组胺是肉类食品腐败时产生的一种常见且具有危害性的生物胺[1-3]。人体对组胺的耐受性有限,欧盟和美国分别规定水产品中组胺不得超过100 mg/kg和50 mg/kg;我国GB 2733—2015《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》规定,一般海水鱼类中组胺限量为200 mg/kg,高组胺鱼类为400 mg/kg[4-6]。 目前,复杂基质中组胺的检测手段主要有高效液相色谱法(HPLC)、比色法[7]、液相色谱-质谱联用技术[8]及酶联免疫吸附实验[9]等。这些方法存在仪器成本高、操作烦琐和选择性差等局限。电化学生物传感器以其成本低、易于微型化、选择性高等优势,在食品安全监测中展现出广阔应用前景[10]。现有组胺电化学生物传感器在复杂基质中抗干扰能力较差[11];酶等生物识别元件的固定化策略常受环境因素(pH值、温度等)影响,活性易受限;多数系统在复杂食品基质中的抗干扰能力不足,导致检测结果可靠性下降[12]。

石墨相氮化碳(g-C3N4)具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点,有利于反应物与酶的接触[13]。然而,g-C3N4导电性较差[14],需复合其他材料以提升性能。二氧化钛(TiO2)作为一种常见的宽带隙半导体,具有良好的化学稳定性和催化活性[15]。二者复合构建异质结,可利用g-C3N4的层状结构分散并负载TiO2纳米颗粒,促进电荷分离与转移,改善复合材料的导电性。密度泛函理论计算(density functional theory,DFT)可用于模拟和预测异质结的能带结构、态密度及界面电荷转移行为,从原子尺度阐明材料设计原理。目前鲜有研究将 g-C3N4/TiO2 异质结复合构建电化学生物传感器并应用于组胺检测,也缺乏对高性能传感器界面传感性能机制的解析。

本研究拟通过一步煅烧法合成g-C3N4/TiO2纳米复合材料,于传感器表面固定二胺氧化酶(DAO),构建用于肉制品中组胺检测的高灵敏电化学生物传感器,并结合理论计算探究传感机制,旨在构建一种高灵敏、高选择性、强抗干扰能力的组胺检测方法,为肉制品中组胺的快速检测提供新的技术思路与理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

二胺氧化酶(diamine oxidase,DAO,酶活力≥0.05 U/mg)、纳米二氧化钛(TiO2,纯度99.8%)、组胺(HIS,纯度96%),上海麦克林生化科技股份有限公司;三聚氰胺(纯度99%)、无水乙醇(纯度99.5%)、戊二醛(质量分数50%)、牛血清蛋白(BSA,纯度≥98%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;NaOH、H3PO4,分析纯,北京百灵威科技有限公司;KCl、K3[Fe(CN)6]、K4[Fe(CN)6]·3H2O、NaH2PO4、Na2HPO4、HClO4,分析纯,上海国药化学试剂有限公司。除特殊说明,实验所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

CHI 660E型电化学工作站,上海辰华仪器有限公司;DHG-9036A型电热真空干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;Sigma 300型扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM),德国卡尔蔡司股份公司;F200X型透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM),美国FEI公司;Thermo Scientific K-Alpha型X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)仪、Nicolet iS20型傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)仪,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;Bruker D8 Advance型 X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪,布鲁克(北京)科技有限公司;Oxford Explore 3.0型能量色散X射线光谱(energy dispersive spectrometry,EDS)仪,牛津仪器科技(上海)有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 电化学生物传感器的制备

1.3.1.1 g-C3N4/TiO2异质结的构建

g-C3N4的制备参照文献[16]的方法并略加调整。称取15 g三聚氰胺置于石英舟中,将石英舟放入管式炉中,在氩气气氛下以5 ℃/min的速率升温至550 ℃,保持2 h,煅烧过程中的氩气流量为50 cm3/min,所得黄色产物收集后研磨成粉,待用。TiO2粉末与g-C3N4粉末按质量比2∶1混合,在体积分数50%乙醇中超声分散30 min防止团聚,真空干燥24 h后,在氩气保护下以5 ℃/min升温至550 ℃,热处理2 h以形成g-C3N4/TiO2异质结。

