食品中重金屬檢測方法研究進展*

張蘭蘭，葉晨倩，黃奕雯，李達諒

（1.福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117；2.福建省漁業資源檢測中心，福建 福州 350117）

1 重金屬污染的現狀及危害

重金屬污染是指人類活動導致重金屬排放入環境中，致使環境中的重金屬含量遠高于原有濃度，從而對人類健康造成潛在或現有的威脅。重金屬污染主要產生于工業活動、交通、生活這三個途徑，如金屬開采和冶煉、能源和燃料生產、化肥和農藥工業及應用等，這些重金屬一旦進入環境，就會累積在土壤和水體中，通過食物鏈的富集，被人體攝入，從而對人體健康造成危害[1]，重金屬污染一旦產生，其治理難度大，潛在危害巨大。

食品安全是人們的最基礎的安全需求，在食品安全危險中，重金屬污染最嚴重的危害是重金屬超標的食物或者水被攝入到人體后，重金屬物質通過食物鏈在體內累積，當其含量達到一定程度后會損害神經、心肺、肝臟及內分泌等系統，甚至會引發癌變。最早發現的因重金屬污染造成的公害病是20世紀日本的“日本水俁事件”，其根源是含有重金屬汞的污水排放進日本水俁灣中，導致重金屬汞進入該灣中的魚蝦體內，再通由食物鏈進入人體內，侵害到人的小腦和知覺系統，該類似事件在日本共發生3次，致使784人患病，103人死亡。因此對于食品中重金屬的檢測技術的發展刻不容緩。

2 光學檢測法

2.1 原子熒光光譜法

原子熒光光譜法工作原理是當樣品受到強特征輻射時，各種元素的原子所發射的熒光波長有所不同，因此利用此特征來區分不同元素。李霞[2]等人利用原子熒光光譜法測定農產品中的汞離子，他們選取大米和芹菜作為實驗樣品，實驗證明該方法在1～2μg/L范圍內呈現良好的線性關系，相關系數為0.9996，檢測限為0.001 mg/kg，精密度為2.4%～3.9%，這些數據都證明了該方法的可行性。

2.2 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法具有選擇性強、靈敏度高、分析范圍廣和抗干擾性強等優點，目前已成為在食品重金屬檢測中應用最廣泛的技術。2021年，李吉鋒[3]利用原子吸收光譜法對黃河、渭河和洛河交匯區蓮藕中鉛、鎘、鉻、銅、錳和鋅6種重金屬元素含量進行檢測，結果的精密度符合要求。

2.3 熒光發射光譜法

熒光發射光譜法是利用不同元素處于激發態的原子或離子躍遷回基態時發射的特征譜線不同的特點來對待測元素進行分析。趙麗和她的團隊[4]利用原子發射光譜法測定膨化食品中的鉛和鋁的含量，結果表明鉛和鋁的檢出限分別為4.7 ng/mL和20.8 ng/mL，加標回收率為96.4%～104.1%，實驗證明了熒光發射光譜法是檢測膨化食品中鉛和鋁的有效手段。

2.4 分光光度法

分光光度法是利用是重金屬會與有機顯色劑發生化學反應并產生一定的顯色分子團，在特定波長的光作用下可以根據已知的標準曲線[5]即可實現食品中所含重金屬的有效定量定性檢測。迪麗努爾[6]利用分光光度法對烏魯木齊河部分河段的水質進行重金屬檢測，通過大量實驗確定了最佳pH值、反應時間等重要參數，并構建重金屬離子的標準光譜曲線，檢測發現水中鎘離子、鉛離子等重金屬離子的含量超標。

2.5 X射線熒光光譜法

X射線熒光光譜法是指當不同元素的外層電子從高能態跳躍回低能態時，多余的能量以X射線的形式產生不同的譜線，從而對待測樣品進行元素種類分析和含量測定。熒光X射線法可對液體、固體以及粉末的樣品進行定性和定量分析。楊桂蘭等人[7]應用X射線熒光光譜法對5類典型土壤中的重金屬進行檢測，實驗表明，在一定預處理條件下，X射線熒光光譜法對5類土壤的檢測準確度在75%～125%，精密度在0.14%～11.40%，基本滿足對土壤重金屬檢測的要求。

