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离子色谱-电化学安培检测技术在食品分析中的应用

文档作者：王霞1 周红2 樊华军1 王欢1 何品刚文档来源： 1．华东师范大学化学系 2．上海天美科学仪器有限公司		点击数：	更新时间： 2025年04月07日
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第30卷第4期20l 0年12月化学传感器CHEMICAL SENSORSV01．30．No．4Dec．2 0 l O离子色谱一电化学安培检测技术在食品分析中的应用王 霞1，周 红2，樊华军1，王 欢1，何品刚1’(1．华东师范大学化学系。上海200062)(2．上海天美科学仪器有限公司，上海201612)摘要：离子色谱作为高效液相色谱的一种常用技术．自出现以来发展十分迅速，广泛应用于检测各种无机和有机阴、阳离子。通过与电化学安培检测技术联用，极大拓宽了检测范围。该文综述了用离子色谱一电化学安培检测技术在食品分析中的应用．比较了离子色谱与三种不同电化学安培检测技术联用中出现的问题及改进方案．并展望了此法将来的发展方向。关键词：离子色谱；电化学安培检测；食品分析Ion chromatography-electrochemical amperometric detection infood analysisWang Xial，Zhou Hon矿，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引言食品是人类赖以生存和发展的必要条件，食品安全也是人们13益关注的问题。现代社会．科技发展日新月异，各种食品添加剂、防腐剂的过量使用以及农药残留等问题，越来越引起了人们的关注。同时，食品中各种营养成分的含量多少，也成为评价食品质量好坏的一个重要标准。评价食品各种安全指标的技术有很多，常用的是高效液相色谱法(HPLC)，而离子色谱(IC)作为高效液相色谱的一种常用技术，越来越多被应用在食品分析中。基金项目：上海市科学技术委员会基金(08142200100)资助项目+通讯联系人，E-mail：pghe@chem．ecnu．edu．cn离子色谱按分离机理不同，可分为高效离子交换色谱(HPIC)、离子排斥色谱(HPIEC)和离子对色谱(MPIC)="种【11。HPIC分离是基于流动相与固定相上的离子交换基团之间发生的离子交换过程．HPIEC分离是基于Donnan排斥、空间排阻和吸附过程，MPIC分离是基于吸附和离子对的形成。与离子色谱联用的检测技术有很多，除了常用的光学和电化学检测技术，还包括其它一些联用技术。光学检测主要有紫外一可见(uv—vis)和荧光(FS)检测。有文献报道用IC—UV技术分离检测食品中多种无机离子添加剂和氨基酸隆51，万方数据2 化 学 传 感 器 30卷用IC—FS技术分离检测食品中多种无机阴阳离子【扣71，均获得很好的检测结果。但在用紫外或荧光技术检测有机物时，很多物质本身紫外或荧光特征吸收较弱，需要经过衍生反应，操作繁琐，体系复杂，衍生产物稳定性较差，不利于后期检测。近年来随着离子色谱联用技术的发展．离子色谱一原子吸收、离子色谱一电感耦合等离子体原子发射光谱、离子色谱一质谱、离子色谱一电感耦合等离子体一质谱等新的检测技术也日渐增多。但是由于这些技术要求与大型仪器设备联用。费用比较昂贵，使得使用受到一定的局限。离子色谱一电化学检测技术由于检测器小型易与分离柱连接、有很高的灵敏度且无需柱后衍生，操作简便．因此在食品分析中应用的非常广泛。电化学检测技术主要包括电导(CD)和安培(AD)检测，IC—CD主要用于检测无机阴、阳离子(pK。<7，pKb<7)和部分极性有机物如羧酸等。Small等【8】首次使用IC—CD技术联用．解决一般离子分离中淋洗液背景电导值过大的问题。Perez等【9l则用IC—CD法分离检测高糖食物中Cl-、HP042-、S042-等无机阴离子的成分及含量．获得较好的重现性和灵敏度．此法还可用于某些有机阴离子的测定。此后，IC—CD在食品分析中得到大量应用。例如。Defilippi掣101用IC—CD法分离检测蜂蜜中蚁酸的含量，检出限为1．4 mg／kg。