重金屬的檢測新方法及其在化妝品領域的應用進展

周靜靜 高國偉,2 李延生＊ 王冬冬 何一凡

1.北京信息科技大學 傳感器北京市重點實驗室，北京 100101；2.北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192；3.北京工商大學 化妝品監管科學研究院，北京 100048

0 前言

根據1989 年國務院批準的《化妝品衛生監督條例》規定，化妝品是指以涂擦、噴灑或其他類似的方法散布于人體皮膚、毛發、指甲、口唇等部位，以達到清潔、護膚、美容等目的的日用化學工業產品[1]。在過去的幾十年里，化妝品行業迅速發展，種類日益增多，功能也日趨多樣化，在人們的生活中逐漸占有重要地位[2]。

然而，化妝品某些成分的添加若不符合標準和規格就會危害人體健康[3-4]。化妝品中常見的有害物質包括防腐劑、合成香料、色素、激素、重金屬等[5]。其中防腐劑的超標會導致過敏性皮炎的發生；激素的添加會導致內分泌紊亂，皮膚新陳代謝異常[6]。化妝品中的重金屬離子能夠產生美白、淡斑的功效，但是過量使用就會通過皮膚進入體內，造成巨大的傷害[7]。因此，化妝品中重金屬離子的精準測量具有非常重要的意義。目前，常見的檢測方法有電感耦合等離子體發射譜法、紫外可見分光光度法、電感耦合等離子體質譜法等。雖然這些檢測方法可以實現化妝品中重金屬離子的精準測量，但也有一些不足之處，如電感耦合等離子發射譜在實際運用中易受環境影響，紫外可見分光光度檢測時需要的特殊試劑有較強的毒性，電感耦合等離子體質譜法使用的設備儀器較為昂貴以及需要專業的技術人員[8]。基于此，文章綜述了新型的重金屬離子檢測方法，有望實現化妝品安全性的快速、便攜、精準評估。

1 化妝品中重金屬的主要來源

不同化妝品的生產環節差異化較大，可能導致重金屬離子超標的流程也非常多樣化。化妝品中重金屬離子的來源主要分為3 類：第1 類是化妝品生產過程中使用到的原料[9]，比如化妝品中的天然成分是從植物中提取而來的，在提取植物精華時，富集在植物內的重金屬會不可避免地殘留在植物提取物中；第2 類是在化妝品生產過程中故意添加重金屬及其化合物[10]，一些重金屬的鹽或氧化物具有隔離紫外線、增白等效果，而其替代品的工藝成本過于高昂，一些不法商家和企業為了獲取暴利就會惡意添加這些有害物質；第3 類是來自化妝品的包裝以及運輸過程，包裝材料中重金屬的析出和遷移也會導致化妝品中重金屬離子的含量超標。

2 化妝品中重金屬檢測的傳統方法

化妝品中含有的重金屬離子會嚴重危害人體的健康。為了實現化妝品中重金屬含量的精準測量，通常采用石墨爐原子吸收光譜法、原子吸收光譜法、高效液相色譜法、電感耦合等離子體發射光譜法、電感耦合等離子體質譜法、紫外可見分光光度法等，如表1所示。這些方法技術成熟度高，是實現化妝品安全性評估的有力手段。

3 化妝品中重金屬離子的新型檢測方法

傳統的檢測方法可以實現化妝品中重金屬的準確測量，但依然存在弊端，如對專業技術人員和儀器設備的依賴[17]。因此，開發簡單、快速、便攜的檢測工具，讓人們方便得知化妝品中的重金屬含量是人類健康和化妝品行業的發展需要。近年來，新型納米材料和智能識別分子憑借其優良的特性，在生物化學傳感應用領域展現了廣闊的應用前景[18-20]。下文介紹了近期關于化妝品中常見重金屬離子的幾種檢測新方法。

3.1 汞離子（Hg2+）的檢測

汞離子可以阻止黑色素的生成，通常用于皮膚增白。但長期使用含有汞離子的化妝品會影響人的神經系統，造成視力模糊或行走困難，嚴重的汞中毒會導致器官衰竭直至死亡[21]。

