電分析化學(xué)法檢測(cè)食品中有機(jī)合成色素的應(yīng)用進(jìn)展

牛家華 ,王 勇 ,盧明華

(1.信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)化學(xué)教學(xué)部,信陽(yáng) 464000; 2.信陽(yáng)市畜產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)中心,信陽(yáng) 464000;3.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院環(huán)境與分析科學(xué)研究所,開(kāi)封 475004)

色澤是評(píng)價(jià)食品感官質(zhì)量的三大要素之一,在很大程度上影響消費(fèi)者的購(gòu)買欲望,因此在現(xiàn)代食品加工的過(guò)程中,色素被普遍用于改善食品的色澤,以期達(dá)到提高食品附加值進(jìn)而吸引消費(fèi)者購(gòu)買的目的[1]。色素有人工合成色素和天然色素兩類。天然色素價(jià)格較昂貴,而人工合成色素由于具有性質(zhì)穩(wěn)定、著色能力強(qiáng)且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代食品工業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2-3]。目前常用的有機(jī)合成色素主要有莧菜紅、胭脂紅、檸檬黃、誘惑紅、日落黃、亮藍(lán)、靛藍(lán)等,雖然這些色素可以明顯改善食品外觀,但是它們通常是以苯、甲苯等為原料,通過(guò)一系列的有機(jī)反應(yīng)合成制得,因此有機(jī)合成色素中多具有苯環(huán)等,具有潛在的毒性[4-6]。人體長(zhǎng)期攝入過(guò)多的有機(jī)合成色素會(huì)對(duì)人體的組織器官造成嚴(yán)重的危害,而且過(guò)量的有機(jī)合成色素對(duì)青少年具有致畸和致癌性,兒童攝入過(guò)量的有機(jī)合成色素會(huì)對(duì)大腦神經(jīng)系統(tǒng)造成損害[7-9]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2760－2014對(duì)這些有機(jī)合成色素的添加劑量和適用范圍都做了明確的規(guī)定,但是仍有不法商販為了利益在食品中大量添加有機(jī)合成色素,因此有必要建立快速準(zhǔn)確檢測(cè)有機(jī)合成色素的方法。目前檢測(cè)有機(jī)合成色素的主要方法有液相色譜法[10]、液相色譜-質(zhì)譜法[11-12]、表面增強(qiáng)拉曼光譜法[13]、熒光法[14]、紫外分光光度法[15]、電分析化學(xué)法[16]、毛細(xì)管電泳法[17]、數(shù)字圖像處理法[18]等,其中電分析化學(xué)法由于具有儀器價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),受到研究人員的青睞,在檢測(cè)有機(jī)合成色素的應(yīng)用中也有著重要的作用。

電分析化學(xué)從最開(kāi)始的極譜分析、離子選擇性電極、庫(kù)侖分析,發(fā)展到現(xiàn)代的電化學(xué)傳感器,電分析化學(xué)在環(huán)境、醫(yī)藥、食品分析等領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用[19-22]。21世紀(jì)以來(lái),電分析化學(xué)前沿研究方向?yàn)樾滦碗娀瘜W(xué)傳感器的開(kāi)發(fā),國(guó)內(nèi)外研究人員構(gòu)筑了各類性能優(yōu)良的電化學(xué)傳感器用于有機(jī)合成色素的檢測(cè)。修飾電極作為電化學(xué)傳感器最重要的元件,電極材料對(duì)其性能有著至關(guān)重要的影響。目前,用于合成修飾電極的材料主要有金屬納米材料、金屬氧化物材料、碳材料、聚合物材料等,本文綜述了近幾年來(lái)電極材料在構(gòu)筑電化學(xué)傳感器用于有機(jī)合成色素檢測(cè)的分析領(lǐng)域的研究進(jìn)展,并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 金屬納米材料

金屬納米材料具有良好的導(dǎo)電性,將其固定在電極表面可以顯著提高電化學(xué)傳感器的電催化性能。不同于以往利用粘黏劑將金屬納米顆粒固定在電極表面,目前研究人員合成了形態(tài)各異的金屬納米材料,這些材料的性能較金屬納米顆粒有了顯著的提升。YANG 等[23]將1,3,5-苯三甲酸作為配體合成了銅基金屬有機(jī)骨架,利用這種材料制備了碳糊電極,其電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)為單純碳糊電極的4倍,在檢測(cè)胭脂紅時(shí),線性范圍為1.25～500μg·L－1,檢出限為0.65μg·L－1,該方法試驗(yàn)結(jié)果與液相色譜法一致,具有良好的準(zhǔn)確性。同樣是合成銅基金屬有機(jī)框架,JI等[24]把1,3,5-苯三羧酸三甲酯離子作為配體,合成的材料可以同時(shí)檢測(cè)日落黃和檸檬黃。TVORYNSKA 等[25]制備了銀/汞合金電極,并使用直流吸附溶出伏安法檢測(cè)莧菜紅和誘惑紅,檢出限分別為2.1,3.4 nmol·L－1。

