重金屬離子快速檢測技術研究與應用進展

余若禎，王紅梅，方征，閆振廣，王宏

環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院，北京 100012

目前我國受鎘、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2，約占總耕地面積的1/5;其中工業“三廢”污染耕地1000萬hm2，污水灌溉的農田面積已達330多萬hm2。污水灌溉及廢棄物等對農田已造成大面積的土壤污染［1-3］。2009年環境保護部公布了12起重金屬污染事件，共導致4035人血鉛超標，182人鎘超標。當年發生32起由重金屬污染引起的群體性事件。我國陜西鳳翔、江蘇大豐、安徽懷寧、湖南郴州、云南鶴慶、河南濟源、四川隆昌、湖南嘉禾、甘肅瓜州、湖北崇陽等地相繼出現血鉛超標事件［4-6］。重金屬污染通過不同的暴露途徑對人體健康造成不良影響:1)土壤中的重金屬污染物通過食物鏈進入人體，直接危害人類健康;2)通過影響水體和大氣環境間接對人體健康造成威脅。環境樣品中重金屬離子最可靠、最有效的檢測分析方法還是常規的儀器檢測方法，包括電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)、原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)等。這些方法需要費用高昂的大型儀器設備、專門的實驗室、專業的操作技術人員和復雜的樣品前處理過程。在突發環境污染事件調查和流域/區域尺度的生態風險調查中，由于區域范圍廣，需要采集的環境樣品數量大，迫切需要高通量的、實時的現場篩查技術。電化學檢測技術和生物學檢測技術為實現污染現場環境樣品中重金屬離子的快速定量/半定量檢測提供了多種可行的技術手段。

1 電化學檢測方法——陽極溶出伏安法

1.1 陽極溶出伏安法的基本原理［7］

20世紀20年代Jaroslav Heyrovsky發明了重金屬離子的電化學分析方法——陽極溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry，ASV)，并于 1959 年為此贏得了諾貝爾化學獎。

ASV法是將待測離子先富集于工作電極上，再使電位從負向正掃描，使其自電極溶出，并記錄溶出過程的電流-電位曲線。在一定條件下，曲線的峰高與離子濃度呈線性關系，而且不同離子在一定的電解液中具有不同的峰電位。因此，峰電流和峰電位可作為定量和定性分析的基礎。目前ASV法可測定40種以上的元素，能夠快速檢測樣品中濃度很低(10-6mol/L)的金屬離子，檢測靈敏度高，能滿足飲用水水質衛生規范和地表水環境質量標準的檢測限要求。由于ASV法所用儀器設備簡單、操作方便，在超純物質分析、環境監測分析中得到了廣泛的應用。

1.2 ASV法在環境樣品分析中的應用

1996年美國國家環境保護局(US EPA)分別確定了液體樣品及提取物中砷(7063)和汞(7472)的ASV標準分析方法［8］。我國《水和廢水監測分析方法(第4版)》［7］中收錄了“陽極溶出伏安法測定Cd，Cu，Pb，Zn”的方法，但是還沒有成為國家或者行業標準分析方法。

目前國內環境監測與研究領域應用較多的便攜式ASV檢測器是澳大利亞MTI公司的PDV6000重金屬測定儀，該產品通過了US EPA認證，可以測定包括水、工業廢水、醫藥品、飲料、土壤及食物提取液等液態樣品。檢測前需要準備幾min，檢測只需要20 s～5 min，檢測范圍4 μg/L～300 mg/L。電極是該儀器最重要的部分，為了獲得最佳檢測結果，對某一類金屬應該使用相應的工作電極和參比電極(表1)［9］。PDV6000可以用于實驗室檢測，也可以用于野外現場檢測。在實驗室一般與計算機連接使用，采用軟件控制檢測過程，檢測精度更高。現場檢測時，使用鎳氫電池供電，但是檢測數據只顯示在屏幕上而不能保存。

表1 PDV6000重金屬分析儀主要技術參數Table 1 Main parameters of PDV6000 portable metal analyzer

1.3 ASV檢測設備的研究進展

基于ASV法的重金屬傳感器技術的測量時間通常是幾min，可以滿足一般的在線及快速響應要求，因此是重金屬現場快速檢測技術的重要發展方向之一。但是ASV法因電極的制造成本和使用壽命問題，導致檢測費用較高。此外，傳統溶出伏安法的工作電極采用液態汞電極、汞膜電極等，分析過程中會析出有毒物質汞，對環境和分析人員造成危害，是該技術的一大弊端。目前的研究多集中在無害、高效、廉價的工作電極材料及結構，如采用炭黑/石墨電極［10-11］、修飾或改性的炭糊/石墨電極［12］、金電極［13］、鉍電極［14］、銀電極［15］以及廉價的 1，10-氮雜(OP)修飾的黏土層電極［16］等。

