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離子色譜-電化學(xué)安培檢測技術(shù)在食品分析中的應(yīng)用

2010-03-23 07:09王霞周紅樊華軍王歡何品剛
化學(xué)傳感器 2010年4期
關(guān)鍵詞:安培檢測法檢出限

王霞,周紅,樊華軍,王歡,何品剛*

(1.華東師范大學(xué)化學(xué)系,上海200062)

(2.上海天美科學(xué)儀器有限公司,上海201612)

0 引言

食品是人類賴以生存和發(fā)展的必要條件,食品安全也是人們?nèi)找骊P(guān)注的問題?,F(xiàn)代社會,科技發(fā)展日新月異,各種食品添加劑、防腐劑的過量使用以及農(nóng)藥殘留等問題,越來越引起了人們的關(guān)注。同時,食品中各種營養(yǎng)成分的含量多少,也成為評價食品質(zhì)量好壞的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。評價食品各種安全指標(biāo)的技術(shù)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(shù),越來越多被應(yīng)用在食品分析中。

離子色譜按分離機(jī)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)三種[1]。HPIC分離是基于流動相與固定相上的離子交換基團(tuán)之間發(fā)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(lián)用的檢測技術(shù)有很多,除了常用的光學(xué)和電化學(xué)檢測技術(shù),還包括其它一些聯(lián)用技術(shù)。光學(xué)檢測主要有紫外-可見(UV-vis)和熒光(FS)檢測。有文獻(xiàn)報(bào)道用IC-UV技術(shù)分離檢測食品中多種無機(jī)離子添加劑和氨基酸[2~5],用IC-FS技術(shù)分離檢測食品中多種無機(jī)陰陽離子[6~7],均獲得很好的檢測結(jié)果。但在用紫外或熒光技術(shù)檢測有機(jī)物時,很多物質(zhì)本身紫外或熒光特征吸收較弱,需要經(jīng)過衍生反應(yīng),操作繁瑣,體系復(fù)雜,衍生產(chǎn)物穩(wěn)定性較差,不利于后期檢測。近年來隨著離子色譜聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展,離子色譜-原子吸收、離子色譜-電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜、離子色譜-質(zhì)譜、離子色譜-電感耦合等離子體-質(zhì)譜等新的檢測技術(shù)也日漸增多。但是由于這些技術(shù)要求與大型儀器設(shè)備聯(lián)用,費(fèi)用比較昂貴,使得使用受到一定的局限。

離子色譜-電化學(xué)檢測技術(shù)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(yīng)用的非常廣泛。電化學(xué)檢測技術(shù)主要包括電導(dǎo)(CD)和安培(AD)檢測,IC-CD主要用于檢測無機(jī)陰、陽離子(pKa<7,pKb<7)和部分極性有機(jī)物如羧酸等。Small等[8]首次使用IC-CD技術(shù)聯(lián)用,解決一般離子分離中淋洗液背景電導(dǎo)值過大的問題。Perez等[9]則用IC-CD法分離檢測高糖食物中Cl-、HPO42-、SO42-等無機(jī)陰離子的成分及含量,獲得較好的重現(xiàn)性和靈敏度,此法還可用于某些有機(jī)陰離子的測定。此后,IC-CD在食品分析中得到大量應(yīng)用。例如,Defilippi等[10]用IC-CD法分離檢測蜂蜜中蟻酸的含量,檢出限為1.4 mg/kg。Del Nozal等[11]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(jī)陰離子的含量。張培敏等[12]用離子色譜-抑制電導(dǎo)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(jìn)行了測定。IC-CD雖然有很廣泛的應(yīng)用,但是電導(dǎo)檢測技術(shù)在對芳香胺和雜環(huán)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[1]。

離子色譜-安培檢測技術(shù)(IC-AD)可以克服IC-CD技術(shù)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-安培檢測聯(lián)用技術(shù)主要包括三種方法:離子色譜-恒電位安培檢測法(IC-CP)、離子色譜-脈沖安培檢測法(IC-PAD)和離子色譜-積分脈沖安培檢測法(IC-IPAD)。在此文章重點(diǎn)介紹這三種離子色譜-安培檢測聯(lián)用技術(shù)在食品分析中的應(yīng)用和發(fā)展。

1 離子色譜-恒電位安培檢測技術(shù)(ICCP)