1.3.1.2 电化学生物传感器的制备

裸电极经氧化铝粉末抛光后,用超纯水清洗并自然晾干,备用。生物传感器采用滴涂法制备。将制备得到的g-C3N4/TiO2异质结粉末加入超纯水中,经超声分散形成质量浓度为1 mg/mL的g-C3N4/TiO2悬浊液。取8.0 μL该悬浊液滴涂于干燥的玻碳电极(glass carbon electrode,GCE)表面,置于45 ℃恒温条件下烘干。依次滴加5.0 μL BSA溶液(1.0 mmol/L)、8.0 μL DAO溶液(1.0 μ/mL)及5.0 μL戊二醛溶液(5.0 mmol/L),每步滴涂后均在恒温条件下干燥,最终制得DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器。g-C3N4/TiO2/GCE、g-C3N4/GCE及TiO2/GCE等传感器均采用类似方法制备。

1.3.2 电化学生物传感器性能表征

室温下使用电化学工作站及三电极系统进行电化学测试,三电极系统以Ag/AgCl为参比电极,铂丝为辅助电极,GCE为工作电极。测试前,工作电极在0.1 mol/L磷酸缓冲液(PBS,pH=7.0)支持电解质中通过循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)扫描(扫描速率100 mV/s,电位为-0.2～0.6 V)进行活化。该PBS溶液也作为CV与差分脉冲伏安法(differential pulse voltammetry,DPV)测试的共同电解质。首先采用CV(100 mV/s,-0.2～0.6 V)对组胺的电化学行为进行表征,随后在优化条件下采用DPV进行定量测定。DPV参数设置为电位窗口-0.2～0.6 V、增量0.004 V、脉冲幅度0.05 V、脉冲宽度0.06 s、采样宽度0.02 s、脉冲周期0.5 s、静置时间30 s。通过分别配制标准溶液进行测量,建立校准曲线。电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)测试在开路电位条件下进行,施加固定电位0.278 V。交流扰动幅度为0.05 V(峰峰值),频率为0.1～1×106 Hz,每10倍频采集4个点。测量使用含5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-(1∶1氧化还原电对)的0.1 mol/L KCl溶液作为电解质体系。

1.3.3 密度泛函理论计算

通过DFT计算,研究组胺在g-C3N4/TiO2异质结传感器上的吸附机制。在结构优化与自由能计算中,采用Perdew-Burke-Ernzerhof广义梯度近似交换关联泛函及投影缀加波赝势计算[17]。基于DFT的第一性原理计算用于机理研究。平面波基组的截断能设置为400 eV,吸附能计算中采用3×3×1的Monkhorst-Pack网格进行K点采样。电子自洽收敛标准设定为10-5 eV,所有原子位置充分弛豫直至每个原子上的残余力低于0.03 eV·Å-1。沿z方向设置15 Å的真空层以避免周期性相互作用。范德华相互作用对吸附能的影响通过引入DFT+D3色散校正方法进行考察[18]。为进一步分析g-C3N4/TiO2异质结的电子结构特性,在结构优化完成后计算体系的态密度(density of states,DOS)。态密度计算采用与结构优化相同的交换关联泛函和计算参数,并在能量方向对电子态进行高斯展宽处理。所有DOS结果均以费米能级作为能量零点进行对齐,以便比较TiO2单体与g-C3N4/TiO2异质结体系的电子结构差异。

1.3.4 肉制品中组胺含量的测定

为评估传感器实用性能,实验选用宁夏当地市售的黄河鲤鱼、黄牛牛肉和冻鸡胸肉作为实际测试样品。样品前处理方法参考文献[19]并略加调整。在相同匀浆条件下,将肉样用匀浆机匀浆20 min。取适量匀浆样品,加入20 mL 0.1 mol/L HClO4酸化后超声处理20 min,随后于80 ℃水浴加热30 min,冷却后以4 500 r/min离心8 min并收集上清液。为提高提取完全性,酸化、超声、加热、离心步骤重复3次,合并所得上清液。随后用1.0 mol/L NaOH将合并上清液pH值调至10,以7 000 r/min离心10 min,取上清液转移至离心管中。加入8.0 g NaCl和20 mL异丙醇-乙酸乙酯混合溶剂(体积比 2∶3),振荡萃取20 min,静置分层后收集上层有机相。有机相于60 ℃水浴条件下浓缩36 h至固化,所得残留物用0.1 mol/L PBS充分溶解后,经0.22 μm微孔膜过滤,重复3次以降低微颗粒对电化学测试的干扰。而后转移至玻璃样品瓶,同时作为液相分析(HPLC)与后续电化学定量测定的实际样品。

