电化学传感器在食品检测中的应用

杨凯　张洪春

食品检测是食品管理工作的重要环节，电化学传感器不仅能够使食品检测工作更加便捷、高效，还能保障检测结果的准确性，因此在食品检测领域得到了广泛应用。

一、电化学传感器的基本概念

电化学传感器的类型有很多，如电流型、电位型、电导型、电容型等，虽然它们的具体检测方法、思路并不相同，但在原理、流程、功能等方面基本一致。

目前，市面上通用的电化学传感器主要由识别、转换两个系统组成。识别系统中有事前制备好的电极导体材料，与特定物体接触后会促使特定物体发生氧化反应，因此电化学传感器检测的第一步就是通过识别系统促使待测目标发生特定氧化还原反应，再依靠内部检测单元获取检测信号，然后通过信号发出单元向转换系统发送反应信号。转换系统负责接收识别系统发出的反应信号，再将信号传输到电子系统中进行转换或做其它处理，这样人们就能从仪表上读取信号搭载信息，获得检测结果。信号转换功能主要是利用信号与电流、电压或电导之间的线性关系，将接收到的信号按特定规则转换为电信号，促使信号可以被读取。

二、电化学传感器在食品检测中的优势分析

电化学传感器功能完整，在食品检测中能够帮助完成食品定性、定量测量的任务，应用范围也非常广泛，能够基本满足常见食品的检测需求。

除了电化学传感器检测法以外，比较常见的食品检测方法还有固相萃取法、高效液相色谱法、分光度法、荧光发射光谱法、固相分光度法等。电化学传感器在分离效率、选择范围、检测灵敏度、应用范围上的表现与其它检测方法基本相同，但电化学传感器还具有其它方面的优势：

其一，其它检测方法大部分需要大量设备作为支持，且检测时需要消耗一定的材料，如萃取类方法就要消耗各种萃取剂，因此在成本、资源消耗等方面的表现并不理想。但电化学传感器基本不存在材料消耗需求，设备本身的价格也不高，还有较长的使用寿命，因此电化学传感器成本低廉，经济效益良好。

其二，其它检测方法在检测时需要等待较长一段时间才能得出结果，检测效率存在一定的缺陷，但电化学传感器可以在很短的时间内给出结果，故具有效率优势。

其三，其它检测方法可能需要专业人员负责操作，对检测环境也有比较高的要求，操作难度大，容易出错。但电化学传感器要求较低，操作方式比较简便，只要保障样品本身不存在任何问题，检测结果的出错率也比较低。

三、电化学传感器在食品检测中的具体应用

1.食用色素检测。我国允许在食品生产过程中使用食用色素，但对于使用剂量有着严格的要求。为了保障食品安全，食品检测中必须对食用色素进行定性、定量检测，确认所使用的色素是否属于规定许可的食用色素，以及食用色素的用量是否超标。日落黄、酒石黄等大部分食用色素属于偶氮色素，此类色素中含有具备电化学活性的N=N基团，当基团接触到电极表面时会发生氧化、还原反应，所以可以使用电化学传感器对其进行检测；操作方式也很简单，即选择带有高催化活性工作电极的电化学传感器，将待测样品与电极接触，结合识别系统、转换系统的信号收发机制，就能轻松得到源于样品的电化学还原信号，读取读数即可做出判断。

有研究使用电化学传感器对日落黄进行了两次检测：第一次主要采用常规电化学传感器检测法，但因为日落黄含量比较少，所以检测结果并不理想，存在日落黄电化学反应不明显的情况；第二次则采用带有玻碳电极的电化学传感器，并且通过纳米薄片、纳米棒对电极表面进行修饰，使得电极表面积增大，由此解决了以上问题，得到了准确的结果。

2.抗生素检测。抗生素是食品中常见的一种药物残留成分，只要摄入不过量，就不会对人体造成影响，甚至有益于身体健康，但如果摄入过量，则可能会破坏人体机能、诱发不良反应。若摄入者属于特殊人群（带有特定疾病的人群等），还可能引发药物过敏等问题。食品中抗生素的来源比较特殊，常见于肉类、蔬果类、奶制品等食品中，此类食品的原材料为动物、蔬果本身或来源于动物的某个部分，因为在动物、蔬果培育过程中可能会过多使用抗生素。

相关研究对特定食物中的常见抗生素进行了归类，大体包括四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类、氯霉素等，而电化學传感器能够对多种类型的抗生素进行检测。例如，有研究使用纳米材料的电化学传感器对氯霉素进行了检测，根据记录，该电化学传感器在氯霉素检测中表现出了极高的稳定性与电子转移速率，检测线性范围可达1×10-8mol/L -6×10-6mol/L，最低检出限为5×10-9mol/L，检测回收率最高达到100.3%（样品为牛奶），在实际牛奶样品中的回收率为97%-100.3%，结果准确率与实际值之间存在3.56%的误差，优于大部分检测方法。

3.添加剂检测。食品添加不但能改变食品的外观、口味、质感与保质期，让食品更加光鲜亮丽，而且食品添加剂的种类更多，生产过程中可能会出现同时使用多种食品添加剂的情况，所以食品添加剂的检测难度更大，容易遇到复杂样品。目前，食品生产中主要使用的食品添加剂有调节剂、抗氧化剂、防腐剂、香料等，这些添加剂不仅存在用量、类型上的严格要求，还存在使用方法上的要求，例如一些添加剂允许直接用于食品本身，只能封装起来与食品一起存放。

