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離子色譜-電化學安培檢測技術在食品分析中的應用

文檔作者：王霞1 周紅2 樊華軍1 王歡1 何品剛文檔來源： 1．華東師范大學化學系 2．上海天美科學儀器有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年04月07日
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第30卷第4期20l 0年12月化學傳感器CHEMICAL SENSORSV01．30．No．4Dec．2 0 l O離子色譜一電化學安培檢測技術在食品分析中的應用王 霞1，周 紅2，樊華軍1，王 歡1，何品剛1’(1．華東師范大學化學系。上海200062)(2．上海天美科學儀器有限公司，上海201612)摘要：離子色譜作為高效液相色譜的一種常用技術．自出現以來發展十分迅速，廣泛應用于檢測各種無機和有機陰、陽離子。通過與電化學安培檢測技術聯用，極大拓寬了檢測范圍。該文綜述了用離子色譜一電化學安培檢測技術在食品分析中的應用．比較了離子色譜與三種不同電化學安培檢測技術聯用中出現的問題及改進方案．并展望了此法將來的發展方向。關鍵詞：離子色譜；電化學安培檢測；食品分析Ion chromatography-electrochemical amperometric detection infood analysisWang Xial，Zhou Hon礦，Fan Hua-junl，Wang Huanl，He Pin-gangp(1．Department of Chemistry，East China Normal University，Shanghai 200062，China)(2．Shanghai Techcomp Instrument“d．，Shanghai 201612，China)Abstract：As aconlnlon technology of high performance liquid chromatography，ion chromatography has developedrapidly since it has been invented and has broad appficafions in detecting avariety of inorganic and organic anionsand cationg．Combined with electrochemical amperometric detection，the scope of testing has been greatly widened．This paper sumlnal'ig璐the u眈of ion chromatography-electrochemical ampemmetric detection in food analysis．theproblems and improved programs of ion chromatography coupled with three electrochemical amperometric detectiontechnologies and the future development of the methodology．Key words：ion chromatography；electrochemical amperometric detection；food analysisO引言食品是人類賴以生存和發展的必要條件，食品安全也是人們13益關注的問題。現代社會．科技發展日新月異，各種食品添加劑、防腐劑的過量使用以及農藥殘留等問題，越來越引起了人們的關注。同時，食品中各種營養成分的含量多少，也成為評價食品質量好壞的一個重要標準。