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2019对实验数据进行统计分析;采用 Origin 2024绘图。

2 结果与分析

2.1 g-C3N4/TiO2异质结的结构表征

2.1.1 微观形貌与元素分布分析

采用SEM对TiO2、g-C3N4及g-C3N4/TiO2的形貌进行表征,结果见图1。如图1(a)所示,TiO2呈尺寸约 60 nm的均匀纳米颗粒状;纯g-C3N4聚集为不规则片状结构,整体呈块状形貌[图1(b)],表明 g-C3N4 成功制备,可为二胺氧化酶及其他修饰材料的负载提供平台。g-C3N4/TiO2复合材料呈现片状结构中掺杂纳米颗粒的形貌特征[图1(c)],该结构有利于增大电极的活性表面积,从而促进酶固定及电化学反应过程中的电子传递。通过EDS对复合材料的元素组成进行分析,结果如图1(d)～图1(f)所示。C、N、O和Ti元素在g-C3N4/TiO2中均匀分布,同时测得各元素的质量百分比,进一步证实了g-C3N4/TiO2复合材料的成功合成。

图1 不同材料的电镜表征

Fig.1 Electron microscopy characterization of different materials

2.1.2 晶体结构分析

异质结的TEM分析结果见图2,TiO2纳米颗粒成功负载于g-C3N4片层表面,与SEM结果一致[图2(a)]。高分辨率TEM图像[图2(b)]显示,TiO2的晶格条纹间距为 0.235 nm,g-C3N4的晶格条纹间距为 0.357 nm,表明2种材料均保持各自的晶体特征[20]。XRD谱进一步验证了复合材料的晶体结构完整性(图3)。如图3所示,纯g-C3N4在13.04°和27.58°处出现特征衍射峰,分别对应JCPDS 87-1526标准卡的(100)和(002)晶面[13],其中13.04°归属于三嗪环结构,27.58° 的强峰对应类石墨层间堆叠结构[21]。TiO2的衍射峰可归属于锐钛矿相的(101)、(004)、(200)、(211)、(204)、(220)、(215)和(224)晶面,证实制备的TiO2为锐钛矿相结构[22],且复合材料中未观察到杂峰。

小图为图2(b)局部放大图。

图2 g-C3N4/TiO2异质结材料的透射电镜分析

Fig.2 Analysis of transmission electron micrograph of g-C3N4/TiO2 heterojunction material

图3 不同材料的X射线衍射分析

Fig.3 X-ray diffraction analysis of different materials

2.1.3 表面官能团分析

FT-IR结果见图4。如图4所示,g-C3N4、TiO2及g-C3N4/TiO2显示出明显的官能团特征。纯g-C3N4在 805 cm-1处呈现三嗪环振动峰,在1 200～1 600 cm-1出现CN/C—N伸缩振动峰,并在3 100～3 500 cm-1 处表现出NH2/NH伸缩振动信号;TiO2在550、950 cm-1处出现O—Ti—O弯曲振动特征峰[23]。在复合材料中,C—N振动峰略微位移至1 640 cm-1,同时g-C3N4和TiO2的特征吸收峰均得以保留[24]。这些结果表明,2种组分在复合后未发生明显的化学结构破坏,且保持了原有的官能团特征,由此证实g-C3N4/TiO2复合材料已成功构建。

