电化学传感器在食品添加剂检测中的应用

摘 要：食品添加剂在改善食品品质方面发挥着重要作用，但非法添加或超量使用会危害消费者健康。电化学传感器凭借灵敏度高、选择性好、快速、成本低等优点，在食品添加剂检测中展现出广阔的应用前景。本文分析了电化学传感器在抗氧化剂、甜味剂、色素等食品添加剂检测方面的应用，提出采用纳米材料修饰电极、分子印迹技术构建传感器是其主要发展方向。新型电化学传感器的研制有望进一步提高食品添加剂检测的灵敏度和选择性，为保障食品安全提供重要的技术支撑。

关键词：电化学传感器；食品添加剂；纳米材料；分子印迹；食品安全

Abstract： Food additives play an important role in improving food quality， but the illegal addition or excessive use will harm the health of consumers. With the advantages of high sensitivity， good selectivity， high speed and low cost， the electrochemical sensor shows a broad application prospect in the field of food additives detection. In this paper， the application of electrochemical sensors in the detection of antioxidants， sweeteners， pigments and other food additives is analyzed， and the main development direction of the sensor is to use nanomaterial modified electrodes and molecular imprinting technology to construct the sensor. The development of a new electrochemical sensor is expected to further improve the sensitivity and selectivity of food additive detection， and provide important technical support for food safety.

Keywords： electrochemical sensor; food additives; nanomaterials; molecular imprinting; food safety

食品添加剂在改善食品感官品质、延长保质期等方面发挥着重要作用，但一些不法商家非法添加或滥用食品添加剂，对消费者健康构成威胁。因此，发展快速、灵敏的食品添加剂检测技术对保障食品安全至关重要。本文将聚焦电化学传感器在食品添加剂检测中的最新应用，以期为食品安全检测提供新的思路。

1 电化学传感器的基本原理与优势

电化学传感器是一类将待测物浓度转化为电信号进行检测的化学传感器，主要由识别元件和信号转导元件两部分构成。识别元件可选择性地与目标物结合，引起传感界面电荷分布或电子转移的改变，进而引起传感器输出电信号的变化[1]。电化学传感器具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、制作成本低和易于小型化等突出优点，非常适合应用于食品添加剂的检测分析。

2 电化学传感器在抗氧化剂检测中的应用

2.1 酚类抗氧化剂的危害与检测意义

酚类抗氧化剂如丁基羟基茴香醚（Butyl Hydroxyanisole，BHA）、2，6-二叔丁基对甲酚（Butylated Hydroxytoluene，BHT）等，常被添加到油脂食品中以延缓其氧化变质。然而，过量摄入酚类抗氧化剂可能导致潜在的健康风险。动物实验表明，高剂量BHA和BHT具有诱发肿瘤、干扰内分泌等毒性作用。为保障食品安全，各国均对食品中酚类抗氧化剂的使用量有严格规定。

2.2 基于纳米材料修饰电极的抗氧化剂传感器

纳米材料因其独特的物理化学性质，如高比表面积、优异的导电性和催化活性等，在电化学传感器构建中得到了广泛应用。将纳米材料组装到电极表面，可显著提高传感器的灵敏度和选择性。例如，采用电化学沉积法在电极表面制备金纳米粒子修饰层，再通过硫醇化合物将特异性识别分子固定在金表面，可制备灵敏度高、选择性好的目标物传感器。此外，将金纳米粒子与其他功能纳米材料复合，可进一步增强传感器性能[2]。例如，以导电高分子/石墨烯复合物为基底，电沉积金纳米粒子，可制得灵敏度和选择性俱佳的电化学传感器。这类传感器能实现食品样品中酚类抗氧化剂的痕量测定。

2.3 基于分子印迹技术的抗氧化剂传感器

分子印迹技术是制备对目标分子具有预定义选择性识别位点的聚合物材料的方法。将分子印迹聚合物（Molecular Imprinted Polymer，MIP）与电化学传感器相结合，可制备出对目标物具有专一性识别能力的高选择性电化学传感器。以BHA为例，以BHA为模板分子，选择适当的功能单体与交联剂进行共聚，然后将模板分子洗脱，即得到对BHA具有特异性识别位点的MIP。将MIP材料组装到电极表面，当BHA分子与MIP结合时，会引起MIP膜导电性和电荷传递阻抗的改变，据此可实现BHA的灵敏检测。为了进一步提高MIP电化学传感器的灵敏度，可在MIP中引入导电纳米材料如金纳米粒子、石墨烯等，或采用电化学聚合的方法合成MIP膜，所得传感器可实现BHA的痕量检测。除BHA外，这一策略还被成功应用于其他酚类抗氧化剂如BHT、特丁基对苯二酚（Tert-Butyl Hydroquinone，TBHQ）等的检测。与传统方法相比，MIP电化学传感器具有选择性好、制备简单、成本低廉等优点，在食品添加剂检测领域极具应用前景[3]。

