重金属离子检测方法研究进展

2020-01-07张梦娇冯朝岭刘小标祁诗阳邢维芹

科学技术与工程 2020年9期

张梦娇，冯朝岭，刘小标，祁诗阳，邢维芹，袁超*

(1.河南农业大学理学院，郑州 450000；2.河南工业大学化学化工学院，郑州 450000)

重金属主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬以及类金属砷,还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物[1]。在国务院印发的《“十三五”生态环境保护规划》中指出要加大重金属污染防治力度，力争在2018年底建立全国重金属环境监测体系[2]。重金属污染主要来源于工业废水(冶金、化工、电镀、印染等工业污染物的任意排放)，之后重金属在水、土壤中相互迁移，影响农业环境安全和农产品的质量安全甚至危害人类的健康和生存。据不完全统计，近十年来中国重金属中毒事件近百余起[3]。世界卫生组织出具的报告中显示全球每小时就有400名儿童死于与重金属超标相关的疾病。重金属污染成为影响到农业安全和人类健康的重大环境问题，因此，对于水体中重金属离子丰度的检测逐渐成为备受关注的热点问题。

目前，中外最常用的是电化学检测法、光学检测法、生物学检测法等常规重金属离子检测方法，经过前期消解富集处理之后再进行重金属测量。为了提高检测灵敏度，科研人员研发多种元素富集方法，如电化学富集法[4-5]、溶剂萃取法[6-7]、螯合物法[8-9]、离子交换法[10-11]等。随着激光、纳米等技术的快速发展，新的重金属检测技术应运而生，如高光谱遥感技术、太赫兹时域光谱技术、纳米技术、共振光散射测量技术等。伴随各种交叉学科的诞生，中外科研机构加大了对重金属检测研究的投入，快速化、智能化、精准化检测方法成为各研究小组关注的热点。而重金属检测研究中对同位素检测的忽视与重金属污染治理过程中对追踪溯源[12-13]的需要之间的不平衡也日益凸显。通过查阅文献综述目前广泛应用的检测方法及其研究进展，并对各检测技术进行对比分析，提出了重金属同位素检测新方法，展望了重金属离子检测研究发展趋势，以期为重金属离子检测方法在农业、食品等领域的应用提供参考。

1 常规检测方法

1.1 电化学检测法

电化学检测方法[14]是根据物质相关的电化学性质来测定物质组分和含量的分析方法，以体系中的电位、电流或电量作为观测量对参与化学反应的物质成分与含量进行标定。在重金属离子检测中主要有离子选择性电极法、极谱分析法、电位溶出分析法、溶出伏安法。

1.1.1 离子选择性电极法

离子选择电极是以电位衡量溶液中某特定离子活度的电极，其电位与离子活度呈线性关系，可用来确定溶液中重金属离子含量。因其具有设备简单、操作方便、测速快等优点被广泛应用于分析化学中。

基于痕量电位分析原理，中科院烟台海岸带研究所[15]利用聚合物膜镉离子选择性电极检测技术测量了水体痕量重金属镉，检出限可达5.9 nmol/L；巩春侠等[16]制备了高灵敏石蜡修饰的铜离子选择性电极，对浓度为1.0×10-5～1.0 ×10-2mol/L的Cu2+具有能斯特响应，检测限为5.0×10-6mol/L；高云霞等[17]将多元线性回归分析应用于离子选择电极分析法，同时测定了重金属铅、镉离子混合物中各组分的含量，其准确度符合痕量分析准确度。

1.1.2 电位溶出分析法

电位溶出分析法是在恒定电位下将待检测物质预先电解并富集在电极上，然后利用化学试剂或附加电流将被富集的物质氧化或还原使之溶出，通过记录溶出过程中电极电压E随时间t变化的曲线来分析的方法。

魏小平等[18]采用锑电极作为工作电极利用电位溶出法同时测定痕量重金属锌、镉、铅，沉积时间为60 s时，锌、镉、铅的浓度分别为0～16.0、0～1.6、0～0.08 μg/mL，与各自微分电位溶出峰高呈线性关系，检出限分别为4.0、0.3、0.03 μg/L；李向力等[19]采用微波消解-微分电位溶出分析法测定面制品中砷含量，砷含量为0～200 ng，峰值与砷含量呈良好的线性关系，检出限为3.63 μg/L；章建军等[20]采用二次微分电位溶出法分析测定饮料中铜含量，铜的线性测定范围为0～1 600 ng，铜的检出限为0.85 ng/mL。

