上則被還原為2,5-呋喃二甲醇，產生還原峰，反應式如圖1（B）所示。

圖1 糠醛（A）和5-羥甲基糠醛（B）電極反應方程

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是時間的線性函數，測定電流隨電勢的變化，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溶液為電解質溶液，用LSV同時測定了低濃度的糠醛和其他脂肪醛的含量，檢測限為0.05～1.0 μg/mL。

1.2 循環伏安法（cyclic voltammetry，CV法）

循環伏安法施加三角波電壓，控制電極電勢以不同的速率進行單次或者多次反復掃描，電勢范圍使氧化和還原反應可以交替在電極上發生，并記錄下電流-電勢曲線[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）電極上的電化學性質。在pH 9.4的NaHCO3/Na2CO3緩沖溶液中，糠醛在Au電極上發生氧化反應，其氧化性較弱；在Pt電極上也出現了微弱的氧化峰，并且電極由于吸附了有機物，受到污染，使電極活性降低；在Ni電極上的氧化響應強度明顯比在Au電極和Pt電極上的強。研究表明，糠醛在Ni電極上（強堿性介質）電氧化效果最好，糠酸產率為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，疊加一個很小幅值的交流方波電壓。改變外加直流電壓，測定此時交變電流的大小，即可得到交變電流-直流電壓曲線，進行分析。

Shamsipur等[1]采用靜態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溶液，采用SWV法和方波吸附溶出伏安法同時檢測糠醛和HMF，二者的檢測限分別為400和10 ng/g，當樣品中糠醛的含量為1.0 μg/g時，相對標準偏差為2.79%。

Falciola等[10]在鉑盤或鉑基絲網印刷電極上使用SWV法，并以四丁基高氯酸銨作為支持電解質。對所有電極而言，氧化峰的高度或面積與呋喃的濃度在1.5×10-5～1×10-3mol/L范圍內具有良好的線性關系，其檢測限為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基礎上，疊加一個恒定振幅的矩形脈沖，在施加脈沖前和脈沖期后測定電流，輸出此周期中的電流差，以電流差對電勢作圖。脈沖的使用，可以避免電極表面的不可逆吸附，檢測限更低，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，采用差分脈沖極譜法直接測定未處理蜂蜜樣本中5-羥甲基糠醛的含量。研究發現HMF在1 100 mV處呈現出一個單一、清晰的還原信號，檢測限為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，玻碳電極作為工作電極，用DPV法對3種離子液體中的糠醛進行了檢測，測得其檢測限分別為1.4，19.0 和2.5μg/g。

Wang等[14]通過將糠醛從油相中萃取到水相，然后在汞電極上用DPV法對水相中的糠醛進行還原檢測。該方法靈敏度高，檢測限低，為0.03 μg/g。此外，在0～10 μg/g范圍內呈現出良好的線性關系。

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

PAD中的循環電位應用主要有3個主要步驟：（1）施加電位以促進目標分析物的電催化氧化；（2）施加電位用于氧化或還原（或二者結合）電極表面，恢復電極的活性并去除氧化產物；（3）施加電位用于還原（或氧化）電極表面以準備重復測量順序[15-16]。

Xu等[16]采用陰離子交換色譜結合脈沖安培檢測器同時檢測葡萄糖水溶液在滅菌或儲存過程中產生的5-羥甲基糠醛（HMF）和右旋糖。樣品溶液先經陰離子交換色譜分離，再進入脈沖安培檢測器進行檢測，從而達到高效、快速、微量的分離與檢測。結果顯示HMF的檢測限為30～50 μg/L。

Bosworth等[17]使用PAD實現了變壓器油中糠醛的實時在線檢測。通過將待測變壓器油直接懸浮在水相測試溶液中或將變壓器油樣溶解在有機溶劑中，不需要單獨的樣品提取步驟，即可進行脈沖安培檢測。結果表明，脈沖安培響應和糠醛的濃度在0～10 μg/mL范圍內呈現較好的線性關系，其檢測限為2 μg/mL。所得檢測限較高，重現性較差，故該法不適合在實際應用中檢測糠醛的含量。

2 間接法

2.1 化學修飾電極法

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，可提高電極的導電性、增強其催化性能[18]，使得電化學檢測在靈敏度、選擇性和再現性等方面得到改善[19-20]。

Jonathan等[21]比較了鎳修飾碳絲網印刷電極和銀汞修飾碳絲網印刷電極檢測糠醛的效果。采用CV法對電極進行表征，并通過SWV法擴大其檢測限。結果表明，鎳修飾碳絲網印刷電極與糠醛濃度在3.7～14.3 μg/mL范圍內具有線性響應關系；銀汞修飾碳絲網印刷電極在8.9～36.4 μg/mL和0.9～8.9 μg/mL濃度范圍內具有線性響應關系。銀汞絲網印刷電極能夠分辨出單個組分，效果更佳。

