基于聚中性红-银纳米棒-碳纳米管复合材料的比率型电化学传感器用于快速检测小龙虾中的组胺

《Foods》：Poly(Neutral Red)–Silver Nanorods–Carbon Nanotubes Composite-Based Ratiometric Electrochemical Sensor for Rapid Detection of Histamine in Crayfish

　　

腐败水产产品中的组胺积累带来了显著的食品安全风险，然而由于组胺缺乏直接电化学活性以及复杂生物样品中严重的基质干扰，快速准确的现场检测仍然具有挑战性。在此，研究人员报道了一种基于聚中性红-银纳米棒-碳纳米管（PNR-AgNRs/CNTs）复合材料的比率型电化学传感器，用于快速检测小龙虾中的组胺。该传感器利用双信号策略，其中组胺竞争性地抑制PNR电化学信号，而AgNRs信号不受影响，从而通过IPNR/IAgNRs比值实现自参比定量。该设计有效消除了仪器漂移和样品基质的干扰。该传感器表现出1–150 μmol/L的线性响应范围，检测限为0.16 μmol/L，并具有优异的稳定性和重现性。当应用于小龙虾样品时，该方法达到了令人满意的回收率（95.9–102.3%），并且与国家标准方法相比没有显著差异。通过规避对组胺直接电化学响应的需求，这种比率型方法为水产产品新鲜度的快速现场评估提供了一个稳健的平台。

水产产品是全球食品供应链的重要组成部分，富含优质蛋白质和多不饱和脂肪酸等营养物质。然而，由于其高水分和活性内源酶，水产产品在捕捞和运输过程中极易受微生物污染和酶促腐败。在腐败过程中，组氨酸经微生物脱羧生成组胺，组胺作为一种强效食源性毒素，过量摄入会导致严重的食物中毒。目前常用的组胺检测方法如高效液相色谱（HPLC）等虽精度高，但存在仪器昂贵、前处理繁琐等问题，难以满足现场快速筛查的需求。电化学传感技术虽操作简便、响应快，但组胺分子本身缺乏直接电化学活性，且水产产品复杂的生物基质会对检测产生严重干扰，这构成了限制其应用的关键瓶颈。为解决这一问题，研究人员在《Foods》上发表了一篇论文，开发了一种基于双信号输出机制的比率型电化学传感器，以消除环境和仪器波动干扰，实现复杂基质中组胺的准确检测。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用液相还原法合成了银纳米棒（AgNRs），并采用滴涂和电化学聚合技术在玻碳电极（GCE）表面构建了聚中性红-银纳米棒-碳纳米管（PNR-AgNRs-CNTs）复合材料修饰电极；运用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等对材料形貌和结构进行表征；结合循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和微分脉冲伏安法（DPV）评估电极性能及检测机制；样本队列来源于当地市场购买的小龙虾，通过标准加入法进行回收率测试，并与国家标准方法进行对比验证。

PNR-AgNRs-CNTs复合材料的表征
研究人员通过SEM观察发现，AgNRs呈现 length 约200–500 nm、diameter 约50–100 nm 的棒状结构，与CNTs复合后形成致密的三维互穿网络，PNR聚合后该结构得以保留。EDS元素映射证实了氮和银在复合表面的均匀分布。XRD和Raman光谱分析确认了面心立方银特征晶面及碳特征峰的存在，且表明PNR涂层未破坏材料本体晶相结构。FTIR和TGA分析进一步证实了PNR的成功涂层，且该涂层提升了复合材料的热稳定性。

电化学性能评估
通过CV和EIS分析，研究人员发现PNR-AgNRs-CNTs/GCE在所有测试电极中展现出最高的氧化还原峰电流和最小的电荷转移阻抗（Rct），这得益于AgNRs与CNTs形成的导电交联网络。此外，计时电量法（CC）分析表明，该复合电极的电化学活性表面积约为裸GCE的五倍。这些结果证实该电极具备构建比率型传感器的优异电化学基础。

组胺的比率型检测
在检测机制方面，组胺因缺乏直接电化学活性而无法被常规方法检测。研究人员发现，组胺的引入使得PNR在?0.41 V处的特征峰电流显著降低，而AgNRs在约0.1 V处的信号几乎不变。这归因于质子化组胺与阳离子PNR主链之间通过磷酸盐介导的离子对形成，限制了聚合物的掺杂/脱掺杂动力学，而未改变银的氧化还原过程。通过优化，确定最佳电解质为pH 6.0，吸附时间6 min，CNTs负载量0.08 mg/cm²。在此条件下，IPNR/IAgNRs比值与组胺浓度的自然对数在1–150 μmol/L范围内呈良好线性关系，检测限（LOD）低至0.16 μmol/L。

选择性、稳定性和重现性
在抗干扰能力测试中，研究人员发现Na⁺、Ca²⁺等常见离子对IPNR/IAgNRs比值的影响小于5%。尽管腐胺、尸胺等其他生物胺也会因同样的离子对机制产生响应，致使该传感器无法特异性区分组胺，但鉴于水产腐败过程中各类生物胺协同产生，该传感器可作为评估总生物胺负荷及整体腐败程度的快速筛查工具。稳定性测试表明，在连续8天的检测中，电流的相对标准偏差（RSD）为2.56%，展现出良好的长期稳定性。同时，制备的8根电极的RSD仅为1.28，体现了优异的批次间重现性。

实际样品分析
研究人员将该方法应用于小龙虾样品的检测。结果表明，在1、5、10 μmol/L三个加标水平下，回收率在95.9%至102.3%之间，RSD为1.23–2.64%。与国家标准方法相比，配对t检验结果表明两者无统计学上的显著差异，证实了该方法在实际样品分析中具备高准确度和精密度。

研究结论部分指出，基于PNR-AgNRs/CNTs复合材料的比率型电化学策略能够在无需组胺直接电化学氧化的情况下，实现复杂生物基质中组胺的可靠定量。通过利用组胺对PNR氧化还原过程的竞争性抑制，并结合AgNRs响应作为内部参考，这种IPNR/IAgNRs双信号方法能够内在补偿电极差异、仪器漂移和基质诱导的信号波动。在小龙虾样品中，该传感器与国家标准方法的高度一致性证实了其在实际食品安全监测中的准确性。研究结论认为，该比率型电化学传感技术为水产产品现场组胺筛查提供了稳健的解决方案，有望简化海鲜供应链中的新鲜度评估和质量控制工作流程。