电化学传感器在食品检测中的应用

◎ 吴月

（烟台大学，山东 烟台 264005）

1 食品进行安全检测的必要性

食品安全是人民生命健康的重要保障，而食品安全检测则是确保食品安全的有效手段之一。食品安全检测的重要性在于可以发现食品中可能存在的各种危害人体健康的化学或生物污染物，避免疾病的发生。在现代食品加工生产中，由于加工流程和食品来源的复杂性，很容易引发安全问题，食品安全检测能够及时发现和识别食品中的污染物，对检出的污染样品进行定性和定量分析，以判断其是否符合国家食品安全标准，从而保障人民群众的饮食安全。同时，可以提高食品生产企业的质量管理能力，增强企业的市场竞争力。只有加强食品安全检测，严格落实食品安全监管责任，才能保障人民群众的身体健康，维护社会和谐稳定[1]。

2 电化学传感器的基本原理

电化学传感器是一种利用电化学反应原理进行定量或定性检测的仪器。它可以通过测量化学反应的电流或电势的大小来检测被测物质的浓度或种类。电化学传感器以电极为关键部件，分为工作电极、参比电极和计量电极3 种类型。其中，工作电极直接与被测液体接触，与被测物质发生氧化还原或酸碱反应；参比电极提供一个稳定的电位作为参考；计量电极使用特定的反应作为比例的电极。被测物质与电极发生反应，导致电极电位或电流发生变化。根据反应类型不同，电极电位或电流值也会有所变化，从而推算出被测物质成分的含量或种类。电化学传感器广泛应用于工业、环境、医药和食品等领域。

3 电化学传感器的种类

电化学传感器是一种将化学反应转换为电信号的装置，根据其测量原理和结构特点的不同，可以分为气体传感器、生物传感器、电解质传感器、光电化学传感器以及热电化学传感器。其中生物传感器是利用生物识别元件（如酶、抗体等）对特定分子进行识别和测量；电解质传感器是利用电极与被测物质之间的电位差或电流关系测量被测物质的性质和浓度；热电化学传感器是利用热电效应将温度变化转化为电压信号，通过测量电信号得到被测物质的信息。食品检测是一个复杂的过程，需要多项工作结合起来共同完成。

4 食品安全研究中几种测量方法的比较

食品安全是一个重要的话题，保障食品安全需要进行各种研究。在这些研究中，经常需要对食品样品进行检测和分析，以了解其是否存在某些有害物质或者是否符合相关标准。不同的检测方法有不同的适用范围及其优缺点，下面将对几种常见的测量方法进行简单介绍和对比。

高效液相色谱法（HPLC）。是一种广泛应用的分离和检测技术，可以应用于食品中残留农药、兽药、有害物质等的定量分析。该方法检测灵敏度高、准确性高，而且可以同时检测多种化合物，但是需要样品前处理较为复杂，且仪器设备价格较高。

气相色谱法（GC）。是一种通过分离和检测挥发性有机化合物的技术，可应用于食品中挥发性物质以及脂肪酸、香料等的检测。该方法检测灵敏度高、分离效果好，且能够快速确定化合物结构，但是无法检测非挥发性物质。

原子吸收分光光度法（AAS）。是一种分析样品元素含量的技术，可应用于食品中微量元素、重金属等有害物质的测量。该方法对某些元素具有高选择性和灵敏度，但需要对样品进行高温灼烧处理，同时样品的基质影响较大。

同位素示踪法（ITT）。是一种先给予动植物特定同位素标记，然后再通过检测标记在其体内所产生的代谢物以达到对食品成分和追溯来源的目的。该方法适用于复杂混合样品的检测，且能够提供有关食品生产、加工和储存的实用信息。

与这些传统的检测方法相比，生物传感器灵敏度高、选择性高。生物传感器能够检测到非常微小的待检测成分，其灵敏度可达到ppm 级别并且可以通过固定化特定的生物识别元件实现对特定物质的检测，避免了与其他物质的干扰。此外，生物传感器还具有即时检测的特点，能够帮助人们及时发现食品中的有害物质，并采取相应的措施。另外，其不需要样品前处理，操作简单易行，能够大大降低检测成本，提高检测效率。

不同的测量方法在食品安全研究中各有优缺点。选择合适的方法需要根据分析目的、样品特性、实验条件等方面进行考虑。生物传感器在食品安全检测中具有广阔的应用前景，但还需在稳定性、再生性等方面进一步改进。

5 电化学传感器在食品检测领域中的应用

5.1 农药残留检测技术

农产品作为人类主要的食物来源，农药的大量使用成为提升农产品产量的一个重要手段。由于农药的过量使用造成市场上许多农产品中的农药残留超标，对人类健康产生了极大的威胁，并对自然环境也造成了污染。近年国内农产品质量安全问题事件屡见不鲜，农药残留问题已经引起社会各界的广泛关注。以往常规的农药残留检测方法不仅费用昂贵而且费时费力，因此，电化学检测农药残留这一方法应运而生。针对不同类型的农药，电化学传感器检测也已经提出了相应的检测方法。