褚道葆等[22]將納米TiO2-碳納米管復合膜修飾于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，可進一步提高催化劑的活性和穩定性。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-碳納米管復合膜電極上的電催化還原性能。結果發現，陰極掃描時在可逆半波電位-2.27和-2.44 V處出現兩對氧化還原峰，分別與TiO2/Ti2O3氧化還原電對的可逆電極反應過程和TiO2/Ti(OH)3電對的準可逆電極反應過程相對應。糠醛的還原與TiO2/Ti(OH)3電對的氧化還原反應偶聯。以電極表面的Ti(Ⅳ)/Ti(Ⅲ)氧化還原電對作為媒介，糠醛和Ti(Ⅳ)電催化還原生成的Ti(Ⅲ)在電極表面迅速發生隨后化學反應，糠醛被間接還原為糠醇，Ti(Ⅲ)被氧化為Ti(Ⅳ)，還原峰電位負移。

da Silva等[23]使用鎳納米顆粒化學修飾玻碳電極，通過PAD結合反相色譜法，對實際樣品甘蔗渣水解產物中的呋喃醛進行了定量分析。呋喃和HMF的檢測限分別為4.0×10-7mol/L和4.3×10-7mol/L，定量檢測限分別為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。用標準加入法測定，樣品中HMF含量為1.54±0.02 g/kg，糠醛含量為11.5±0.2 g/kg。結果表明，該方法具有良好的分析重復性、靈敏度和準確度等優點，還可用于呋喃醛的快速檢測，不受其它電活性物質的干擾。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0.1 mol/L LiOH中的糠醛進行檢測。LSV法、SWV法和DPV法的檢測限分別為1.2×10-4，6.9×10-6和2.5×10-6mol/L，由此可知DPV的檢測限最低，即最靈敏。將LSV法、SWV法和DPV法應用于甘蔗渣樣品中的糠醛檢測，測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測得的結果與HPLC測得的（12.8±0.5）g/kg最接近。

2.2 糠醛衍生法

衍生法是先將待測樣品進行衍生化，通過把難以分析檢測的物質轉化為與其化學結構相似但更容易分析檢測的物質，從而便于定量和分離，再通過電化學方法進行樣品檢測。該方法提升了樣品檢測的靈敏度，改進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）對糠醛進行衍生，再通過CV法對糠醛衍生物進行檢測。制備糠醛衍生物時，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行CV法檢測，測得糠醛含量在5.0～400.0 ng/mL范圍內呈線性關系，檢出限為1.7～2.0 ng/mL，定量限為5.0～6.2 ng/mL。該方法簡單，耗時短，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能夠產生電響應。通過四芐醚杯[4]芳烴和FuGA之間的主客體相互作用，設計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現了糠醛的檢測。在pH 9.2時，電極在5.0×10-5～1.0×10-1mol/L的糠醛濃度范圍內表現出能斯特響應，響應時間為15 s，具有良好的再現性（±0.2 mV），且使用壽命長。

綜上所述，直接檢測法中LSV法分析速度快，靈敏度相對較低；CV法與LSV法相似，適用范圍廣，可研究的電化學性質更豐富，但由于電極易吸附有機物，電極的活性降低，從而導致靈敏度降低；SWV法能夠消除電容電流的干擾，具有較高的靈敏度和較強的分辨力，但電極表面吸附活性物質會使反應速度受到阻礙；PAD法常與色譜技術結合使用，可以保持電極表面的清潔和活性，利于連續可重復檢測，但其電流噪音較大，檢測限較高，色譜的結合也使其操作相對較復雜；DPV法則在SWV法基礎上很大程度上消除了毛細管噪聲電流，進一步提高靈敏度、分辨力。

間接檢測法中，化學修飾電極法通過納米材料修飾電極，操作相對復雜，從而使得檢測限更低，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，分辨力好，檢測限低。幾種常用電化學檢測方法的比較如表1所示。

表1 常用電化學檢測方法的比較

3 結語

糠醛類化合物廣泛存在于熱加工食品和發酵食品中，人體攝入達一定劑量會造成健康損害。從幾種不同的方法出發，對電化學法在糠醛類化合物檢測中的應用研究進行了綜述。電化學方法具有簡便、快速、檢測限低等優勢，且其靈敏度高、實時性好，即使發生微量的物質變化也能夠通過易于測定的電流或電量等電參數來進行檢測，適用于快速實時檢測。采用納米材料修飾電極，使其表面積增大，改善傳質效率并促進電催化。但是，目前國內外對電化學法檢測糠醛的研究報道仍然不多。特別是在國內，未見有學者報道電化學法檢測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，且電化學檢測容易受外界干擾，其穩定性和重現性還有待提高。電化學方法在實際糠醛樣品的檢測中鮮見應用。通過研究新型修飾電極來提高靈敏度、降低檢測限，有利于實現電化學法在糠醛痕量檢測中的應用。這需要更多的科研人員對其進行開發研究。該文為進一步研究電化學法檢測食品中糠醛類化合物，建立糠醛類化合物的快速檢測方法提供了參考。