評價食品各種安全指標的技術有很多，常用的是高效液相色譜法(HPLC)，而離子色譜(IC)作為高效液相色譜的一種常用技術，越來越多被應用在食品分析中。基金項目：上海市科學技術委員會基金(08142200100)資助項目+通訊聯系人，E-mail：pghe@chem．ecnu．edu．cn離子色譜按分離機理不同，可分為高效離子交換色譜(HPIC)、離子排斥色譜(HPIEC)和離子對色譜(MPIC)="種【11。HPIC分離是基于流動相與固定相上的離子交換基團之間發生的離子交換過程．HPIEC分離是基于Donnan排斥、空間排阻和吸附過程，MPIC分離是基于吸附和離子對的形成。與離子色譜聯用的檢測技術有很多，除了常用的光學和電化學檢測技術，還包括其它一些聯用技術。光學檢測主要有紫外一可見(uv—vis)和熒光(FS)檢測。有文獻報道用IC—UV技術分離檢測食品中多種無機離子添加劑和氨基酸隆51，萬方數據2 化 學 傳 感 器 30卷用IC—FS技術分離檢測食品中多種無機陰陽離子【扣71，均獲得很好的檢測結果。但在用紫外或熒光技術檢測有機物時，很多物質本身紫外或熒光特征吸收較弱，需要經過衍生反應，操作繁瑣，體系復雜，衍生產物穩定性較差，不利于后期檢測。近年來隨著離子色譜聯用技術的發展．離子色譜一原子吸收、離子色譜一電感耦合等離子體原子發射光譜、離子色譜一質譜、離子色譜一電感耦合等離子體一質譜等新的檢測技術也日漸增多。但是由于這些技術要求與大型儀器設備聯用。費用比較昂貴，使得使用受到一定的局限。離子色譜一電化學檢測技術由于檢測器小型易與分離柱連接、有很高的靈敏度且無需柱后衍生，操作簡便．因此在食品分析中應用的非常廣泛。電化學檢測技術主要包括電導(CD)和安培(AD)檢測，IC—CD主要用于檢測無機陰、陽離子(pK。<7，pKb<7)和部分極性有機物如羧酸等。Small等【8】首次使用IC—CD技術聯用．解決一般離子分離中淋洗液背景電導值過大的問題。Perez等【9l則用IC—CD法分離檢測高糖食物中Cl-、HP042-、S042-等無機陰離子的成分及含量．獲得較好的重現性和靈敏度．此法還可用于某些有機陰離子的測定。此后，IC—CD在食品分析中得到大量應用。例如。Defilippi掣101用IC—CD法分離檢測蜂蜜中蟻酸的含量，檢出限為1．4 mg／kg。DelNozal等…J用IC—CD法分離檢測蜂蜜和蜜露中的草酸鹽、硫酸鹽和硝酸鹽等無機陰離子的含量。張培敏等f121用離子色譜一抑制電導檢測法，對各種食品添加劑(包括防腐劑、酸味劑、甜味劑等)的含量進行了測定。IC—CD雖然有很廣泛的應用，但是電導檢測技術在對芳香胺和雜環胺檢測時靈敏度卻很低．而且不適用于檢測氨基酸等兩性分子111。離子色譜一安培檢測技術(IC—AD)可以克服IC—CD技術的不足．并且靈敏度高、選擇性好，在食品中的分析越來越受到人們的重視。離子色譜一安培檢測聯用技術主要包括三種方法：離子色譜一恒電位安培檢測法(IC—CP)、離子色譜一脈沖安培檢測法(IC—PAD)和離子色譜一積分脈沖安培檢測法(IC—IPAD)。在此文章重點介紹這三種離子色譜一安培檢測聯用技術在食品分析中的應用和發展。1離子色譜一恒電位安培檢測技術(ICCP)恒電位安培檢測技術作為電化學安培檢測中最簡單的手段．自離子色譜發明以來就受到了人們的重視。其工作原理是給工作電極施加一個恒電位，測定各種物質的氧化峰，根據氧化峰的峰電位和峰面積的不同對各種檢測物質進行定性和定量分析。這種方法最初被用于檢測食品中的無機陰離子。Casella等【13】用IC—CP法分離檢測牛奶和梨汁中的亞硝酸鹽的含量，淋洗液為磷酸鹽緩沖液(pH=4．5)．工作電極為鉑顆粒修飾的玻碳電極，工作電位為1．1 V，檢出限為0．7¨g，L，與標準的光譜法相比。有較好的靈敏度、穩定性和檢出限。