基于300℃退火AuNPs/ITO电化学传感器检测猪肉样品中硒代蛋氨酸（SeMet）的研究

《Journal of Food Composition and Analysis》：Determination of selenomethionine in real pork samples using an annealed AuNPs/ITO electrochemical sensor

　　

本研究开发了一种基于300℃退火的金纳米颗粒/氧化铟锡（AuNPs/ITO）电极的电化学传感器，用于测定硒代蛋氨酸（selenomethionine, SeMet）。研究人员利用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）对电极进行了表征，并通过循环伏安法（cyclic voltammetry, CV）和计时电流法评估了其电化学性能。该传感器呈现两个线性响应范围，分别为30–3000 nmol·L-1和3000–10000 nmol·L-1，对应灵敏度分别为6.66×103和1.71×103 μA·mM-1·cm-2，检出限（limit of detection, LOD）为23.4 nmol·L-1，响应时间小于5秒。研究人员初步提出了SeMet在电极-电解质界面的反应路径。该传感器经酸水解前处理后应用于新鲜猪肉样品中SeMet的测定，加标回收率为92.86%–107.26%。该传感器还能区分普通猪肉与富硒猪肉中的SeMet水平，相对差异约为2.4–2.9倍是可靠的结论，而绝对组织浓度仍为半定量性质，有待正交验证。尽管样品制备仍需22小时酸水解，但电化学测量本身快速。这些结果表明，所提出的传感器在经过进一步验证后，具备用于猪肉中SeMet分析的潜力。

研究背景与科学问题

硒（Se）是人体必需的微量元素，其在膳食中的主要化学形式为硒代蛋氨酸（selenomethionine, SeMet）。SeMet由蛋氨酸中的硫原子被硒取代而形成，可非特异性掺入蛋白质中，作为低毒性的安全储存形式。适量硒摄入（40–60 μg·d^-1）与降低某些癌症风险相关，且硒是谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的关键组分。然而，硒的缺乏与过量均会导致严重健康后果：缺乏可引发克山病和大骨节病，过量则导致硒中毒。由于硒的安全窗口狭窄（<40 μg·d^-1至>400 μg·d^-1），准确测定食品尤其是猪肉中的SeMet含量对于制定科学的膳食干预策略至关重要。

现有SeMet检测方法主要包括气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用（LC-ICP-MS）、高效液相色谱（HPLC）及超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）等。这些方法虽精度高、灵敏度好，但通常涉及繁琐的样品前处理、复杂的衍生化步骤以及昂贵的大型仪器，限制了其在资源有限环境或大规模筛查中的应用。因此，亟需开发更简便、快速、经济的SeMet检测方法。

电化学方法凭借硒代氨基酸固有的电活性成为一种有前景的替代方案。早期研究已建立SeMet在金电极上的电化学氧化行为，揭示其为扩散控制的双电子转移过程。然而，将电化学方法应用于复杂食品基质中SeMet的痕量分析仍面临挑战，包括需要高选择性电极以区分结构相似的含硫氨基酸、减轻基质组分的电极污染以及达到适合痕量分析的检出限。

研究内容与主要结论

研究人员开发了一种基于不同温度退火的AuNPs/ITO电极的电化学传感器用于SeMet检测。通过电极表征和电化学测量综合评价传感器性能，并将其应用于实际猪肉样品。同时提出SeMet在电极上的反应机理以阐明反应过程。结果表明，该传感器能够在生理pH水溶液中选择性检测SeMet，并在猪肉样品中实现高灵敏度的SeMet定量分析。

关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：（1）离子注入法制备AuNPs/ITO电极，使用MEVVA离子注入机在21 keV能量和1.0×10¹⁷ ions cm^-2剂量下将Au离子注入ITO基底；（2）在不同温度（200℃、300℃、400℃、500℃）下对AuNPs/ITO电极进行退火处理120分钟；（3）利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对电极表面形貌和化学状态进行表征；（4）采用循环伏安法（CV）和计时电流法评估电极的电化学性能。猪肉样品由中国农业科学院北京畜牧兽医研究所提供。