在金屬納米材料中,應(yīng)用最廣泛的是導(dǎo)電性能優(yōu)良的金、銀和銅納米材料,目前在電分析化學(xué)中單獨(dú)使用金屬納米材料進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)不能顯著提高電化學(xué)傳感器的性能,更多的是將金屬納米材料與碳材料結(jié)合使用。

2 金屬氧化物材料

在研究金屬納米材料的試驗(yàn)過(guò)程中,研究人員發(fā)現(xiàn)一些金屬氧化物可以明顯提升電化學(xué)傳感器的電催化能力,并將其用于檢測(cè)食品中的有機(jī)合成色素。

金屬氧化物材料具有比表面積高、生物相容性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),其在電分析化學(xué)中應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛,常用的金屬氧化物材料有氧化鋅[26]、二氧化鈦[27]、四氧化三鐵[28]等。YA 等[29]利用水熱法合成了氧化鋅納米花材料,氧化鋅納米花材料由許多須狀納米棒組成,這種結(jié)構(gòu)可以明顯提高修飾電極的比表面積,有利于日落黃的吸附與檢測(cè),在最佳試驗(yàn)條件下,日落黃的線性范圍為0.50～10μg·L－1和10～70μg·L－1,檢出限為0.10μg·L－1,并且該傳感器具有良好的抗干擾能力。DORRAJI等[30]首先在玻碳電極上利用電化學(xué)氧化反應(yīng)固定半胱氨酸,然后將半胱氨酸作為聚合框架修飾氧化鋅納米材料,制成電化學(xué)傳感器用來(lái)同時(shí)檢測(cè)日落黃和檸檬黃,兩者的氧化峰電位差為0.22 V,可以很好地將日落黃和檸檬黃分開(kāi),該方法在檢測(cè)食物樣品中的日落黃和檸檬黃時(shí)也取得了滿意的結(jié)果。研究人員還利用其他金屬氧化物構(gòu)筑電化學(xué)傳感器,并將其用于檢測(cè)有機(jī)合成色素,金屬氧化物電化學(xué)傳感器在檢測(cè)有機(jī)合成色素中的應(yīng)用見(jiàn)表1。

表1 金屬氧化物電化學(xué)傳感器在檢測(cè)有機(jī)合成色素中的應(yīng)用Tab.1 Application of electrochemical sensor modified by metallic oxide in detection of organic synthetic pigments

金屬氧化物納米材料多具有特殊的外形結(jié)構(gòu),可以顯著增加修飾電極的比表面積,有利于有機(jī)合成色素在修飾電極上的富集與檢測(cè)。在使用金屬氧化物納米材料構(gòu)筑電化學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上,研究人員可嘗試將金屬氧化物納米材料與其他材料結(jié)合使用,以期取得更加優(yōu)異的效果。

3 碳材料

自從石墨烯(GR)和碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái),碳材料在電分析化學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,由于石墨烯和碳納米管具有比表面積大、導(dǎo)電性能好、易于修飾等優(yōu)點(diǎn),研究人員開(kāi)發(fā)了各類改性的碳材料用于檢測(cè)食品中的有機(jī)合成色素[35-36]。

3.1 石墨烯

石墨烯通常以二維層狀結(jié)構(gòu)形式存在,由于石墨烯存在不可逆的團(tuán)聚現(xiàn)象,因此在電分析化學(xué)中的應(yīng)用受到限制。為了獲得更好的性能,研究人員通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石墨烯被氧化后會(huì)攜帶羧基、羥基和富氧官能團(tuán),這就為合成改性的石墨烯提供了機(jī)會(huì)[37]。但氧化石墨烯(GO)表面存在的這些基團(tuán)使得電子傳輸能力下降,不利于電化學(xué)傳感器表面的電催化過(guò)程。研究人員經(jīng)過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):與GO 相比,還原氧化石墨烯(ErGO)表面含氧基團(tuán)會(huì)顯著下降,平面共軛結(jié)構(gòu)與石墨烯較為類似,Er GO固定到電極上后會(huì)顯著提升電化學(xué)傳感器的電化學(xué)性能[38-39]。