3 电化学传感器在甜味剂检测中的应用

3.1 常见人工合成甜味剂及其安全性

人工合成甜味剂如糖精、安赛蜜、阿斯巴甜等因其低热量和高甜度的特点，在食品工业中得到广泛应用。然而，过量摄入这些甜味剂可能引起一定的健康风险。例如，大剂量摄入糖精钠可能导致膀胱癌等疾病；安赛蜜和阿斯巴甜虽相对安全，但也有研究提出其潜在的神经毒性和代谢紊乱风险。因此，对食品中甜味剂含量进行有效监控十分必要。然而，传统的甜味剂检测方法如高效液相色谱法、气相色谱-质谱联用法等存在样品前处理烦琐、分析周期长、仪器昂贵等不足，急需发展快速、灵敏、简便的新型检测技术。

3.2 基于纳米复合物修饰电极的甜味剂传感器

纳米复合物兼具多种纳米材料的优异性质，可用于构建灵敏度高、选择性好的电化学传感器。将纳米金属粒子、碳纳米管、石墨烯等导电纳米材料与功能高分子复合，可得到同时具有优良导电性、催化活性和生物相容性的复合功能材料。以此类纳米复合物修饰电极，再偶联上特异性识别分子，可制得高性能的甜味剂电化学传感器[4]。例如，可先用电聚合法在电极表面制备导电高分子膜，再电沉积金纳米粒子，所得复合膜导电性能优异。将糖精或阿斯巴甜特异性适配体分子修饰到复合膜表面，即得到对相应甜味剂具有优异分析性能的电化学传感器，可实现食品样品中该甜味剂的快速测定。

3.3 基于适配体的甜味剂电化学传感器

适配体是一类能够特异性结合目标分子的寡核苷酸或肽核酸分子，可用于构建具有优异选择性的生物传感器。将适配体固定在电极表面，再引入氧化还原活性标记物，当目标物与适配体结合时，标记物与电极之间的电子传递行为会发生变化，据此可实现对目标物的灵敏检测。基于这一策略，可构建高选择性、高灵敏度的甜味剂电化学适配体传感器。例如，筛选出特异性结合阿斯巴甜的适配体，将其固定在金电极表面，再以亚甲蓝为信号分子标记适配体，当样品中的阿斯巴甜与适配体结合时，亚甲蓝的电化学信号发生变化，据此可实现对阿斯巴甜的特异性检测。这类传感器的检出限一般可达nmol级，可满足食品检测的灵敏度要求。

4 电化学传感器在食用色素检测中的应用

4.1 人工合成色素的使用现状与安全风险

人工合成色素因其色泽艳丽、稳定性好、成本低廉等优点，在食品工业中应用广泛。常见的合成食用色素包括苋菜红、日落黄、酸性红等。然而，一些不法商家为了降低成本，可能非法使用工业用染料作为食品添加剂，如苏丹红、孔雀石绿等，这些物质具有致癌、致畸的风险。即使是批准使用的合成色素，过量摄入也可能引起过敏等健康问题。例如，有研究提出食用含柠檬黄、日落黄等色素的食品可诱发儿童多动症。因此，严格监控食品中人工色素的添加量十分必要。传统的色素检测方法如紫外-可见分光光度法、高效液相色谱法等，样品前处理烦琐，难以实现快速、在线检测，采用电化学传感技术有望突破这一瓶颈[5]。

4.2 基于碳纳米材料的色素电化学传感器

碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯等因其优异的导电性和高比表面积，在电化学传感器构建中得到了广泛应用。将碳纳米材料组装到电极表面，可大大提高电极的电活性表面积和电子传递速率，有利于提高传感器的灵敏度。例如，采用层层组装法将碳纳米管和石墨烯复合物沉积在玻碳电极表面，再通过静电吸附固定色素分子探针，所得传感器对日落黄表现出优异的电流响应，检出限可低至nmol水平。除了作为电极基底，碳纳米材料还可用于信号放大。例如，采用石墨烯量子点对二级抗体进行标记，可放大免疫传感器的响应信号，显著提高检测灵敏度。碳纳米材料基电化学传感器操作简便、灵敏度高，可用于食品中人工色素的快速筛查。