图4 不同材料的红外光谱结果

Fig.4 Infrared spectroscopy results of different materials

2.1.4 化学结构分析为评估复合材料的化学组成与结构变化,进一步进行了XPS分析,结果见图5。如图5所示,g-C3N4/TiO2中C、N、O和Ti元素的共存表明TiO2已成功掺杂至g-C3N4骨架中。以284.8 eV的C 1s特征峰为基准进行校准后,对各元素的化学状态进行了分析[20]。g-C3N4/TiO2异质结材料的高分辨X射线光电子能谱见图6。如图6(a)所示,g-C3N4/TiO2的C 1s谱可分解为位于284.8 eV(C—C)和287.9 eV(N—CN)的2个特征峰[25],表明复合材料表面富含含氧官能团。N 1s谱[图6(b)]在398.49、400.35、404.49 eV处出现特征峰,分别对应三嗪环中sp2杂化氮(C3N)、N—(C)3结构[26]及C—N—H氨基基团。与纯g-C3N4相比,复合材料中N 1s各峰整体向低结合能方向位移,表明TiO2的引入通过电荷转移效应改变了氮原子的电子环境,异质结界面处形成了Ti—O—C或N—C—O键。Ti 2p谱[图6(c)]在458.37 、464.02 eV处呈现2个特征峰,分别归属于Ti4+的Ti 2p3/2和Ti 2p1/2轨道。相比纯TiO2,Ti 2p3/2的结合能由 464.4 eV降至 464.02 eV,说明Ti—N键的形成引起了电荷重新分布,进一步证实了g-C3N4与TiO2之间的界面电子相互作用,有利于异质结的形成及载流子分离[27]。XPS结果证实了g-C3N4/TiO2异质结已成功构建。

图5 不同材料的X射线光电子能谱

Fig.5 X-ray photoelectron spectra of different materials

图6 g-C3N4/TiO2异质结材料的高分辨X射线光电子能谱

Fig.6 High-resolution X-ray photoelectron spectra of g-C3N4/TiO2 heterojunction material

2.2 生物传感器的组胺电化学行为分析

为研究该生物传感器的电化学性能,对采用不同材料修饰的电极进行了CV和EIS分析。在含氧水溶液中,DAO可高效催化组胺氧化,使其先转化为咪唑乙醛,再进一步氧化为咪唑乙酸[28]。反应产生的电信号可通过电极实时监测。不同传感器的电化学行为表征见图7。图7(a)显示,g-C3N4/GCE(61.6 μA)和TiO2/GCE(81.9 μA)的氧化峰值电流与裸电极(79.7 μA)相比无明显差异,这与孤立的g-C3N4和TiO2之间较差的电相互作用有关。相比之下,g-C3N4/TiO2修饰电极的氧化峰电流显著增强,同时其氧化峰与还原峰之间的电位差(ΔEp)明显减小。ΔEp的减小是电子转移速率加快的直接实验证据,表明该复合结构有效加速了电极界面的电荷转移动力学过程[29]。值得注意的是,g-C3N4/TiO2/GCE在CV曲线中获得了最大的氧化还原电流,证实了该复合材料在提升导电性方面的协同作用。这种优异的电子传输效率得益于g-C3N4/TiO2组合形成的优化导电网络,其改进很可能源于复合材料制备过程中g-C3N4与TiO2之间形成的异质结结构,该结构显著优化了材料的导电性。这些特性为后续肉制品中组胺的测定提供了有利的催化条件。当DAO固定于g-C3N4/TiO2/GCE表面构建DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器后,电流响应(Ipa=49.1 μA)显著下降。这种降低可能是由于DAO酶溶液在电极表面形成了非导电的膜状结构。此外,DAO较差的导电性增加了电极与溶液之间的界面阻抗,导致在相同电位下峰值电流信号大幅减弱。

Z′为组成电极交流阻抗的实部,Z″为组成电极交流阻抗的虚部。

图7 不同传感器的电化学行为表征

Fig.7 Electrochemical behavior characterization of different sensors

电化学阻抗谱的测量结果与循环伏安法的数据一致,其数据采用Randles等效电路[图7(b)小图]进行拟合,该电路包含4个关键组成部分:Rs(溶液电阻)、Rct(电荷转移电阻)、W1(扩散阻抗)和CPE1(常相位元件)。从EIS谱的半圆直径推导出裸电极、g-C3N4/GCE、TiO2/GCE、g-C3N4/TiO2/GCE和DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器的Rct值分别为108.8、314.1、201.9、36.55、1 446.3 Ω。值得注意的是,g-C3N4/TiO2/GCE显示出最低的Rct值,证实了相较于其他修饰电极,g-C3N4/TiO2/GCE电子传输能力得到了增强。

