快速可视化识别氰化物方法的国内外研究进展*

宋逸群，李宏达，孙倩倩，朱 昱

(中国刑事警察学院法化学系，辽宁 沈阳 110035)

氰化物作为一种高毒物质，具有很强的毒性，它进入体内后，分解有出毒的CN-，与细胞色素氧化酶的含铁辅基结合，使电子传递丧失功能，导致整个呼吸链的电子传递，缺氧引起的细胞氧化代谢过程引起急性中毒[1]。工业生活中，氰化物被广泛应用于冶金、矿业、电镀、医药、塑料、制革等行业[2]，若处理不当，则会对环境造成污染。食品中氰化物的来源很复杂。在食品植物中，氰化物通常与糖分子结合形成氰基糖苷。例如，木薯含有氰基葡萄糖苷，而杏仁含有的苦杏仁苷也是一种氰基葡萄糖苷。然而，也有一些植物以游离氰化物的形式存在，如食用菌、蘑菇和真菌，它们被检测到高浓度的氰化物。植物中氰甙配糖体的含量高低可能与植物遗传基因、环境、生长地、气候、土壤因素有关[3-4]。除此之外，市面上所常见的牛奶、蒸馏酒以及果酒等饮品可能检出微量氰化物。

氰化物是危害生命安全的剧毒物质，而且氰化物造成的安全事故也时有发生[5]。因此，在重大活动保障中氰化物是其中一项重要的检测项目。目前所见报道的氰化物检测方法主要有化学分析法、分光光度法、流动注射法、离子色谱法以及化学传感器法等。常见的一些仪器方法虽然结果精密度、准确度高，但存在着前处理复杂、用时长、操作繁琐且需要昂贵的仪器设备等问题。因此，高效、可视化的快速检验氰化物的方法对环境安全监测方面具有重大意义。本文主要对氰化物可视化检测方法、发展及其检验研究现状进行综述。

1 氰化物试纸的研究进展

为实现氰化物的现场快速检验，常制作相应反应的氰化物检测试纸，即将实验反应用试剂固化在试纸条上。试纸法具有简易、便携、快速的特点。

国标 GB/T5009.36-1996[6]中规定苦味酸试纸法作为粮食中氰化物测定的定性试验，氰化物与酸反应后产生氢氰酸，氢氰酸与苦味酸钠发生作用后生成红色异性紫酸钠。王丽玲[7]将苦味酸试纸法用于酒中氰化物的预测定，同时用异烟酸-吡唑酮法进行定量测定，结果表明两法测定结果吻合，故酒中氰化物含量的测定可先用苦味酸试纸法定性或预测定，该方法可较好的应用于酒中氰化物的现场快速检测。

基于在pH=7.0溶液中，氰化物可与氯胺T反应生成氯化氰，再与异烟酸-吡唑啉酮作用，生成蓝色染料这一原理，陈慧玲[8]等验证了试纸条法快速检测法对酒中氰化物定量测定的准确性，结果表明该法适于水样中氰化物的定量测定及酒样中氰化物的快速定性测定。该方法具有快速、简便的优点。

杨俊等[9]将食品中的氰化物经水浸取后，与氯胺T反应生成氯化氰，继而通过异烟酸-巴比妥酸法进行比色定量。该方法的准确度和精密度较好，检出限为1.00 mg/kg，且该氰化物纸片速测法具有灵敏度高、快速、携带方便的特点，可以很好的适用于重大活动保障中氰化物的快速测定。

2 以化学传感器为基础快速识别氰化物的研究进展

目前所现有氰化物试纸条检测方法虽然具备现场快速定性的优点，但是，其目前的准确性略有不足，且将其用于环境样品中氰化物检测的时，又易受到样品中其它复杂成分的干扰。近年来，在离子检测领域，比色法或荧光法由于操作简单、仪器易得等原因而成为研究的热点[10]。人们把主客体比色和荧光识别的相关概念和原理应用到氰根离子的识别和检测研究中[11]，并据此设计出相应的灵敏、高效、高选择性的传感器。通过传感器与CN-结合发生的荧光或颜色变化，可简单、快速、可视化的实现对CN-的现场定性、定量检测，因此CN-传感器受到了各界关注并得到快速发展。

2.1 基于氢键作用的CN-传感器

CN-作为氢键的受体可以与传感器分子之间形成氢键，致使传感器发生电子转移，从而引发了传感器分子产生颜色或荧光的变化，从而达到识别CN-的目的，但此类传感器也往往会与其他阴离子，如F-、AcO-等离子之间形成氢键，从而对CN-的识别产生一定的干扰。

Wang等[12]通过 2-羟基-1-萘酚和盐酸羟胺在水溶液中以偶联反应制备了荧光传感器1。传感器1在甲醇和水体系对CN-可通过较强的氢键作用以2:1的化学计量比进行络合，传感器1对CN-很好的选择性且不受其他常见阴离子的干扰，可将其制备成试纸并应用于湖水样本中CN-的检测。