恒電位安培檢測技術(shù)作為電化學(xué)安培檢測中最簡單的手段,自離子色譜發(fā)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(zhì)的氧化峰,根據(jù)氧化峰的峰電位和峰面積的不同對各種檢測物質(zhì)進(jìn)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(jī)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 μg/L,與標(biāo)準(zhǔn)的光譜法相比,有較好的靈敏度、穩(wěn)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(shí)驗(yàn)中對碘離子的分離和測定條件進(jìn)行優(yōu)化,檢出限可達(dá)到1 μg/L,可獲得比傳統(tǒng)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(chǎn)婦專用奶粉和鮮牛奶中的微量碘測定。

但當(dāng)用IC-CP法檢測有機(jī)物時,由于有機(jī)物的氧化電位較高,電極自身產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物會致使電極鈍化,出現(xiàn)穩(wěn)定性、重現(xiàn)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(zhì)。Xie等[15]以Cu2O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/L NaOH,工作電位為0.55 V,檢出限為pmol級。Casella等[16~17]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-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[18~19]、氫氧化鈷膜[20]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(jī)物,獲得較好的檢測結(jié)果。

徐繼明等[21]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(jìn)行分離檢測,工作電位為1.1 V,檢出限可達(dá)到10-7mol/L,并得到較好的重現(xiàn)性。虞愛旭等[22]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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過進(jìn)行碳納米管修飾后,樣品信號比修飾前增加10~20倍,信噪比提高5~10倍,獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,是一種選擇性好、靈敏度高的檢測方法。

2 離子色譜-脈沖安培檢測技術(shù)(IC-PAD)

為了克服IC-CP法測定有機(jī)物過程中電極自身產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物會致使電極鈍化,除對惰性電極進(jìn)行各種修飾外,還可以將IC與脈沖安培檢測(PAD)聯(lián)用。常規(guī)PAD法采用三電位循環(huán)檢測的方法(圖1),三電位分別為檢測電位(E1)、氧化電位(E2)和還原電位(E3)。檢測電位又分為延遲電位(時間為t1)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(fù)電位,電極自身被可逆還原,而其它雜質(zhì)無可逆反應(yīng),并可以將被測物吸附,因而可以將電極表面進(jìn)行清洗,解決基線漂移、背景噪聲過大等問題[23]。

圖1 脈沖安培檢測法三電位波形圖Fig.1 Three potential waveform of pulsed amperometric detection

但是這種三電位循環(huán)檢測的方法,會隨著電極的連續(xù)使用,工作電極會緩慢溶解,影響測定信號的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性。后來Rocklin等[24]設(shè)計(jì)出四電位波形(圖2),在檢測電位(E1)后先加一個較低的負(fù)電位(E2)將電極表面的氧化物除去,之后再加一個極短時間的正電位(E3)和一段時間的負(fù)電位(E4)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(xiàn)性和靈敏度。

圖2 脈沖安培檢測法四電位波形圖Fig.2 Four potential waveform of pulsed amperometric detection

IC-PAD法在食品分析中的應(yīng)用包括檢測蜂蜜[25~26]、草莓汁[27]、牛奶[28~29]、薯類[30]、食品添加劑[31]及保健食品[32~33]等物質(zhì)中的相關(guān)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(jìn)行梯度淋洗或者加入淋洗強(qiáng)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[34]發(fā)明的在線淋洗液發(fā)生器,可以提高檢測的準(zhǔn)確度,防止試劑污染等問題。

Rocklin等[35]首先報(bào)道用陰離子交換色譜-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 μg/L,低聚糖的檢出限為100 μg/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(jié)果。Wang等[36]用離子交換色譜-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[37]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25 mmol/L NaAc混合液,此法可用于無糖產(chǎn)品及低熱量糖果中山梨醇、甘露醇和果糖等醛醇類物質(zhì)的檢測。

Cataldi等[38]對Ba2+在AEC-PAD法分離檢測糖中的作用進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在堿性緩沖液中,加入Ba2+可以確保完全除盡CO32-,并能與糖配位,從而縮短分析時間,提高重現(xiàn)性。此小組嘗試將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(shí)驗(yàn)結(jié)果[39~41]。但由于用Ba(Ac)2作淋洗液時,易生成BaCO3沉淀,處理過程比較復(fù)雜繁瑣,曾文芳等[42]進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),用5 mmol/L NaOH和1 mmol/L NaAc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[43]又以碳納米管修飾的金電極為工作電極,5 mmol/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 6 mg/L,獲得較好的重現(xiàn)性和檢出限。

