電化學(xué)傳感器在食品檢測中的應(yīng)用

◎ 吳月

（煙臺大學(xué)，山東 煙臺 264005）

1 食品進(jìn)行安全檢測的必要性

食品安全是人民生命健康的重要保障，而食品安全檢測則是確保食品安全的有效手段之一。食品安全檢測的重要性在于可以發(fā)現(xiàn)食品中可能存在的各種危害人體健康的化學(xué)或生物污染物，避免疾病的發(fā)生。在現(xiàn)代食品加工生產(chǎn)中，由于加工流程和食品來源的復(fù)雜性，很容易引發(fā)安全問題，食品安全檢測能夠及時發(fā)現(xiàn)和識別食品中的污染物，對檢出的污染樣品進(jìn)行定性和定量分析，以判斷其是否符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)，從而保障人民群眾的飲食安全。同時，可以提高食品生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量管理能力，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。只有加強(qiáng)食品安全檢測，嚴(yán)格落實(shí)食品安全監(jiān)管責(zé)任，才能保障人民群眾的身體健康，維護(hù)社會和諧穩(wěn)定[1]。

2 電化學(xué)傳感器的基本原理

電化學(xué)傳感器是一種利用電化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行定量或定性檢測的儀器。它可以通過測量化學(xué)反應(yīng)的電流或電勢的大小來檢測被測物質(zhì)的濃度或種類。電化學(xué)傳感器以電極為關(guān)鍵部件，分為工作電極、參比電極和計量電極3 種類型。其中，工作電極直接與被測液體接觸，與被測物質(zhì)發(fā)生氧化還原或酸堿反應(yīng)；參比電極提供一個穩(wěn)定的電位作為參考；計量電極使用特定的反應(yīng)作為比例的電極。被測物質(zhì)與電極發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電極電位或電流發(fā)生變化。根據(jù)反應(yīng)類型不同，電極電位或電流值也會有所變化，從而推算出被測物質(zhì)成分的含量或種類。電化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域。

3 電化學(xué)傳感器的種類

電化學(xué)傳感器是一種將化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，根據(jù)其測量原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，可以分為氣體傳感器、生物傳感器、電解質(zhì)傳感器、光電化學(xué)傳感器以及熱電化學(xué)傳感器。其中生物傳感器是利用生物識別元件（如酶、抗體等）對特定分子進(jìn)行識別和測量；電解質(zhì)傳感器是利用電極與被測物質(zhì)之間的電位差或電流關(guān)系測量被測物質(zhì)的性質(zhì)和濃度；熱電化學(xué)傳感器是利用熱電效應(yīng)將溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過測量電信號得到被測物質(zhì)的信息。食品檢測是一個復(fù)雜的過程，需要多項工作結(jié)合起來共同完成。

4 食品安全研究中幾種測量方法的比較

食品安全是一個重要的話題，保障食品安全需要進(jìn)行各種研究。在這些研究中，經(jīng)常需要對食品樣品進(jìn)行檢測和分析，以了解其是否存在某些有害物質(zhì)或者是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。不同的檢測方法有不同的適用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)，下面將對幾種常見的測量方法進(jìn)行簡單介紹和對比。

高效液相色譜法（HPLC）。是一種廣泛應(yīng)用的分離和檢測技術(shù)，可以應(yīng)用于食品中殘留農(nóng)藥、獸藥、有害物質(zhì)等的定量分析。該方法檢測靈敏度高、準(zhǔn)確性高，而且可以同時檢測多種化合物，但是需要樣品前處理較為復(fù)雜，且儀器設(shè)備價格較高。

氣相色譜法（GC）。是一種通過分離和檢測揮發(fā)性有機(jī)化合物的技術(shù)，可應(yīng)用于食品中揮發(fā)性物質(zhì)以及脂肪酸、香料等的檢測。該方法檢測靈敏度高、分離效果好，且能夠快速確定化合物結(jié)構(gòu)，但是無法檢測非揮發(fā)性物質(zhì)。