3 生物學檢測法

3.1 酶分析法

酶分析法是重金屬與酶活性中心的巰基或者甲巰基結合后，改變酶活性中心的結構與性質，以此為依據建立相關重金屬濃度與酶系統的定量關系，從而快速檢測重金屬含量的方法。柴小平等人[8]探究了酶活性與重金屬之間的關系，實驗發現脫氫酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶活性與Cu、Pb、Zn、Cr、As之間呈顯著正相關，過氧化氫酶活性與Pb之間呈一定程度正相關，脲酶活性與高于0.1 mg/kg的Hg含量之間呈顯著負相關，該實驗證明了酶活性作為重金屬污染的評價指標具有一定的可行性。

3.2 免疫分析法

免疫分析法是基于抗原抗體特異性結合的特性，利用已知的抗原或抗體檢測未知的抗原或抗體的方法。在重金屬檢測時，需要將重金屬與合適的絡合物或氨基酸進行絡合后，制備成抗原，使其產生免疫原性，從而對重金屬含量進行檢測。王玉龍等人[9]基于汞-螯合劑和汞-谷胱甘肽等半抗原，制備了Hg2+-MNA mAb、Hg2+-ITCBE mAb等不同的汞抗體，運用多種樣品檢測技術和不同信號轉化的檢測體系，實現了對水、奶制品、農產品和化妝品中有機汞的檢測。

4 重金屬熒光探針法

近年來，熒光探針因其成本效益高、靈敏度高、樣品制備簡單、實時監測響應時間快以及不需要參考溶液的優勢而受到極大關注[10]，大量重金屬相關的熒光探針陸續被研發出來。在環境和食品污染方面，重金屬主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重元素，因此，本文主要以汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）和鉻（Cr）這4種重金屬的熒光探針為例來介紹熒光探針在重金屬檢測中的應用。

4.1 汞離子熒光探針

汞因其不可生物降解的性質以及對生物和環境的有害影響而在許多方面受到持續和特別的關注。排放到環境中的無機汞在細菌的作用下會轉化為甲基汞，其容易在人、動物、植物體內積累，導致多種疾病，如水端病、發育遲緩、心血管疾病、運動障礙等。世界衛生組織建議飲用水中Hg2+的最高濃度為0.001 mg/L。

Bozkurt和Gul[11]設計并合成了一種用于檢測汞離子的探針1（圖1）。實驗結果表明，Hg2+的加入顯著降低了探針1的熒光強度，且不受其他離子影響，其檢出限為0.16 μmol/L。同時，他們利用該探針在自來水中進行了實際樣品實驗，3次測定的相對標準偏差均小于15%，回收率在72.7%～109.6%之間，這些數據為探針1的實際應用奠定了基礎。

Patil和Das[12]設計合成了含羅丹明的新型熒光探針2（圖1），用于選擇性檢測水溶液中Hg2+。探針2對Hg2+具有較高的選擇性和靈敏度，與Hg2+絡合后會導致熒光開啟，其檢測限低至26 nmol/L。利用探針對實際水樣中汞離子污染進行了加標回收法檢測，成功地實現了探針2用于實際水樣中Hg2+污染的檢測。

Rani和他的團隊[13]報道了一種用于通過“關閉”熒光檢測汞離子的探針3（圖1）。探針3在加入汞離子后，觀察到明顯的熒光猝滅（96%），經計算檢出限為0.35 nmol/L。除Pb2+和Fe3+對熒光光譜有輕微猝滅作用外，其他金屬對熒光強度影響不大。此外，該團隊還成功應用探針3對細胞內的汞離子進行了成像。

圖1 汞離子熒光探針

Lin等人[14]合成了一種香豆素-硼酸酯汞離子熒光探針4（圖1），它在H2O/CH3CN溶液或PBS溶液中對Hg2+顯示出很高的熒光響應。在探針4溶液中加入Hg2+，肉眼可觀察到由淡黃色變為橙色。檢測下限低于世界衛生組織規定的飲用水中Hg2+的允許水平。

Tian等人[15]合成一種帶有鄰苯二甲酰亞胺基團的汞離子熒光探針5（圖1），探針5不絡合Hg2+時，熒光強度較弱，溶液顏色為淡黃色。在Hg2+存在下，該探針與發出強烈的熒光，溶液顏色也變為淡綠色，從而實現肉眼對汞離子的監測，其檢測限為40 nmol/L。此外，該探針成功應用于細胞內Hg2+檢測并且具有較小的細胞毒性。

