农业样品中总汞的快速检测技术研究进展

吕照慧 毛雪飞

（中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，农业农村部农产品质量安全重点实验室，北京 100081）

汞（mercury，Hg）是自然界中常见的重金属，大多以硫锑汞、氯化甲基汞、硫化汞（俗称朱砂）等化合物形态存在。在《水俣公约》之前，汞还是一种重要的工业原料，在化工、照明、电池、医疗等领域应用广泛，并大量排放进入农业生态系统，已经成为农业环境和农产品中重金属汞污染的主要来源。同时，汞是一种剧毒重金属，含量过高会破坏农作物根系结构、抑制作物生长发育，严重影响农作物的产量和品质[1～2]；对于动物和人类，可通过皮肤接触、呼吸道以及消化道吸收等途径摄入到体内，并以高毒性有机化合物形式对大脑、神经、肾脏和消化系统造成严重危害，众所周知的“水俣病”就是氯化甲基汞导致的[3]。为了对农业领域中重金属汞污染进行防控，我国针对性地制定了一系列汞限量标准。例如，农田灌溉水中总汞的含量不得超过1μg/L；农用地土壤中总汞的风险筛选值为0.5～3.4 mg/kg；水溶肥料中汞的含量不得超过5 mg/kg；食品中总汞的最大限量为0.02～0.1 mg/kg。因此，如何快速、准确测定土壤、灌溉水、农产品、肥料、饲料等农业样品中总汞含量显得尤为重要。

目前，用于汞测定的常用分析方法主要有氢化物发生原子荧光光谱法（HG－AFS）[4]、冷蒸气原子吸收光谱法（CVAAS）[5]、电感耦合等离子体质谱法（ICP－MS）[6]等。这些传统的实验室检测方法具有较高的分析灵敏度和技术成熟度，但是通常需要复杂的样品前处理，耗时费力[7]，尚无法满足农业样品中总汞简单、快速、现场和原位测定的需求。因此，重金属汞的现场快速检测技术是近年来相关领域研究的热点。本文对总汞的现有快速检测手段研究进展进行了系统性的综述，包括电热蒸发、激光、X射线分析、化学反应显色、电化学、纳米技术和生物传感器等，以期为农业领域重金属汞污染的监测与防治工作提供技术参考。

一、基于电热蒸发的测汞技术

作为一种低温元素，样品中的汞可以相对较低的温度（600～1 000℃）实现完全蒸发，然后导入到后续的仪器系统进行检测。电热蒸发（electrothermal vaporization，ETV）是一种高效、通用的固体直接进样技术，利用蒸发器将样品中的待测元素以干燥气溶胶的形式导入原子化器或激发源中，无需样品消解处理，可与AAS、AFS、原子发射光谱（OES）、无机质谱（ICP－MS）等多种检测系统联用，还可利用程序升温实现部分基体干扰的消除[8～10]。

（一）石英ETV-催化热解技术石英管（quartz tube，QT）是原子光谱中常用的原子化器，也可用于ETV，但受自身材料所限，最高耐受温度仅1 000℃左右，主要用于Hg、镉（Cd）等中低温元素[11～12]。当汞从样品中以原子和分子气溶胶的形式电热蒸发出来，如何保持汞的有效传输是实现汞定量分析的关键。催化热解技术通过高温催化和吸附作用，可有效保持汞的原子态传输，并有效消除基体干扰，从而为汞齐或非汞齐检测提供有效的分析物质，具有灵敏度高、分析速度快、环境友好等特点。

1.金汞齐测汞技术。催化热解—金汞齐法是利用ETV技术，将ETV－催化热解得到的Hg原子蒸气用金、铂等材质的汞齐装置捕获，再通过快速升温释放Hg原子，该过程通过分离和预富集过程可有效消除基体干扰、提高分析灵敏度，AAS和AFS均可检测。金汞齐测汞是一种典型的气相富集（GPE）[9]技术，也是目前商品化最为成功的固体进样重金属速测技术，并已完全国产化，如北京海光仪器有限公司研制的HGA－100直接进样测汞仪、长沙开元弘盛仪器有限公司研制的5EHGT2321测汞仪、北京吉天仪器有限公司研制的DCMA－300直接进样汞镉同测仪等，已用于农产品[13]、土壤[14]、肥料[15]等多种农业样品中痕量Hg的快速测定。如郝聪聪等[14]利用催化热解－金汞齐－原子荧光光谱仪，建立了土壤中汞的非消解固体进样测定方法，用标准溶液法校准，定量限（LOQ）为0.2μg/kg；刘海涛等[16]建立了土壤中总汞的催化热解－金汞齐－原子吸收光谱测定方法，检出限（LOD）为0.11μg/kg。

此外，LIU等[17]利用介质阻挡放电（DBD）微等离子体所产生的自由基和紫外辐射，实现了对ETV导入12 mg鱼肉样品产生的气相干扰物质的降解，并利用DBD的原子化能力，保持传输过程中Hg的原子态，经过汞齐预富集后进入AFS测定，水产品中Hg的LOD可以达到0.5μg/kg。该技术成功地使用DBD取代了传统的催化热解填料，体积更小、功耗更小，更有利于仪器小型化。LI等[13]利用氯化亚锡还原－直接进样测汞法（ETV－AAS），建立了鱼肉样品中甲基汞的快速检测方法，无需液相色谱（LC）分离，LOD为0.6 μg/kg，为快速监测甲基汞提供了可行的筛查手段。

