用于分析物测定的系统和方法技术方案

描述了用于简单且快速地测量液态样品，包括诸如葡萄酒或啤酒的饮料，中的诸如二氧化硫的分析物的系统和方法。所述系统和方法将伏安法与颗粒碳或铜电极一起使用，并且可在实验室之外使用小型便携式仪器或移动装置、利用例如二次谐波傅立叶变换(FT)交流伏安法在十至六十秒内进行。十秒内进行。十秒内进行。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于分析物测定的系统和方法


[0001]本公开涉及用于分析物测定的系统和方法，特别是但不限于食品和饮料中的分析物的伏安法测定。所述系统和方法可应用于例如葡萄酒中二氧化硫的伏安测定。

技术介绍

[0002]葡萄酒中二氧化硫的测定是食品工业中最重要的分析问题之一。经常需要这样的分析；一家大型葡萄酒厂每年可能进行数千次二氧化硫分析。然而，目前的方法要么缓慢、昂贵且准确，要么快速、廉价且不准确。
[0003]二氧化硫因其作为广谱防腐剂和抗氧化剂的特性而广泛用于食品和饮料行业。特别是，酿酒界自古以来就使用二氧化硫来保存葡萄酒。它被添加到食品和饮料中(通常以亚硫酸盐的形式)，以防止不良的微生物生长、变色和氧化过程，从而提高产品的质量和外观。
[0004]在水性介质中，二氧化硫以几种形式存在：亚硫酸盐(SO
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)、亚硫酸氢盐(HSO3‑
)和分子二氧化硫(SO2)。这些物质处于相互平衡状态，每种物质的浓度由pH值定义，参见方程式1和2。
[0005][0006][0007]在葡萄酒中，这些物质的一部分可能与饮料中的各种其他有机化合物诸如醛类或酮类结合。通常将未结合的亚硫酸盐、亚硫酸氢盐和分子二氧化硫统称为“游离二氧化硫”；而结合的物质被称为“结合二氧化硫”。这些物质的总和则被称为“总二氧化硫”。
[0008]二氧化硫是一种已知的过敏原，因此，在大多数国家，总SO2受到严格的监管。通常在装瓶阶段测量总SO2。由于葡萄酒中SO2的化学性质的复杂性，游离(即，未结合)SO2的浓度随时间和条件而变化。因此，在葡萄酒生产的每个阶段监测游离SO2的水平是有益的。从广义上讲，游离SO2是重要的酿酒参数，而总SO2是立法要求的重要值。
[0009]葡萄酒行业(以及其他行业)中使用的现有的SO2测定方法通常缓慢且繁琐，需要昂贵的仪器或复杂的方法；以及丰富的用户专业知识。由于在整个酿酒过程的多个阶段都需要测量游离SO2，这对酿酒师造成了负担，并且大大增加了成本。
[0010]虽然确实存在快速且廉价的方法，例如比色测量尺，但这些方法非常不准确并且在工业中未被广泛使用。通常基于伏安法或电流法的电化学分析方法在适用于便携式、易于使用、低成本的方法方面具有相当大的优势。电流型血糖仪可能是这方面最著名的示例，其中，仪器硬件已被小型化为一个简单的手持式恒电位装置，并使用印刷型一次性传感器代替实验室电分析中使用的永久电极。
[0011]多位作者已经研究了SO2测定的伏安/电流法[Compton等，Trends in Analytical Chemistry,Vol.25,No.6,2006]；[Rodrigues等，J.Inst.Brew.2017,123:45
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48]。最常见的是，选择将亚硫酸盐氧化成硫酸盐作为分析的基础，并且已经报道了几种方法。然而，电极污染、导致灵敏度逐渐下降和重现性受损使这种方法产生问题。此外，由于亚硫酸盐氧化所需的过电位较大，会出现选择性问题。
[0012]另一方面，通过电化学还原检测二氧化硫受到的关注相对较少。这似乎令人惊讶，因为阴极检测而非阳极检测有几个优点；例如避免多种可氧化的干扰物。而且，通过调节pH值，方程式2的平衡可被容易地向右驱动，以使电还原材料的浓度最大化。此外，以这种方式将亚硫酸盐和亚硫酸氢盐转化为SO2可促进其以气相SO2的形式从样品基质中分离，从而可提高选择性。在这种酸性条件下(<pH 2)SO2的还原被认为是通过方程式3中概述的双电子双质子反应发生的[Compton等，J.J.Phys.Chem.B 2005,109,18500
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18506]。
[0013][0014]阴极检测的主要问题以及它没有被广泛使用的原因是来自阴极活性干扰物特别是分子氧的干扰。O2以与二氧化硫相似的电位进行还原，因此会由于其还原而使信号模糊。已经尝试了通过采用预先脱氧或使用精细手段诸如气体扩散微萃取或用电子转移介体修饰电极来解决这种选择性的缺乏。Cardwell等(Analyst,1991,vol 116,253)表明，可使用二次谐波交流伏安法和玻碳电极来检测葡萄酒中的SO2，而无需预先对样品进行脱氧。然而，该方法仍然受到分子氧和其他物质的干扰，它需要精心设计的定制设备，这些设备不容易被小型化以供实验室之外使用，并且每次分析大约需要十分钟。此外，由于SO2信号在每次扫描之后降低，因此玻碳电极需要在每次扫描之前对活性表面进行抛光。
[0015]除了来自溶解的分子氧的干扰之外，二氧化硫检测的另一个重要问题是来自一类统称为多酚的化合物的干扰。此类化合物通常以高浓度存在于红葡萄酒中，通常会以与二氧化硫相似的电位进行还原，因此可能会使感兴趣的分析信号模糊。在分析之前，可通过添加所谓的澄清剂来去除这些干扰化合物。合适的澄清剂包括动物源性蛋白质，包括酪蛋白、卵清蛋白、明胶和鱼胶。然而，这是一种无效的策略，因为它会破坏样品中SO2的浓度，并且以不可预测的方式改变了样品中游离和结合SO2的平衡。
[0016]从需要如下一种方法的观点来看，这些方法都不能被视为是令人满意的：该方法可以在实验室环境之外由未经科学训练的人员用于准确、快速的分析。
[0017]WO 2017/156584公开了一种使用移动计算装置对伏安池中的分析物进行伏安分析的方法，其中，该装置的音频信号输出的第一通道连接到伏安池的对电极，装置的音频信号输出的第二通道连接到池的工作电极，并且装置的音频信号输入端连接到池的工作电极。通过在音频信号输出的第一通道和第二通道之间施加包括包含交流扰动的时变伏安驱动电位的输出电压波形，在音频信号输入端处接收输入电压波形，其被记录为伏安响应波形。
[0018]鉴于前述内容，需要用于分析物测定的更快、更可靠且更广泛适用的系统和方法。
[0019]本说明书中对任何在先出版物(或从其获得的信息)或任何已知事项的引用不是也不应被视为承认或认可或以任何形式暗示在先出版物(或从其获得的信息)或已知事项构成本说明书所涉及的领域的公知常识的一部分。