2.3 生物传感器的组胺吸附能力分析

为从分子层面深入探究g-C3N4/TiO2与组胺之间的相互作用机制,进行了DFT理论计算。对气相条件下的组胺分子进行几何结构优化,并基于其分子结构特征,重点考察氨基和咪唑环等富电子位点与催化剂表面活性位点之间的相互作用。构建多种初始吸附构型并比较其吸附能,结果见图8,选取吸附能最低的构型作为最稳定吸附模型用于后续分析。

图8 吸附与界面电荷分析

Fig.8 Adsorption and interfacial charge analysis

g-C3N4/TiO2异质结的原子结构如图8(a)所示,Ti 团簇与g-C3N4及TiO2之间形成紧密接触界面,有利于界面电子相互作用。已有研究表明,异质结的构建可通过界面内建电场促进载流子的空间分离,从而提高电荷转移效率[30-31]。为揭示异质结形成前后电子结构的变化,对 TiO2 单体及 g-C3N4/TiO2 异质结进行了DOS分析,结果见图9。TiO2 单体在费米能级附近呈现明显带隙结构,其价带主要由 O 2p 轨道贡献,而导带主要来源于 Ti 3d 轨道,表现出典型的半导体特征。

图9 TiO2单体的态密度分布

Fig.9 Density of states of TiO2

相比之下,g-C3N4/TiO2 异质结在保持半导体特性的同时,其能级分布发生明显调整。g-C3N4/TiO2态密度分布如图10。图10显示,异质结的导带底仍主要由Ti 3d轨道贡献,表明TiO2在异质结中作为电子富集相;而其价带顶仍以p轨道为主,相较于TiO2单体中仅由O 2p轨道构成的价带,异质结中p轨道贡献明显增强,说明g-C3N4的引入对价带结构产生了重要影响。该电子结构特征表明,激发态载流子在异质结中呈现空间分离趋势,有利于界面电荷转移。

图10 g-C3N4/TiO2异质结的态密度分布

Fig.10 Density of states of g-C3N4/TiO2 heterojunction

差分电荷密度分布[图8(c)]进一步揭示了异质结界面处存在显著的电子重排现象,电子在TiO2一侧富集,而g-C3N4一侧表现出电子耗尽特征。与此同时,异质结的形成及氧空位的引入为电子捕获与传输提供了有效通道[32]。在吸附性能方面,DFT计算结果表明,组胺在g-C3N4/TiO2复合材料表面的吸附能为-0.47 eV,明显强于其在纯TiO2表面的吸附能(-0.28 eV),说明异质结界面的构建显著增强了组胺分子的吸附稳定性。综合电子结构与吸附行为分析可知,g-C3N4/TiO2异质结通过电荷分离增强并提升了吸附能力。这种协同作用有效促进了组胺的电化学氧化过程。

2.4 DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器性能分析

为最大限度地提高开发的组胺传感器性能,对g-C3N4/TiO2纳米复合材料的滴涂量、pH值及酶浓度等关键参数进行了系统优化,结果见图11。如图11(a)所示,当滴涂量为8.0 μL时,电流响应达到最大,故后续实验均采用此用量。在生理相关pH值范围(5.0～9.0)内评估pH依赖性,结果见图11(b)。在pH值为7.0时,响应最优,该中性条件与文献[33]报道的二胺氧化酶最适活性相符,既能保证酶反应效率,又有利于传感器稳定。由图11(c)可知,DAO活性为0.6 U/mL时,电流响应最大,因此选定此酶活性用于后续实验。

图11 g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器的关键参数优化

Fig.11 Optimization of key parameters for g-C3N4/TiO2/GCE biosensor

2.5 组胺的检测范围及检测限分析

为评估g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器的性能,在优化条件下采用DPV法检测不同浓度组胺的电流响应,结果见图12。如图12(b)所示,组胺浓度为0.05～9.00 mmol/L时,氧化峰电流随组胺浓度增加而增强,并呈现良好的线性关系,Ipa=5.211×104.70(R2=0.999 4),表明该传感器适用于组胺的定量检测。基于式(1)计算生物传感器的检测限为0.226 μmol/L(信噪比S/N=3)[34]。