2.催化热解－塞曼背景校正原子吸收测汞技术。经过催化热解管之后，汞主要以原子态形式存在，这为非汞齐测汞提供了可能。但是由于催化热解过程并不能完全消除基体干扰物，分子吸收、光散射等非待测原子所产生的干扰都会成为背景吸收，严重干扰原子吸收的测定，而基于塞曼效应的背景校正技术可以较好地实现背景干扰消除。该技术主要用于冷原子吸收，如Lumex公司生产的塞曼背景校正测汞仪就是该技术应用的典型代表。目前，该技术已成功应用于土壤[18]、食用农产品[19]等农业样品中Hg的测定，方法LOD可以达到0.5 μg/kg。与金汞齐测汞技术相比，塞曼背景校正的非汞齐测汞没有GPE过程，分析速度更快。然而，背景校正始终只是一种补救性策略，难以从根本上解决复杂基质样品的基体干扰问题。

（二）碳和金属材料电热蒸发测汞技术除了常用的石英材料，石墨炉原子吸收所用的石墨管是较为常用的碳材料ETV装置，还可采用热解涂层技术将高熔点金属W、Ir、Ta等涂覆在石墨管表面，以有效改善碳材料总体耐抗性以及碳管内温度分布状况，再与AAS、AFS、电感耦合等离子体发射光谱仪/质谱仪（ICP－OES/MS）等串联用于多种重金属的检测[10]。LI和JIANG[20]利用超声悬浮液技术制样，抗坏血酸为改进剂，石墨炉ETVICP－MS法同时测定了大米粉中Hg及铬（Cr）、铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）等，Hg的LOD为0.53 ng/g，其他元素的LOD为0.4～1.7 ng/g，并可使用液体自动进样装置。除了常用的石墨炉，FENG等[21]对多孔碳材料进行了改良，稳定性与石墨管接近，蒸发功耗低加上多孔碳材料自身空隙较大、散热快，因此无需额外的冷却系统，虽然没有直接用于汞的测定，但为碳材料ETV装置小型化提供了思路。

此外，高熔点金属钨（W）、钼（Mo）、铂（Pt）、钽（Ta）、铼（Re）、铑（Rh）等[10，22～23]都是电热蒸发的可用材料，其中W具有良好的导电导热性能和延展性，熔点高（>3 000℃）、化学惰性，可制成丝、舟、管、条、片等形状。钨丝（TC）是目前最常见的ETV金属材料，成本低、能耗小，易于小型化和便携化，且不像石墨管会与样品成分产生难熔碳化物而影响测定重现性，可与AAS、AFS、ICP－OES和ICP－MS等串联，但是尚无TC用于测汞的研究报道。另外，TC无法承载固体样品，液体样品最大也仅能加载10～20μL，这极大限制了其在农业领域中的应用。为了克服上述问题，有研究研制了钨舟ETV[24]，通过DBD－OES实现了土壤中Hg的快速测定。

（三）电磁感应加热测汞技术 电磁感应加热（electromagnetic induction heating，EIH）技术可以分为两种，一种是利用电磁感应原理，使交变磁场中的样品内部产生感应电流，从而产生焦耳热实现电热蒸发。有研究将IH－ETV装置与ICP、AFS、AAS等串联，用于测定环境、头发样品中Hg，同时还可测定锌（Zn）、铅（Pb）等元素[25～26]，但该装置结构复杂、电源要求高，在农业样品检测方面还未见报道。另一种是利用电磁感应原理加热金属作为ETV装置，再将热量传导给待测样品以实现重金属元素的蒸发。如LIU等[24]使用铜线圈作为感应装置，钨舟作为电磁感应加热介质，DBD发射光谱检测，实现了土壤中Hg、Cd、Pb等元素的直接进样分析，Hg的LOD可以达到8 ng/g。

二、基于激光和微等离子体的测汞技术

（一）激光烧蚀（LA）和激光诱导击穿光谱（LIBS）技术LA是利用高功率脉冲激光聚焦到固体样品表面，使样品等离子化或蒸发后以气溶胶形式传输进入检测器，简单、快速，空间分辨率高，可用于元素的微区分析、单细胞分析、单颗粒分析[27]。LA多与ICP－MS或ICP－OES联用，在激光器方面最常用的有266、213、193 nm[28]以及飞秒激光[29]。如TAO等[30～31]建立了LA（266 nm）－ICP－MS联用测定土壤和沉积物中Hg含量的方法，前期需将样品研磨后压片，LOD为0.02mg/kg，该方法分析结果与同位素稀释冷蒸气发生ICP－MS结果基本一致。JO等[32]将LA（193 nm）与ICPMS联用，建立了糙米中Hg和Cd、Pb、铁（Fe）等14种元素的原位成像分析方法，发现麸皮层中所有元素含量比胚乳高，可为稻米加工的质量安全控制提供依据。

