导电聚合物基电化学传感器在食品安全分析中的应用

引言：

食品安全是一项关乎到人民群众的生命、健康和生活的重大国计民生问题 , 也是牵动人们敏感神经的热点问题 [3]，构建快速且精准的食品安全检测技术体系意义重大，气相色谱 - 质谱联用技术的传统检测方法，虽准确性高，然而存在设备成本高昂、操作繁琐、检测耗时较长等局限，电化学传感器体现出响应迅速、成本较低、易于小型化等好处，在食品安全检测中呈现可观前景。

导电聚合物是电化学传感器重要的增敏材料之一 , 导电聚合物基电化学传感器集合了电化学传感器易于小型化、分析速度快以及导电聚合物的优异导电性等理化性能 , 在痕量食品安全分析方面具有独特优势 [2]。聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩之类的典型导电聚合物，在水溶液中呈现出不同的电化学活性，跟多种分子产生特异性的交互作用，为开发高性能食品安全检测传感器给予材料依托，本文对导电聚合物的基础性质、传感原理以及其于食品安全检测里的应用展开系统剖析，为该领域技术进展提供参考借鉴。

一、导电聚合物基电化学传感器的基本原理

1.1 导电聚合物的结构与性质

分子主链上的 π 电子共轭体系造就导电聚合物的导电机制，经由化学掺杂和电化学掺杂引入载流子，极大增强材料的电导率，具备三种基本氧化态的聚苯胺，在酸性条件下，聚苯胺盐的电导率可达 ，体现出优异的导电能力，α-α' 键把吡咯环连接构成聚吡咯，掺杂态的电导率可高达10^2 S/cm，聚噻吩及其衍生品种，4- 乙烯二氧噻吩体现出卓越的电化学稳定性。

分子结构与导电聚合物的电化学性质紧密耦合，聚合物链的共轭长度、掺杂情况以及分子量分布都可影响其电化学表现，处于电化学进程当中，导电聚合物出现氧化还原反应，伴随着掺杂离子嵌入又脱嵌，造成电导率以及体积呈现可逆变化。

1.2 电化学传感器的工作机理

目标分析物与传感器表面材料间的相 用构成导电聚合物基电化学传感器的工作原理，在目标分析物接触到传感器表面的瞬间，引起导电聚合物电化学性质的变动，造就可实施测量的电信号。

作为一种新科技革命和信息社会的重要技术基础 , 传感技术已成为人们现代生活的重要组成部分[4]。电流型传感器借助分析物在电极表面的氧化还原反应工作，作为电极材料选取的导电聚合物，其出色的电子传递能力与高比表面积可助力电化学反应开展，产生跟分析物浓度呈正比率关系的电流信号，电位型传感器凭借分析物与导电聚合物相互作用引起的电位变化来进行检测，阻抗型传感器凭借测量导电聚合物阻抗变化开展目标分析物的检测，尤其适用于针对生物分子的检测。

1.3 信号放大与增敏机制

多种信号放大机制成就导电聚合物基传感器的高灵敏度，导电聚合物的多孔结构以及高比表面积，让分析物有更多结合位点，电子传递借助聚合物链的导电性更高效进行。

生物传感器里，酶催化放大是常用的增敏手段，把酶分子固定到导电聚合物基质之内，达成底物的催化转换，造就大量电活性产物，采用纳米材料复合是另一种有效增敏举措，把金属纳米粒子、碳纳米管、石墨烯等跟导电聚合物复合，进一步增进材料的导电性与催化活性。

二、食品中有害物质的电化学检测

2.1 农药残留检测

食品安全面临着农药残留的重大威胁，导电聚合物基电化学传感器为快速检测开辟新途径。

采用乙酰胆碱酯酶抑制法检测有机磷农药，原理是酶活性会被有机磷农药进行不可逆抑制，利用聚苯胺 - 乙酰胆碱酯酶复合传感器检测敌敌畏，检测限达 ，其线性范围跨度为1-1000ng/mL，完成检测的时间不超 5 分钟。

氨基甲酸酯类农药的检测同样借助胆碱酯酶抑制原理，聚吡咯基生物传感器借助固定化的丁酰胆碱酯酶，实现针对西维因、灭多威等农药的特异性测定。

免疫传感器把特异性抗体固定到导电聚合物的表面去，完成对特定农药分子的直接勘定，聚噻吩 - 抗体复合传感器针对阿特拉津展现出高特异性与高灵敏度。

2.2 重金属污染监测

严重威胁人体健康的是重金属污染，检测重金属时，导电聚合物基传感器呈现出独特优势。

用于重金属电化学检测的主要技术乃是阳极溶出伏安法，在阳极溶出作用下，电极表面富集的重金属离子产生特征电流峰，导电聚合物修饰电极具备较大比表面积与充足活性位点，聚苯胺修饰玻碳电极对铅离子、镉离子的检测限分别可达到0.5 μ g/L 和 。