检测限

(1)

图12 氧化峰电流随组胺浓度变化的校准曲线与线性关系

Fig.12 Calibration curve and linear relationship between oxidation peak current and histamine concentration

式(1)中,σ为10次空白测量结果的标准偏差,S为线性回归曲线的斜率。

表1展示了g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器与部分已报道的组胺传感器的性能比较结果[35-39]。结果表明,本研究构建的生物传感器具有适用于实际样品检测的检测限,其线性范围可覆盖国际食品安全标准的关键限值区间。该设计成功避免了超灵敏传感器对恒温洁净环境的额外要求及复杂的前处理步骤,从而显著提升了检测系统的实用性,增强了大规模食品安全保障能力,具备良好的规模化应用潜力。

表1 DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器与已报道组胺传感器的性能对比

Tab.1 Performance comparison of DAO/g-C3N4/TiO2/GCE biosensor with other reported sensors

传感器检测范围/(μmol/L)检测限/(μmol/L)参考文献DA/BSA/GA9～6754.5[35]GCE/CeO2-PANI/DAO450～105048.7[36]DAO/TiO2-c-MWCNT-RU-CS/SPCE9.9～11009.6[37]Pt/PPYox-PßNAP/DAO-gel6～1006[38]UCNPs-azo90～180066[39]DAO/g-C3N4/TiO2/GCE50～90000.226本研究

2.6 DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器可重复性和抗干扰性分析

通过DPV法在固定组胺浓度为2.0 mmol/L的条件下,评估了DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器的重现性与抗干扰能力(图13)。采用6个独立制备的电极进行测试,其氧化电流结果如图13(a)所示,相对标准偏差仅为1.52%,表明该传感器具有优异的制备重现性。在抗干扰实验中,选用了其他生物胺类、氨基酸类及多酚类共6种干扰物质进行实验,干扰物质浓度均为2.0 mmol/L。由图13(b)可知,尸胺、腐胺的存在对组胺的响应干扰偏差小于8%,其他干扰物质对组胺的响应干扰偏差小于3%。说明该传感器具有显著的抗干扰能力。

图13 DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器的重现性与 抗干扰性评价

Fig.13 Reproducibility and anti-interference evaluation of DAO/g-C3N4/TiO2/GCE biosensor

2.7 肉类样品检测结果分析

为验证DAO/g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器在实际样品中的检测性能,本研究选取市售鱼肉、牛肉和鸡肉3种典型肉制品,在25 ℃条件下进行腐败模拟实验,系统评估传感器对真实肉样中组胺的响应能力,结果如表2。组胺含量随腐败时间延长显著上升,其中鱼肉、牛肉和鸡肉的组胺浓度分别为0.083～8.004、0.031～0.129、0.041～0.214 mmol/L。通过与GB 5009.208—2016《食品安全国家标准 鲜、冻动物性水产品》中的高效液相色谱法对比,传感器检测结果与HPLC法无显著性差异,且相对标准偏差小于5%,表明其具有与标准方法相当的准确度,能够有效应用于复杂基质的实际肉样检测。尽管当前前处理仍偏实验室化,但后续可通过一次离心+膜过滤净化,减少离心与过滤次数,采用固相富集或氮吹替代长时间水浴浓缩,并结合预装试剂与便携式电化学设备实现现场模块化检测。