1.1.3 溶出伏安法

溶出伏安法又称反向溶出极谱法，是将待测物质预先电解富集后，再改变电极电位使富集物质重新溶出，依据溶出过程中的伏安曲线对待测物质做定量分析的方法。若用阳极溶出反应，称为阳极溶出伏安法[21]；若用阴极溶出反应，称为阴极溶出伏安法[22]。该方法操作简便、抗干扰能力强、灵敏度高。

中国核动力研究设计院四所[23]采用印记溶出伏安法测定了含铀废水中的痕量铀，在优化实验条件下检出限可达76 ng/L，测定结果的相对标准偏差为5.2%；中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室[24]利用金刚石作为电化学电极采用阳极溶出伏安法针对水中Ag+和Cu2+进行了检测，获得极限浓度达到5.8、5.6 ppb，满足世界卫生组织对这两种重金属离子的安全规定，该实验室[25]还首次利用碳化硅薄膜对Cu2+和Ag+进行了检测，获得极限浓度达到6、4 ppb；孙萍等[26]采用新型的差分脉冲阳极溶出伏安法检测液相环境下的铅、镉重金属离子，对铅、镉两种离子的检出限分别为0.54、0.79 g/L。

1.1.4 极谱分析法

极谱分析法是通过测定电解过程中极化电极的电流-电压曲线对溶液中待测物质浓度定量分析的方法。区别于伏安法，极谱分析法用的是滴汞电极或其他表面可以周期性更新的液体电极作为极化电极。极谱法分为控制电位极谱法和控制电流极谱法，主要有直流/交流极谱法、脉冲极谱法及示波极谱法等。

程良娟等[27]选用HClO4-EDTA-茜素红-V(Ⅳ)体系,在悬汞电极上采用微分脉冲极谱法测定湿法炼锌电解液中的微量锗(Ge),Ge浓度为0.13～20 μg/L，与相应峰电流有良好的线性关系,检出限为2.3 nmol/L,其相对标准偏差为0.014%～1.2%；路纯明等[28]采用HNO3-HClO4消化、HCl溶解头发样品,应用单扫描示波极谱法测定了糖尿病人头发中的Cu、Pb、Cd、Zn、Cr 的含量,为治愈糖尿病的药物机理提供依据；Somer等[29]利用差分脉冲极谱法测定了土耳其干葡萄中9种微量元素；Herrero等[30]基于差分脉冲极谱法利用偏最小二乘法回归方程同时测定了铅、锡、镉的含量。

1.2 光学检测方法

光学检测方法是基于光与物质间相互作用，利用物质对光的吸收、发射、散射光谱中谱线的波长和强度对重金属含量做定性定量分析的分析方法。传统的光学检测方法主要包含原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、原子发射光谱法、紫外-分光光度法、激光诱导击穿光谱技术等。

1.2.1 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法是基于原子吸收跃迁，利用光电探测器测量吸收光谱，分析光谱中对应跃迁的特征谱线处光强衰减量测量待测物质含量的方法。原子吸收光谱要求待测样品是气体状态，因此测量之前需要将样品转化为原子蒸气。原子吸收可以同时对多种金属进行测量，但需要不同的光源，价格昂贵。

de Oliveira等[31]利用石墨炉原子吸收光谱法直接测定原奶中的铅含量；Bayrak等[32]采用固相萃取-火焰原子吸收光谱法测定环境样品中的金(Ⅲ)、钯(Ⅱ)离子含量；任兰等[33]建立石墨消解-火焰原子吸收光谱法测定土壤和沉积物中铜、锌、镍、铬4种重金属的含量，铜、锌、镍、铬的浓度为0.00～1.00 mg/L，与吸光度均呈良好的线性关系,相关系数为0.999 4～0.999 5,方法检出限为0.7～1.5 μg/g；杨金星等[34]利用微波消解-石墨炉原子吸收分光光谱仪相结合的方式对日本遗弃化学武器销毁作业中常见的水样、大气颗粒物和土壤样品总砷的测定进行了研究。

1.2.2 原子荧光光度法

原子荧光光度法是基于原子受激辐射，利用光电倍增管测量原子受激辐射出的荧光信号，通过分析荧光谱线中特征波长处的强度进而对待测物质含量做定量分析。与原子吸收光谱法一致，原子荧光光度法也需要原子化系统。

孔志云等[35]基于纤维固相微萃取方法与原子荧光光度法相结合快速的测定溶液中痕量As(Ⅴ)，在最佳反应条件下As(Ⅴ)的定量限为0.1 μg/L；李全良等[36]采用原子荧光光度法测定水样中的砷和硒含量,砷和硒的检出限分别为0.20、0.13 μg/L；陈金鹏[37]采用火焰原子吸收法测定光皮木瓜中钙、铜、铁、硒、锌、锰、镁等微量元素的含量，7种元素的质量浓度与吸光度呈良好的线性关系，检出限为0.211～9.268 mg/L。