DelNozal等…J用IC—CD法分离检测蜂蜜和蜜露中的草酸盐、硫酸盐和硝酸盐等无机阴离子的含量。张培敏等f121用离子色谱一抑制电导检测法，对各种食品添加剂(包括防腐剂、酸味剂、甜味剂等)的含量进行了测定。IC—CD虽然有很广泛的应用，但是电导检测技术在对芳香胺和杂环胺检测时灵敏度却很低．而且不适用于检测氨基酸等两性分子111。离子色谱一安培检测技术(IC—AD)可以克服IC—CD技术的不足．并且灵敏度高、选择性好，在食品中的分析越来越受到人们的重视。离子色谱一安培检测联用技术主要包括三种方法：离子色谱一恒电位安培检测法(IC—CP)、离子色谱一脉冲安培检测法(IC—PAD)和离子色谱一积分脉冲安培检测法(IC—IPAD)。在此文章重点介绍这三种离子色谱一安培检测联用技术在食品分析中的应用和发展。1离子色谱一恒电位安培检测技术(ICCP)恒电位安培检测技术作为电化学安培检测中最简单的手段．自离子色谱发明以来就受到了人们的重视。其工作原理是给工作电极施加一个恒电位，测定各种物质的氧化峰，根据氧化峰的峰电位和峰面积的不同对各种检测物质进行定性和定量分析。这种方法最初被用于检测食品中的无机阴离子。Casella等【13】用IC—CP法分离检测牛奶和梨汁中的亚硝酸盐的含量，淋洗液为磷酸盐缓冲液(pH=4．5)．工作电极为铂颗粒修饰的玻碳电极，工作电位为1．1 V，检出限为0．7¨g，L，与标准的光谱法相比。有较好的灵敏度、稳定性和检出限。柴成文【14】等用IC—CP法分离检测乳品中的微量碘化物含量，淋洗液为0．04 mol／L NaOH，工作电极为Ag电极，工作电位为0．07 V，实验中对碘离子的分离和测定条件进行优化，检出限可达到l恤扎，可获得比传统检测法用硝酸作淋洗液更高的灵敏度，可用于婴儿奶粉、孕产妇专用奶粉和鲜牛奶中的微量碘测定。但当用IC—CP法检测有机物时，由于有机物的氧化电位较高，电极自身产生的氧化产物会致使电极钝化．出现稳定性、重现性和灵敏度较差等问题。因此。人们通过修饰电极来改善电极的性质。Xie等【151以Cu20修饰的碳糊电极为工作电极，用IC—CP法分离检测糖、氨基酸、脂肪族二醇、简单醇和胺等含量，淋洗液为0．1 mol／LNaOH，工作电位为0．55 V，检出限为pmol级。Casella等f16-171以氢氧化镍(Ⅲ)修饰的惰性电极为工作电极，用阴离子交换色谱一恒电位安培检测法(AEC—CP)用于食品中醇类和氨基酸的检测。后来又以氧化铜，氢氧化铜膜【18-191、氢氧化钴膜㈣修饰的玻碳电极为工作电极．用AEC—CP法检测食品中的多种有机物，获得较好的检测结果。徐继明等f21】尝试将羧基化的多壁碳纳米管(MWNTs)修饰在玻碳电极表面，制备碳纳米管修饰电极，用IC—CP法对半胱氨酸、色氨酸和酪氨酸进行分离检测，工作电位为1．1 V。检出限可达到10。7 mol／L，并得到较好的重现性。虞爱旭等【笠】万方数据4期 王霞等：离子色谱一电化学安培检测技术在食品分析中的应用 3尝试用碳纳米管修饰的玻碳电极，IC—CP法分离检测饮料中的抗坏血酸的含量，与裸玻碳电极对比实验发现，通过进行碳纳米管修饰后，样品信号比修饰前增加10一20倍，信噪比提高5～10倍，获得较好的实验结果，是一种选择性好、灵敏度高的检测方法。2离子色谱一脉冲安培检测技术(IC—PAD)为了克服IC—CP法测定有机物过程中电极自身产生的氧化产物会致使电极钝化。除对惰性电极进行各种修饰外，还可以将IC与脉冲安培检测(PAD)联用。常规PAD法采用三电位循环检测的方法(图1)，三电位分别为检测电位(蜀)、氧化电位(E2)和还原电位(易)。检测电位又分为延迟电位(时间为t。)和积分电位(时间为t2)两部分。延迟电位的作用是消除双电层充电电流以降低背景电流．积分电位用于采集被测物的氧化电流信号。在测定电位后加一个较高的正电位。就可以将电极表面的附着物除去，再加一个较高的负电位，电极自身被可逆还原。而其它杂质无可逆反应，并可以将被测物吸附，因而可以将电极表面进行清洗，解决基线漂移、背景噪声过大等问题【231。Time(s)图1 脉冲安培检测法三电位波形图Fig．1 Three potential waveform ofpulsed amperometricdetection但是这种三电位循环检测的方法，会随着电极的连续使用，工作电极会缓慢溶解，影响测定信号的准确度和重现性。