表2 真实样品组胺检测结果

Tab.2 Determination results of histamine in real samples

真实样品t(贮藏)/hHPLC生物传感器c(组胺)/(mmol/L)RSD/%c(组胺)/(mmol/L)RSD/%00.0912.190.0832.03鱼肉245.3421.565.1731.84728.0172.788.0042.6900.0294.150.0314.13牛肉240.0472.450.0524.21720.1343.740.1291.9200.0334.450.0413.83鸡肉240.0554.360.0672.82720.1983.530.2142.91

n=3。

3 结 论

本研究开发了一种基于g-C3N4/TiO2异质结与DAO复合体系的电化学生物传感器,用于肉制品中组胺的高性能检测。在材料滴涂量为8.0 μL、DAO酶活性为0.6 U/mL、pH值为7.0的优化条件下,该传感器对组胺表现出优异的分析性能。g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器检测限低至0.226 μmol/L(S/N=3),线性响应范围为0.05～9.00 mmol/L(R2=0.999 4)。实际肉样检测结果表明,该方法具有良好的适用性与准确性,可用于真实样品中组胺的快速测定。DFT计算从电子结构层面揭示了异质结界面增强组胺吸附与促进电荷转移的微观机制,为传感器性能提升提供了理论依据。g-C3N4/TiO2/GCE生物传感器有效克服了传统检测方法在灵敏度与抗干扰性方面的局限,为食品中组胺的快速准确检测及食品安全现场监控提供了一种可靠的技术手段。

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Fabrication of g-C3N4/TiO2 Heterojunction-Based Electrochemical Biosensor for Accurate Determination of Histamine in Meat Products

Liu Ruiqi, Li Changhao, Wang Guangxian, Yi Weiguo, Wang Songlei*

(School of Food Science and Engineering,Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract： Histamine is a class of potentially harmful biogenic amines produced during the storage and processing of meat products. Its content is a key indicator for evaluating food freshness and safety. In order to meet the needs of rapid and sensitive detection of histamine in meat products, an electrochemical biosensor based on diamine oxidase (DAO) and graphite carbon nitride / titanium dioxide (g-C3N4/TiO2) heterojunction was constructed. The g-C3N4/TiO2 heterojunction material was prepared by one-step calcination method, and the structure was characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy. It was confirmed that TiO2 nanoparticles were uniformly loaded on the surface of g-C3N4 nanosheets, and a stable heterojunction interface was formed between them. Density functional theory calculations further confirmed that the heterojunction interface could effectively enhance histamine adsorption and promote interfacial charge transfer. Based on the theoretical calculation, the analysis of the heterojunction enhanced histamine adsorption mechanism showed that the sensor enhanced the enzyme immobilization efficiency and constructed an efficient electron transport channel, thereby realizing the effective conversion and amplification of the biological recognition signal to the electrochemical signal.The results showed that the sensor had a good linear relationship in the range of 0.05-9.00 mmol/L, the detection limit was 0.226 μmol/L(S/N=3), and the response interference deviation was less than 8% in the anti-interference experiment. In the actual meat sample detection, the relative standard deviation was less than 5%, showing good accuracy and reproducibility. The DAO/g-C3N4/TiO2 biosensor constructed in this study can be used for rapid screening and quantitative detection of histamine in meat products, aiming to provide a stable and reliable technical means for the accurate detection of histamine in food.

Keywords： histamine; heterojunction; graphitic carbon nitride; titanium dioxide; biosensor

doi：10.12301/spxb202500609

文章编号：2095-6002(2026)04-0209-12

引用格式：刘瑞琪,李昌浩,王广现,等. 精准检测肉制品中组胺含量的g-C3N4/TiO2异质结电化学生物传感器的构建[J]. 食品科学技术学报,2026,44(4):209-220.

Liu Ruiqi, Li Changhao, Wang Guangxian, et al. Fabrication of g-C3N4/TiO2 heterojunction-based electrochemical biosensor for accurate determination of histamine in meat products[J]. Journal of Food Science and Technology, 2026,44(4):209-220.

中图分类号： TP212.3; O657.1

文献标志码： A

收稿日期： 2025-12-19

基金项目： 宁夏回族自治区自然科学基金项目(2024AAC03109);宁夏高等学校科学研究项目(NYG202424)。

Foundation： Natural Science Foundation of Ningxia (2024AAC03109); Scientific Research Projects for Universities of Ningxia(NYG202424).

第一作者： 刘瑞琪,女,硕士研究生,研究方向为农产品检测与加工技术。

*通信作者： 王松磊,男,教授,博士,主要从事农产品检测、加工技术及其装备应用方面的研究。E-mail: wangsonglei163@126.com。

(责任编辑：张逸群)