生物體中重金屬元素分析方法的研究進展

周瑾艷，保志娟，楊 亦，高富榮

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

0 引言

近年來，重金屬污染形勢日益嚴重，其治理已亟不可待。為此，2011年環境保護部制定了重金屬污染綜合防治“十二五”規劃，加強重金屬防治。

現已知的重金屬約40種，大部分重金屬如汞、鉛、鎘等非生命活動所必需，且所有重金屬超過一定濃度對人體均有害。進入人體內的重金屬，大部分與蛋白質、核酸發生相互作用，導致酶活性消失或減弱，核酸結構發生變化，引起基因突變。此外，重金屬進入生物機體內，不易在肝臟分解代謝，極易積存在大腦、腎臟等器官，漸進式地損壞機體功能。研究表明，大部分的阿耳滋海默氏病和帕金森病都與重金屬過量有關[1]。

目前，生物體內重金屬監測主要集中在血液、尿液、唾液、頭發、指甲、胎盤、肝、腎等軟組織以及骨骼、牙齒等樣本中[2]。血液和尿液中的重金屬含量為即時信息，而指甲、毛發及骨骼中含量反映了生物體內重金屬元素的長期積累狀況。該文就這些生物樣品中重金屬的前處理及檢測方法進行綜述。

1 樣品的前處理

生物機體樣品中含有大量的鹽分和有機質，而重金屬元素含量一般在μg級，因此需要將樣品進行前處理和富集，制得合適的供試液。生物樣品常用的前處理方法主要有直接稀釋法、濕法消解法和微波消解法。

通常標準溶液與樣品存在粘度差異，可能影響準確度，且大比例的稀釋也會影響元素的檢出能力。故直接稀釋法中常采用基體改進劑稀釋樣品。目前，基體改進技術已廣泛應用于石墨爐原子吸收測定生物和環境樣品中的痕量金屬元素及其化學形態，但對于基體改進的機理，目前的研究工作尚不多，還未建立起一般的理論來解釋觀測到的眾多基體改進效應。

強氧化酸濕法消解成本較低，但酸液用量大，空白值較高，且易被污染。微波消解具有消化樣品能力強、速度快、消耗化學試劑少、金屬元素不易揮發損失、污染小及空白值低等優勢。

2 檢測方法

目前，用于生物機體中重金屬檢測的方法主要有中子活化法（NAA）、電化學方法、原子熒光光度法（AFS）、原子吸收分光光度法（AAS）、電感藕合等離體原子發射光譜法（ICP-AES）、電感藕合等離子體質譜分析技術（ICP-MS）、生物分析法等。

2.1 中子活化法

中子活化分析是一種權威的元素測量方法，是通過鑒別和測試試樣因輻照感生的放射性核素的特征輻射，進行元素和核素分析的放射分析方法。該法靈敏度高，準確度和精密度也很高，可測定元素范圍廣。中子活化法很早便廣泛用于生物樣品中痕量金屬元素的檢測。1965年，中子活化法被應用于尿液中Mn的檢測。隨后，Brune等[3]比較了正常人與尿毒癥患者全血中As，Au等8種元素的含量。同樣的方法也用于不同人群血清、尿液、頭發中鈾元素的含量分布檢測，檢出濃度達到ng/g水平。常規中子活化分析無法利用核反應截面高而生成穩定核素的核反應，而瞬發γ射線中子活化分析卻能夠克服這一困難。Grinyer等[4]利用該方法研究了腎、肝中鎘元素含量，檢測下限可達3.3×10-6。由于可避免化學操作引入的不確定度，且具有無損性、高靈敏度及計數統計不確定度可定量描述等優點，中子活化分析也常被作為標準物質元素定值的權威方法。Ewelina等[5]研究了中子活化分析生物樣品中硒元素含量，方法不確定度完全滿足測試要求。韓國技術標準研究院（KRISS）研制的牡蠣標準物質（108-04-001）也采用中子活化分析法定值，分析結果與通過認證的標準值在不確定度范圍內具有良好的一致性[6]。