图1 传感器1检测CN-原理示意图Fig.1 Schematic diagram of CN- principal for sensor 1 detection

Das等[13]研究并合成了基于咪唑类受体的氰根离子传感器分子2和3，二者在乙腈-水1:1的体系内与CN-形成氢键后，可以通过比色、荧光双通道选择性的识别CN-，并应用于饮用水中CN-的含量检测，检测过程不受其他常见阴离子的干扰。此外，传感器2还可以用于检测微生物细胞中的CN-。

图2 传感器2和3结构图Fig.2 Structure of sensors 2 and 3

2.2 脱质子型的CN-传感器

CN-可与具有活泼氢的传感器分子发生脱质子作用，使其荧光光谱及紫外光谱发生相应的变化，从而实现对CN-的识别。但此类传感器易受到其他阴离子(如F-、OH-、AcO-等)的干扰。

Wei等[14]基于二羟基吩嗪设计合成了一种简单的选择性高、灵敏度高的CN-传感器4，该传感器可作为纯水CN-的启动荧光传感器，传感器4的羟基与CN-之间通过脱质子作用发生识别过程，且不受其他阴离子的影响。此外，还制备了相应的试纸并应用于水中CN-的检测。该化学传感器已成功地应用于马铃薯发芽和苦菜种子中氰化物的检测。

图3 传感器4结构图Fig.3 Structure of sensor 4

Kumar[15]等以工业原料为原料，经一步缩合反应合成了一种简单易行的化学传感器5。5是一种高效的比色荧光传感器，在二甲基亚砜-水2:8的体系中与CN-反应使羟基去质子化，由此产生的酚酸根离子改变了5的荧光性质，溶液的颜色瞬间从橘黄色变为绿色，可实现水介质中CN-的裸眼检测。另外，传感器5能够成功的检测食品中，如杏仁、木薯粉和土豆中的氰化物。

图4 传感器5检测CN-的原理示意图Fig.4 Schematic diagram of CN- principal for sensor 5 detection

2.3 基于加成反应的CN-传感器

基于CN-具有很强的加核性，近年来，基于CN-与一些亲电基团如羰基化合物、共轭体系等发生亲核加成的原理所设计形成的传感器引起了极大关注，此类传感器具有良好的水溶性，不仅可以在有机与水的混合体系检测CN-，而且也可以实现纯水中CN-的检测[16]。

图5 传感器6检测CN-的原理示意图Fig.5 Schematic diagram of CN- principal for sensor 6 detection

周彬彬等[17]以水杨醛为识别基团，通过偶氮键与信号基团萘酰亚胺偶氮苯偶联，合成了一种基于萘酰亚胺偶氮苯染料的新型氰化物比值式比色法传感器6。利用水杨醛与CN-的亲核加成作用对样品中的氰化物进行识别，然后通过结合CN-后萘酰亚胺重氮苯骨架上较强的分子内电荷转移效应而产生吸收光谱红移以及颜色的显著变化对食品中氰化物实现高效检测。该法与目前常用的食品中氰化物检测方法相比，具有简单、快捷、低毒等优势，因此，传感器6在食品中氰化物的快速检测方面具有较大的潜在应用价值。

Sun等[18]设计并合成了一种新的咔唑衍生物传感器分子7。在二甲基亚砜-水1:9的体系中，传感器分子7利用CN-特殊的亲核性与之形成稳定的加成产物，阻碍了分子内电荷转移，其发射光谱和吸收光谱均发生了显著的双重变化，可直接用肉眼观察到颜色的显著变化。不仅如此，传感器7也成功地应用于活体细胞中CN-的成像。

图6 传感器7检测CN-原理示意图Fig.6 Schematic diagram of CN- principal for sensor 7 detection

Niu等[19]研制了一种新型高选择性低聚噻吩-苯并噻唑基传感器8，在二甲基亚砜-水9:1的体系中，CN-可与8中的碳碳双键发生1:1的亲核加成，进行“裸眼”比色和荧光“开启”检测氰化物，呈现出明显的视觉颜色和光谱变化。制造经济可行的比色测试条可以有效地检测水中的CN-离子。更重要的是，作为一种具有成本效益的选择性荧光传感器，传感器8已成功用于检测食品样品中的CN-和活体HeLa细胞中的荧光生物成像。

图7 传感器8结构图Fig.7 Structure of sensor 8

此类传感器选择性好，可实现对CN-专一识别，且不易受到其他离子的干扰。

2.4 基于配位型的CN-传感器

CN-是一种配位能力较强的阴离子，根据此原理，人们设计并合成了可与CN-配位结合的基于金属配合物的传感器分子，从而可实现高效、灵敏对CN-进行识别、检测。根据反应类型可将此类传感器分为两种：一种是CN-与传感器分子中的金属离子可直接进行配位作用，致使传感器分子的配位状态改变，导致配合物的构型或电荷分布变化，从而引起颜色及光谱的变化；第二种是CN-可与传感器分子中的金属离子生成稳定的络合物，可使传感器分子中的配体得到释放，造成了比色或荧光的变化。