后来Rocklin等【甜l设计出四电位波形(图2)，在检测电位(E。)后先加一个较低的负电位(E：)将电极表面的氧化物除去，Time(s)图2脉冲安培检测法四电位波形图Fig．2 Four potential waveform of pulsed ampemmetricdetection之后再加一个极短时间的正电位(E3)和一段时间的负电位(邑)活化电极，这样可以避免电极的氧化溶解损失，获得较好的重现性和灵敏度。IC—PAD法在食品分析中的应用包括检测蜂蜜[25126】、草莓汁田1、牛奶[28-29】、薯类[30】、食品添加剂【3t】及保健食品【弘∞1等物质中的相关成分。逐步成为检测糖类和其它多羟基化合物的有效手段。检测时．进行梯度淋洗或者加入淋洗强度较大的醋酸盐等措施可以缩短保留时间。提高分离效率。Small等fM】发明的在线淋洗液发生器，可以提高检测的准确度，防止试剂污染等问题。Rocklin等【弱1首先报道用阴离子交换色谱一脉冲安培检测法(AEC—PAD)测定糖的方法，淋洗液为NaOH溶液。工作电极为金电极，单糖和糖醇的检出限为30“异，L，低聚糖的检出限为100恤g，L，并可用于含醇羟基的物种如乙醇、乙二醇等的分离检测。获得较好的检测结果。Wang等【撕l用离子交换色谱一脉冲安培检测法(IEC—PAD)分离检测乳汁中的低聚糖．可有效检测糖蛋白和醣脂类水解的低聚糖的成分和含量。Corradini等m1用HPAEC—PAD法分离检测食物和糖果中的各种醛醇含量，淋洗液为600 mmol／L NaOH和25mmol／L NaAc混合液，此法可用于无糖产品及低热量糖果中山梨醇、甘露醇和果糖等醛醇类物质的检测。Cataldi等f嚣】对Ba2+在AEC—PAD法分离检测糖中的作用进行研究发现，在碱性缓冲液中，加入Ba2+可以确保完全除尽C032-，并能与糖配位，从而缩短分析时间。提高重现性。此小组尝试将t．己1=《昱o‘￡IBH苫∞。0d万方数据4 化 学 传 感 器 30卷Ba2+加入到淋洗液中，用HPAEC—PAD法分离检测食品中的单糖和二糖的含量，获得较好的实验结果[剪-411。但由于用Ba(Ac)2作淋洗液时．易生成BaCO，沉淀，处理过程比较复杂繁琐，曾文芳掣42】进行相应的改进。用5 mmol／L NaOH和l mmol／LNaAc的混合液作淋洗液．用AEC—PAD法分离检测牛奶中乳糖和乳果糖的含量。工作电极为金电极，检出限分别为0．012和0．02 mg／L。后来此小组I铂】又以碳纳米管修饰的金电极为工作电极．5mmol／L NaOH和1 mmol／L NaAc的混合液为淋洗液，用HPAEC—PAD法分离检测牛奶中乳糖和乳果糖的含量。检出限分别为0．000 7和0．000 6ms／L。获得较好的重现性和检出限。Pol扭等【44 J将三电位脉冲中的氧化和还原电位翻转，发明翻转脉冲安培检测法(RPAD)，并用此法在铂电极上检测硫脲。极大地降低背景信号。JohU等㈣在检测电位前加一个较正的活化电位，发明活化脉冲安培检测法(APAD)，此法可将电极氧化的中间产物(PtOH／AuOH等)在检测过程中将氧原子直接传递给检测物质，催化其氧化，而抑制其转化为惰性物质(PtO／AuO等)，从而将电极活化。3 离子色谱一积分脉冲安培检测技术(IC—mm)针对PAD法检测氨基酸等物质时电极自身被钝化等问题，Welch等I舶I首先提出积分脉冲安培检测技术(IPAD)，后来Clarke等【钾】提出六电位波形法进行检测电位优化(图3)。IPAD法与图3积分脉冲安培检测法六电位波形图Fig．3 sk potenfiM waVeI．0咖of pulsed ampemmemcdetecfionPAD法的区别在于，检测电位部分由恒电位改为变化的电位(易一日)，并对变化的检测电位(易一日)进行积分。检测电位是在高一低值之间扫描，高电位(历)时金和氨基同时被氧化，低电位(日)时只有氧化的金被还原，通过积分。金电极的氧化信号被抵消，从而可以提高检测的灵敏度和准确性。主要是针对被测物的氧化需要电极表面金属氧化物催化作用。适合于含氮、硫等物质的分析【231。Cataldj等【艟1用HPAEC—IPAD法分离检测常见水果、蔬菜及果汁中糖和醛醇的含量，淋洗液为含有Ba2+或Sp的NaOH溶液．