针对有机磷农药的检测，闵红等构建了2 类新型复合纳米材料修饰的有机磷农药传感器。其中，电流型乙酰胆碱酯酶生物传感器采用Au-Fe3O4纳米粒子修饰的酶传感器，具有响应速度快、检测灵敏度高等优点；利用有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的抑制作用对有机磷农药敌敌畏进行了检测，检测限达到4.0 × 10-13mol·L-1[2]。

针对有机磷农药的定量分析，苗珊珊等利用纳米材料和过氧化氢对鲁米诺发光体系的增敏作用，成功构建了电致化学发光酶生物传感器，为环境介质中有机磷农药的痕量残留分析提供了新的手段和方法。将其用于卷心菜中有机磷农药的残留分析，4 种农药的加标回收率在77.60%～108.43%，相对标准偏差在1.78%～11.14%，符合农药残留检测的标准[3]。

针对不同类型的农药残留问题，相应的检测方法会逐步健全，这些方法都具有各自的特点和优势，在实际应用中可以根据需要进行选择。

5.2 兽药残留检测技术

肉类食品是人类食物的重要组成部分，近年我国养殖业日渐趋于企业化、规模化。因此，在使用兽药防范畜养物成批次传染疾病成为保障畜牧业健康发展的重要措施，兽药中有害物质的残留也成为近年备受关注的民生问题。而国内以HPLC、GC-MS为代表的仪器分析技术无法满足快速检测精准测量的安全需求[4]。如何快速精准地检测动物源性食品中兽药成分的残留成为重要的发展方向。

李锋的研究使用丝网印刷技术制备了一次性电极，通过循环伏安扫描方法对电极进行了扫描，结果显示不同丝网印刷电极间的SD 为0.003，CV 为0.17%。使用紫外光引发快速聚合技术制备了针对3 种兽药（氯霉素、己烯雌酚和沙丁胺醇）的分子印迹物。通过Langmuir 等温吸附方程和Langergen 准二级动力学方程研究了分子印迹物针对目标分子的吸附学特征，并使用电化学传感器进行了兽药（氯霉素、己烯雌酚和沙丁胺醇）的实际检测评估。标准曲线显示，在一定浓度范围内，3 种兽药的检测结果具有良好的线性关系，并且检出限、回收率分别在特定范围内。这些研究表明，所制备的分子印迹物可以作为电化学传感器的敏感元件材料，在食品安全监测领域有很大的应用前景[5]。

5.3 食品添加剂检测技术

食品添加剂是为了改善食品的色、香、味等感官特征，或者为了满足食品防腐和加工需要而加入的化合物或天然物质。当前使用的食品添加剂种类繁多，主要包括起泡剂、抗氧化剂、防腐剂、着色剂、增稠剂、甜味剂等。

抗氧化剂是防止食品因氧化作用而腐败的食品添加剂。常用的人工合成酚类抗氧化剂包括丁基羟基茴香醚、叔丁基氢醌和没食子酸丙酯等[6]，它们被添加到食品中能够有效防止食品腐败，延长食品保质期。研究发现，长期摄入含有抗氧化剂的食品会导致体内营养元素缺乏，一些抗氧化剂在人体内分解还会产生多种有毒有害物质，同时某些抗氧化剂会对人体内的菌群产生不良影响。因此，实现准确检测抗氧化剂对保护人类身体健康以及食品安全领域的发展具有重要意义。

目前，传统的抗氧化剂检测方法主要包括高液相色谱、气相色谱和紫外可见光谱分析。然而，这些方法存在许多缺点，如预处理时间长、仪器昂贵、操作复杂、需要专业的操作人员和检测时间过长等。因此，研究人员采用各种纳米材料修饰电极，结合分子印迹技术构建了分子电化学传感器，实现了对丁基羟基茴香醚、叔丁基氢醌和没食子酸丙酯等几种食品添加剂的灵敏、快速检测[7]。这些新型的分子电化学传感器具有良好的再现性、稳定性和重复性，并且在实现对目标分子特异性检测的同时，均表现出较宽的线性检测范围和较低的检测限制[8]。

6 结语

随着科技的发展，人类社会正变得和以往任何时期都不同，但是健康的饮食是人类繁衍发展的必要条件。当前食品检测行业面临诸多挑战，如样本处理和分析过程中的复杂性、快速检测技术的开发等。然而，电化学传感器作为一种快速、灵敏、可靠的检测工具，已经被广泛用于食品检测中，并取得了良好的应用效果，成为食品检测领域的重要工具，为人类的食品安全保驾护航。