Polta等[44]將三電位脈沖中的氧化和還原電位翻轉(zhuǎn),發(fā)明翻轉(zhuǎn)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。Johll等[45]在檢測電位前加一個較正的活化電位,發(fā)明活化脈沖安培檢測法(APAD),此法可將電極氧化的中間產(chǎn)物(PtOH/AuOH等)在檢測過程中將氧原子直接傳遞給檢測物質(zhì),催化其氧化,而抑制其轉(zhuǎn)化為惰性物質(zhì)(PtO/AuO等),從而將電極活化。

3 離子色譜-積分脈沖安培檢測技術(shù)(IC-IPAD)

圖3 積分脈沖安培檢測法六電位波形圖Fig.3 Six potential waveform of pulsed amperometric detection

針對PAD法檢測氨基酸等物質(zhì)時電極自身被鈍化等問題,Welch等[46]首先提出積分脈沖安培檢測技術(shù)(IPAD),后來Clarke等[47]提出六電位波形法進(jìn)行檢測電位優(yōu)化(圖3)。IPAD法與PAD法的區(qū)別在于,檢測電位部分由恒電位改為變化的電位(E1~E4),并對變化的檢測電位(E2~E4)進(jìn)行積分。檢測電位是在高-低值之間掃描,高電位(E3)時金和氨基同時被氧化,低電位(E4)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(zhǔn)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(zhì)的分析[23]。

Cataldi等[48]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Sr2+的NaOH溶液,工作電極為金電極,檢出限低于50 pmol/μL。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CO32-,可以明顯改善峰型,提高柱效和檢測靈敏度。Draisci等[49~50]用陽離子交換色譜-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NaClO4/HClO4混合液,工作電極為金電極或鉑電極,采用五電位波形法進(jìn)行檢測電位優(yōu)化,獲得較好的檢測結(jié)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[51]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(zhì),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(zhì),如脂肪胺和氨基酸等。采用兩種模式分開檢測,進(jìn)行條件優(yōu)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(zhǔn)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(zhì)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(xù)用HPAEC-IPAD法檢測;若要檢測氨基酸,則將其繼續(xù)用堿性溶液梯度淋洗,將各種氨基酸分離開來,HPAEC-IPAD法進(jìn)行檢測[52~55]。Yu等[56]用AEC-IPAD法優(yōu)化檢測條件進(jìn)行氨基酸和糖的測定,實(shí)驗(yàn)中采用兩種檢測波形,用NaOH/NaAc混合液進(jìn)行梯度淋洗,當(dāng)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,可以檢測糖和羥基氨基酸,這樣做可明顯提高實(shí)驗(yàn)的選擇性。Ding等[57]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 pmol/μL。Nardiello等[58]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(jìn)行檢測,檢出限為2.3×10-2ng/μL。Eberendu等[59]用AEC-IPAD法分離檢測膳食糖體營養(yǎng)品中的糖含量,采用四電位波形進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。Pastore等[60]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-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[62]用CECIPAD法分離檢測酒精飲料中的生物胺含量,并與抑制電導(dǎo)檢測法進(jìn)行比較,證明IPAD法具有比抑制電導(dǎo)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(fā)生器進(jìn)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(jié)果與抑制型電導(dǎo)檢測器和UV一致,可互補(bǔ)使用。吳伶俐等[64]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(shù),在與電化學(xué)安培檢測器聯(lián)用后,可用于檢測食品中無機(jī)陰陽離子、糖類、醛醇類、氨基酸和含硫化合物等用常規(guī)GC和HPLC等無法完成的分離檢測任務(wù)。實(shí)驗(yàn)中無需柱前或柱后衍生,凈化實(shí)驗(yàn)體系,簡化實(shí)驗(yàn)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(fā)展的離子色譜-積分脈沖安培聯(lián)用技術(shù),克服直流安培和脈沖安培的不足,成為當(dāng)今食品行業(yè)檢測的重要手段之一。離子色譜-電化學(xué)安培檢測技術(shù)還可用于分離測定無電活性物質(zhì),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(zhì)的取代而產(chǎn)生負(fù)峰或者用柱前或柱后衍生法進(jìn)行間接測定[65],從而進(jìn)一步擴(kuò)大檢測范圍。同時,還可以發(fā)展多電極同時檢測法,設(shè)計(jì)一次性電極、微電極、化學(xué)修飾電極等途徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

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