柴成文【14】等用IC—CP法分離檢測乳品中的微量碘化物含量，淋洗液為0．04 mol／L NaOH，工作電極為Ag電極，工作電位為0．07 V，實驗中對碘離子的分離和測定條件進行優化，檢出限可達到l恤扎，可獲得比傳統檢測法用硝酸作淋洗液更高的靈敏度，可用于嬰兒奶粉、孕產婦專用奶粉和鮮牛奶中的微量碘測定。但當用IC—CP法檢測有機物時，由于有機物的氧化電位較高，電極自身產生的氧化產物會致使電極鈍化．出現穩定性、重現性和靈敏度較差等問題。因此。人們通過修飾電極來改善電極的性質。Xie等【151以Cu20修飾的碳糊電極為工作電極，用IC—CP法分離檢測糖、氨基酸、脂肪族二醇、簡單醇和胺等含量，淋洗液為0．1 mol／LNaOH，工作電位為0．55 V，檢出限為pmol級。Casella等f16-171以氫氧化鎳(Ⅲ)修飾的惰性電極為工作電極，用陰離子交換色譜一恒電位安培檢測法(AEC—CP)用于食品中醇類和氨基酸的檢測。后來又以氧化銅，氫氧化銅膜【18-191、氫氧化鈷膜㈣修飾的玻碳電極為工作電極．用AEC—CP法檢測食品中的多種有機物，獲得較好的檢測結果。徐繼明等f21】嘗試將羧基化的多壁碳納米管(MWNTs)修飾在玻碳電極表面，制備碳納米管修飾電極，用IC—CP法對半胱氨酸、色氨酸和酪氨酸進行分離檢測，工作電位為1．1 V。檢出限可達到10。7 mol／L，并得到較好的重現性。虞愛旭等【笠】萬方數據4期 王霞等：離子色譜一電化學安培檢測技術在食品分析中的應用 3嘗試用碳納米管修飾的玻碳電極，IC—CP法分離檢測飲料中的抗壞血酸的含量，與裸玻碳電極對比實驗發現，通過進行碳納米管修飾后，樣品信號比修飾前增加10一20倍，信噪比提高5～10倍，獲得較好的實驗結果，是一種選擇性好、靈敏度高的檢測方法。2離子色譜一脈沖安培檢測技術(IC—PAD)為了克服IC—CP法測定有機物過程中電極自身產生的氧化產物會致使電極鈍化。除對惰性電極進行各種修飾外，還可以將IC與脈沖安培檢測(PAD)聯用。常規PAD法采用三電位循環檢測的方法(圖1)，三電位分別為檢測電位(蜀)、氧化電位(E2)和還原電位(易)。檢測電位又分為延遲電位(時間為t。)和積分電位(時間為t2)兩部分。延遲電位的作用是消除雙電層充電電流以降低背景電流．積分電位用于采集被測物的氧化電流信號。在測定電位后加一個較高的正電位。就可以將電極表面的附著物除去，再加一個較高的負電位，電極自身被可逆還原。而其它雜質無可逆反應，并可以將被測物吸附，因而可以將電極表面進行清洗，解決基線漂移、背景噪聲過大等問題【231。Time(s)圖1 脈沖安培檢測法三電位波形圖Fig．1 Three potential waveform ofpulsed amperometricdetection但是這種三電位循環檢測的方法，會隨著電極的連續使用，工作電極會緩慢溶解，影響測定信號的準確度和重現性。后來Rocklin等【甜l設計出四電位波形(圖2)，在檢測電位(E。)后先加一個較低的負電位(E：)將電極表面的氧化物除去，Time(s)圖2脈沖安培檢測法四電位波形圖Fig．2 Four potential waveform of pulsed ampemmetricdetection之后再加一個極短時間的正電位(E3)和一段時間的負電位(邑)活化電極，這樣可以避免電極的氧化溶解損失，獲得較好的重現性和靈敏度。IC—PAD法在食品分析中的應用包括檢測蜂蜜[25126】、草莓汁田1、牛奶[28-29】、薯類[30】、食品添加劑【3t】及保健食品【弘∞1等物質中的相關成分。逐步成為檢測糖類和其它多羥基化合物的有效手段。檢測時．進行梯度淋洗或者加入淋洗強度較大的醋酸鹽等措施可以縮短保留時間。提高分離效率。Small等fM】發明的在線淋洗液發生器，可以提高檢測的準確度，防止試劑污染等問題。Rocklin等【弱1首先報道用陰離子交換色譜一脈沖安培檢測法(AEC—PAD)測定糖的方法，淋洗液為NaOH溶液。