2.2 電化學方法

電化學在20世紀最大的發展成果首當極譜分析法。極譜法測定重金屬元素，儀器簡單，分析速度快。然而經典極譜法具有較大的局限性，研究者們發展了許多現代極譜分析技術，其中陽極溶出伏安法應用最廣。Jagner等[7]曾報道過電位溶出分析法（PSA）測定血鉛，溶出峰不受溶解氧的影響。Benjamin等[8]研究者采用方波陽極溶出伏安法測血鉛，選用10 μm碳圓盤超微電極，大大提高了分析靈敏度和選擇性，能很好地抗汞離子干擾。

2.3 原子熒光光度法

原子熒光光度法，多用于鉛、汞、砷、銻、鉍、硒、鎵、鍺、錫、鋅、錫的分析。多技術聯用是其近年來發展的重點。1999年，Slejkovec等[9]聯用高效液相色譜法、紫外可見光譜法、氫化物發生-原子熒光法[HPLC-（UV）-HG-AFS]，研究了 6 種生物相關的砷標準物質，能很好地區分至少6種標準物質的砷化合物，推動了砷標準物質在定量檢測中的發展。Gómez-Ariza 比 較 了 HPLC-（UV）-HG-AFS 和HPLC-（UV）-HG-ICP-MS 兩種不同的聯用技術[10]，結果顯示兩種方法都能取得很好的實驗效果，HPLC-（UV）-HG-AFS方法還能很好地區分人尿中不同形態的銻。氫化物發生-原子熒光法聯用離子色譜技術（IC-HG-AFS）也被應用于 As（III）、As（V）及甲基胂酸（MMA）、二甲基胂酸（DMA）的檢測[11]。

2.4 原子吸收分光光度法

原子吸收光譜法是目前生物樣品金屬元素測定最常用的方法之一。石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS），結合“基體改進”技術后，可以更準確、更真實地定量反映生物監測材料中痕量有毒有害金屬元素的含量（一般在0.1~100μg/L的范圍內）。Gil等[12]建立了檢測全血、尿液、毛發、唾液中 Cr，Cd，Mn，Ni和Pb等元素的原子吸收標準方法，通過測試全血（refs.201505，201605，201705）、尿 液（ref.201205）、毛 發（NIES No.5）等標準物質，驗證了方法準確性。

隨著對方法靈敏度和檢測下限的需求，出現了各種富集手段。Santos等[13]利用O，O-二乙基二硫代磷酸酯（DDTP）和離子交換樹脂XAD-4萃取劑，結合火焰原子吸收方法，在線富集檢測生物樣品中的Cd含量。方法通過有證標準物質驗證，相對標準偏差在3%左右。同時，6-巰基吡啶偶氮樹脂對生物標準物質中Cu，Zn，Cd的分離效果顯著，選擇性極高，方法簡單快速，無干擾。Huang等[14]合成了巰基丙基三甲氧基硅烷修飾的二氧化硅磁性納米顆粒，固相萃取了生物和環境樣品中Cd，Cu，Hg和Pb。目標金屬的磁性顆粒在磁場作用下極易從溶液中分離，無需過濾和離心。結合AAS分析4種目標金屬含量，檢出限分別可達 24，92，107，56pg/L。

2.5 電感藕合等離子體原子發射光譜（ICP-AES）及電感藕合等離子體質譜（ICP-MS）分析技術

電感耦合等離子體發射光譜法，也是常用的生物機體中微量重金屬的檢測技術，但當樣品含量（濃度）較大時，準確度較差，而且該方法只能用于元素分析，不能進行結構、形態的測定。