DE MORAES等[40]通過(guò)電沉積法將氧化石墨烯固定到玻碳電極表面得到了還原氧化石墨烯,制得的電化學(xué)傳感器用于方波伏安法檢測(cè)胭脂紅,線性范圍為0.200～20.0 μmol·L－1,檢出限為0.284 nmol·L－1,在檢測(cè)速溶果汁中的胭脂紅時(shí),結(jié)果與液相色譜法一致。JAMPASA 等[41]采用電化學(xué)還原氧化石墨烯修飾絲網(wǎng)印刷碳電極同時(shí)檢測(cè)日落黃和檸檬黃,在pH 為6的緩沖溶液中,兩者的氧化峰電位分別為0.41,0.70 V,同時(shí)檢測(cè)時(shí)可以互不干擾。MAGERUSAN 等[42]開(kāi)發(fā)了一種方法用于制備殼聚糖/石墨烯納米材料,該方法無(wú)需使用任何有機(jī)試劑,具有綠色、安全的特點(diǎn),利用殼聚糖/石墨烯納米材料修飾的玻碳電極檢測(cè)日落黃時(shí),檢出限為0.666 nmol·L－1,回收率為92.65%～97.00%。張金磊等[43]利用石墨粉合成了石墨烯量子點(diǎn),石墨烯量子點(diǎn)修飾的玻碳電極(GCE)對(duì)日落黃的氧化還原反應(yīng)具有良好的催化作用,在最佳的試驗(yàn)條件下,該傳感器對(duì)日落黃的檢出限為0.1μmol·L－1,線性范圍為0.4～100μmol·L－1。

由于石墨烯比表面積大,而金屬納米顆粒又容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,因此把二者結(jié)合起來(lái)可以明顯改善金屬納米顆粒的分散性,并提高其活性[44]。金屬納米材料修飾石墨烯電化學(xué)傳感器在檢測(cè)有機(jī)合成色素中的應(yīng)用見(jiàn)表2。

表2 金屬納米材料修飾石墨烯電化學(xué)傳感器在檢測(cè)有機(jī)合成色素中的應(yīng)用Tab.2 Application of electrochemical sensor modified by metal nanomaterial and graphene in detection of organic synthetic pigments

金屬氧化物電化學(xué)傳感器在檢測(cè)食品中的有機(jī)合成色素時(shí)具有不俗的性能表現(xiàn),科研人員將石墨烯與金屬氧化物結(jié)合在一起后發(fā)現(xiàn)修飾電極的電化學(xué)信號(hào)得到了進(jìn)一步的提升,這為有機(jī)合成色素的高靈敏度檢測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。JING 等[52]通過(guò)兩步法合成了PSS-GR/Co3O4復(fù)合材料(PSS為聚苯乙烯磺酸鈉),由于PSS-GR 和四氧化三鈷之間存在團(tuán)簇效應(yīng),PSS-GR/Co3O4/GCE 在檢測(cè)莧菜紅時(shí)擁有最佳的氧化活性,檢出限為4.0 nmol·L－1,回收率為97.5%～103.3%。HE 等[53]合成了立方結(jié)構(gòu)的氧化亞銅,粒徑約為150 nm,氧化亞銅在修飾上Er GO 后,Cu2O-Er GO 復(fù)合材料表面變得粗糙,且尺寸有所增加,有利于日落黃的吸附。DING等[54]利用合成的二氧化錳納米棒與ErGO 結(jié)合制備了MnO2-ErGO 復(fù)合納米材料,將MnO2-ErGO固定到GCE表面后,使用二階導(dǎo)數(shù)線性掃描伏安法檢測(cè)日落黃,檢出限為2.0 nmol·L－1,并且20μmol·L－1的莧菜紅、誘惑紅、亮藍(lán)和10μmol·L－1的檸檬黃對(duì)檢測(cè)不產(chǎn)生干擾。HE 等[55]將二氧化鈦和GO 分散在水溶液中,利用滴涂的方法將它們固定到GCE表面,然后在恒電位下還原120 s得到TiO2-Er GO/GCE 來(lái)檢測(cè)碳酸飲料中的檸檬黃,檢出限為8.0 nmol·L－1,該方法制備的電化學(xué)傳感器性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。POGACEAN 等[56]合成了TiO2-Ag納米顆粒并將其與GO 結(jié)合制備了GO/TiO2-Ag復(fù)合納米材料,在比較了TiO2-Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合納米材料性能的影響后,試驗(yàn)選擇了TiO2-Ag質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的GO/TiO2-Ag復(fù)合納米材料修飾金電極來(lái)檢測(cè)莧菜紅,檢出限為0.1μmol·L－1。