工作電極為金電極，單糖和糖醇的檢出限為30“異，L，低聚糖的檢出限為100恤g，L，并可用于含醇羥基的物種如乙醇、乙二醇等的分離檢測。獲得較好的檢測結果。Wang等【撕l用離子交換色譜一脈沖安培檢測法(IEC—PAD)分離檢測乳汁中的低聚糖．可有效檢測糖蛋白和醣脂類水解的低聚糖的成分和含量。Corradini等m1用HPAEC—PAD法分離檢測食物和糖果中的各種醛醇含量，淋洗液為600 mmol／L NaOH和25mmol／L NaAc混合液，此法可用于無糖產品及低熱量糖果中山梨醇、甘露醇和果糖等醛醇類物質的檢測。Cataldi等f囂】對Ba2+在AEC—PAD法分離檢測糖中的作用進行研究發現，在堿性緩沖液中，加入Ba2+可以確保完全除盡C032-，并能與糖配位，從而縮短分析時間。提高重現性。此小組嘗試將t．己1=《昱o‘￡IBH苫∞。0d萬方數據4 化 學 傳 感 器 30卷Ba2+加入到淋洗液中，用HPAEC—PAD法分離檢測食品中的單糖和二糖的含量，獲得較好的實驗結果[剪-411。但由于用Ba(Ac)2作淋洗液時．易生成BaCO，沉淀，處理過程比較復雜繁瑣，曾文芳掣42】進行相應的改進。用5 mmol／L NaOH和l mmol／LNaAc的混合液作淋洗液．用AEC—PAD法分離檢測牛奶中乳糖和乳果糖的含量。工作電極為金電極，檢出限分別為0．012和0．02 mg／L。后來此小組I鉑】又以碳納米管修飾的金電極為工作電極．5mmol／L NaOH和1 mmol／L NaAc的混合液為淋洗液，用HPAEC—PAD法分離檢測牛奶中乳糖和乳果糖的含量。檢出限分別為0．000 7和0．000 6ms／L。獲得較好的重現性和檢出限。Pol扭等【44 J將三電位脈沖中的氧化和還原電位翻轉，發明翻轉脈沖安培檢測法(RPAD)，并用此法在鉑電極上檢測硫脲。極大地降低背景信號。JohU等㈣在檢測電位前加一個較正的活化電位，發明活化脈沖安培檢測法(APAD)，此法可將電極氧化的中間產物(PtOH／AuOH等)在檢測過程中將氧原子直接傳遞給檢測物質，催化其氧化，而抑制其轉化為惰性物質(PtO／AuO等)，從而將電極活化。3 離子色譜一積分脈沖安培檢測技術(IC—mm)針對PAD法檢測氨基酸等物質時電極自身被鈍化等問題，Welch等I舶I首先提出積分脈沖安培檢測技術(IPAD)，后來Clarke等【鉀】提出六電位波形法進行檢測電位優化(圖3)。IPAD法與圖3積分脈沖安培檢測法六電位波形圖Fig．3 sk potenfiM waVeI．0咖of pulsed ampemmemcdetecfionPAD法的區別在于，檢測電位部分由恒電位改為變化的電位(易一日)，并對變化的檢測電位(易一日)進行積分。檢測電位是在高一低值之間掃描，高電位(歷)時金和氨基同時被氧化，低電位(日)時只有氧化的金被還原，通過積分。金電極的氧化信號被抵消，從而可以提高檢測的靈敏度和準確性。主要是針對被測物的氧化需要電極表面金屬氧化物催化作用。適合于含氮、硫等物質的分析【231。Cataldj等【艟1用HPAEC—IPAD法分離檢測常見水果、蔬菜及果汁中糖和醛醇的含量，淋洗液為含有Ba2+或Sp的NaOH溶液．工作電極為金電極，檢出限低于50 pmo札L。加入堿土金屬離子的作用是既能與糖配位。又能除去流動相中的C032一。可以明顯改善峰型，提高柱效和檢測靈敏度。Drmsci等【毋枷I用陽離子交換色譜一積分脈沖安培檢測法(CEC—IPAD)分離檢測食品中的各種生物胺含量，淋洗液為NaCIOdHCIO。混合液，工作電極為金電極或鉑電極，采用五電位波形法進行檢測電位優化．獲得較好的檢測結果。此法可以有效分離檢測各種生物胺成分和含量，解決普通生物傳感器只能檢測總胺的問題。