1.2.3 原子发射光谱法

原子发射光谱法与原子吸收光谱法相反，是基于原子样品从激发态跃迁到基态发射出特征光谱，根据特征光谱信息来定性定量测定样品中重金属含量。原子发射光谱法需要把原子样品预处理至激发态，可同时检测多种元素，分析速度快，最常用的有电感耦合等离子体发射光谱法。

俞洁等[38]采用液相阴极辉光放电原子发射光谱法测定精铜矿中的铅和锌，最佳条件下Pb和Zn的检出限分别为0.38、0.59 mg/L；张更宇等[39]基于电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)采用多向观测模式，结合多重谱线拟合技术(MSF)校正光谱干扰，测定了环境土壤中锰、钴、镍、铜、镉、钡、铅、铬等15种元素的含量，检出限为0.1～3.7 mg/kg。

1.2.4 紫外-可见分光光度法

紫外-可见分光光度法是在190～800 nm波长，通过测量物质对紫外、可见光的吸光度与波长的关系即待测物质的吸收光谱，并与对照光谱或与一定浓度溶液吸光度相比较对待测物质含量做定性定量分析。

基于三价铁离子催化过氧化氢氧化甲基橙褪色反应机制,白净等[40]采用分光光度法对琥珀酸亚铁片、多维铁复合物胶囊、多维铁口服溶液、钙铁锌口服液和朴雪口服液5种样品进行测定,含铁量依次为460、880 mg/g和0.892、0.138、0.470 mg/mL。精密实验结果显示标准偏差为0.007 1,相对标准偏差为1.31%，检出限为2.13×10-8g/mL；何薇娜等[41]基于浊点萃取技术采用紫外可见分光光度法，建立了痕量钴的检测办法。

1.2.5 激光诱导击穿光谱技术

激光诱导击穿光谱法[42]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。高温等离子体中含有大量激发态的原子及离子，当处于激发态的原子或离子跃迁回基态时会辐射出相应特征的光谱，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。

杨兆瑞等[43]采用共线双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置对铝合金中Mn和Cr进行了检测，检测限分别由单脉冲时的73、94.5 μg/g降低至双脉冲时的3.76、4.26 μg/g,检测灵敏度提高了约20倍；张启航等[44]利用激光诱导击穿光谱技术以Ca元素为参考元素,采用内标法对大气颗粒物中的Pb元素进行了定量分析,得出Pb元素的检出限为34.3×10-6；Liu等[45]研究了基于激光诱导击穿光谱与单因素和多因素分析相结合的方法检测大米中铜含量，检出限在5×10-6(ppm)左右；Wang等[46]采用激光诱导击穿光谱结合人工神经网络对当归中钙、镁、钾进行了定量分析。

1.3 生物学检测法

以生物技术为基础，集合纳米技术、光电技术、传感技术等交叉学科，为重金属检测方法提供了新的方向——生物学检测法。该方法避免了物理化学检测方法对大型装备的依赖，仅需要小型装备且操作简单，对技术人员要求较低。目前，生物学检测方法主要有酶分析法、免疫分析法、生物传感器等。

1.3.1 酶分析法

当重金属离子与酶类结合之后会引起酶类结构的改变，进而降低酶的活性。酶分析法就是依据重金属含量与酶的变化关系对重金属含量做定性定量分析的方法。

杨荣等[47]重点针对基于RNA剪切型和G-四链体型两种脱氧核酶设计的荧光型、比色型和电化学型Pb2+生物传感器等环境样本中的铅离子检测法作了综述；张宁宁[48]基于重金属抑制脲酶催化尿素水解产生氨机制，通过检测产生氨量的大小(即酶活)对食品中的汞与镉做了定量分析研究；张存滢[49]研究了重金属Hg和Cu与木瓜蛋白酶的相互作用特性；孙璐等[50]研究了重金属Pb2+、Cu2+、Ag+对葡萄糖氧化酶的抑制，采用酶抑制比色法实现了对Pb2+、Cu2+、Ag+金属离子的检测，在优化的条件下，Pb2+、Cu2+、Ag+的浓度分别为10～100、4～80、10～100 μmol/L，其浓度与响应信号呈良好的线性关系，Pb2+、Cu2+、Ag+的检出限分别为0.53、0.21、0.18 μmol/L。

