水環境中重金屬檢測方法的研究

邵俊杰 萬金娟 張美琴

摘? ?要：隨著我國經濟的飛速發展，不可避免地產生了工農業廢棄物與生活垃圾。自然界中的土壤、空氣、水環境面臨著重金屬污染的挑戰，其中水環境的污染將影響水產動物的體內的重金屬含量，同時水環境中的重金屬隨著灌溉用水會對種植作物產生影響，最終這些有風險食物端上餐桌由人類買單。該文針對水環境中重金屬前處理、檢測方法原子吸收光譜法（AAS）、電感耦合等離子體法、原子熒光光譜法、溶出伏安法、生物化學方法進行歸納綜述，為探索新型更準確、更靈敏、更快速的水環境中重金屬檢測方法做基石。

關鍵詞：水環境;重金屬;檢測方法

中圖分類號：X830? ? ? ? 文獻標志碼：A

通常對重金屬的定義是原子密度高于5 kg/cm3的相關元素，現階段發現的金屬元素共計85個，其中45個屬于重金屬元素。水環境中的重金屬污染，源頭上礦產開發與加工、印刷企業等一系列污水排放企業，還有一些土壤中殘留的重金屬通過雨水，最終聚攏到河流湖泊污染水環境。水環境中重金屬污染會導致水生動物體內重金屬富集，從而危機居民飲食健康，因此水環境檢測技術作為食品安全第一道防線研究十分必要。

1 樣品前處理

水環境中的重金屬屬于化合態，通過樣品的前處理將化合態轉化成離子態，能夠保證檢驗結果的準確。前處理的另一個目的是干擾因素的脫除，被檢測重金屬離子的存留濃縮。目前，針對水環境中重金屬處理方法分為濕法消化、干法灰化。濕法消化針對主要是水環境中雜質比較多，操作方式是在樣品里添加高濃、氧化性強酸，常見的是高氯酸、硝酸、硫酸等，再進一步進行高溫加熱，去除樣品中的雜質保證檢測結果的準確性。但濕法消化存在爆炸風險，同時高濃度酸有可能引起檢測空白值的問題，但因成本低廉應用面比較廣。干法灰化主要針對雜質較少的樣品，通過進行高溫灼燒去除相關有機雜質，保留重金屬。干法揮發解決了高濃度酸存在的一系列缺點，但是卻存在電能消耗大、實驗周期長、目標元素容易揮發等問題。因此，兼顧濕法消化、干法灰化的優勢，新型前處理方式微波消解法，同時因采取特殊器具，可以避免器具吸收目標元素，保證樣品回收率，是目前實驗室最常采用的前處理方式。

2 重金屬檢測方法

2.1 原子吸收光譜法（AAS）

原子吸收光譜法（AAS）工作原理是將重金屬元素激發到蒸氣相中，重金屬基態原子吸收原子共振輻射量高低，對應重金屬定量分析。針對不同種重金屬運用的光譜法不同，主要分為4種。冷光源（CVAAS）、火焰（FAAS）、電熱法（ETAAS）、石墨爐（GFAAS）。水環境中的重金屬，一般情況下含量非常低，有時可達到超痕量標準，為保證檢測結果的準確度，需要進行樣品濃縮。常見的濃縮方法有非螯合物濁點萃取法、流動注射CVAAS 法、N-（1-羧基-6-羥基）苯亞甲基丙胺硅膠離子交換劑法、巰基氨苯磺胺合成樹脂作為固相萃取法、基于漂浮有機液滴的分散液-液微萃取技術、中空纖維膜萃取技術。

2.2 電感耦合等離子體法

電感耦合等離子體法主要有2種檢測水環境中的重金屬測定辦法：原子發射光譜（ICP-AES）和質譜（ICP-MS）。原子發射光譜法的主要工作原理是利用高頻感應電流，針對被檢查重金屬進行加熱電離，根據目標樣品激發出的特征譜線完成定量分析。質譜法的主要工作原理通過電感耦合等離子體技術將重金屬進行氣化，并輸送氣化后的目標樣品通過質譜，質譜再對目標樣品進行荷質比測定，最終完成重金屬換輛的測定。同樣在測定前需要對樣品進行濃縮，常用的方法是硅膠固相萃取法、吸附劑固相萃取法、螯合樹脂Chelex 100 填充微柱法。

