重金屬快速檢測技術研究進展

陸覃昱，陳仕淼，羅義燦，甘志勇，李 鴻，李冬桂，呂麗蘭*

（1廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001；2農業農村部亞熱帶果品蔬菜質量安全控制重點實驗室，廣西南寧 530001）

在我國，隨著農田污染或高本底背景引發的農產品質量安全問題被報道，重金屬污染問題也逐步走進公眾的視野。在我國，鎘（Cd）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）等5 種重金屬或類金屬是典型的土壤污染元素，由于其自身所具備的生物毒性，并且在生物體中存在累加效應，其通過食物鏈進入人體后，會引發多種嚴重的健康問題。同時農田重金屬污染也會導致農作物產量及品質下降。目前用于農業環境及農產品質量安全的重金屬相關檢測分析方法主要包括原子吸收法（AAS）、氰化物發生器-原子吸收法（HGV-AAS）、原子熒光法（AFS）、以及電感耦合等離子發射光譜法（ICP-OES） 質譜法（ICP-MS）。值得注意的是，雖然這些方法相對穩定、成熟，近年來，隨著ICP 技術的應用，已經實現了農產品中有害金屬離子的篩查，甚至實現了對簡單介質，如地表水、污水、氣溶膠中的多種元素的在線監測，但在復雜介質（如土壤、農產品）中，傳統儀器分析方法仍然存在前處理復雜、儀器設備昂貴所導致的監測樣品量少，數據時效性差等問題，這大大制約了農產品重金屬污染的監測及重金屬污染/高背景農田安全利用的開展。同時隨著對重金屬污染機制機理研究的深入，及大數據及人工智能算法的發展，重金屬防治技術手段的開發也在不斷升級，農產品重金屬污染風險評估模型、早期預警理論、手段和方法不斷增加。這些都對日常監測數據量及時效，提出了更高的要求。因此快速、廉價、高通量重金屬檢測技術正成為國內外學者所關注的研究重點。

1 基于免疫識別的快速檢測技術

酶聯免疫法（ELISA）及膠體金法（GICT）是目前兩種較為成熟且被廣泛應用的免疫檢測方法，其是利用抗原抗體特異性識別對待測物質進行定性、定量分析的方法。目前已經被廣泛應用于新冠病毒在內的病原體、毒素、抗生素檢測。其在農業方面也被廣泛的應用，目前采用相關技術開發的內源激素、植物病原體、農藥快速篩查相關檢測方法都開展了較為深入的研究。重金屬或類金屬離子由于其較小的分子量，通常情況下，并不具備免疫原性，但與其他大分子物質如EDTA 螯合后與載體蛋白偶聯，可引發免疫反應。郝亞明通過將鉛、鎘離子與硫氰根苯基乙二胺四乙酸（ITCBE）螯合后制備人工合成抗原，免疫小鼠后分別制備了鼠抗Pb-ITCBE 及鼠抗Cd-ITCBE 抗體，基于此構建的ELISA 方法可實現對Pb 與Cd 的檢測，其最低檢出限分別為20 μg/L 和0.01 μg/L，檢測范圍分別為20～160 μg/L、0.01～0.64 μg/L。其檢測能力與原子吸收石墨爐法相當。奚濤制備了青霉烯酸硫醇汞（Hg-MPA）、汞-谷胱甘肽（Hg-GSH）、青霉烯酸硫醇銅鹽（Cu-MPA）半抗原與卵清蛋白（OVA）偶聯并通過p-NH-Bn-DTPA 雙功能偶聯劑將Pb、Cd 與載體蛋白孔戚血藍素（KLH）制備人工抗原，免疫新西蘭大白兔制備了Hg、Cu、Pb、Cd單克隆抗體，實現了對4 種元素的快速檢測，其中對Pb 的檢測能力最強，達6.63 mg/kg，優于原子吸收石墨爐的檢測能力。而其他重金屬或類金屬如As、Cr、Ni 等相關抗體制備研究也有報道。