1.3.2 免疫分析法

免疫分析法早期主要用于有机污染物的检测，是依据抗原抗体的特异性结合，利用已知的抗原(抗体)检测未知的抗体(抗原)的方法。由于重金属离子没有免疫原性，所以免疫分析法应用于重金属离子检测时需先将重金属离子与合适的金属络合物结合，使其产生抗原性，再将此复合物连接到载体蛋白质上，产生免疫原性，进而对重金属含量进行测量。

中外对于重金属的免疫检测主要集中在镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)等毒性较大的重金属。姜忍忍[51]利用制备的Cd-DTPA(二乙烯三胺五乙酸)噬菌体抗体初步建立的间接竞争性ELISA(enzyme linked immuno sorbent assay)免疫检测法，Cd检测限达到20 ng/L,水样加强回收实验平均回收率达90%以上，达到国家标准《生活饮用水标准检测方法》(GB/T 5750—2006)Ⅲ类水检测标准；基于一种双功能螯合剂p-SCN-Bn-DTPA，俞华齐[52]利用牛血清蛋白(BSA)和卵清蛋白(OVA)制备出具有免疫原性的重金属Cr的完全抗原Cr-DTPA-BSA和Cr-DTPA-OVA，并建立了可以检测重金属铬的间接竞争性ELISA检测法；Fu等[53]建立了人体尿中镉离子的胶体金免疫层析快速检测方法，镉离子检出限为30 μg/L，15 min内可定性检测结果，与其他重金属离子无交叉反应。

1.3.3 生物传感器

生物传感器是由生物材料作为鉴别原件，用信号转换器将生物信号转化为光信号或电信号等输出，分析光信号或电信号对重金属含量做定量分析。生物传感器是生物技术与物理学的结合，以生物反应为基础，具有便携性强、高通量等优点，但制作工艺复杂成本较高。目前应用较为广泛的有酶传感器、细胞传感器、蛋白质传感器和微生物传感器等。

Kim等[54]采用基于细胞嘧啶富集DNA的电化学生物传感器对银离子浓度检测进行了研究；Qi等[55]提出了一种基于MnO2纳米片辅助荧光偏振生物传感器检测痕量银离子的方法，检测极限为9.1 nmol/L；微生物全细胞传感器由宿主细胞和可响应化学诱导物的重组质粒组成;侯启会[56]研究了基于微生物全细胞传感器对土壤中重金属Cd、Pb、As检测影响机制，检测结果获得很大提升。

2 新型检测方法

相对于传统的重金属离子检测方法，伴随着光学、遥感技术及其他学科的飞速发展，催生出一些新型的重金属离子检测方法，如高光谱遥感技术、纳米技术、太赫兹时域光谱技术、共振光散射技术测量法及基于环境磁学的检测方法等。

2.1 高光谱遥感技术

高光谱遥感[57]是指利用遥感技术在电磁波谱的紫外、可见光、红外波段范围内，获取多而窄的连续光谱的影像技术。高光谱遥感数据具有很高的光谱分辨率，可实现大面积、无损且快速测量。Thomas等[58]采用逐步多元线性回归分析和人工神经网络方法利用反射光谱预测了矿区事故后土壤中As、Fe、Hg、Pb等重金属含量，预测浓度与检测结果无显著差异；Chen等[59]利用水面反射光遥感数据估算了珠江流域Cu、Pb、Zn的浓度；钟燕[60]利用HSI(hue saturation intensity)高光谱遥感数据提取采样点土壤光谱信息,对土壤样本中镉、铅含量进行研究，检验精度分别为84.72%和91.87%。

2.2 太赫兹时域光谱技术

太赫兹光谱[61]是频率为0.3～10 THz波段的电磁波谱，太赫兹光谱技术是通过分析THz脉冲在样品上的透射或反射电场强度随时间的变化(利用傅里叶变换从时域获得频域上的幅度与相位变化)，从而得到样品信息的方法。太赫兹时域光谱技术是利用飞秒激光技术获得宽波段THz脉冲，具有大带宽、高信噪比等优点。目前基于太赫兹时域光谱在农业污染检测的研究[62]还在探索阶段。Li等[63]利用样品盒法使用Z-2型太赫兹时域光谱仪获取土壤的太赫兹透射光谱数据，结合偏最小二乘法建立了土壤样品太赫兹光谱吸收系数与铅含量相关关系预测模型；燕芳等[64]利用太赫兹时域光谱技术对吸附重金属的秸秆进行检测，得到样品的太赫兹吸收谱即折射率，进而对秸秆的重金属吸附能力进行分析研究。

