重金属离子的光学检测方法综述*

王文华， 吴胜旭， 李思东， 黄 江， 谢玉萍

(1.广东海洋大学 电子与信息工程学院，广东 湛江 524088； 2.中国广州分析测试中心，广东 广州 510070；3.广东海洋大学 化学与环境学院，广东 湛江 524088)

0 引 言

据《2015中国国土资源公报》公布：对全国5 118个地下水监测点中，优良级水质监测点仅466个，仅占9.1 %，较差水质监测点多达2 174个，占42.5 %，极差水质监测点964个，占18.8 %[1]。常见的铅、汞、镉、铬、铜等重金属污染水和土壤之后很难降解，通过饮用水或者水生植物吸收沿食物链进入人体，不断沉积和富集，给人们的健康带来极大的危害。因此，重金属含量的检测显得尤为重要，且需要及时、准确地对水质、土壤和食品的重金属离子进行检测。国务院于2011年颁布了《重金属污染综合防治“十二五”规划》，因此，对重金属离子的检测提出了越来越高的要求[2]，人们也在不断提出新的检测方法。目前，检测方法有电化学分析法、电感耦合等离子质谱法、高效液相色谱法、酶分析法，以及各种光学检测方法。

本文分别对传统和新型的重金属离子光学检测方法进行了综述,并给出了该领域的发展方向。

1 传统的重金属离子光学检测方法

1.1 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法以原子吸收为原理，测量样品必须是气体，宽谱光源的波长覆盖待测元素特征谱线，样品蒸气待测元素含量遵循朗伯—比尔定律吸收特征谱线的光强，从而造成光谱对应波长位置的光强衰减，根据特征谱线的光强衰减量即可实现待测样品的含量，测量时需要确定样品中各元素的最大吸收波长、吸收光谱和摩尔吸收度。检测仪器主要由光源系统、原子化系统(将样品转化成原子蒸气)、分光组件(棱镜或光栅)以及基于光电倍增管的检测系统组成。原子吸收光谱仪可以对多种重金属离子进行测定，但价格昂贵，单次测试费用比较高[3]，且测试不同重金属离子时需要更换不同的光源。

1.2 原子荧光光度法

与原子吸收光谱法基本原理相反，原子荧光光度法通过辐射能激发待测样品的原子蒸气，进而产生荧光，荧光对应波长位置的发射强度由待测样品的浓度决定，因此也需要原子化系统。原子荧光光度法的灵敏度比原子吸收光谱法高，谱线清晰。栾云霞等人[4]提出了一种双道原子荧光光度法，用于测定土壤中汞、砷的含量，检出限分别为0.03,0.13 μg /L。唐莲仙等人[5]优化了仪器的工作参数，利用原子荧光光度法测定白酒中铅含量，检出限为0.1 μg /L。

1.3 原子发射光谱法

原子发射光谱法的基本原理与原子吸收光谱法相反：待测样品中的元素发射特征光谱，根据该特征光谱的信息来测定待测样品中重金属的含量。仪器由光源、单色仪(分光组件)和检测部件组成，单色仪和检测部件的功能与原子吸收光谱法对应组件相同，光源有两个功能：将待测样品蒸发为气态原子，将气态原子的电子从基态激发到激发态、为发射光谱做准备。原子发射光谱法通常不需要更换光源，且能够对多种重金属离子实现鉴别测定，对样品的分析时间短，灵敏度依据不同的光源而定。

1.4 紫外可见分光光度法

分光光度法是在目视比色法的基础上发展而来的[6]，通过光电检测的方法取代比色法的人眼判断。紫外可见分光光度法可用于定性或定量分析，其基本原理是利用物质对190～760 nm波长范围内紫外可见光的吸光度不同测定溶液中的重金属离子的含量，理论基础是朗伯—比尔定律。紫外可见光分光光度计由光源、单色仪(分光组件)、样品池和检测系统组成。经单色仪输出的光谱入射到溶液时，不同物质对不同波长的吸光度不同，根据不同波长位置的吸光度即可测定物质的含量。