4.3 基于金属氧化物纳米材料的色素传感器

金属氧化物纳米材料如二氧化钛纳米管、氧化锌纳米棒等具有优异的电催化活性和高比表面积，可显著提高电化学传感器的灵敏度和选择性。将金属氧化物纳米材料组装到电极表面，再引入特异性识别分子，可构建出高性能的色素电化学传感器。例如，采用阳极氧化法在钛板上制备TiO2纳米管阵列，再通过硅烷偶联剂修饰色素特异性适配体，所得适配体传感器对日落黄和苋菜红表现出优异的选择性和灵敏度，检出限可达pmol水平。这种基于定向阵列的传感器构建策略可有效提高传感器的灵敏度。此外，ZnO纳米棒阵列也是构建色素传感器的优良材料，采用类似的方法可制得灵敏度和选择性俱佳的色素适配体传感器。与碳材料相比，金属氧化物纳米材料在后续的传感器功能化改性方面具有一定优势。

5 其他食品添加剂的电化学传感检测

除了上述抗氧化剂、甜味剂和色素，防腐剂和增稠剂等其他食品添加剂的检测也可借助电化学传感技术实现。以山梨酸钾为例，它是一种常用的防腐剂，可有效抑制食品中细菌和霉菌的生长。然而，过量使用山梨酸钾可能引起消化不良等健康问题。因此，发展快速、灵敏的山梨酸钾检测方法十分必要。利用山梨酸钾在碱性条件下的电化学氧化活性，可构建出灵敏的山梨酸钾电化学传感器。例如，以碳纳米管/聚吡咯复合物修饰电极，在碱性条件下，山梨酸钾在电极表面发生氧化反应，产生明显的电流响应。该传感器对山梨酸钾表现出优异的灵敏度和选择性，可用于食品样品中山梨酸钾的快速测定。类似地，对于其他具有电化学活性的食品添加剂如苯甲酸钠、糖精钠等，采用电化学传感技术也可实现灵敏检测[6]。

6 电化学传感器在食品添加剂检测中的局限性与发展建议

①传感器的选择性有待进一步提高。食品基质成分复杂，各种干扰物质可能影响传感器的特异性识别。因此，在传感器构建过程中，需着重优化识别分子的筛选和修饰条件，提高传感器的抗干扰能力。②电化学传感器的重现性和稳定性还需进一步改善。纳米材料在电极表面的组装状态会影响传感器的性能，因此需优化组装条件，提高不同批次传感器的一致性。③电化学传感器的检测下限与标准分析方法还存在一定差距。可通过信号放大、联用技术等方式进一步提升传感器的灵敏度。未来，电化学传感器在材料、结构、集成化等方面的持续优化，有望突破当前局限，真正实现食品添加剂的现场快速检测。

7 结语

电化学传感器在食品添加剂检测领域展现出巨大的应用潜力。采用新型纳米材料、分子印迹等技术构建的传感器，在灵敏度、选择性等方面取得了很大进步。但目前电化学传感器在实际样品检测中的应用还不够普遍，其稳定性、重现性等有待进一步提高。未来，电化学传感器在材料、结构等方面的优化，以及与其他分析技术的联用，将大大拓宽其应用范围。电化学传感器有望成为食品添加剂检测的主流技术，为保障食品安全、维护消费者权益做出更大贡献。

参考文献

[1]赖亭润，舒慧，杨智超，等.电化学传感器在食品检测中的应用[J].食品安全质量检测学报，2021，12（16）：6424-6430.

[2]董诗诗，郑园，常利民.电化学传感器在食品检测中的应用探析[J].中国食品工业，2024（1）：89-91.

[3]史轻舟，邵高耸，许焯，等.电化学方法检测食品添加剂研究进展[J].食品科技，2023，48（9）：239-246.

[4]彭钢，张凯文，孙明慧，等.黑磷基电化学传感器在食品检测中的研究进展[J].食品科学，2024，45（11）：301-313.

[5]杨凯，张洪春.电化学传感器在食品检测中的应用[J].中国食品，2023（12）：70-72.

[6]吴月.电化学传感器在食品检测中的应用[J].现代食品，2023，29（10）：36-38.