原子吸收分光光度法（AAS）。是一種分析樣品元素含量的技術(shù)，可應(yīng)用于食品中微量元素、重金屬等有害物質(zhì)的測量。該方法對某些元素具有高選擇性和靈敏度，但需要對樣品進(jìn)行高溫灼燒處理，同時樣品的基質(zhì)影響較大。

同位素示蹤法（ITT）。是一種先給予動植物特定同位素標(biāo)記，然后再通過檢測標(biāo)記在其體內(nèi)所產(chǎn)生的代謝物以達(dá)到對食品成分和追溯來源的目的。該方法適用于復(fù)雜混合樣品的檢測，且能夠提供有關(guān)食品生產(chǎn)、加工和儲存的實(shí)用信息。

與這些傳統(tǒng)的檢測方法相比，生物傳感器靈敏度高、選擇性高。生物傳感器能夠檢測到非常微小的待檢測成分，其靈敏度可達(dá)到ppm 級別并且可以通過固定化特定的生物識別元件實(shí)現(xiàn)對特定物質(zhì)的檢測，避免了與其他物質(zhì)的干擾。此外，生物傳感器還具有即時檢測的特點(diǎn)，能夠幫助人們及時發(fā)現(xiàn)食品中的有害物質(zhì)，并采取相應(yīng)的措施。另外，其不需要樣品前處理，操作簡單易行，能夠大大降低檢測成本，提高檢測效率。

不同的測量方法在食品安全研究中各有優(yōu)缺點(diǎn)。選擇合適的方法需要根據(jù)分析目的、樣品特性、實(shí)驗條件等方面進(jìn)行考慮。生物傳感器在食品安全檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景，但還需在穩(wěn)定性、再生性等方面進(jìn)一步改進(jìn)。

5 電化學(xué)傳感器在食品檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用

5.1 農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)

農(nóng)產(chǎn)品作為人類主要的食物來源，農(nóng)藥的大量使用成為提升農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的一個重要手段。由于農(nóng)藥的過量使用造成市場上許多農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留超標(biāo)，對人類健康產(chǎn)生了極大的威脅，并對自然環(huán)境也造成了污染。近年國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題事件屢見不鮮，農(nóng)藥殘留問題已經(jīng)引起社會各界的廣泛關(guān)注。以往常規(guī)的農(nóng)藥殘留檢測方法不僅費(fèi)用昂貴而且費(fèi)時費(fèi)力，因此，電化學(xué)檢測農(nóng)藥殘留這一方法應(yīng)運(yùn)而生。針對不同類型的農(nóng)藥，電化學(xué)傳感器檢測也已經(jīng)提出了相應(yīng)的檢測方法。

針對有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測，閔紅等構(gòu)建了2 類新型復(fù)合納米材料修飾的有機(jī)磷農(nóng)藥傳感器。其中，電流型乙酰膽堿酯酶生物傳感器采用Au-Fe3O4納米粒子修飾的酶傳感器，具有響應(yīng)速度快、檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；利用有機(jī)磷農(nóng)藥對乙酰膽堿酯酶的抑制作用對有機(jī)磷農(nóng)藥敵敵畏進(jìn)行了檢測，檢測限達(dá)到4.0 × 10-13mol·L-1[2]。

針對有機(jī)磷農(nóng)藥的定量分析，苗珊珊等利用納米材料和過氧化氫對魯米諾發(fā)光體系的增敏作用，成功構(gòu)建了電致化學(xué)發(fā)光酶生物傳感器，為環(huán)境介質(zhì)中有機(jī)磷農(nóng)藥的痕量殘留分析提供了新的手段和方法。將其用于卷心菜中有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留分析，4 種農(nóng)藥的加標(biāo)回收率在77.60%～108.43%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.78%～11.14%，符合農(nóng)藥殘留檢測的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

針對不同類型的農(nóng)藥殘留問題，相應(yīng)的檢測方法會逐步健全，這些方法都具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

5.2 獸藥殘留檢測技術(shù)