2.4.1 直接配位型的CN-传感器

Sun等[20]设计合成了传感器分子9，该传感器分子通过与Cu2+和Zn2+进行双金属组装形成稳定的金属凝胶，通过两种不同的金属离子的协同作用提高了体系的信号报告和选择性响应能力。这种金属凝胶可以通过CN-和9与Cu2+竞争配位，可以通过荧光变化选择性的检测CN-。结果表明，传感器分子9可以应用于CN-的裸眼检测。

图8 传感器9结构图Fig.8 Structure of sensor 9

2.4.2 基于置换法的CN-传感器

周彬彬[21]设计将香豆素骨架与甘氨酸-甘氨酸-组氨酸三肽缩合得到荧光传感器分子10(C-GGH)，此传感器的生色团为香豆素结构，识别基团为GGH三肽。利用传感器分子10识别基团与Cu2+络合形成复合物使荧光淬灭，而复合物C-GGH-Cu2+在CN-的存在下，通过CN-与Cu2+的络合形成更加稳定的络合物，体系荧光又得到恢复的原理，从而实现对食品中氰化物的快速检测。

图9 传感器10结构图Fig. 9 Structure of sensor 10

Hu等[22]设计合成了一种基于罗丹明B酰肼和2-叔丁基二甲基硅氧基苯甲醛共轭物，即传感器分子11。传感器11通过与Fe3+络合形成一种稳定的金属配合物，CN-加入后促进了金属配合物的解离以及传感器分子11的释放，从而引起了荧光颜色的变化。在乙腈-水1:1的体系中可以实现对CN-的高效检测，背景阴离子对CN-的检测干扰较小或无干扰。此外，经过适当的处理，该配合物体系可以重复使用。

图10 传感器分子11检测CN-的原理示意图Fig.10 Schematic diagram of CN- principal for sensor 11 detection

2.5 基于纳米材料的CN-传感器

基于纳米材料的传感器分子将具有CN-识别能力的分子片段接到纳米颗粒上，具有很好的水溶性，可实现对纯水相中CN-的高效检测，是一类新型的传感器分子，也成为了人们所研究的热点。

Zhang等[23]以等离子体金属纳米粒子为吸光体，荧光团为发光碳点，基于众所周知的内部滤光器效应(IFE)，设计了一种用于CN-检测的开启荧光传感器12。由于银纳米粒子比金纳米粒子具有更高的摩尔消光系数，因此银纳米粒子的IFE值比金纳米粒子的IFE值更大，这是银纳米粒子氰化物测定性能更好的原因。该方法的可靠性已在加药血清和水样氰化物检测中得到验证。

Wei[24]开发了两种简单、快速、经济的荧光纳米传感器13和14，它们都以牛血清白蛋白为特征，用荧光素异硫氰酸酯(FITC-BSA-Au NPs)标记，用于在高盐溶液和食用盐样品中选择性检测CN-和I-离子。这些传感器的工作原理是在金纳米粒子表面沉积I-和CN-，或蚀刻金纳米粒子，诱导FITC分子或FITC-BSA释放到溶液中，从而恢复了FITC的荧光。此类传感器可实现于水样(池塘水、自来水和海水)和食用盐样品中高效、快速的检测CN-和I-。

3 结 语

综上所述，近年来，基于化学分析的氰化物试纸法以及化学传感器成为了快速、可视化检测氰化物的热点方法。通过比较分析可知，现有的氰化物试纸法虽然可满足氰化物现场快速检测，但可应用范围有限，检测成分简单的样品(如酒等)可取得较好的结果；对于成分复杂的环境样品，其灵敏度相对较低，且检验CN-易受样品中其他组分的受干扰。识别机理不同的CN-传感器有各自不同的识别特点：基于氢键作用和脱质子型的CN-传感器能够实现高效、快速检验CN-，但专一性较弱，易受到其他阴离子(如F-、AcO-等)的干扰；而基于亲核加成原理的CN-传感器，具有选择性高、专一性好的特点，但有时会存在反应等待时间过长的不足之处，在应用于食品快检方面仍待完善；基于配位型的CN-传感器，由于CN-与传感器分子与金属离子发生配位作用，使得传感器种类丰富，此类传感器通常响应时间短、灵敏度高；基于纳米材料的CN-传感器，水溶性好，对水相中的CN-有很好的识别能力。

根据两类方法的特点以及各自的优缺点，在今后的氰化物快检方法研究中可以进行有针对性的改进。设计高效、快速、高灵敏度、易于制备、便于操作、专一性好的氰化物检测方法并将其应用于样品的现场快速检测方面是接下来的热门研究对象，这不仅对学术研究有重要意义，而且对国家环境安全监测更具有广泛应用价值。