Nano-BandTMExplorerII金屬分析儀是美國TraceDetect公司引入納米技術(Nanotechnology)的先進理念研發的新型重金屬離子檢測儀器。電極由100個0.2 nm×6 nm的納米帶電極組成，累積每塊小電極產生的信號以放大信號。納米帶電極與ASV法結合，扣除背景電流，準確測量法拉第電流，有效地提高了信噪比，進一步提高儀器靈敏度。Cu，Zn，Cd和 Pb檢測濃度為 100 ng/L，As和 Hg檢測濃度為1μg/L。可存儲105個測量數據。一般情況下，與ICP-MS的檢測結果偏差在10%左右。2006年 4月 TraceDetect公司的 As自動分析儀(SafeGuardTMAutomated Arsenic Analyzer)獲得了US EPA的認證［17］。但是 Nano-BandTMExplorerII目前還沒有獲得US EPA的認證。

石英微天平分析儀(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一種質量感測設備，它能夠在石英晶體上實時地測量極微小的質量變化，靈敏度為0.001μg。Weiss等采用QCM技術，結合ASV法檢測液態樣品中的重金屬離子。將電極連接到電源的負極上，電流可以將重金屬離子沉積在石英晶體微天平表面，由電極電壓和適當的金屬電化學系列決定沉積到電極上的金屬類型。金屬沉積導致QCM傳感器的諧振頻率降低。相反的電流引起最初沉積的金屬逐漸溶出導致傳感器諧振頻率的增加。QCM的靈敏度非常高，離子濃度測量分辨率可能低于50μg/L。研究表明，QCM可以分辨Cu2+和Ni2+，定量檢測范圍為50 ～10000 μg/L［18］。唐國林等也開展了基于QCM技術的重金屬離子檢測技術研究，建立了一種納米金信號增強壓電示金屬檢測方法，并用該方法對溶液中的 Cu2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+和Co2+等進行了檢測，結果表明，檢測方法便利、易于實現，且檢測的靈敏度較高［19］。

2 生物學檢測方法

2.1 重金屬離子的免疫檢測技術

免疫檢測技術以其特有的專一性、靈敏性、低成本、實時快捷等特點，已經在環境有機污染物、生物毒素和微生物監測研究等領域取得一定進展，并且已有標準化的產品。US EPA用于評價固體廢物的理化測試方法(Test Methods for Evaluating Solid Waste，Physical/Chemical Methods，簡稱 SW-846)4000系列現行的16個生物分析篩查標準方法中有13個免疫學方法，正在開發的4個生物學監測分析方法均為免疫學檢測分析方法。檢測的污染物包括二口惡英、多氯聯苯、多環芳烴、石油烴、農藥類、炸藥類和重金屬［8］。目前我國標準分析方法體系中僅有水中微囊藻毒素的免疫檢測分析方法。

1985年Reardan等首次開展重金屬-螯合物抗原研究，并分離出相應In3+的特異性抗體，開啟了重金屬免疫檢測技術研究的先河［20］。國內外研究人員開展了廣泛的研究，研制出越來越多的抗Hg2+，In3+，Cd2+和Pb2+等金屬-螯合劑復合物抗原，獲得了以上重金屬離子的特異性抗體，建立了相應的重金屬離子免疫檢測方法，并對抗體和抗原的親和力的研究也有一定報道［21-23］。目前市場上用于食品檢測的重金屬離子快速檢測試劑盒有鉛、砷、汞、鉻、鎘，一次可以檢測50個樣品，每個樣品檢測成本為3～4元人民幣［24］。