工作电极为金电极，检出限低于50 pmo札L。加入碱土金属离子的作用是既能与糖配位。又能除去流动相中的C032一。可以明显改善峰型，提高柱效和检测灵敏度。Drmsci等【毋枷I用阳离子交换色谱一积分脉冲安培检测法(CEC—IPAD)分离检测食品中的各种生物胺含量，淋洗液为NaCIOdHCIO。混合液，工作电极为金电极或铂电极，采用五电位波形法进行检测电位优化．获得较好的检测结果。此法可以有效分离检测各种生物胺成分和含量，解决普通生物传感器只能检测总胺的问题。Jandik等【511提出双模式AEC-IPAD法用于分离检测氨基酸和糖，模式I主要用于检测不需要电极催化的物质，如醇类和糖类等；模式Ⅱ主要用于检测需要电极催化氧化的物质。如脂肪胺和氨基酸等。采用两种模式分开检测，进行条件优化后。可得到较高的选择性和灵敏度。在食品中，糖类和氨基酸都是并存的，在检测时可能会相互干扰，影响测定的准确度。因此，人们利用氨基酸的两性和糖类在稀碱溶液中的弱酸性．将待检测物质先通过阳离子交换树脂。氨基酸与树脂交换吸附，而糖类则可直接淋洗出来。若要检测糖类，将其继续用HPAEC—IPAD法检测；若要检测氨基酸，则将其继续用碱性溶液梯度淋洗．将各种氨基酸分离开来，HPAEC—IPAD法进行检测【跏551。Yu等【弱l用AEC—IPAD法优化检测条件进行氨基酸和糖的测定，实验中采用两种检测波形，用NaOH／NaAc混合液进行梯度淋洗．当采用六电位波形时可以检测所有的糖和氨基酸；若将采样步长降为一定值、采用四电位波形时。非羟基氨基酸的信号基本为零，可以检测糖和羟基万方数据4期 王霞等：离子色谱一电化学安培检测技术在食品分析中的应用 5氨基酸，这样做可明显提高实验的选择性。Ding等【卯1用AEC—IPAD法分离检测绿茶中的氨基酸和糖，检出限为4．8×10．-3 0．2 pmomL。Nardiello等【黯】用HPAEC—IPAD法分离检测饲料和肉类中的肌肽含量．采用六电位波形进行检测，检出限为2．3x 10-2 ng／p。L。Eberendu等I嚣1用AEC—IPAD法分离检测膳食糖体营养品中的糖含量．采用四电位波形进行检测．用于分离和定量检测中性糖、氨基糖和二糖，获得较好的实验结果。Pas．tore等I∞】用CEC—IPAD法分离检测巧克力中的生物胺含量。分离测定多巴胺、血清素、酪胺、组胺和2一苯乙胺含量。Favaro等【61】用CEC—IPAD法分离检测鲜肉和肉制品中的多种生物胺含量。检出限为0．70～2．12 mg／L。Borba等1621用CEC—IPAD法分离检测酒精饮料中的生物胺含量．并与抑制电导检测法进行比较，证明IPAD法具有比抑制电导检测法更高的选择性。Dionex公司【63】用IC—IPAD法分离检测水果、蔬菜和巧克力中的生物胺含量，使用多聚弱酸型阳离子交换柱，MSA淋洗液发生器进行梯度淋洗。柱后向淋洗液中加入NaOH溶液用于安培检测，工作电极为金电极，采用六电位脉冲波形，检测结果与抑制型电导检测器和UV一致．可互补使用。吴伶俐等【641用IC—IPAD法分离检测榴莲中的17种氨基酸含量．此法还可用于谷类、豆类、蔬菜、水果和天然药物等基体中单糖和糖醛酸含量的测定。4展望离子色谱作为一种重要的分离技术，在与电化学安培检测器联用后．可用于检测食品中无机阴阳离子、糖类、醛醇类、氨基酸和含硫化合物等用常规GC和HPLC等无法完成的分离检测任务。实验中无需柱前或柱后衍生，净化实验体系，简化实验步骤，同时也提高测定的灵敏度和选择性。特别是近期快速发展的离子色谱一积分脉冲安培联用技术。克服直流安培和脉冲安培的不足，成为当今食品行业检测的重要手段之一。离子色谱一电化学安培检测技术还可用于分离测定无电活性物质，通过柱前或柱后加入对电极表面弱吸附的电活性试剂．通过检测物质的取代而产生负峰或者用柱前或柱后衍生法进行间接测定【651。从而进一步扩大检测范围。同时。还可以发展多电极同时检测法，设计一次性电极、微电极、化学修饰电极等途径进行实验研究。参考文献【l】牟世芬，刘克纳，丁晓静．离子色谱方法及应用(第二版)【M】．北京：化学工业出版社，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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