目前，已經開發出多種汞離子的檢測方法。碳點作為一種新興的熒光納米粒子常用于檢測重金屬離子，是一種有前景的熒光傳感器[22]。Sun D 等人[23]以梔子為前驅體，通過熱液合成法制備了氮硫共摻雜碳點，檢測Hg2+。氮硫共摻雜碳點溶液發出藍色熒光，將Hg2+加入氮硫共摻雜碳點水溶液中，碳點形成Hg2+-S健吸附Hg2+，導致氮硫共摻雜碳點熒光猝滅。Geng Z等人[24]通過簡單的交聯方法，用戊二醛改性殼聚糖纖維，制備出優良熒光性能的三維殼聚糖水凝膠。三維殼聚糖水凝膠具有親水性，在337 nm 處發射出強烈的藍色熒光。三維殼聚糖作為固相熒光探針，選擇性地、靈敏地測定了水中的汞離子，檢測限為0.9 nmol/L。實驗現象表明，在Hg2+存在下，熒光在401 nm 處猝滅，這是因為Hg2+和戊二醛熒光團與共軛結構的強絡合作用。由于Hg2+-Au（I）高親和力的親和性金屬相互作用機制，Fu J 等人[25]開發了一種透明的纖維素納米纖維基質支撐發光金納米顆粒（AuNPs）穩定的固態傳感膜。在這種固態膜中，合成了具有強烈紅色熒光發射的金納米顆粒作為傳感單元，制備了纖維素納米纖維基質作為載體，為AuNPs 提供大量的固定點，并產生強熒光。當固態膜與Hg2+接觸時，紅色熒光猝滅，并顯示“關斷”信號，如圖1 所示，用肉眼可以很容易地觀察到從紅光發射到猝滅的顏色變化，檢測限為1.0 nmol/L。

表1 傳統檢測方法

針對化妝品中汞離子的檢測，Talat M 等人[26]和Guo M 等人[27]提出了應用到化妝品中重金屬離子的檢測方法。石墨烯因其強導電性、生物相容性和突出的表面體積比而被用于電極的改性[28]。Talat M等人[26]提出用石墨烯修飾玻碳電極，用于化妝品中汞離子的檢測，并通過電化學方法測定汞的含量。結果顯示，該電極可以準確、靈敏地檢測實際樣品中的汞離子，檢測限為10-6mmol/L。這種裝置具有良好的電子穩定性、高靈敏度、較低的檢測限，并且可以實時檢測美容霜中的Hg2+。Guo M 等人[27]開發了一種基于全細胞微生物傳感器的測試條平臺，可同時檢測化妝品中的可溶性和不溶性無機汞污染物，且無需預先簡化。通過啟動子轉入大腸桿菌DH5α（一種用于基因工程的菌種，相比于正常菌種缺少了一定的免疫機制）中構建了汞生物傳感器。不同形態的汞將影響大腸桿菌中汞的表達水平，研究人員通過測定汞的熒光強度即可實現汞的定量檢測。這種檢測方法非常簡便靈活，檢測流程如圖2 所示。消費者在家就可以使用這個試紙條來檢測化妝品中是否含有汞及汞化合物，如果化妝品中汞含量超過1 mg/kg，試紙就會變紅。在整個檢測過程中不需要專門的儀器。該試紙條為現場檢測化妝品中的汞污染提供了一種低成本、易于使用且與儀器無關的方法。

3.2 鎘離子（Cd2+）的檢測

鎘在人體內長期積累會損害肝臟、肺、腎、中樞神經系統和骨骼等器官，另外，鎘是一種致癌物質[29-30]。因此，探索更為簡便的方法實現對化妝品中鎘離子的精準檢測具有重要意義。