肉類食品是人類食物的重要組成部分，近年我國養(yǎng)殖業(yè)日漸趨于企業(yè)化、規(guī)模化。因此，在使用獸藥防范畜養(yǎng)物成批次傳染疾病成為保障畜牧業(yè)健康發(fā)展的重要措施，獸藥中有害物質(zhì)的殘留也成為近年備受關(guān)注的民生問題。而國內(nèi)以HPLC、GC-MS為代表的儀器分析技術(shù)無法滿足快速檢測精準(zhǔn)測量的安全需求[4]。如何快速精準(zhǔn)地檢測動物源性食品中獸藥成分的殘留成為重要的發(fā)展方向。

李鋒的研究使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了一次性電極，通過循環(huán)伏安掃描方法對電極進(jìn)行了掃描，結(jié)果顯示不同絲網(wǎng)印刷電極間的SD 為0.003，CV 為0.17%。使用紫外光引發(fā)快速聚合技術(shù)制備了針對3 種獸藥（氯霉素、己烯雌酚和沙丁胺醇）的分子印跡物。通過Langmuir 等溫吸附方程和Langergen 準(zhǔn)二級動力學(xué)方程研究了分子印跡物針對目標(biāo)分子的吸附學(xué)特征，并使用電化學(xué)傳感器進(jìn)行了獸藥（氯霉素、己烯雌酚和沙丁胺醇）的實(shí)際檢測評估。標(biāo)準(zhǔn)曲線顯示，在一定濃度范圍內(nèi)，3 種獸藥的檢測結(jié)果具有良好的線性關(guān)系，并且檢出限、回收率分別在特定范圍內(nèi)。這些研究表明，所制備的分子印跡物可以作為電化學(xué)傳感器的敏感元件材料，在食品安全監(jiān)測領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景[5]。

5.3 食品添加劑檢測技術(shù)

食品添加劑是為了改善食品的色、香、味等感官特征，或者為了滿足食品防腐和加工需要而加入的化合物或天然物質(zhì)。當(dāng)前使用的食品添加劑種類繁多，主要包括起泡劑、抗氧化劑、防腐劑、著色劑、增稠劑、甜味劑等。

抗氧化劑是防止食品因氧化作用而腐敗的食品添加劑。常用的人工合成酚類抗氧化劑包括丁基羥基茴香醚、叔丁基氫醌和沒食子酸丙酯等[6]，它們被添加到食品中能夠有效防止食品腐敗，延長食品保質(zhì)期。研究發(fā)現(xiàn)，長期攝入含有抗氧化劑的食品會導(dǎo)致體內(nèi)營養(yǎng)元素缺乏，一些抗氧化劑在人體內(nèi)分解還會產(chǎn)生多種有毒有害物質(zhì)，同時某些抗氧化劑會對人體內(nèi)的菌群產(chǎn)生不良影響。因此，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測抗氧化劑對保護(hù)人類身體健康以及食品安全領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

目前，傳統(tǒng)的抗氧化劑檢測方法主要包括高液相色譜、氣相色譜和紫外可見光譜分析。然而，這些方法存在許多缺點(diǎn)，如預(yù)處理時間長、儀器昂貴、操作復(fù)雜、需要專業(yè)的操作人員和檢測時間過長等。因此，研究人員采用各種納米材料修飾電極，結(jié)合分子印跡技術(shù)構(gòu)建了分子電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對丁基羥基茴香醚、叔丁基氫醌和沒食子酸丙酯等幾種食品添加劑的靈敏、快速檢測[7]。這些新型的分子電化學(xué)傳感器具有良好的再現(xiàn)性、穩(wěn)定性和重復(fù)性，并且在實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子特異性檢測的同時，均表現(xiàn)出較寬的線性檢測范圍和較低的檢測限制[8]。

6 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，人類社會正變得和以往任何時期都不同，但是健康的飲食是人類繁衍發(fā)展的必要條件。當(dāng)前食品檢測行業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，如樣本處理和分析過程中的復(fù)雜性、快速檢測技術(shù)的開發(fā)等。然而，電化學(xué)傳感器作為一種快速、靈敏、可靠的檢測工具，已經(jīng)被廣泛用于食品檢測中，并取得了良好的應(yīng)用效果，成為食品檢測領(lǐng)域的重要工具，為人類的食品安全保駕護(hù)航。