重金属离子溶液通常为无色或者颜色非常浅，不宜直接采用光度法测量，需特定的螯合剂，也称之为络合剂[7]，螯合剂和待测物质发生反应，生成颜色较深的螯合物。

2 新型重金属离子光学检测方法

对于传统检测方法，其设备、试剂盒等部件的价格昂贵，携带不方便，因此，催生了一些新型重金属离子检测方法。

2.1 表面等离子体共振技术测量法

表面等离子体共振(surface plasma resonance,SPR)技术的支持体可以是棱镜，也可以是光纤[8]。其基本原理是：在棱镜的全反射面或光纤表面镀一层很薄的金属膜，膜厚小于倏逝波的深度，当光束发生全反射时产生倏逝波，倏逝波在金属表面激发表面等离子体波，如果入射光束的波长或入射角为某一特定值(共振波长或共振角)时，表面等离子体波与倏逝波将产生共振，此时共振波长或共振角位置的光能量被吸收，从而导致全反射光束的能量骤降，反射光谱出现由于光能量被吸收后的共振峰，即表面等离子体共振。金属膜与其周围环境的物质接触时如果产生吸附、化学反应或是构象的变化，则金属表面附近的折射率将发生改变，而SPR对折射率的变化非常敏感，目前可以达到10-8RIU[9]，据此，可以设计相应的SPR检测分析技术。

Yu Jorn C C研究小组[10]在金膜表面制作了聚吡咯膜(此膜充当传感芯片)，利用聚吡咯膜对溶液中的二价汞离子进行键合、实现离子的SPR测定，单独测定汞离子的线性范围在0.1～10 g/L。英国East Anglia大学的Lee M M研究小组[11]提出了在玻璃金膜表面形成单分子层薄膜，利用尿素酶经过N-succinimidyl 3-(2-pyridyldithiol)propionate作用实现自组装形成分子膜，通过镉离子对尿素酶的抑制，当芯片上的尿素酶与不同浓度的镉离子接触时产生吸附作用，如果此时镉离子存在, 则导致脲酶的系列结构变化，其线性范围为0～0.01 mg/L。美国Stanford大学的Chah S研究小组[12]提出了利用1,6—二硫醇在SPR传感器金膜表面实现自组装单分子层，其原理是该自组装芯片与含有二价汞离子的水溶液接触时，SPR传感器的信号将随着汞离子浓度的变化而发生变化，从而实现浓度测量；且Pb，Ni，Zn和Cu等重金属离子基本不会对汞离子的SPR信号产生干扰。Fen Y W研究小组[13]提出了采用旋涂制膜工艺在玻璃金膜表面沉积一层很薄的薄膜，利用不同浓度的重金属离子与薄膜的相互作用导致SPR传感器共振角的变化，分别实现了二价铅离子和铜离子的有效检测。Ericas F等人[14]提出采用缩氨酸修饰SPR传感器芯片的性能，经缩氨酸修饰的SPR芯片能够吸附重金属离子，改变SPR信号，利用SPR的传感信号和参考信号的比值实现了高分辨率的重金属离子检测，对铜离子实现了在(10-6～10-9)体积分数范围内的实时、定量的选择性检测。

2.2 共振光散射技术测量法

用于重金属离子检测既和SPR有关联，又和比色法有关联。金属膜表面的等离子体波与倏逝波发生能量耦合产生共振，即SPR，如果金属膜由尺寸非常小的金属纳米粒子代替，则纳米粒子表面的自由电子集体受迫振动形成的共振称为局域SPR(local SPR,LSPR)。LSPR使得纳米粒子表面的电磁场急剧增加，表现出很强的共振吸收，同时辐射出与振荡电荷频率相同的光波，即发生LSPR散射。金属纳米粒子通常是金和银两种材料[8]。

以金纳米粒子为例，LSPR会影响金纳米粒子溶液的颜色，当待测溶液的环境变化时，金纳米粒子将发生聚集，导致溶液的蓝色发生变化，这是由于粒子间距导致LSPR散射光谱发生变化，可以利用这种颜色的变化测定环境溶液的浓度变化。Mirkin C A等人[15]早在1996年首先提出了基于金纳米粒子标记DNA的比色分析方法，并发表于《Nature》上。基于LSPR的光散射技术是LSPR的重要光学性质，与LSPR吸收构成了其重要应用，其散射光谱强度比荧光染料的荧光强得多[16]。

