含氮杂环类有机物应用于中药重金属离子检测的展望

★ 荣桢 杨婕 钱坤 杨明（江西中医药大学药学院 南昌 330004）

中医药经过几千年的沉积，已成为我国不可或缺的民族传统文化瑰宝，是我国极具国际竞争优势的重要产业。社会的进步，离不开工业的发展，随之而来的工业污染也愈发严重，各种污染问题相继出现，产生大量废气、废水等，使土壤受到了破坏，农作物及中药材上的农药含量增高，重金属含量也超过了规定的限度，中药材的质量不能得到保证，使人的身体受到伤害［1］。

虽然中医药的国际地位得到了认可，但中医药现代化还处于初级阶段，质量和工艺依然存在一定的不足。在中药生产领域，工艺制造较粗糙，质量控制水平低，大部分中药生产线只实现了机械化或者自动化，而没有达到数字化、智能化程度，且中药材重金属污染问题严重，成为中药材进入国际市场的限制因素。中药材的质量问题不仅影响疗效，对于中药在国际上的声誉也产生负面影响，如何避免这一问题的进一步加深，是在今后的工作中需要引起注意的首要环节［2］。

政府对制造行业节能减排的要求日益严格，这就要求不仅要在中药产业转型过程中对工艺进行升级改造，还要对设备进行自动化智能化设计，使其达到节能降耗、绿色高效的生产需求［3］。随着中药材重金属污染问题日益突出，越来越多的科研人员开始对中药材中重金属进行检测。近年来，科研人员致力于研究一种能够精确高效的检测重金属离子的方法。随着科技的发展，荧光及传感技术逐渐步入人们的视线，随之出现的重金属的检测方法有：比色法、紫外分光光度法、高效液相色谱法、原子吸收光谱法、分子荧光光谱法、分子磷光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电化学分析法等。

对中药材中的重金属离子进行检测分析前，首先需要对样品进行前处理，样品消解的完全与否关系着整个测定结果。因此，需要根据所测元素及样品的性质加以选择。将样品经干燥、粉碎、过筛后，通过一定的前处理方法，制备成样品溶液，用于分析，常用的前处理方法有湿法、干法、微波消解法［4］。消解完毕再进行分析检测。

本文对重金属离子的检测方法进行分析总结，为检测中药中重金属离子的应用提供借鉴。

1 荧光分子传感器检测重金属离子

1.1 荧光分子传感器的结构 荧光分子传感器的结构可以简单地分为三部分，即荧光基团（fluorophore）、识别基团（receptor）和连接臂（linker）。荧光基团是发出光学信号的信息源；识别基团是可以和检测底物选择性识别的基团；连接臂是用以连接识别基团和荧光基团的纽带。

1.2 荧光分子传感器的识别原理 荧光分子传感器的识别原理主要包括以下几种：光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、荧光共振能量转移（FRET）、激发态分子内质子转移（ESIRT）、激基缔合物、C=N 异构化等。

1.3 荧光分子传感器的应用

1.3.1 吖啶类 吖啶类化合物具有大的刚性共轭平面结构，具有良好的荧光性能。此外，吖啶类化合物不需要额外的催化剂，可以在适当的酸碱体系中发出荧光，且背景干扰小，发光效率高［5］。

王煜课题组［6］研究发现了一种新型检测Cu2+的吖啶类荧光分子传感器，传感器在100%的中性水溶液中，对Cu2+展现了荧光猝灭，而其它金属离子的干扰很小。荧光响应具有浓度依赖性，可以用改进的Stern-Volmer 方程很好地描述，能够形成1∶1 的配合物。

Shyamaprosad Goswami 课题组［7］设计合成的新型分子传感器，该传感器在中性水的缓冲溶液中，对Cd2+展现了较强的荧光螯合作用，而其它重金属离子和过渡金属离子干扰很小，对水溶液中的Cd2+具有好的检测效果。

Fehmi Karagöz 等［8］以9-氨基吖啶（Ac）与丙烯酰氯反应合成了9-丙烯酰胺吖啶（VAc），研究发现在pH=6.0 的缓冲溶液中，用Hg2+滴定VAc具有选择性荧光增强作用，而在其它二价过渡金属离子的作用下，VAc 的荧光发射被猝灭。

Wan Yi Xie［9］设计了一种用于Hg2+检测的三通道光信号探针。在不含Hg2+的情况下，富胸腺嘧啶的ssDNA 包裹的AuNPs 分散良好。因此，溶液的颜色为粉红色，共振光散射（RLS）信号较低，吖啶橙（AO）的荧光强烈猝灭。在Hg2+存在的条件下，ssDNA 形成T-Hg2-T 构型，产生颜色变化、RLS 信号增强且AO 恢复荧光。

Yanpeng Dai 课题组［10］设计了一对基于吖啶的复合型手性荧光化学传感器，该传感器能够在常见金属离子干扰下选择性识别Cu2+，该荧光传感器能够与Cu2+形成1∶1 的络合物，使传感器的荧光发生猝灭。