相較于傳統的全量儀器分析方法，ELISA與膠體金試紙法已經很大程度上降低了分析技術要求及相關工作量，但基于抗體的生物傳感器技術可以更進一步提升重金屬檢測效率。Kinetic Exclusion Assay（KinExA）是一種流式熒光技術，通過包被受體或配體的珠子捕獲游離的配體或受體，再通過熒光標記的抗體檢測游離的配體或受體的量研究分子間相互作用的技術。Diane 等基于KinExA3000 開發了Cd-EDTA 生物傳感器，并利用其對地下水中的Cd 進行了分析，其加標回收率為（114.25±11.37%），處于可接受水平。Lin 等通過局域表面等離子共振（LSPR）技術構建了Pb-EDTA 生物檢測器，其可以實現對最低0.27 μg/kg Pb的檢出能力，同時擁有10～100 μg/kg 的定量線性范圍。歐陽輝基于抗體識別機制和魯米諾-過氧化氫體系對重金屬的敏感機制的雙重特異性開發了Cu 化學發光免疫傳感器，實現了對中草藥中Cu 的檢測，其檢測范圍為1.0～1000 μg/kg，檢出限達0.33 μg/kg。但值得注意的是由于傳感器需要抗體等生物活性物質參與識別工作，多數傳感器存在壽命短，工作條件嚴格等問題。部分傳感器的研究仍處于理論階段，其功能的實現仍需復雜設備配套，這些研究現狀均在很大程度上制約了相關應用的開展。

綜上基于抗體的重金屬檢測技術，相較于傳統的儀器分析方法，擁有高通量、前期投入低等顯著優勢，便于基層單位開展工作，為例行監測工作的開展提供了更為有效的手段。另外，多數植物傾向將重金屬與多種解毒物質如谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PCs）等結合，以降低其毒性，減輕其對正常生理活動的影響。而對于某些重金屬或類金屬，如Cr、As，其不同結合態具有不同的毒理學意義。因此，在農產品質量安全評估及相關研究中，重金屬形態相較于重金屬總量更有意義。相較于傳統的液相色譜法，基于免疫識別的檢測技術可以更容易的提供農作物中重金屬的形態信息，同時利用免疫組化技術，還可以有針對性的對特定的重金屬進行組織、細胞或亞細胞級別的定位研究。因此有針對性的開發重金屬結合態抗體及配套的在線或高通量檢測技術對指導重金屬污染農田安全利用、農產品重金屬質量安全監測、風險評估及相關科研工作的開展均具有重要的意義。

2 基于X 射線熒光光譜的快速檢測技術

X 射線熒光光譜法（XRF）是指采用高能X 射線激發樣本，并根據樣本所發出熒光光譜特征及強度對樣本中的金屬元素含量進行定性、定量研究的光學檢測技術。由于其可分析元素范圍廣、可對固體、粉末等試樣進行分析等優勢被廣泛應用于冶金、地質、化工、建材等領域。前期，由于相關檢測設備信噪比較差，農業方面，XRF 主要被應用于高背景環境樣本的檢測中，而目前由于新開發的雙面彎晶光學晶體技術采用多個單色光激發樣品，使XRF 檢測設備的信噪比大幅提高，檢測靈敏度上升，提升了其在農產品重金屬檢測中應用的可能性。劉通等利用XRF 結合基本參數法開發了針對谷物、豆類、肉制品、水產品樣品的XRF 快速檢測方法，其中As、Cd、Pb 的假陽性率均小于5%，其檢出限分別為0.07、0.06、0.07 mg/kg。考慮到常規檢測方法中的前處理過程對待測樣品具有稀釋效應，該方法的檢出能力達到原子吸收石墨爐法的檢測能力。徐德江等采用高精度便攜式X 射線熒光光譜儀（HDXRF）對土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、As 等7 種元素的檢測能力進行了評價，結果表明HDXRF 法測定土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr、As 的檢出限分別是2、2、5、5、0.08、11、0.8 mg/kg，滿足土壤環境質量標準的測試要求。綜上，XRF 法以其可以實現無損檢測的特性使其在重金屬農產品質量安全監測中具有較高的應用前景，但值得注意的是，其同樣也存在著一定的應用缺陷，如設備采購成本較高，操作人員存在X 射線暴露風險等問題。