2.3 原子熒光光譜法

原子熒光光譜法（AFS）的工作原理是通過吸收重金屬的特定波長的輻射而激發原子蒸汽，被激發后的的原子在激發過程中釋放一定的光輻射，這種光輻射的高低可以判斷重金屬濃度。原子熒光光譜法的優點主要是特定性與靈敏性，同時操作簡便、檢測速度快。但原子熒光光譜法可檢測的重金屬種類少，擴充可檢測元素種類，成為研究的熱點。原子熒光光譜法主要濃縮樣品的方法有電解冷蒸氣發生法、濁點萃取法、流動注射在線吸附氫化物法。

2.4 溶出伏安法

溶出伏安法的工作原理是通過恒電位電壓對樣品進行持續電解，被檢測元素將析出附著在陰極表面，當析出完成后進行反向正極電壓施加，完成被檢測元素的再度溶解，這一過程中出現峰電流高低，判斷被檢測元素濃度。溶出伏安法主要濃縮樣品的方法Chelex 100 陰離子交換樹脂、鍍金金剛石電極、鹽酸介質、納米羥基磷灰石（NHAP）和Nafion 復合膜修飾玻璃碳電極、NHAP 的三維網狀結構、Nafion 復合膜、DPASV法、流動注射陽極溶出伏安法。

2.5 生物化學方法

2.5.1 酶抑制法

酶抑制法的工作原理是利用重金屬離子與酶活性物質反應，并替代活性位點，導致酶整體活力下降，根據兩者的相關性，達到目標重金屬定量檢測的目的，同時針對超痕量重金屬效果最好。檢測中主要使用的酶是脲酶、葡萄糖氧化酶、磷酸酯酶和氧化氫酶，更多種類可用檢測酶正在被研究中。

2.5.2 核酸適配體檢測法

核酸適配體檢測法是重金屬檢測相關方法研究的設定，其優點在于穩定性高、成本低、檢測種類全。現階段已經研發成功的核酸傳感器有汞、銅、鉛、鉀。主要工作原理是修飾有熒光基團的核酸可以與目標重金屬發生特異性反應，形成雙鏈結構，有效地降低石墨烯猝滅單鏈DNA熒光基團的問題，熒光信號噪比問題被改變，保證目標重金屬的檢測結果的準確性。

2.5.3 免疫檢測法

免疫檢測法的工作原理是通過于抗原抗體特異性反應，對目標重金屬進行定性定量分析的生物化學檢測法。免疫檢測法具有的優勢是檢測周期短、檢測靈敏、檢測定性強，其主要的檢測判定依據是抗體與抗原相互結合程度。一般情況下重金屬離子不會直接尋找抗原完成抗體結合，通常的促進結合方式是添加螯合劑，螯合劑成為結合蛋白質與重金屬的紐帶，完成免疫反應實現目標重金屬的檢測任務。因此，免疫檢測法的核心關鍵是新型螯合劑與單克隆抗體的研究。

3 小結和展望

當重金屬污染達到臨界值時，對生態環境與農產品造成嚴重的后果，將由人類最終買單。因此，重金屬的相關研究成為熱點，其中檢測技術研究是重要關鍵點。隨著檢測技術的深入發展，超分子化學技術與電子技術被引入，使高靈敏度、強特異性的新型檢測方法成為可能。成熟的重金屬檢測方式互補結合，形成新型的復合檢測手段，同樣是研究的熱點，例如光譜法與酶分析結合。

重金屬檢測技術仍存在的短板問題：水樣品中重金屬元素富集技術，在富集中雜質去除尚沒有成熟技術，相關技術多處于實驗室摸索階段。相關檢測研究重點為污染性重金屬，針對有利用人類的重金屬檢測研究相對較少。例如可治療癌癥、心血管疾病、抗衰老的鍺元素;相關不同價態重金屬檢測技術研究相對較小，例如砷二價具有治療功能，三價有劇毒。

重金屬檢測技術的研究是長久的課題，同時需要復合學科研究者，在研究的過程中需要具有生物、化學、醫學各個領域的知識儲備。隨著重金屬檢測技術的進一步完善，我國的食品就會更加安全。

參考文獻

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通信作者：張美琴（1968—），女，碩士，研究員，從事水產品質量安全與加工研究。E-mail：1792147490@qq.com。