3.2 碳納米管

碳納米管可以理解為石墨烯片卷曲形成的中空管體,按照石墨烯片的層數(shù)碳納米管可以分為單壁碳納米管 (SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。碳納米管既可以通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合的方法,也可以通過(guò)在其表面或頂端連接其他材料的方法達(dá)到功能化的目的[57-58]。碳納米管和功能化的碳納米管用于制備化學(xué)修飾電極,并將其用于有機(jī)合成色素檢測(cè)取得了令人滿意的結(jié)果。

SIERRA-ROSALES等[59]將1,3-二氧戊環(huán)作為分散劑,制備了MWCNTs改性的玻碳電極用于同時(shí)檢測(cè)飲料中的檸檬黃和日落黃,試驗(yàn)研究了掃描速率、酸度、MWCNTs使用量和吸附時(shí)間對(duì)峰電流的影響,在最佳的試驗(yàn)條件下,檸檬黃和日落黃的檢出限分別為0.22,0.12μmol·L－1;試驗(yàn)還利用該傳感器檢測(cè)等滲運(yùn)動(dòng)飲料中的誘惑紅和亮藍(lán),也取得了滿意的結(jié)果[60]。

碳納米管和金屬、金屬氧化物的結(jié)合對(duì)提高電化學(xué)傳感器的性能有著積極的作用,NU?EZ-DALLOS 等[61]合成了雙鏈螺旋銅(Ⅰ),并將其與SWCNTs結(jié)合用于修飾絲網(wǎng)印刷電極,使用方波吸附溶出伏安法檢測(cè)莧菜紅和檸檬黃,檢出限分別為30.0,60.0 nmol·L－1,3支電極的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.5%。BIJAD 等[62]使用化學(xué)沉淀法合成了Cu O/SWCNTs,球形的氧化銅均勻分布在SWCNTs表面,利用離子液體將Cu O/SWCNTs修飾到碳糊電極表面后再檢測(cè)莧菜紅。試驗(yàn)嘗試將石墨烯和碳納米管一起修飾的電化學(xué)傳感器用于檢測(cè)有機(jī)合成色素,結(jié)果良好。QIU 等[63]制備了GO/MWCNTs/GCE,在檢測(cè)日落黃時(shí),線性范圍為0.09～8.0μmol·L－1,檢出限為0.025μmol·L－1,該傳感器可用于檢測(cè)橙汁中的日落黃。

碳材料歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,已被開(kāi)發(fā)出各種性能優(yōu)異的新型材料,如石墨烯、碳納米管、類石墨烯、石墨烯量子點(diǎn)、富勒烯等,而且許多科技公司可以提供新型的成熟碳材料,研究人員可將其用于電分析化學(xué)來(lái)檢測(cè)食品中的常用有機(jī)合成色素。

4 聚合物材料

聚合物材料由于其中高分子的主鏈或側(cè)鏈攜帶一些可以參與化學(xué)反應(yīng)的官能團(tuán),因此該材料可以與其他材料進(jìn)行復(fù)合,研究人員在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些聚合物修飾的電化學(xué)傳感器可以有效檢測(cè)食品中常見(jiàn)的有機(jī)合成色素[64]。