4.2 鎘離子熒光探針

來自工業、農業等許多領域的過渡金屬污染物中，鎘是最嚴重的污染物之一，大量實驗表明，人長期攝入含超量鎘的食物會對機體的呼吸系統造成損傷，同時嚴重影響人體的消化系統、肝和腎等的功能。世界衛生組織建議飲用水中Cd2+的最高濃度為0.01 mg/L。

Li等人[16]報道了一種以半胱氨酸為輔試劑的含苯并噻唑的鎘、鋅離子熒光離子探針6（圖2）。在所測試的各種金屬離子中，Zn2+和Cd2+分別導致探針9的藍移發射從573 nm增加到520 nm和540 nm。半胱氨酸的加入使6-Cd2+的發射紅移回573 nm。相反，半胱氨酸的加入僅降低了6-Zn2+的發射，對探針的波長沒有影響。試紙實驗表明，探針6可以通過顯著的熒光變化同時識別Zn2+和Cd2+，從而為生物體系中Zn2+和Cd2+的示蹤提供了一種方便的方法。

Krishnendu和他的團隊[17]合成了新的喹啉-苯并噻唑類探針7（圖2），用于選擇性檢測鎘離子。實驗證明探針對Cd2+的選擇性“開啟”發射變化。探針7在加入Cd2+后熒光顯著增強，肉眼可觀察到溶液顏色從微青色變成綠色。而且，該探針不受其他金屬元素的影響，特別是Cd2+同族元素Zn2+的影響。探針7還可制作成便攜式試劑盒，無需使用任何昂貴的儀器幫助即可現場檢測Cd2+。

Fabiane等人[18]制備了一種新型的吖啶類熒光探針8（圖2），并對其進行了表征和研究，用于乙醇溶液中鎘離子的定量檢測。探針8與Cd2+的絡合使得熒光增強了746%，不受干擾離子的影響。檢出限和定量限分別為9.98 nmol/L和33.31 nmol/L(R2=0.996)，線性范圍為0.10～1.00μmol/L。此外，探針8在3種不同的基質中進行了回收測試，這三種基質是巴西甘蔗酒、巴西清酒和在乙醇中捕獲的煙草主流煙霧。

Li等人[19]設計并合成了一種簡單的用于識別鎘離子 和 銀 離 子 的 探 針9 （ 圖2 ） 。 該 探 針 在CH3OH/HEPES緩沖體系中測定Ag+和Cd2+，實驗證明探針9對這2種離子有熒光猝滅作用，其檢測限分別為0.42μmol/L和0.26μmol/L。重要的是該探針與Cd2+的絡合，使得溶液從藍色變為綠色，所以可以在紫外燈下用肉眼分辨Ag+和Cd2+。濾紙紙片試驗進一步證明了探針9可以作為一種簡便、快速的檢測方法。

Lu等人[20]合成了一種新型的喹啉類熒光探針10（圖2）。在100%的水環境中，探針10對Cd2+（開啟）和Hg2+（關閉）分別表現出不同的熒光響應，表現出較高的靈敏度和選擇性，檢測限分別為39 nmol/L和98μmol/L。同時，探針10成功應用于細胞成像。

圖2 鎘離子熒光探針

4.3 鉛離子熒光探針

鉛污染的途徑有兩個。其一，約有3億t開采的鉛在水生系統和土壤中存在；其二，含鉛材料的利用，包括廢塑料、電池、顏料、汽油和重燃料油。人類接觸過多的鉛可能會導致出現嚴重的健康問題，如神經、發育和心血管疾病。世界衛生組織建議飲用水中Pb2+的最高濃度為0.01 mg/L。

Jiang等人[21]設計并合成了一種以氨基硫脲-萘酰亞胺衍生物為基礎的新型鉛離子熒光探針11（圖3），該探針在乙腈/水溶液中對Pb2+具有良好的選擇性和靈敏度。探針11在365 nm的紫外光下有明顯的變色，并隨著Pb2+的加入表現出開啟的熒光響應，檢出限為4.7 nmol/L，同時，水樣中Pb2+的加標回收率為100.54%～113.68%。探針18還可用于人基質細胞系（HSC）溶酶體中Pb2+的熒光成像。