1.3.2 吡啶类 吡啶类化合物作为金属配合物的重要配体，对配合物的光学物理性质起到了重要的调节作用，特别是其结构修饰的灵活性以及配位方式的多样性。因此，吡啶类金属配合物被广泛应用于染料敏化纳米晶太阳能电池、有机电致发光以及分子自组装等领域。

Young-A Son 课题组［11］设计合成了新型罗丹明-吡啶衍生物荧光分子传感器的，该传感器对Hg2+具有高度选择性和灵敏的比色和荧光反应。添加Hg2+时颜色由无色变为粉红色，使之成为适合Hg2+的“肉眼”指示剂。此外，在43-Hg2+的溶液中加入不同的氨基酸后，只有半胱氨酸对43-Hg2+产生非常明显的颜色和荧光猝灭，与其他氨基酸相比，具有较高的灵敏度和选择性。为检测Hg2+提供了一种新的研究思路。

Yonggang Zhao 等［12］发现了一种用于汞（Ⅱ）检测的荧光传感器，该传感器引入了一种与汞（Ⅱ）促进的硫脲衍生物四-2-吡啶硫脲环化相关的“关闭”荧光响应。

Haibing Li 等［13］设计并合成了一种基于硫脲-噻二唑-吡啶连接（TTP）荧光有机纳米粒子(Fons)的新型“肉眼”荧光Hg2+探针，TTP Fons 具有良好的水溶性，传感选择性高，对Hg2+具有较高的选择性，在水溶液中，Cd2+、Cu2+、Ag+、Pb2+等潜在干扰金属离子的作用不明显。

Dayu Wu 课题组［14］以罗丹明6G 荧光团和碳腙结合单元于一个分子中，设计并制备了一种选择性检测混合N，N-二甲基甲酰胺水溶液中汞离子的高灵敏度荧光探针。荧光探针能在混合水环境中检测到十亿个水平的Hg2+，并对Hg2+表现出高度选择性的荧光增强反应。

Perkovic 等［15］设计合成的Ru2+的多吡啶络合物作为Pb2+的传感器，当加入Pb2+后，荧光强度随着Pb2+的浓度增加而增加，而加入Ca2+其荧光强度没有明显的改变。

何纯莲［16］以3（4’-甲基2，2’-联吡啶-4’-羧基）-二（2，2’-联吡啶)Ru（II）2PF6-Cu2+荧光探针）测定中药百合中Cu2+的含量，实验显示出良好的选择性，能较好地避免其他过渡金属元素的干扰。

1.4 荧光分子传感器智能化应用 林权等［17］研究发现了一种具有荧光/温度智能响应的聚合物分子刷薄膜，该分子薄膜通过将共轭结构的有机荧光分子复合其中，当环境的温度发生改变时，荧光分子的状态也会发生变化，进而导致荧光分子刷薄膜的荧光性质的智能响应，从而使荧光/温度响应性聚合物分子刷薄膜智能化，可以在4 ℃～70 ℃的较大温度范围内实现智能化检测。

2 紫外分光光度法检测重金属离子

2.1 紫外分光光度法机理 紫外-可见分光光度法是一种测定190～800 nm 波长范围内测定物质的吸光度的方法，用于鉴别、杂质检查测和定量测定。当光通过被测溶液时，光的吸收随光的波长而变化。因此，通过测定物质在不同波长处的吸光度，并绘制其吸光度与波长之间的关系，可以得到被测物质的吸收光谱。

2.2 紫外分光光度法的应用 苑嗣纯等［18］研究发现，大多数过渡金属离子，可以与联三吡啶及其衍生物配位，根据紫外-可见吸收光谱可知，配体在紫外-可见光区的吸收相对于未配位的配体发生红移，在可见光区观察到特征电荷转移态(MLCT)吸收。

初伟伟课题组［19］合成了一种对Cu2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+具有一定选择性的4 种不同吡啶类化合物，当加入上述4 种离子后，紫外吸收光谱发生了一定的改变，而加入其它金属阳离子，紫外吸收光谱没有明显的红移或蓝移现象。

邹德卿［20］利用PAN 这一三齿配位体与中药中的金属离子发生配位反应，根据紫外-可见吸收光谱发现，Cu2+、Co2+的螯合物的最大吸收波长与PAN 相比发生了改变。

3 磷光分子传感器检测重金属离子

磷光检测法不仅方法简便，而且在灵敏度、选择性、响应时间和利用光纤进行远距离检测方面均有其突出优点。

3.1 磷光产生的机理 金属配合物中的重金属原子是自旋耦合的，使单线态和三线态混杂，破坏了三线态激子的对称性，衰减变快，发出效率较高的电磷光。单线态也具有一定的三线态性质，衰减时间变长。同时提高了从单线态到三线态间窜跃（ISC）的效率，从而发出高效磷光［21］。

3.2 磷光分子传感器的应用 多吡啶钌(Ⅱ)配合物磷光分子传感器具有水溶性好、Stokes 位移大、光稳定性好、可见光激发与发射、发光寿命长等优点［22］。

Tosta 等［23］设计合成了一种识别集团是氮杂冠醚的钌配合物磷光传感器，研究发现，当溶液的pH为5～9 时，该传感器的发光强度会随着Hg2+的加入而增强，而Cu2+、Cd2+、Pb2+的加入没有明显的发光强度变化，该磷光传感器对Hg2+的选择性高。

