亚硝酸盐的电化学检测

摘 要：亚硝酸盐在食品中具有保色及防腐的效果,使肉制品呈现美丽的色泽,也能够抑制了肉毒杆菌的生长,故适量添加对于食品卫生安全而言有其必要性,反之危害健康.

关 键 词：亚硝酸盐电化学检测生物传感器

1亚硝酸盐简介

亚硝酸盐类,亦可由硝酸盐之还原反应而成,在自然界中,包含了蔬菜类（例如：菠菜、莴苣等）、人类唾液及水中,是广泛存在的化学物质,也是水质污染的重要指标；而在肉品加工制品中,则是扮演了保色剂与防腐剂的角色,但亚硝酸盐若与胺类化合物进行反应,则会产生亚硝胺化合物,这是一种具有强烈肝毒性的致癌物质,会对DNA造成破坏,可能会引起肝癌、食道癌、肺癌、胰脏癌等多种癌症,但是目前为止仍未证明摄食亚硝酸盐与癌症有直接的关系,近年也有研究指出亚硝酸盐类在人类体内生理平衡的正面贡献.

2电化学法

硝酸盐/亚硝酸盐的电化学检测,可大致分为电流、电位和电导度三大系统.电流检测技术在20世纪就初已经开始发展了,当时利用铜电极用来还原硝酸盐离子.此后带动了多样性电极的研究,丰富的电极材料有效地增加了的电极侦测硝酸盐/亚硝酸盐的效率,但是还原反应可能产生放热能,使得电荷移动减缓,且浓度的累积可能会使电极产生去极化使得电极对硝酸盐还原反应之敏感性不佳,电极涂覆之材料也会影响这种方法的敏感度.

3生物传感器之原理

公元1962年,Clark及Lyons发明了葡萄糖生物传感器,开启了生物传感器研究之门,这项发明后来由美国YSI公司,发展出了血糖测试仪并商业生产化,带动了生物传感器的研究与发展,一般而言生物传感器包含了几项基本组件：

3.1生物感测组件：

以生物材料为感测组件,利用生物感测组件与样品进行专一性反应,产生物理或化学变化,可分成两种类型：

a.生物亲合性传感器：

生物感测组件与待测样品进行亲合性结合反应,进行产生讯号,可能包含了电荷、光学、质量等等物理或化学之变化等等,此类传感器亦可利用抗原抗体、化学物质受体、蛋白质或DNA等等生物分子,来进行具专一性之亲合性反应感测,每一种感测单位都具有其特异之相对受体.

b.生物催化型传感：

此类传感器之原理,在于感测组件上之固定化分子与待测样品反应后,会产生另一生化代谢产物,同时由电极进行侦测,例如葡萄糖生物传感器,就是一种酵素电极,除了酵素之外,也能将动植物细胞、微生物等等做为分子辨认的组件.

3.2讯号处理组件：

由生物感测组件所产生之物理信号接收及转换.

3.3讯号放大器：

由于生物传感器之特色在于所检测之范围精细,讯号相当微弱,因此需要讯号放大器将反应讯号增强,以便于讯号之读取.

3.4讯号表现：

所有的反应讯号皆经一连串的处理后,最终以不同的方式呈现,例如吸光值、电压、电流、电位等等.

3.5生物传感器之种类

生物传感器持续在发展当中,其特色在于生物感测组件能够拥有高特异性与及时监测的效果,且其所能应用域之广,包含了医药、食品及农业、国防、环境监测等等,如表三所示,非一般检测方法所能比拟.

而发展此类传感器必须根据生物分子之特性、作用机制、检测浓度范围和操作便利性等等许多方面,做全盘性的考量,最后再选择适当的信号转换器,才能构筑一套完整的生物传感器,生物传感器亦根据信号转换器的不同而分为下列几种类型：

4以电流式生物传感器开发多功能检测平台

此传感器之检测原理与奈恩斯特方程式有关,当电极之电位固定时,待测物质因氧化还原反应所产生之电流与其浓度有关,且电流式生物传感器之仪器构造简单,最主要就是电极与换能器,就能够进行实时检测,且成本低廉,发展多样性又高,在目前的传感器平台中是最受欢迎的,另外关于此系统之电极修饰之多样性研究相当丰富,包括电镀迭层、特殊材质包覆、隔离膜及酵素固定化等等,故利用不同的电极材质及电极修饰方法,就能检测不同的分子物质,专一性良好,亦可达到排除干扰之目的,因此使用同一套设备,更换不同的电极及检测条件,就可以检测各式各样之物质,具有多功能检测平台之开发潜力.

5亚硝酸盐电流式生物传感器检测应用

开发此亚硝酸盐电流生生物传感器之目的,是为了快速检测加工肉品中之亚硝酸盐含量,与传统光谱分析方法相较之下,不仅不需要繁复之样品处理手续,检测成本也相当低廉,且此系统不仅可以应用在相关食品之检测,同时也能应用其他检测上,例如一氧化氮之检测,NO是一种高反应性自由基,与细胞之生理有相当大的关系,而NO产生后之相当不稳定,很快就转变成nitrite（NO2）及nitrate（NO3）,故以所产生之nitrite量就能反应出细胞中之NO量,因此也适用于此系统；或者亦可做为工业生产之监控系统,结合自动取样及远程遥控系统,就能做生产之在线及时监控,相当具有应用之潜力.

图1离子选择性场效晶体管（IET）之检测机制

图2光纤生物传感器之基本构造图

图3表面电浆共振器之原理及基本结构

6总结

以电化学传感器检测亚硝盐之目前研究结果一般来说,电化学传感器之讯号测定的方式分为电流、电压与导电度测定等三种方法,电极修饰能够增加敏感性和选择性,酵素固定化电极能提供良好的特异性和敏感性,特别是生物识别的部份.

目前以电化学检测亚硝酸盐之方式开发相当发达,许多电极组件也以金属离子为基材调和,通常是Os、Ru或Ir；也有其他研究系以PTFE膜修饰Au电极,其原理为当亚硝酸盐还原为NO时,就能够侦测到电流的变化以定量亚硝酸盐.随着电极修饰的方法不同,各种电极检测方法及范围不尽相同,例如镜碳电极利用linearsweepvoltammetry（LSV）之原理,条件在0～-0.5V之间,也有研究指出,使用thiophene-2-carboxylicacid化合物做修饰时,可以得到最好的反应.

另外还有将iodineiodide复合物被覆在金/铂电极上之两用电化学系统,此系统以硫酸做为媒介时,也可以间接的方式来检测亚硝酸盐.

除此之外,也能利用生物催化反应来进行.还原酵素能提升电极对于硝酸盐和亚硝酸盐的还原反应之敏感性和专一性.Reshetilov等人利用N.vulgaris菌株制备生物传感器,系利用此菌能氧化亚硝酸盐之特性为原理,但是感测电极之成本高且易碎,所以应用性并不高.

近来大多使用20kHz超音波清洗及活化电极,使得检测样品多样性拓展的相当广,例如全蛋或者污水,便利性高,另外还有Sono-electroanalytical技术,是一种能够让样品不需为排除干扰再特别处理之新方法.