如何快速、准确地完成食品添加剂检测是人们普遍关注的问题，而电化学传感器能够有效提高检测的效率以及结果的准确性。以十六烷基三甲基铵硝酸盐为例，电化学传感器在检测中可以使用阳离子表面活性剂复合壳聚糖、功能化碳纳米管对工作电极表面进行修饰，大幅提升电化学传感器对十六烷基三甲基铵硝酸盐的敏感程度，提高传感器检测时的稳定性、灵敏度，从而快速、准确地检测十六烷基三甲基铵硝酸盐。除此以外，还可以选择甲醛次硫酸氢钠电化学传感器进行添加剂检测，有研究证明，这种传感器在添加剂检测中的应用范围广泛，大部分情况下其检测范围为3×10-5mol/L-8×10-6mol/L，最高检出限为10-6mol/L，并且这种传感器能在4℃条件下保持至少一周，在该时间范围内其电流衰减率不到5%，说明使用寿命长，可以长期使用。

4.有害物质检测。电化学传感器在食品检测中还能用于有害物质检测，比如较为常见的农药、重金属、微生物以及有害化学物质。

（1）农药。蔬果类等农产品在生产过程中会喷洒农药，以保障产量和品质，但使用农药就可能导致蔬果植物上存在农药残留，被加工成食品后也可能被人体摄入，对人体健康乃至生命安全都有威胁。电化学传感器检测法通过电极与待测目标的相互反应，能够准确完成农药的定性、定量检测。普通的裸电极电化学传感器在农药检测中的表现比较一般，于是人们开发出了很多新型电化学传感器以保障检测效率与质量。以石墨烯材料的电化学传感器为例，该传感器在石墨烯材料的帮助下，消除了原本存在的电极钝化、分析物反应电位过高、电子转移缓慢等缺陷，相关性能指标也有显著提升，即使面对复杂的样品，也能直接检测出其中含有的农药成分并确认具体含量。

（2）重金属。食品中重金属的来源较多，食品原材料采集、培育以及食品生产的各个环节都可能导致重金属融入食品。过量摄入或摄入特定重金属成分，都对人体有不利影响。当前大多数食品中常见的重金属有Pb、Cd、Hg、Cu、Zn等，普通电化学传感器可以对其进行检测，且效率、结果准确性均有保障，但普通电化学传感器的工作电极与重金属长期接触一段时间后，会经常发生电极电催化效果不达标的问题，说明电极性能下降，这对检测成本有不利影响。针对这一问题，有研究建议使用纳米复合型材料电化学传感器，使得电化学活性点位、阳离子亲和力提升，随之使用阳极溶出伏安法对重金属进行检测。同时，纳米复合型材料电化学传感器在重金属检测范围上也有出色表现，能对Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+等多种重金属物质进行检测。除此以外，石墨烯材料电化学传感器也可用于重金属检测，相比于普通电化学传感器，石墨烯材料电化学传感器的电信号响应速度、灵敏度等性能指标更高，还能帮助完成二价态金属离子富集。

（3）微生物。大部分食品安全问题的成因都是食品中携带了有害微生物，如各种食源性致病菌、腐败菌等，这也说明了微生物在食品检测工作中的重要性。电化学传感器在微生物检测方面表现优秀，能够在保障检测效率和质量的同时，帮助控制检测成本。适用于微生物检测的电化学传感器有很多，以鼠伤寒沙门氏菌为例，这是一种很常见的有害微生物，建议选择玻碳电极电化学传感器，该传感器在鼠伤寒沙门氏菌检测中的检出限一般为101CFU/mL，主要是通过氨基修饰特异性DNA适配体，使其与鼠伤寒沙门氏菌抗原结合，由此提出准确的检测结果。

（4）有害化学物质。有害化学物质种类繁多，以亚硝酸盐为例，其常见于各种加工类食品如肉类罐头食品、豆类封装食品中，因为亚硝酸盐很容易与胺结合产生具有致癌性的亚硝胺，所以被国家严格管控。电化学传感器可以检测出亚硝酸盐，检测的响应速度很快，且灵敏度高，是當前亚硝酸盐检测的首要选择之一。通常情况下，建议选择氧化石墨烯聚苯胺金纳米颗粒传感器对亚硝酸盐进行检测，该传感器检测线性范围为0.5μmol/L-240μmol/L，检出限为0.17μmol/L。该传感器的石墨烯材料呈网状，能大幅提升工作电机的表面积，促使活性位点数量、电导率增加，故而通过工作电极能更好地催化亚硝酸盐，与其发生氧化反应后，通过仪表读取读数即可获得准确的结果。值得一提的是，因为亚硝酸盐等有害化学物质具有化学腐蚀性，对于传感器工作电极会有较大损伤，使得检测成本增加，所以不建议使用普通的裸电极电化学传感器对包括亚硝酸盐在内的大部分有害化学物质进行检测。

综上所述，食品检测工作兹事体大，内容繁多，情况复杂，且存在检测成本、效率、准确性等方面的高要求，因此合理选择检测方法是做好该项工作的关键。电化学传感器检测法在食品检测工作中表现良好，应当充分了解其具体应用方式，并积极使用该方法进行食品检测。

作者简介：杨凯（1990-），女，汉族，山东平邑人，工程师，硕士研究生，研究方向为食品安全检测。

张洪春（1981-），男，汉族，山东平邑人，助理工程师，大学本科，研究方向为检验检测。