《Food Chemistry》：A novel 3D-printed flexible electrode with rGO/MWCNTs ink for capsaicin detection of in chilli peppers
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辣椒素检测新方法：基于rGO/MWCNTs导电墨水印刷电极的开发及其在食品中的应用。本研究采用聚乙二醇400作为溶剂，将质量比为1:2的氧化石墨烯与多壁碳纳米管制备导电墨水，通过喷墨印刷技术构建柔性电极。电极在0.1-100 μM范围内呈现线性响应，检测限低至0.035 μM，重复性良好，稳定性达28天。经红绿小米辣提取液及火锅调料验证，加标回收率92.71%-108.48%。该技术克服传统方法成本高、操作复杂等缺陷，为便携式食品质检设备提供新方案。
赵家琛|胡慧琳|王超|李迎婷|姜学宇|张明|韩方凯|杨宁|刘晓丹|王家华|王迎丽|段硕|黄代|皮富伟
国家市场监督管理总局食用油质量安全重点实验室；教育部武汉工程大学主要粮油深加工重点实验室；中国武汉工程大学食品科学与工程学院农产品加工与转化湖北省重点实验室，武汉430023
摘要
辣椒中的主要生物活性化合物辣椒素在过量摄入时可能对健康构成风险。本研究介绍了一种利用基于还原氧化石墨烯和多壁碳纳米管（rGO/MWCNTs）的导电墨水制备的电极（IDE）来检测食品中辣椒素的新方法。通过将rGO和MWCNTs以1:2的质量比分散在聚乙二醇400中合成混合墨水，以促进电子转移。rGO/MWCNTs打印的IDE传感器具有0.1 μM至100 μM的动态检测范围和低至0.035 μM的检测限。该传感器表现出良好的重复性和选择性，并在28天内保持了97.5%的初始响应率。在实际应用中，该方法对红辣椒、绿辣椒、小米辣椒提取物和火锅调味料的有效性得到了验证，回收率在92.71%至108.48%之间。这种打印的rGO/MWCNT IDE平台能够实现灵敏的辣椒素分析，适用于食品质量控制。
引言
辛辣食物在全球范围内广受欢迎，这很大程度上归功于含有高浓度辣椒素的辣椒的强烈刺激性风味（Lee等人，2023年）。麻辣火锅是中国的一种地方特色菜，其独特的风味使其在全球范围内受到喜爱。辣椒素是辣椒中的主要成分，是一种天然存在的化合物。在辣椒素家族中，辣椒素（8-甲基-N-香草基-反-6-壬酰胺）是赋予食物特有辣味的化合物（B. Wang等人，2023年；D. Zhang等人，2021年）。除了其烹饪价值外，辣椒素还显示出多种健康益处，如抗肿瘤作用（Gu等人，2022年）、抗氧化活性（Rosa等人，2002年）以及对胆固醇和肥胖的抑制作用（Y. W. Wang等人，2020年）。由于这些生物活性，辣椒素被应用于新兴的药品配方和自卫产品中，例如辣椒喷雾（Zollman等人，2000年）。虽然辣椒素为基于辣椒的食物带来了理想的感官体验，但摄入量超过每份2-5毫克时可能会引起不良的胃肠道反应（Xiang等人，2021年）。随着富含辣椒素的食物越来越受欢迎，精确测定其含量对于确保产品质量、安全性和合规性至关重要。严格的控制不仅有助于保持所需的感官特性和产品一致性，还能保障食品安全、合规性，并保护消费者免受潜在的不良影响，尤其是对敏感人群（Satia等人，2019年；Q. Y. Zhang等人，2024年）。因此，迫切需要精确且易于使用的辣椒素定量方法。
保持产品质量和消费者安全依赖于在生产、质量控制和消费环节快速准确地测量辣椒素浓度。为满足这一需求，已经开发了许多辣椒素检测分析技术。传统的检测方法，尤其是斯科维尔感官测试法，本质上具有主观性，因为它们依赖于人类感知，导致个体间差异较大且重复性较差（Peng等人，2012年）。尽管仪器分析方法（如气相色谱-质谱联用（Bodur等人，2025年）、高效液相色谱（HPLC）（Naseem等人，2024年）和毛细管电泳（L. H. Liu等人，2010年）具有更高的灵敏度和特异性，但这些方法通常成本高昂、样品预处理复杂且需要专业操作人员。这些要求限制了它们在现场或即时检测中的应用，从而产生了对快速、用户友好且经济可行的分析解决方案的需求。电化学传感器因其低成本、固有的灵敏度、快速响应和便携性而成为辣椒素检测的有希望的工具。各种表面改性的电极在辣椒素检测中表现出优异的性能，包括氨基功能化的介孔二氧化硅（Ya等人，2012年）、多壁碳纳米管（MWCNTs）/CuO（Pooe等人，2025年）、Nb@W纳米粒子/MWCNTs（Beyyavas & Aslanoglu，2025年）、Ag/Ag?O纳米粒子/还原氧化石墨烯（Y. Wang等人，2016年）、还原氧化石墨烯（Lima等人，2024年）、β-环糊精/MWCNTs改性的碳糊电极（Gu等人，2021年）和CeO?