鑒于上述問題，研究者們將ICP技術與質譜方法聯用，發展了具有極好靈敏度和高效樣品分析能力的多元素分析技術-電感耦合等離子體質譜法。近年來用于生物機體中痕量元素的檢測是ICP-MS的研究熱點[15]。低溫等離子技術、碰撞/反應池技術的實現大大降低了多原子光譜的干擾程度，提高了四極桿ICP-MS分析能力。David等[16]用電感耦合等離子體-動態反應池-質譜法（ICP-DRC-MS）測試了全血和尿液中砷、鉛、鎘、錳、鉈。采用含5%氫氣的氬氣為反應氣體，抑制了ArCl+和CaCl+的干擾。實驗采用NIST SRM 2670和BioRad Lyphochek Urine標準物質驗證方法準確度，結果顯示，方法測得兩種標準物質中金屬元素的變異系數均小于4%。D’llio等[17]采用同樣方法結合膜去溶氣動霧化器，考察了對血清樣品中Al，Co等的含量。膜去溶氣動霧化器可以減少氧化物的生成，實驗采用人血清標準物質和動物凍干血清進行驗證，測試值和標準值一致。此外，ICP-MS技術與其他技術如HPLC、HPCE、GC聯用可進行元素的形態、分布特性等分析。HPLC-ICP-DRC-MS技術考察生物樣品中硒的形態分析，能有效解決多原子干擾的難題[18]。

2.6 生物分析方法

生物分析方法是重金屬檢測的新型技術，尤其是生物傳感器的發展，實現了生物和臨床樣品中痕量金屬的快速、原位檢測。酶傳感器、免疫傳感器、微生物傳感器、DNA傳感器等在重金屬檢測方面都有應用。酶傳感器中常采用脲酶作為抑制劑測定痕量金屬。脲酶抑制法也可與薄層色譜法聯合測定重金屬含量，檢測限可達 0.02～3μg/L。Darwish 等[19]在 ELISA基礎上發展了一步競爭性免疫檢測法，考察了人血清中的Cd（II）。DNA傳感器作為生物傳感器領域的最新技術，在重金屬檢測方面表現良好的前景。Babkina等報道了DNA傳感器應用于天然和飲用水、牛奶、人血清中 Pb（II），Cd（II）和 Fe（III）的檢測[20]。生物傳感器在重金屬檢測方面的良好前景不容小覷，但這一技術還在不斷探索和深入研究中，用于實際樣品，尤其是生物樣品中重金屬的檢測還不多，其基底干擾也不可忽視，需要不斷改進。

最新研究發現蛋白質與某些金屬離子鍵合會改變構象特征，這一技術也被很好地應用到重金屬檢測中。Liu等[21]研究了5′和3′端分別標記熒光基團和猝滅基團的凝血酶適配子在Pb2+和Hg2+的誘導下，其結構由無規卷曲狀變為G-四股螺旋和發夾型結構，使熒光發生能量轉移。熒光下降強度與Pb2+和Hg2+濃度成比例關系，從而實現了對Pb2+和Hg2+的檢測。

3 結束語

隨著現代社會和工業的持續快速發展，重金屬污染防治是當前和今后一個時期環境保護的頭等大事。重金屬檢測歷來受到重視，研究者們一直致力開發更精確、更靈敏、更快捷的檢測方法和技術。新型聯用技術在一定程度上提高了準確度和靈敏度，但生物體中重金屬檢測技術仍然存在以下不足：（1）忽略了有益金屬的監測。某些元素是人體必需的微量元素，目前的工作重點放在有毒有害金屬檢測上，應該二者兼顧。（2）對重金屬元素的形態和價態分析還不夠。重金屬的生物毒性不僅與其總量有關，更大程度上由其形態分布決定。（3）忽視了樣品基底對測定的影響。許多樣品如血清、尿液，有機物含NaCl濃度較高，直接稀釋進樣使某些元素檢出能力變差，且樣品與標準溶液的粘度差異可能成為影響方法準確度的重要因素。因此，發展和使用與樣品同樣基底的標準物質對提高方法準確度尤為重要。（4）目前生物傳感技術檢測重金屬大多處于實驗室階段，用于實際樣品的檢測還有許多關鍵技術待解決。

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