研究结果

3.1 不同电极的表征

SEM图像显示，未经退火的AuNPs/ITO电极表面几乎观察不到明显的Au纳米颗粒，可能因为植入的Au物种以极细纳米颗粒或原子簇形式存在，或大部分嵌入ITO表层下方。随着退火温度升高，近球形的Au纳米颗粒逐渐在ITO表面出现并生长，尺寸和密度与退火温度呈正相关。XPS分析确认Au 4f_7/2和4f_5/2峰分别位于83.7 eV和87.4 eV，表明Au以金属零价态存在。退火后峰位基本不变，但强度增加，与SEM观察到的表面覆盖度增大一致。

3.2 不同电极的电化学性质

CV测试表明，裸ITO电极上无SeMet信号，而AuNPs/ITO电极出现一对明显的氧化还原峰（还原峰0.43 V，氧化峰0.95 V）。300℃退火AuNPs/ITO电极的信号最强（还原峰0.52 V，氧化峰0.93 V），优于未退火及其他温度退火电极。扫描速率依赖性研究表明，氧化峰电流（I_pa）和还原峰电流（I_pc）均与扫描速率的平方根（v^1/2）呈良好线性关系（R2>0.995），表明SeMet在300℃退火AuNPs/ITO电极上的电氧化过程主要为扩散控制。电子转移系数（α）和电子转移数（n）估算为0.57和2.12，与硒化物氧化为硒氧化物的双电子过程一致。

3.3 SeMet在电极上的反应机理分析

吸附作为快速的预富集步骤增强局部浓度，而整体反应速率主要由SeMet从本体溶液向电极表面的扩散控制。基于电子转移数（n≈2）和反应位点（Se原子），研究人员提出了SeMet在电极上的氧化还原反应：SeMet与水分子的氧原子反应生成硒代蛋氨酸硒氧化物（SeMetO）。AuNPs不仅作为催化剂降低SeMet氧化的活化能垒，还作为介体促进电荷转移。

3.4 300℃退火AuNPs/ITO电极上SeMet的计时电流法测定

优化工作电位为-0.20 V。每次添加SeMet后，修饰电极在5秒内达到95%稳态电流。校准曲线呈现两个线性段：低浓度范围30–3000 nmol·L^-1，灵敏度6.66×10³ μA·mM^-1·cm^-2；高浓度范围3000–10000 nmol·L^-1，灵敏度1.71×10³ μA·mM^-1·cm^-2。检出限（LOD）为23.4 nmol·L^-1（S/N=3）。

3.5 抗干扰能力

在100倍摩尔过量干扰物存在下，电极对SeMet的电流响应变化一般在±20%以内。SeCys₂与SeMet的氧化电位相差约170 mV，可区分检测。含硫氨基酸（Met、Cys₂）在施加电位条件下无电化学活性。

3.6 新鲜猪肉样品评价

加标回收实验中，三个普通猪肉样品的本底SeMet浓度为628.27–722.51 nmol·L^-1，加标100和500 nmol·L^-1后的回收率为92.86%–107.46%。富硒猪肉中SeMet浓度为1750.76–1880.76 nmol·L^-1，约为普通猪肉的2.4–2.9倍。换算为湿重组织浓度，普通猪肉为2.45–2.84 μg·g^-1，富硒猪肉为6.86–7.37 μg·g^-1，但绝对值属于半定量估计。

4. 比较分析与讨论

与已有方法相比，该传感器的检出限（23.4 nmol·L^-1）和宽线性范围（30–10000 nmol·L^-1）与UPLC-MS/MS及色谱法相当，但无需色谱分离或衍生化。相较于间接差分脉冲伏安法（DPV），该传感器可直接电化学定量SeMet，消除累积计算误差。虽然样品前处理仍需22小时酸水解，但电化学测量本身仅需5秒。该传感器的主要优势在于直接检测、操作简化、成本较低。

5. 研究结论

本研究开发了一种300℃退火AuNPs/ITO电化学传感器用于SeMet测定。通过SEM和XPS对电极进行表征，利用CV和计时电流法评估性能。传感器表现出两个宽线性范围和低检出限。该传感器成功应用于普通和富硒新鲜猪肉样品中SeMet的区分检测，加标回收率满意。研究结果为食品中SeMet分析提供了一种有前景的电化学检测平台。