技术实现思路

[0020]本公开涉及用于确定分析物浓度的新方法。描述了允许简单且快速地测量液态样品(包括诸如葡萄酒或啤酒的饮料)中的分析物(诸如SO2)的系统和方法。所述系统和方法涉及将伏安法与例如颗粒碳或铜电极一起使用，并且可在实验室之外使用小型便携式仪器或甚至移动装置利用例如二次谐波傅立叶变换(FT)交流伏安法在十至六十秒内进行。
[0021]伏安感测方法明显降低了感测成本，并且能够在现场准确、容易且快速地进行测量，而无需将样品运送到实验室。
[0022]在第一方面，本公开提供了一种用于通过电化学还原检测或测量分析物的浓度的系统，所述系统包括：
[0023](a)时变伏安驱动电位源；
[0024](b)工作电极，所述工作电极具有活性表面，所述活性表面包括颗粒碳和铜中的一种或两种；
[0025](c)对电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于通过电化学还原来检测或测量分析物的浓度的系统，所述系统包括：(a)时变伏安驱动电位源；(b)工作电极，所述工作电极具有活性表面，所述活性表面包括颗粒碳和铜中的一种或两种；(c)对电极；以及(d)用于测量伏安响应波形的器件；其中，所述工作电极和所述对电极连接到所述时变伏安驱动电位源。2.根据权利要求1所述的系统，还包括伏安池，所述池包括包含所述分析物的溶液。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述工作电极和对电极被浸没在包含所述分析物的溶液中。4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述工作电极和对电极与包含电解质溶液的膜接触。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述工作电极、对电极和所接触的包含电解质溶液的膜位于所述伏安池的顶部空间中。6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述时变伏安驱动电位源和用于测量伏安响应波形的器件包括恒电位仪，所述恒电位仪连接到所述工作电极和对电极。7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述时变伏安驱动电位源和用于测量伏安响应波形的器件包括移动计算装置，所述移动计算装置连接到所述工作电极和对电极。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述工作电极和对电极无线地连接到所述移动计算装置。9.根据权利要求7或权利要求8所述的系统，其中，所述移动计算装置是移动电话。10.一种用于通过电化学还原来检测或测量分析物的浓度的方法，所述方法包括：(a)或者(i)将工作电极和对电极引入包含所述分析物的溶液中，或者；(ii)将工作电极和对电极引入与包含分析物的溶液相邻的顶部空间中，所述工作电极和对电极与膜接触，所述膜包含电解质溶液；其中，在(i)和(ii)二者中，所述工作电极具有活性表面，所述活性表面包括颗粒碳和铜中的一种或两种；(b)在所述工作电极和对电极之间施加时变伏安驱动电位；以及(c)测量产生的伏安响应波形。11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过恒电位仪来分别地施加时变伏安驱动电位和测量伏安响应波形。12.根据权利要求10所述的方法，其中，通过移动计算装置来分别地施加时变伏安驱动电位和测量伏安响应波形。13.根据权利要求12所述的方法，其中，无线地执行所述施加和测量。14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，所述移动计算装置是移动电话。15.根据权利要求1至9中任一项所述的系统或根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述工作电极不会产生与由于分析物的还原而引起的伏安响应明显重叠的由于
分子氧的还原而引起的伏安响应。16.根据权利要求1至9或15中任一项所述的系统或根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，当所述分析物以5ppm的浓度存在时，在由于分析物的还原而引起的峰值伏安响应的电位下，由于分子氧的还原而引起的伏安响应的幅度小于由于分析物的还原而引起的响应的20％、或小于由于分析物的还原而引起的响应的10％、或小于由于分析物的还原而引起的响应的5％、或小于由于分析物的还原而引起的响应的2％、或小于由于分析物的还原而引起的响应的1％。17.根据权利要求1至9、15或16中任一项所述的系统或根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述工作电极在约0和约
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1.0伏之间的电位下基本上不电化学还原分子氧。18.根据权利要求1至9或15至17中任一项所述的系统或根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中，所述工作电极是丝网印刷型颗粒碳电极、石墨烯涂布的电极或铜电极。19.根据权利要求1至9或15至18中任一项所述的系统或根据权利要求10至18中任一项所述的方法，其中，所述时变伏安驱动电位选自：直流斜坡，例如，线性扫描伏安法或循环伏安法；...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：拉筹伯大学，
类型：发明
国别省市：