環境樣品因其成分復雜、干擾較多，其中的重金屬離子免疫檢測方法的研究開發具有一定的難度。US EPA從1995年開始支持重金屬的定量免疫檢測(Quantitation of Heavy Metals by Immunoassay，EPA Grant Number:R824029)研究工作。其中 US EPA標準檢測方法4500為土壤中汞的免疫檢測(Mercury in Soil by Immunoassay)，于1998年頒布。Blake等承擔的水和土壤中鉛的免疫檢測方法(Lead in Water＆ Soil by Immunoassay，4510)仍然處于研發之中。與此同時也有許多基于免疫檢測技術的重金屬離子免疫傳感器的研究。Blake等用一種計算機控制的流式熒光計(KinExA)檢測樣品中的Cd2+，Co2+，U6+和 Pb2+，其檢測精度與 ICP-MS 相當，但鮮見應用于現場檢測的報道［25］。雖然國內外科技人員在該領域的研究工作已取得一定進展，然而以免疫檢測為核心的環境重金屬離子檢測技術研究尚處于起步階段，至今僅有土壤中汞的免疫檢測試劑盒，其他重金屬離子的環境樣品檢測試劑盒或傳感器等仍無標準化產品。

2.2 重金屬離子的DNA檢測方法

功能脫氧核糖核酸(Functional DNA)包括DNA酶(Catalytic DNA或Deoxyribozyme或DNAzyme)和DNA適配子(aptamer)兩類。基于功能DNA原理，結合納米材料或者電化學發光/熒光技術的電化學傳感器是當今一個研究熱點。DNA酶(DNAzyme)是通過體外篩選技術(SELEX技術)得到的具有酶活性的小分子單鏈DNA，在特定輔酶存在下具有催化作用，其酶活性與某些金屬離子密切相關。DNA適配子是具有對特定靶物質有特異性親和力的特定DNA序列。

DNA酶具有易于合成和修飾、穩定性好及對環境污染小等特點，其在金屬離子檢測中的應用備受關注［26］。通過分光光度計采集熒光信號，可以實現μg/L數量級的 Pb2+檢測［27］。Xiang等報道了一種檢測Pb2+的熒光生物傳感器。在DNA鏈中引入dSpacer位點建立非標記的功能DNA傳感系統。熒光分子ATMND可以特異性地與dSpacer位點結合，形成熒光猝滅的初始狀態。當DNA酶或DNA適配子與相應的分析物 Pb2+發生作用，則會破壞dSpacer位點處的DNA雙鏈結構，從而釋放出熒光分子ATMND，產生顯著的熒光增強信號。Pb2+的檢測限為 4 nmol/L［28］。

戈芳等通過自組裝方法將修飾有二茂鐵基團的富T序列DNA分子(DNA-Fc)固定在金電極表面，得到一種基于DNA修飾電極的電化學Hg2+傳感器。溶液中的Hg2+可與修飾電極上DNA的T堿基發生較強的特異結合，形成T—Hg2+—T發卡結構，使DNA分子構象發生改變，其末端具有電化學活性的二茂鐵基團遠離電極表面，電化學響應隨之發生變化。Hg2+濃度為0.1 nmol/L～1μmol/L時，電流相對變化率與Hg2+濃度的對數呈良好的線性關系。該修飾電極對Hg2+的檢測限為0.1 nmol/L，可作為痕量Hg2+檢測的電化學生物傳感器［29］。

Xue等報道了室溫下測定Hg2+的比色分析方法。該系統采用了低濃度時寡核苷酸和納米粒子(Nanoparticles，NPs)結合，當水溶液中存在過量其他金屬離子時，也能檢測到Hg2+。采用人工合成的具有金屬依賴性的堿基片段替換天然DNA堿基，可以用于檢測其他金屬離子。在Hg2+的快速篩查中，通過蒸發預濃縮前處理或用耦合信號放大等方法，可以達到US EPA飲用水檢出限10 nmol/L［30］。

基于功能DNA的重金屬離子檢測傳感器還處于研究階段，還沒有產品化的檢測設備，但是該技術具有廣闊的應用前景。

3 結論

在突發性環境污染事件應急調查和環境生態風險評價的篩查階段，環境樣品中的重金屬離子快速檢測分析可以采用ASV法和生物分子檢測法。ASV法可以同時檢測多種重金屬離子，檢測靈敏度和準確性高，但是檢測成本較高，檢測過程中伴隨著微量的汞污染。隨著納米技術和QCM技術的引入，ASV法的檢測成本有望大幅降低。免疫檢測法具有高通量、高特異性和低成本的特點，但是只有標準化的汞離子免疫檢測方法，其他重金屬離子的免疫檢測方法如何應用于環境樣品的檢測還有待進一步研究。免疫檢測傳感器的研發將拓展重金屬離子的免疫檢測技術的應用空間。重金屬離子的功能DNA檢測技術為環境樣品中重金屬離子的光生物檢測傳感器研究提供嶄新的應用前景。

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