离子印迹技术跟导电聚合物结合，为重金属选择性检测给出新思路，借助在聚合进程中引入目标重金属离子作为模板，造就拥有特定识别位点的聚合物，其他二价金属离子的选择性系数，与铜离子印迹聚吡咯传感器对铜离子的相比，低了两个数量级。

2.3 食品添加剂超标检测

食品添加剂超量使用，将对人体健康产生不良影响，防腐剂、甜味剂、色素等的检测工作中，导电聚合物基传感器应用极为广泛。

防腐剂检测：电极表面处，苯甲酸及山梨酸有明显的电化学活性，以聚苯胺修饰电极检测苯甲酸，检测限是 ，线性区间横跨 0.05 至 100mg/L ，差分脉冲伏安法成功地分离了两种防腐剂氧化峰，达成同步检验。

人工甜味剂检测：苯环与磺酰胺基团赋予了糖精分子电化学活性，聚吡咯修饰电极检测糖精灵敏度比传统电极的提升了近十倍，实现了 0.5mg/L 的检测限。

食用色素检测：聚噻吩基传感器能就柠檬黄、胭脂红等合成色素给出良好的电化学响应，达成定性及定量方面的分析。

三、生物传感器在食品安全中的应用

3.1 病原微生物检测

食物中毒重要原因归结为食源性病原微生物，导电聚合物基生物传感器针对病原微生物检测，呈现出响应迅速、灵敏度高的显著优点。

免疫传感器依靠抗原 - 抗体特异性结合原理，把特异性抗体附着在导电聚合物表面，聚苯胺与抗体结合的复合传感器对大肠杆菌 O157: 对 H7 的检测下限为 10²CFU/mL，检测 30 分钟便可结束，远胜于传统培养方法的效果。

适配体传感器归为新兴检测技术，存有稳定性良好、易于改性、成本低廉的好处，聚吡咯 - 适配体传感器针对沙门氏菌的线性检测区间为 10³-10⁷CFU/mL ，选择性系数比 10³ 要高，基于 PCR 的电化学传感器把PCR 高特异性优点与电化学检测快速性相融合，检测极限可至单个细胞的水平。

3.2 生物毒素检测

生物毒素体现出毒性高、致死剂量小的特性，对食品安全构成重大威胁。

黄曲霉毒素表现出强致癌性，导电聚合物基免疫传感器借助竞争性免疫分析原理工作，聚苯胺-抗体复合传感器对黄曲霉毒素 B1 检测的限界达到 0.1ng/mL ，把检测时间缩短至15 分钟。

肉毒杆菌毒素毒性强烈，聚吡咯基免疫传感器借助固定化的特异性抗体直接检测毒素，针对肉毒杆菌毒素 A 型的检测下限 0.01ng/mL ，线性为 0.05-50ng/mL 。

赭曲霉毒素和呕吐毒素的真菌毒素分子量小，传统免疫分析灵敏度达不到理想水平，相较于传 统方法，金纳米粒子增强的聚噻吩传感器对呕吐毒素的检测性能提升了两个数量级。

海洋生物毒素结构极为复杂，多个不同选择性传感单元被导电聚合物传感器阵列进行集成，实现多种海洋毒素的同步测定与识别。

3.3 转基因食品检测

转基因食品检测主要借助对外源基因和蛋白质的检测实现，传统 PCR、蛋白免疫印迹等方法准

确性高，然而设备贵、操作难度大，难以做到现场检测。

基于 DNA 的电化学传感器将互补 DNA 探针固定于导电聚合物表面，目标基因与探针杂交引起电化学性质的变动，聚苯胺基 DNA 传感器对转基因大豆 35S 启动子序列展现出极高特异性，可区分出转基因和非转基因的样品。

利用蛋白质免疫传感器检测转基因食品里的外源蛋白质，常见外源蛋白里存在Bt 蛋白，聚吡咯-抗体复合传感器对Bt 蛋白可检测下限为 1ng/mL ，精准检测转基因玉米中Bt 蛋白的含量高低。

多重PCR 电化学传感器借助设计各异的引物与探针，在单个传感器上同步检测多种转基因成分，提升检测的效率水平，依靠建立标准曲线和开展内标校正，导电聚合物基传感器能实现转基因成分精准的定量分析，为食品安全监管给予技术上的支撑。