3 基于電化學的快速檢測技術

陽極溶出伏安法是一種目前應用較廣的測量痕量重金屬離子的有效方法，其原理是利用在一定電位下，待測金屬部分還原溶入微電極或析出于電極表面，向電極施加反向電壓的化學特性分析溶液中重金屬含量的技術。其技術特點使其具有檢測速度快、檢測成本低、可以很容易的整合進入在線監測系統等優勢。但值得注意的是，該檢測方法對富集電位、富集時間、電位掃描速度、攪拌速度、電極性狀及性質、電解質條件、溶解氧等都有著具體而精確的需求，由于實際應用中環境、農產品樣本中組分相對復雜，對相關檢測的干擾使其相對精度較差。目前針對相關問題，學界已經開展了諸多相關的研究，在改良電極方面，崔聞宇等采用三氧化二鉍-石墨烯材料修飾玻碳電極，構建了同時分析Pb、Cd 的新方法，其檢測能力與ICP-OES法相當。侯金瑛等利用活性炭對碳糊電極進行化學修飾使電極在檢測Cd 時表現出高的靈敏度和低的檢測限。Priya 等利用還原型石墨烯（rGO）、羧甲基纖維素（GMG）和谷胱甘肽（GSH）修飾玻璃碳電極（GCE）實現了對痕量Cd 的檢測，檢出限達5.62 ng/L，并表現出較好的選擇性、穩定性及可重復性。而在分析方法上，Ye 等利用機器學習技術對不同重金屬離子伏安峰形狀進行學習建模，提高了復雜水樣品中陽極溶出伏安法檢測多種重金屬離子的選擇性。Leon-Medina 等采用脈沖伏安法結合機器學習開發了快速檢測As，Pb 和Cd 的技術，其方法準確率高達98.31%。可見隨著新技術的引入，電化學法快速檢測有望突破應用瓶頸，獲得更大的發展。

4 基于高光譜的反演技術

土壤高光譜反演技術是近年來新興的原位重金屬含量檢測技術，土壤在特定電磁波段下能被激發特定的光譜特征曲線，可以通過對光譜特征曲線的分析就能識別土壤不同成分物質，從而預測土壤重金屬含量。目前，預測土壤成分及重金屬含量的主要反射光譜波長一般為350～2500 nm。前期，由于光譜遙感數據波段少、光譜分辨率及空間分辨率低等的條件限制，遙感技術在土壤重金屬監測領域研究較少，主要應用于地圖繪制及評價重金屬污染等級等方面。隨著高光譜技術的出現，使得半定量和定量反演土壤中重金屬含量成為可能。通過高光譜技術能夠對土壤中重金屬含量進行監測，相較于傳統方法，其存在成本低、時效性強及通量大的優勢。郭云開等利用高光譜數據，通過遺傳算法優化支持向量機（GA-SVM）重金屬反演模型，通過二階微分變化光譜后建立回歸模型，對重金屬Fe、As 和Cr 的驗證集的相關系數分別為0.968、0.821 和0.976。錢家煒等對張家港農田土壤重金屬元素含量及土壤可見近紅外高光譜數據進行建模，開發了針對Cd、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni 和Pb 的估算模型，其擬合度均大于0.5，對張家港市農田土壤中重金屬的預測及監測提供較為可靠的數據支持。相較于其它重金屬快速檢測方法，其很好地解決了大尺度與高通量的檢測難題，適用于相對監測精準度要求低的場合，如受污染農用地安全利用生產場景。而隨著機器學習技術的不斷演進，相關模型擬合度的不斷提高，從而更具有應用價值。

5 展望

重金屬快速檢測技術在農產品質量安全監測及受污染、高背景農用地安全利用中發揮著重要的作用。同時隨著農業大數據相關研究的深入，農業信息化，農業現代化的不斷深入，對農業相關數據的采集需求也在不斷增加。快速檢測技術以其快速、高通量的技術優勢可以為相關模型的開發、應用提供大量可靠、精準的數據支持。目前，絕大多數檢測技術仍然存在成本高、需要設備昂貴等問題，制約了其在生產過程中的實際應用，仍需進一步研究廉價的耗材制備方法及低成本的應用平臺，以幫助相關技術的產業化推廣。同時基于技術路線實現的重金屬快速檢測均具有一定的局限性，而現實生產中，對快速檢測技術有著多方面的需求，通過對相關技術的集成整合，可以實現優勢互補，促進重金屬快速檢測技術的發展及推廣應用。