MANJUNATHA[65]將碳糊電極放置于甘氨酸溶液中,在0.5～1.8 V 內(nèi)進(jìn)行10次循環(huán)伏安掃描,成功制備了聚甘氨酸/碳糊修飾電極,聚甘氨酸對(duì)檸檬黃的電化學(xué)氧化反應(yīng)有明顯的催化作用。ZHAO等[66]利用循環(huán)伏安法,以間二羥基苯和鄰苯二胺為單體在玻碳電極表面進(jìn)行聚合,制得了可以靈敏檢測(cè)檸檬黃的電化學(xué)傳感器,線性范圍為0.005～1.1μmol·L－1,檢出限為3.5 nmol·L－1,測(cè)定結(jié)果與高效液相色譜法相比,相對(duì)誤差為－3.5%～1.7%,準(zhǔn)確性良好。SAKTHIVEL 等[67]把玻碳電極放置在含有二氯化鋱的鐵氰化鉀-氯化鉀溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,得到了星形結(jié)構(gòu)的鋱鐵氰化物修飾電極,然后將該電極放置于含有乙烯二氧噻吩和高氯酸鋰的混合溶液中進(jìn)行電沉積,得到聚合物,聚合物原本的星形結(jié)構(gòu)并未被破壞,而是在其上增添了一種層狀物,最終制備的電化學(xué)傳感器可以靈敏地檢測(cè)檸檬黃,檢出限為32 nmol·L－1。胡晴晴等[68]將玻碳電極放入含有石墨烯和L-精氨酸的聚合底液中,結(jié)合循環(huán)伏安法制備了聚L-精氨酸/石墨烯修飾電極用于檢測(cè)誘惑紅,試驗(yàn)考察了掃描速率、酸度、靜置時(shí)間對(duì)修飾電極的影響,該方法對(duì)誘惑紅的檢出限為10 nmol·L－1,而且一定含量的胭脂紅、抗壞血酸、尿酸和檸檬酸對(duì)該方法均不產(chǎn)生干擾。ARVAND 等[69]制備了聚(5-磺基水楊酸)/Cu(OH)2/石墨烯修飾玻碳電極,利用方波伏安法檢測(cè)檸檬黃,聚(5-磺基水楊酸)的加入可以增加電極的比表面積,有利于檸檬黃的電催化氧化,該傳感器在檢測(cè)糖果和飲料中的檸檬黃時(shí)結(jié)果良好。

5 其他材料

張超等[70]采用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體修飾膨脹石墨糊電極,開(kāi)發(fā)了一種靈敏檢測(cè)亮藍(lán)的方法,離子液體改性的石墨具有疏松多孔的結(jié)構(gòu),有利于電化學(xué)傳感器對(duì)亮藍(lán)的物理吸附,使用方波溶出伏安法檢測(cè)亮藍(lán),檢出限為8.0 nmol·L－1,線性范圍為0.010～7.0μmol·L－1。PE?AGONZALEZ等[71]將殼聚糖溶液滴涂于玻碳電極表面,在70 ℃下放置10 min后所得修飾電極即可用于檢測(cè)日落黃,該方法操作簡(jiǎn)便且耗費(fèi)低,可以檢測(cè)食物樣品中的日落黃。RARIL 等[72]將TX-100表面活性劑修飾到碳糊電極上,制備了簡(jiǎn)單的電化學(xué)傳感器用于檢測(cè)靛藍(lán),在pH 為6.5時(shí),靛藍(lán)的氧化還原峰電流達(dá)到最大,同時(shí)該傳感器還可用于實(shí)際樣品中的靛藍(lán)的檢測(cè)。MAZLAN 等[73]首先把漆酶固定到甲基丙烯酸酯微球表面,然后將其與金納米顆粒一起修飾到碳糊絲網(wǎng)印刷電極表面,采用微分脈沖伏安法檢測(cè)檸檬黃,線性范圍為0.2～14μmol·L－1,檢出限為0.04μmol·L－1,該傳感器在4 ℃下可保存30 d,具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)和展望

電分析化學(xué)法是一種靈敏、快速、廉價(jià)的定量分析方法,在食品分析、生物分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是電分析化學(xué)法也具有自身的缺陷,其一是無(wú)法滿足多種目標(biāo)物的同時(shí)定量分析,這就使電分析化學(xué)法在檢測(cè)食品中常用有機(jī)合成色素時(shí)效率低下;其二是電分析化學(xué)法的重現(xiàn)性差強(qiáng)人意,尤其是制備的多支電化學(xué)傳感器在檢測(cè)同一含量的待測(cè)物時(shí),峰電流很難保持一致。

針對(duì)以上缺點(diǎn),研究人員可以考慮從以下兩個(gè)方面著手:①合成性能優(yōu)良的納米材料用以制備化學(xué)修飾電極,以滿足寬電壓檢測(cè)范圍下的同時(shí)分析需求;②避免使用滴涂的方法來(lái)制備化學(xué)修飾電極,該方法雖簡(jiǎn)便,但是穩(wěn)定性和重復(fù)性均不能得到保障,可以嘗試使用碳糊電極來(lái)代替滴涂法制備的電極,盡可能地提高電分析化學(xué)法的重現(xiàn)性。