-表面活性剂/SWNT改性的电极（Ziyatdinova等人，2020年）以及掺硼金刚石电极（Yard?m，2011年）。尽管这些传感器具有高灵敏度、稳定性和宽线性范围，但其制备过程通常需要多次表面修饰步骤、相对昂贵的材料以及频繁的再生或清洗，这限制了其可扩展性、现场适用性和定制应用的适应性。为解决基质干扰问题，采用了预分析提取方案分离辣椒素，随后进行原位电化学富集（例如通过优化积累时间和电位）（de León等人，2018年；Lee & Lee，2022年）。此外，传统电极缺乏下一代食品安全监测设备所需的灵活性和集成潜力，尤其是那些需要一次性、微型化或可穿戴形式的产品。
新兴的增材制造技术，特别是3D打印，为电化学传感器平台的进步提供了变革潜力。直接墨水书写和喷墨打印技术能够在柔性基底上快速、经济高效且高度定制地制造电极（F. Y. Liu等人，2025年；H. D. Liu等人，2021年）。与传统的微制造或丝网印刷不同，3D打印不需要复杂的掩模或洁净室条件，可以轻松实现复杂几何形状、微型化和多材料集成。其灵活性允许精确的图案化和集成，满足多样化的实验需求，并具有3D打印兼容性和可调设计参数等优点（Guo等人，2024年）。尽管喷墨打印主要用于图形印刷，但最近的研究表明它在印刷电子（Jin等人，2025年；Mohammed & Kramer，2017年）、电化学传感器（Abdalla & Patel，2020年）和医疗应用（Gupta等人，2024年）等领域也有潜力。创新性的导电复合墨水（包括基于碳纳米材料、金属氧化物和石墨烯衍生物的墨水）可以通过3D打印精确图案化，从而制造出具有可调导电性、电活性表面积和功能化潜力的电化学器件。直接墨水书写技术的出现代表了令人期待的发展，使得高性能分析工具变得易于获取、可适应并适用于分散式的食品安全检测（Qiu等人，2025年）。
本研究提出了一种新的辣椒素检测方法，涉及使用喷墨打印的导电墨水电极开发出一种灵敏、灵活的电化学传感器。通过对导电墨水成分的系统性优化，在合成阶段成功制备出了具有增强导电性的集成电化学传感器（见整体研究工作流程图1），从而为可靠和灵敏的辣椒素检测铺平了道路。基于这种灵活电化学传感器的方法表现出高灵敏度、重复性、稳定性和宽检测范围以及低检测限，解决了以往技术的主要局限性，为食品安全检测中的快速准确辣椒素评估提供了强大的平台。
材料
辣椒素（纯度≥98%）购自上海标准生物技术有限公司（中国上海）。磷酸（H?PO?）、乙酸（HAC）、硼酸（H?BO?）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、醋酸钠和聚乙二醇400（PEG400）购自中国上海新华药业试剂有限公司。多壁碳纳米管（MWCNTs）和还原氧化石墨烯（rGO）购自Aladdin（中国上海）有限公司。所有化学品...
rGO/MWCNTs的制备与表征分析
使用扫描电子显微镜（SEM）研究了rGO/MWCNTs的形态和微观结构。如图2A所示，rGO具有典型的皱褶表面，由多层薄层堆叠而成。没有明显的杂质颗粒或残留物。MWCNTs显示出聚集的管状结构（图2B）。图2C显示rGO/MWCNTs复合材料的表面覆盖着一层分布均匀的管状MWCNTs...
结论
本研究提出了一种利用喷墨打印制备具有增强导电性的灵活IDE的新方法，通过精心优化rGO/MWCNTs的组成实现了这一目标。所得到的灵活电化学传感器在食品基质中对辣椒素的定量表现出高灵敏度和精度，具有宽动态检测范围（0.1 μM至100 μM）和低检测限（0.035 μM）。rGO/MWCNTs打印的IDE传感器在...
CRediT作者贡献声明
赵家琛：撰写——原始草案、方法学、数据分析。
胡慧琳：撰写——原始草案、方法学、数据分析、概念化。
王超：方法学、数据分析。
李迎婷：撰写——审稿与编辑、研究。
姜学宇：验证、研究。
张明：撰写——审稿与编辑、研究、资金申请。
韩方凯：撰写——审稿与编辑、研究。
杨宁：研究、数据分析。
刘晓丹：利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了健康淡水养殖重点实验室开放研究基金（农业农村部，浙江淡水渔业研究所，编号：ZJK202515）、重庆市自然科学基金（编号：2024NSCQ-MSX0774）、重庆市教委科学技术研究计划（编号：KJQN202404503）以及北京科技与商业大学食品风味与健康交叉创新开放项目（编号：FFHCI-2025020）的支持。