四、技术挑战与发展前景

4.1 技术挑战分析

食品安全检测应用中，导电聚合物基电化学传感器面临多项技术困境，制约其广泛应用的关键就是长期稳定性，导电聚合物在强氧化、强酸碱或高温环境下易出现降解，共轭结构遭到破坏引发电化学性能下降。

批次重现性的问题同样十分凸显，在聚合进程里，单体纯度、聚合条件、掺杂程度等因素的细微改变，能引发不同批次产品性能的差异，直接影响到检测结果是否可靠与可比。

另一个重要挑战是复杂基质的干扰，食品样品含有诸如蛋白质、糖类、脂肪、无机盐之类的多种成分，可同目标分析物竞争结合的位置，直接开展电化学反应进而产生干扰信号，传感器选择性仍需进一步提高，虽然引入酶、抗体、适配体之类的特异性识别元件可提高选择性，但维持这些生物分子稳定性与活性仍是技术上的难点。

4.2 材料创新与性能优化

新型导电聚合物材料的研制为传感器性能提升开辟新途径，4- 乙烯二氧噻吩所对应的聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS) 作为水溶性的一类导电聚合物，展现出良好的透明性及稳定性，在生物传感器的应用领域前景十分宽广。

纳米复合材料技术为性能提升开辟有效路径，碳纳米管、石墨烯、金属氧化物纳米粒子与导电聚合物相复合产生协同效应，同步改善材料的导电性能、机械强度与化学稳定性，三维石墨烯 - 聚苯胺复合材料既具备高比表面积，又有着优异导电性，也表现出超凡的电化学稳定特性。

表面修饰技术为选择性和稳定性的改善提供新方法，分子印迹技术引入模板分子，在聚合物里生成和目标分析物相匹配的识别空穴，显著提升传感器选择性水平，借助自组装单分子膜技术在导电聚合物表面构建有序功能层，优化生物分子的固定效果以及传感器重现性。

4.3 发展趋势与前景展望

导电聚合物基电化学传感器正向多元化和智能化的方向发展，多参数同时检测技术赋予单个传感器检测多种目标分析物的功能，传感器阵列技术把多个不同选择性传感单元集成，借助模式识别算法完成复杂样品的全面剖析。

现场快速检测需求可借助便携式检测设备满足，由于微型化技术与集成电路技术进步，传感器系统体积持续变小，集成传感器系统的智能手机为食品安全检测普及提供了机会。

人工智能技术的融合给数据处理及结果解释带来新工具，机器学习算法开展对大量传感器数据中模式的挖掘，增强检测的精准度与可信度；深度学习技术在应对复杂信号、消除干扰方面显露出独特的长处。

技术产业化的必然要求是标准化与规范化，打造完备的技术标准、检测规范及质量控制体系，对助力导电聚合物基传感器实现广泛应用意义非凡，伴随技术成熟以及产业链的健全，生产成本逐渐降低，为大规模应用铺就基础道路。

五、结论

在食品安全分析得出，导电聚合物基电化学传感器具有显著优势，在检测农药残留、重金属污染、病原微生物及生物毒素等方面效果显著，实现 ng/L 级别的检测限，响应时长缩短。

长期稳定性、批次重现性、基质干扰抑制等技术挑战，依旧需要持续突破，材料创新、表面修饰以及信号处理等技术的进步，为解决这些问题开拓了新途径。

伴随多学科交叉融合的不断深入，传感器技术将向高精度、多功能、智能化方向跃进，与人工智能、物联网、大数据等新兴技术相融合，传感器系统将获得更强的数据处理及决策支持辅助，标准化、产业化的推进将加速技术付诸实际应用，降低生产投入的成本，促成大规模运用。

参考文献

[1] 胡源苓 , 吴齐粤 , 李永辉 , 等 . 基于二维材料的亲和型电化学传感器在食品安全分析中的应用 [J]. 食品安全质量检测学报 ,2022,13(15):4966-4973.DOI:10.19812/j.cnki.jfsq11-5956/ts.2022.15.026.

[2] 吴齐粤 , 蒲煦均 , 樊雪静 , 等 . 导电聚合物基电化学传感器在食品安全分析中的应用 [J]. 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 ,2023,14(08):155-162.DOI:10.19812/j.cnki.jfsq11-5956/ts.2023.08.016.

[3] 胡 建 国 , 朱 根 华 , 熊 耀 坤 , 等 . 我 国 食 品 安 全 检 测 技 术 研 究 进 展 [J]. 食 品界 ,2016,(08):40-41.

[4] 韩贵宾 , 陈存广 , 孙媛媛 , 等 . 电流型电化学传感器的研究进展 [J]. 科技创新与应用 ,2017,(23):195-196.DOI:10.19981/j.cn23-1581/g3.2017.23.120.