茹嘉喜课题组［24］设计并合成了一个基于钌配合物的磷光化学传感器Ruphen-1，成功实现了对水溶液中Hg2+的磷光增强识别响应，该磷光传感分子具有良好的水溶性和生物相容性，使用Ruphen-1测定Hg2+的磷光分析法具有很高的灵敏度。

Guerchais 课题组［25-26］先后报道了两个对Pb2+具有响应的多吡啶铂（II）配合物，第一个配合物将黄酮引入到多吡啶铂（II）配合物上，通过三重态与单重态之间的转换达到识别Pb2+的目的；将吡啶基直接通过三键连接到多吡啶铂（II）配合物上得到第二个配合物，该配合物对Pb2+产生“on-off”的响应而达到识别的目的。

一些金属阳离子(如碱金属和碱土金属离子)能够与大环结构的冠醚或是冠杂醚很好的键合，而且金属阳离子可以通过影响配合物金属中心、配体的电子云密度和能级来改变其光物理性质［27］。

BD Muegge 等［28］设计了一种新的配合物，将一个氮杂-18 冠醚-6 连接在吡啶配体的4 号位上，空间位阻在与Pb2+、Hg2+和Cu2+络合后降低，配合物的发射性质表现出显著性的改变，“turn-on”型磷光传感器在BD Muegge 等人设计出的这一配合物得以实现。

4 电化学分析法检测重金属离子

电化学分析法是应用电化学的基本原理和分析技术，重点研究物质的电化学性质及其变化规律，对物质成分的测定进行定性和定量研究。通常将含有待测物质的溶液作为整个循环电路的一部分，通过测定化学电池的相关参数（电流、电阻、电位、电导、电量等各种物理量），对被测物质的浓度进行研究［29］。

4.1 电化学传感器的原理 当待测物质以适当形式置于某电化学反应池中时，会发生特定的物理和化学变化，电化学器件将这些物理化学变化转换成可测量的电信号，通过测量其电信号(如电位、电流、电阻等)变化，从而实现对待测物质组成及含量的测定［30］。

4.2 电化学的应用 王辉等［31］设计了一种丝网印刷电极，该电极由N-辛基吡啶六氟硝磷酸盐离子液体粘合纳米四氧化三铁修饰，通过方波阳极溶出伏安法对Cd2+、Pb2+实现了同步检测，这种电化学传感器使用简单、价格低廉。实验结果表明，修饰电极在有多种金属干扰离子存在的情况下，对镉离子和铅离子仍显示出良好的检测灵敏性，且缩短了检测时间。

刘波等［32］研究了1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚螯合物修饰玻碳电极的制备方法，并采用阳极溶出伏安法测定痕量汞。实验结果表明，被修饰的电极，在Hg2+加入的情况下，即使有其他干扰金属离子的存在，也可以表现出较高的灵敏度。

为了制备得到兼具高光电转换效率和良好稳定性的钌联吡啶配合物和TiO2纳米粒子的复合材料，黄勇杰等［33］设计并合成了四种羧基取代的钌联吡啶配合物。其中，以异硫氰根取代的二联吡啶钌配合物和TiO2的纳米复合物为基础，发展了一种可对Hg2+进行高灵敏选择性检测的光电传感器。

韦国兵等［34］使用联吡啶钌（Ru（bpy）32+）/β-环糊精-金纳米粒子（β-CD-AuNPs）/全氟磺酸（Nafion）复合物和二茂铁标记（Fc）的DNA探针（Fc-DNA），构建了基于主客体识别技术及T-Hg2+-T 特异性结合的新型“Off-On”电致化学发光生物传感器，对中药丹参中的Hg2+进行检测，结果表明对Hg2+具有良好的线性响应。

5 结论

目前重金属污染已经引起全球广泛关注。重金属是指铅、镉、汞、铜、锌等，因砷来源、危害与重金属相似，通常也被纳入重金属中。本文通过查阅国内外文献，结合当下研究总结重金属离子的检测方法。荧光分子传感器具有选择性好、灵敏度高、操作简单、检测时间短等优点，备受科研人员的青睐。含氮杂环中吡啶类和吖啶类有机物荧光性能优越、发光效率高，常作为荧光传感器检测重金属离子。因此，利用含氮杂环中的吡啶类和吖啶类有机物检测中药重金属具有广泛应用前景。

近年来，科研工作者们对铅、镉、汞、铜、锌做了很多研究，有关砷的检测却很少。合成能够同时检测多种金属离子的传感器尤为迫切，既具有荧光性质，又可以做电化学传感器的修饰电极，肉眼识别的同时能够实现重金属离子的定性定量分析。

智能化日益渗透到各行各业，信息技术革命使得工业社会传统的以能量转换为特征的工具被智能化工具所驱动，形成了具备对信息进行采集、传输、处理、执行能力的智能工具。面以纷繁复杂的技术产业趋势和竞争格局，我们需要冲破传统的思维枷锁，将传感器更好的智能化，才能紧跟社会发展的潮流。