目前，Cd2+的分析方法主要包括原子吸收分光光度法[31-33]、電感耦合等離子體質譜法、電感耦合等離子體原子發射光譜法[14,34]、原子熒光光譜法[35-36]等。Zhu Y F 等[37]設計了一種由Cd2+特異性適配體組成的單標記多功能探針，它既是Cd2+的識別元件，又是信號發生器，檢測限為2.15 nmol/L。Cd2+的存在引發相應適配體的構象轉變，誘導電子轉移，進而導致熒光猝滅。Miao Q 等[38]成功開發了一種基于聯吡啶的水凝膠，用于體外和活細胞中的Cd2+檢測。該水凝膠由兩部分組成：第1 部分是兩個對稱的親水性Fmoc-賴氨酸，用于自組裝形成水凝膠并與Cd2+配位；第2 部分在Cd2+配位后，聯吡啶基團開啟熒光。實驗現象表明，水凝膠與溶液中的Cd2+配位后，在470 nm 處開啟熒光（增強86 倍）。該水凝膠成功地實現了Cd2+的特異性檢測，檢測范圍為4 ～18 μmol/L，檢測限為21 nmol/L。

Khani R 等[39]提出了一種基于熒光光譜的檢測方法，實現了對口紅、染發劑和粉底霜中鎘離子的檢測。通過合成了四（4-硝基苯基）卟啉，一種新型特異性熒光探針，用于熒光“開啟”模式下的鎘離子測量。四（4-硝基苯基）卟啉中的NO2與Cd2+相互作用，打開熒光，而與其他的金屬陽離子結合并無熒光出現，表明該探針的特異性很好。熒光強度與Cd2+濃度呈線性關系，檢測限為0.276 μmol/L。

3.3 鉛離子（Pb2+）的檢測

化妝品中的鉛可以促進皮膚吸收化妝品中的有效成分。含鉛化妝品使消費者在短時間內達到快速美白效果，但是長期使用會導致皮膚變干、變薄，出現紅血絲、紅斑等一系列癥狀。鉛元素會通過皮膚進入人體血液循環系統，損害人體的造血功能[40-43]。

原子吸收光譜法和氣相色譜-質譜法等傳統的檢測方法可以實現鉛的精準測量。然而這些方法均依賴于大型設備，這在一定程度上限制了它們的廣泛使用。杯芳烴以其預先組織的構象特征對重金屬離子具有選擇性識別作用，這引起了傳感技術領域的廣泛關注[44]。Kocer M B 等[45]利用杯芳烴的獨特性質研制了一種電化學生物傳感器，用于檢測Pb2+。在最佳條件下，該傳感器的工作范圍為0.48 ～2.31 μmol/L，檢測限為0.11 μmol/L。杯芳烴修飾的氣相色譜電極具有良好的電子傳輸途徑。適配體是一小段經體外篩選得到的寡核苷酸序列或者短的多肽，能與相應的配體進行高親和力和強特異性的結合[46]。Ran G 等[47]研制了一種新型的一步組裝法無標簽電化學傳感器，用于Pb2+的快速檢測。首先，通過圓二色性和等溫滴定量熱法從單鏈脫氧核糖核酸庫中篩選出Pb2+適配體，選擇的適配體是一個33 個的核苷酸序列，計算其與鉛離子之間的解離常數為1.13×10-6mol/L；然后，通過獨特的連續腺嘌呤連接劑，在不使用任何其他阻滯基團的情況下，一步將適配體直接固定在絲網印刷電極表面；成功構建好傳感器后，通過在絲網印刷電極上滴液來檢測Pb2+，檢測限為0.03 ng/mL。