2.3 共振光散射技术测量法

共振光散射技术[65]是一项在普通荧光分光光度计上进行测量的分析技术,在普通的荧光分光光度计上选择合适的激发和发射通带宽度,采用相等的激发和发射波长同时扫描激发和发射单色器所得的同步光谱(即Δλ=0),就是散射粒子的共振光散射光谱。周斌等[66]基于金纳米粒子共振光散射光强测定溶液中汞离子浓度，检出限为1.3×10-8mol/L；唐律等[67]基于共振散射光谱技术利用镉特异性功能化核酸适配体测定溶液中镉浓度，检出限为0.04 ng/mL；朱进[68]利用两种具有相反电荷的离子或离子团通过静电和疏水等作用形成离子缔合体，对铜、铬的含量的共振光散射测量参数进行了研究。

2.4 环境磁学

任何物质都具有某种磁性质，根据物质对外加磁场效应所对应的特征电流，可用以定量物质，因而可依据某些磁参数值定量土壤重金属[69]。陈姣等[70]分析了磁学参数与重金属的关系,并通过对比不同的磁学分析方法，研究了环境磁学方法在城市地表灰尘重金属污染研究中存在的问题及其发展趋势；Zhang等[71]利用环境磁学对城市河流中重金属污染做出评价；Baghdadi等[72]通过对摩洛哥贝尼梅拉尔市的土壤进行磁性调查，建立土壤磁性能与重金属污染的相关性，寻求解决城市环境污染问题。

2.5 纳米技术

纳米材料对重金属离子有很强的吸附能力，随着纳米技术的快速发展，将纳米材料与光学、电化学及生物学等结合起来构成的纳米传感器[73]促进了重金属离子检测技术的发展。Jang等[74]提出了一种利用聚胞嘧啶基、纳米多孔微谐振器(NPMR)和胞嘧啶分子组成的银特异性DNA对银离子进行检测的方法，测量基于此DNA与银离子相互作用引起的NPMR的频移，蒸馏水(DI)中的检测极限为10 pm，在饮用水中检测极限为1 nm；Abdolhamid等[75]利用糠醇修饰的金纳米粒子的颜色变化实现对银离子的检测；刘迪等[76]合成了淀粉包裹的CdS纳米粒子，并以该纳米粒子作为荧光探针，研究了痕量铜离子对其的荧光猝灭作用；基于热还原氧化石墨烯(TrGNO)-金纳米颗粒(AuNPs)复合材料构筑高性能电化学传感器，王新星等[77]采用电化学方法实现了对铜离子(Cu2+)的简便、快速、灵敏检测，检测限可达8.5×10-7mol/L。

3 传统检测方法与新型检测方法对比分析

在重金属检测方法的研究中，检测方法的检测周期、检测灵敏度和准确度、操作是否复杂、是否会造成二次污染、能否同时检测多种金属是科研人员关注的热点。此外，在实际重金属污染治理中，科研工作人员还关心检测技术能否用于检测同位素。为了进一步了解各种检测方法的特点，从以下几方面进行对比分析。

3.1 检测周期

传统检测方法一般是基于实验室条件下检测，除生物学分析法便携性强可当场检测外，电化学检测法和光学检测法都需要将待测物取样带回实验室，预处理后才能进行检测，故而检测周期较长；相比之下，多数新型的检测技术在基于电磁波、纳米粒子、磁特性的前提下，都可以实现即时检测，可快速得到检测结果。

3.2 检测灵敏度和准确度

传统检测方法相较于新型检测方法检测灵敏度和准确度较高，主要因为传统检测方法是精密仪器在实验室环境监测，而新型检测都是直接对样品进行检测，且很多大面积直接检测，例如高光谱遥感技术因为大气、土壤、水面的干扰以及受光信号收集的限制，对于检测信息的提取精度没有实验室精密仪器的高。

3.3 操作过程

传统检测方法预处理过程一般需要专业人员操作，利用化学试剂作为处理工具，可能造成二次污染；而基于光谱的各种新型检测办法多数是无损检测，不会造成二次污染。其中，电化学检测法可以同时检测多种重金属，只是易出现谱线重叠；基于电磁波吸收和反射的各种检测方法在存在多种光源的情况下也可以同时检测多种重金属；但是生物技术检测受限于金属络合物一般只针对某一种金属。

3.4 能否检测重金属同位素

现存的检测方法中，除质谱仪[78-79]外都不可检测重金属同位素，但是质谱仪价格高，不易推广。笔者认为利用窄线宽激光对重金属原子进行探测是新的检测重金属同位素的可能性方案。基于窄线宽激光对金属原子跃迁的探测在精密光谱测量领域已得到广泛应用[80-81]，获得的光谱可分辨同位素跃迁谱线，依据原子吸收谱线或者荧光谱线的峰值可判断参与跃迁的原子数目，这为窄线宽激光检测重金属同位素提供了可能。