Zhang等人[22]設計并合成了一種新的基于熒光素的比色探針12（圖3）。該探針利用F-作為輔助劑，可以快速、靈敏地區分Pb2+和Cd2+。當在探針12溶液中加入Pb2+或Cd2+時，顏色由無色變為淡紫色。然而，在含Pb2+或Cd2+的探針溶液中加入F-后，出現了一個明顯的現象，即含Pb2+的探針溶液由淡紫色褪色為無色，含Cd2+的探針溶液由淡紫色變深為深紫色。在水溶液中，Pb2+和Cd2+的檢出限分別為0.42μmol/L和0.53μmol/L。此外，該探針成功地用于自來水中痕量有害鉛和鎘的快速檢測，相對回收率較好，鉛和鎘的相對標準偏差分別為1.8%和0.3%，為實際應用提供了一種新的檢測方法。

Shaily等人[23]設計并合成了一種基于三氮唑的鉛離子熒光探針13（圖3）。探針13的熒光強度可被Pb2+選擇性猝滅，肉眼可觀察到明顯地從無色到黃色的顏色變化。在磷酸鹽緩沖溶液中對Pb2+離子具有很高的靈敏度和選擇性，檢測下限為1.9 nmol/L。此外，該團隊利用探針13制作了試紙，可用于Pb2+的高效檢測。

Zhong等人[24]合成一種含有席夫堿的熒光探針14（圖3），能特異性檢測鉛離子。當探針與Pb2+結合后，在560 nm處有一個明顯的吸收峰，而其他金屬離子對其影響并不大，并由此計算出其檢測限為0.16 nmol/L。將探針14制備成試紙，當遇到Pb2+時，試紙由白色變為粉色，說明探針可用于快速檢測鉛離子。

Velmurugan和他的同事[25]合成了一種用于高選擇性熒光檢測Pb2+的熒光探針15（圖3）。探針15選擇性地檢測Pb2+，對Pb2+加入表現出較大的藍移并增強了熒光，檢測限為13μM。最后，成功將探針15應用于牛奶、紅酒、活細胞中Pb2+的檢測。

圖3 鉛離子熒光探針

4.4 鉻離子熒光探針

鉻是一種環境污染物，由于各種工農業活動而積累的鉻是一個令人擔憂的問題。當人體中攝入過量鉻時，他會積蓄在腎、肝中，影響其正常功能，造成糖尿、骨質疏松和貧血等危害。世界衛生組織建議飲用水中Cr3+的最高濃度為0.05 mg/L。

Chai等人[26]合成了兩個羅丹明B類化合物16和17（圖4），它們在水中具有較強的紅光發射，可用于Cr3+的研究。熒光光譜和細胞成像表明探針16和17對Cr3+有很高的響應性，并用它們研究了吡啶甲酸鉻在活細胞中的分解。結果表明，在活細胞中，探針25和26可以從Cr(pic)3中捕獲了Cr3+。

Huang等人[27]開發了一種新型雙光子熒光探針18（圖4）。實驗證明，在H2O/HEPES緩沖液中，探針18對Cr3+具有熒光淬滅效應，并且裸眼可觀察到明顯地從淡黃色到淺黃色的顏色變化。同時，將探針18應用于實際水樣中的Cr3+檢測，回收率均在98%以上，說明該探針對Cr3+的識別具有較高的準確度和精密度。

Zhu等人[28]設計并合成了一種新型雙苯并咪唑基熒光探針19（圖4），用于Cr3+的識別。隨著鉻離子的加入，該熒光探針表現出強烈的藍色發光，發射帶位于420 nm，并對Cr3+有靈敏的關閉熒光響應。特別的是該探針對鉻離子的響應時間不到1 s，且Cr3+的檢測下限僅為3.5 nmol/L。實驗結果表明，該新型熒光探針19具有靈敏度高、響應快等優點，可用于Cr3+的檢測。

圖4 鉻離子熒光探針

3 結論與展望

20世紀以來，國內外已經研發出不同的儀器與設備用來檢測環境中的重金屬，但是，目前重金屬檢測的主要手段是借助大型儀器如電感耦合等離子體質譜法、原子熒光光譜法、原子吸收光譜法等對待測樣品重點中重金屬含量進行鑒定，這些手段的鑒定成本高、檢測周期長的缺點，限制了重金屬檢測技術的普及和推廣，新型檢測技術如生物免疫法等也存在制樣困難等一定的缺陷，因此建立起一個快速、簡便、準確的檢測方法是十分必要的。與傳統利用大型儀器進行重金屬檢測技術相比，熒光探針具有明顯的響應時間短，樣品制備簡單的特點，這為現場對于重金屬的快速檢測奠定了重要的基礎，也將成為未來重金屬檢測的趨勢。