便攜式視覺檢測方法以其速度快、無需儀器設備、可對多種目標進行定性和半定量檢測等優點，已被開發用于檢測重金屬離子。Mao Y 等[48]提出了一種基于功能性DNA 交聯水凝膠的金納米棒（AuNRs）的新檢測方法。以鉛離子作為模型靶標，首先制備Pb2+響應的DNA 水凝膠，Pb2+的加入會引發水凝膠的裂解和葡萄糖淀粉酶的釋放。釋放的葡萄糖淀粉酶催化直鏈淀粉生成大量葡萄糖，葡萄糖立即被葡萄糖氧化酶氧化生成H2O2，Fe2+分解H2O2，生成活性自由基。AuNRs可以被自由基刻蝕，改變AuNRs 的長徑比，進而引起顏色的變化，最終實現可視化檢測Pb2+。課題組[49]也做了相關的研究，利用DNA 水凝膠結合毛細作用構建了一種新的檢測方法，實現了環境中鉛離子的裸眼定量檢測。檢測原理如圖3 所示，在Pb2+的存在下，相應的DNA 酶被激活并切割其底物鏈，導致水凝膠膜的網孔尺寸擴大并部分裂解，這種變化引發了Pb2+水溶液通過毛細玻璃管的速度發生轉變，最終實現了通過記錄溶液在毛細管中的運動行為就可以分析Pb2+濃度的目的，無需其他外部設備，檢測限為10 nmol/L。

紙基微型設備以便捷、可靠、不需要專業人員解讀的特點漸漸走入研究人員的視野，相關的研究和開發也日益增多[50]。Wei X 等[51]開發了一個多功能、易于操作的護理點分析平臺，該平臺基于微流控紙基分析設備，使用靶向響應適配體交聯水凝膠來調節流體流動并讀出信號。根據目標分析物與相應適配體的特異性反應，他們實現了Pb2+（檢測限為200 nmol/L）的快速定性檢測。在無需輔助設備和專業技術人員的情況下，6 分鐘內就可用肉眼獲得測量結果。可視化的檢測方法具有很好的便攜性和較好的商業應用前景。Liu W Y 等人[52]利用智能納米凝膠封裝的膠囊膜開發了Pb2+的可視化定量檢測體系。該膠囊膜體系由半透性海藻酸鈣膜和密封的聚（n-異丙基丙烯酰胺-18-冠醚-6）納米凝膠組成。這種半透膜可以使鉛離子和水快速通過，且完全排斥其他干擾物質。Pb2+進入膠囊中會被內部的納米凝膠特異性識別，形成18-冠醚-6/Pb2+復合物，使納米凝膠由疏水態轉變為親水態，發生一定的膨脹，進而引發彈性膠囊膜發生等溫膨脹，如圖4 所示。通過測量膠囊的膨脹率就可以實現Pb2+的定量檢測，檢測限為10-9mol/L。

針對化妝品中鉛離子的檢測，Puchakayala S 等[53]通過高指數晶面-銀納米花修飾的玻碳電極，用陽極溶出伏安法檢測鉛離子，檢測限為0.74 μg/L。與傳統的銀納米離子相比，納米花狀結構具有良好的表面修飾和電化學分析能力，在Cu2+、Fe2+、Mg2+、Ni2+、K+、Na+與Pb2+共同存在時，表現出良好的特異性。

4 總結與展望

如今，隨著居民消費的不斷升級，化妝品逐步成為生活必需品，化妝品的安全性問題引起人們的普遍關注。本文綜述了化妝品中重金屬離子的主要來源、傳統檢測方法以及新型便攜化測量方法。傳統的檢測方法雖然可以實現標準的化妝品檢測，但依然面臨一些亟待解決的問題，如：需要復雜而繁瑣的樣品處理流程，或者需要精密的實驗測量儀器以及受制于檢測環境，必須在專業的實驗室才能完成，商業化可家用的檢測技術依然未能普及。隨著新的《化妝品安全技術規范》的頒布，化妝品的檢測技術也要隨之更新，以滿足新的檢測需要。新型檢測方法大多依賴智能響應材料，如DNA 水凝膠、金納米顆粒等，這類的方法比較便攜、快速，但仍然有不足之處，如DNA 水凝膠的用量較大，導致成本高，不利于個體化使用等。

在科技工作者的不斷努力下，化妝品中重金屬離子的精準檢測技術取得了長足進步。基于碳點、金納米顆粒以及智能水凝膠等新型材料開發的檢測技術，減少了對大型設備和專業技術人員的依賴，為化妝品檢測行業注入了新的血液，有望實現化妝品中重金屬離子的便攜、快速、精準的測量。