对于纳米粒子，纳米金或纳米银表面通过金属—S键或静电吸附作用修饰蛋白质或核酸等基团，重金属离子与修饰后的纳米金粒子或纳米银粒子相互作用，改变颜色，实现重金属离子的测定。基于LSPR光散射，Fan Y等人[17]利用硫化钠修饰纳米金颗粒，与二价汞离子作用后纳米金颗粒的LSPR散射光信号明显增强，实现了纳摩尔(nmol)级别的检测。Liu Z D等人[18]提出了一种DNA金纳米粒子免标记法检测环境水体中的二价汞离子，检测限达1 nmol/L。Wang H等人[19]利用单双链DNA对纳米金颗粒的分散能力不同，高盐浓度时纳米金颗粒处于分散状态，如果向溶液中加入二价汞离子，则核酸分子配位杂交，与纳米金颗粒的作用降低，纳米金颗粒团聚，溶液由红色变为蓝色， 从而实现Hg2+的监测。Liu D B等人[20]将光控染料螺吡喃修饰纳米金颗粒，紫外光照射时螺吡喃为开环，如果往溶液中加入铜离子，则铜离子与开环螺吡喃配位，使得纳米金颗粒团聚，颜色由酒红色变成蓝色，实现光控方法的铜离子检测。

2.3 激光诱导击穿光谱法

激光诱导击穿光谱法(laser-induced breakdown spectro-scopy,LIBS)的原理是利用短脉冲高能量密度的激光在待测样品表面产生瞬间高温，样品被激光产生的高温激发形成气态物质，继而在高能激光能量的作用下发生雪崩电离而形成等离子体。待测样品气化元素的自由电子被激发至激发态，当跃迁回基态时会产生具有各元素特征的光谱，通过分析激光诱导激发的特征谱线可以分析确定待测样品的物质及其含量。

Srungaram P K等人[21]将给定汞浓度的土壤样品制成丸状，利用LIBS技术测定土壤中的汞，结构显示在汞浓度较高的情况下，检测效果较好。吴文韬等人[22]利用LIBS 技术对土壤中的铜含量进行定量检测，检测下限为mg/kg级别，相对误差小于10 %。LIBS技术也被应用于溶液中重金属含量的测定，Knopp R等人[23]利用LIBS 技术对溶液中金属镉、铅等物质进行了检测研究，其检测限为500，12.5 mg/L，随后，LIBS 技术应用于溶液中金属物质含量的检测得到了不断改进。Yu Y 等人[24]提出了双脉冲LIBS技术定量检测溶液中金属物质的方法，并测量了铜的含量，结果表明，溶液中Cu的检测限达 mg/L级别。常亮等人[25]提出了基于LIBS 技术定量检测竖直喷流和静止液面模式下溶液中的镉、铅、铝等金属物质的含量，可以较好地应用于实际溶液的监测。而Samu T J等人[26]利用LIBS 技术对水中的痕量重金属铅和锌等物质进行检测，欲实现工业废水的在线监测。彭秋梅[27]分析了研究条件的最优化情况，采用LIBS 技术对桔子叶片中的重金属铅、铬、铜等进行了定量检测。

2.4 试纸—光电反射测量法

试纸—光电反射测量法的基本原理与紫外可见分光光度法相同，利用物质对入射光谱中不同波长成分的吸光度不同来测定溶液中的重金属离子的含量，测试系统如图1所示，入射光谱借助于光纤以一定角度入射到定量试纸，经试纸反射后由接收光纤接收然后进行光/电转换和信号处理，通过对比空白定量试纸和滴入待测溶液干燥后试纸的反射光相对光强方法来测定待测溶液重金属离子的含量[28]。

图1 试纸—光电反射法测试系统示意

3 结束语

本文对重金属离子的传统光学检测方法以及近年来受到研究人员青睐的光学检测方法进行了阐述与分析。原子吸收光谱法等传统的光学检测方法相对来说比较成熟，应用较普遍，但设备、试剂盒等部件依赖进口，且价格昂贵，携带不方便，因此，催生了一些新的重金属离子检测方法，具有灵敏度高、轻便等优点，但是仪器设备的稳定性、重复性，以及制作方法与流程较为繁琐。鉴于重金属离子对人类健康危害的严重性，研究新型检测方法的机理，探索多技术融合、性能优良、环境友好和可重复利用的重金属离子传感器成为未来的发展方向。