Jandik等【511提出雙模式AEC-IPAD法用于分離檢測氨基酸和糖，模式I主要用于檢測不需要電極催化的物質，如醇類和糖類等；模式Ⅱ主要用于檢測需要電極催化氧化的物質。如脂肪胺和氨基酸等。采用兩種模式分開檢測，進行條件優化后。可得到較高的選擇性和靈敏度。在食品中，糖類和氨基酸都是并存的，在檢測時可能會相互干擾，影響測定的準確度。因此，人們利用氨基酸的兩性和糖類在稀堿溶液中的弱酸性．將待檢測物質先通過陽離子交換樹脂。氨基酸與樹脂交換吸附，而糖類則可直接淋洗出來。若要檢測糖類，將其繼續用HPAEC—IPAD法檢測；若要檢測氨基酸，則將其繼續用堿性溶液梯度淋洗．將各種氨基酸分離開來，HPAEC—IPAD法進行檢測【跏551。Yu等【弱l用AEC—IPAD法優化檢測條件進行氨基酸和糖的測定，實驗中采用兩種檢測波形，用NaOH／NaAc混合液進行梯度淋洗．當采用六電位波形時可以檢測所有的糖和氨基酸；若將采樣步長降為一定值、采用四電位波形時。非羥基氨基酸的信號基本為零，可以檢測糖和羥基萬方數據4期 王霞等：離子色譜一電化學安培檢測技術在食品分析中的應用 5氨基酸，這樣做可明顯提高實驗的選擇性。Ding等【卯1用AEC—IPAD法分離檢測綠茶中的氨基酸和糖，檢出限為4．8×10．-3 0．2 pmomL。Nardiello等【黯】用HPAEC—IPAD法分離檢測飼料和肉類中的肌肽含量．采用六電位波形進行檢測，檢出限為2．3x 10-2 ng／p。L。Eberendu等I囂1用AEC—IPAD法分離檢測膳食糖體營養品中的糖含量．采用四電位波形進行檢測．用于分離和定量檢測中性糖、氨基糖和二糖，獲得較好的實驗結果。Pas．tore等I∞】用CEC—IPAD法分離檢測巧克力中的生物胺含量。分離測定多巴胺、血清素、酪胺、組胺和2一苯乙胺含量。Favaro等【61】用CEC—IPAD法分離檢測鮮肉和肉制品中的多種生物胺含量。檢出限為0．70～2．12 mg／L。Borba等1621用CEC—IPAD法分離檢測酒精飲料中的生物胺含量．并與抑制電導檢測法進行比較，證明IPAD法具有比抑制電導檢測法更高的選擇性。Dionex公司【63】用IC—IPAD法分離檢測水果、蔬菜和巧克力中的生物胺含量，使用多聚弱酸型陽離子交換柱，MSA淋洗液發生器進行梯度淋洗。柱后向淋洗液中加入NaOH溶液用于安培檢測，工作電極為金電極，采用六電位脈沖波形，檢測結果與抑制型電導檢測器和UV一致．可互補使用。吳伶俐等【641用IC—IPAD法分離檢測榴蓮中的17種氨基酸含量．此法還可用于谷類、豆類、蔬菜、水果和天然藥物等基體中單糖和糖醛酸含量的測定。4展望離子色譜作為一種重要的分離技術，在與電化學安培檢測器聯用后．可用于檢測食品中無機陰陽離子、糖類、醛醇類、氨基酸和含硫化合物等用常規GC和HPLC等無法完成的分離檢測任務。實驗中無需柱前或柱后衍生，凈化實驗體系，簡化實驗步驟，同時也提高測定的靈敏度和選擇性。特別是近期快速發展的離子色譜一積分脈沖安培聯用技術。克服直流安培和脈沖安培的不足，成為當今食品行業檢測的重要手段之一。離子色譜一電化學安培檢測技術還可用于分離測定無電活性物質，通過柱前或柱后加入對電極表面弱吸附的電活性試劑．通過檢測物質的取代而產生負峰或者用柱前或柱后衍生法進行間接測定【651。從而進一步擴大檢測范圍。同時。還可以發展多電極同時檢測法，設計一次性電極、微電極、化學修飾電極等途徑進行實驗研究。參考文獻【l】牟世芬，劉克納，丁曉靜．離子色譜方法及應用(第二版)【M】．北京：化學工業出版社，2005，3：153-156．【2】Jin S，Chiyomi O，Yasutaka K，et a1．Determination ofresidual chlorite in vegetables and eggs treated witll 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