与LA检测元素离子信号不同，LIBS主要通过分析激光诱导激发的特征谱线来对元素进行定性和定量分析[33]。其构造简单，易于小型化、现场化，但多用于样品中常量元素的分析，在测汞方面的应用较少，一般需在传统LIBS的基础上进行优化。如JIANG等[34]建立了一种由主动可控火花放电和电化学富集支持的低脉冲能量LIBS（ACSDECE－LIBS）方法，脉冲能量低至15 mJ，用于水中Hg（II）和砷［As（III）］的分析，克服了传统LIBS稳定性差的问题，能获得更好的Hg（II）检测信号。SU等[35]将阈值变量－偏最小二乘回归（TVPLSR）模型与LIBS相结合，同时分析了羊栖菜中Hg及As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn共7种重金属含量，一定程度上起到了重金属快速筛查的作用。

（二）激光热蒸发技术二极管激光热蒸发（diode laser thermal vaporization，DLTV）采用低成本的连续波二极管激光器作为蒸发器，通过激光诱导待测样品发生热解产生气溶胶，再导入检测系统进行定量分析。FOLTYNOVA等[36]将DLTV作为ICP－MS的进样系统，将200 nL样品液滴沉积在带有预印方块的普通办公用纸上，无需其他样品处理，测定了血液、食品样品中铅（Pb）和锡（Sn）；还有研究利用类似原理将（DLTV）ICP－MS与薄层色谱（TLC）串联，用于钴胺素、硒元素形态分析[37]。由于组件简单、价格低廉，DLTV是常规测汞用电热蒸发器的理想替代，本课题组在利用该技术测汞方面已经取得一定的进展。

（三）微等离子体固体进样分析技术利用DBD微等离子体的能量，固体样品表面的元素可以被剥蚀并随载气导入到ICP－MS（Au、Ni和Cu）[38]或AFS（Hg）[39]进行元素测定。如杨萌等[39]建立了低温等离子体（LTP）与AFS联用直接检测塑料固体样品中Hg的方法，LOD为0.91 mg/kg。尽管DBD的剥蚀能力明显弱于LA，但在一定程度上仍能给出固体表面的元素含量信息。

三、X射线分析技术

X射线技术是一种固体进样的无损分析方法，可用于汞分析的主要有X射线荧光光谱（XRF）、X射线吸收光谱（XAS）、X射线光电子能谱（XPS）等。其中，XRF是利用X射线束使样品中元素的内层电子发生跃迁，检测器通过对高能态电子回到低能态时产生荧光辐射的波长和强度进行分析，从而实现待测样品中元素的检测。XRF已广泛用于土壤、地质、环境、食品、医药等多类型固体或液体样品中重金属污染物的检测分析[40～43]，按照光源类型可以分为同步辐射XRF（SR－XRF）和普通XRF。SR－XRF的检出限可达μg/kg级，可用于动植物生物样品的2D或3D微区成像分析，如ZHAO等[44]将μ－SR－XRF与μ－XANES（X射线吸收近边结构）结合，分析了受硒（Se）影响下大蒜不同组织中Hg的含量和形态分布，证明适当浓度的Se能够通过影响Hg在大蒜组织中的分布和形态来减轻Hg的植物毒性。但是，SR－XRF属于大型辐射分析技术，体积大、成本高、操作繁琐，需要专门的数据处理工具，并不适用于快检。普通X射线光管的XRF主要包括波长色散型（WDXRF）和能量色散型（EDXRF）。WD－XRF分辨率较高，但多元素的扫描速度较慢，如VACCARO等[45]使用WD－XRF测定了多种中草药中Hg及Cd、Pb、锑（Sb）共4种元素的含量。ED－XRF适用于多元素的快速测定，且易于小型化和便携化，已用于土壤、农产品、肥料等多种农业样品的重金属检测，如KODOM等[46]使用ED－XRF现场检测土壤中Hg及Cr、Ni、Cu、锌（Zn）、砷（As）等9种重金属的含量。但无论是WD－XRF还是ED－XRF，对于Hg的LOD均在mg/kg以上，且校准方法严重依赖样品基质，目前在农业样品的汞分析方面应用较少。然而，针对肥料、饲料等一些汞含量较高的农业样品，XRF依然具有较好的应用前景。

此外，基于同步辐射的XAS技术，可以通过XANES来获取价态、未占据电子态和电荷转移等化学信息，用于快速鉴别元素的化学形态；通过扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）来获取中心原子与配位原子的键长、配位数、无序度等信息。可用于农业样品的微区分析及元素形态分析[47～48]，从而提供金属组学信息[49]。XPS是一种表面元素分析技术，可以提供表面元素浓度和结合能信息，在材料分析方面应用广泛[50]。但是上述方法或是大型辐射分析技术，或是实验室大型设备，较难小型化用于汞的现场快速检测。

四、基于化学反应显色的测汞技术

利用Hg和CuI发生化学反应后的有色产物Cu2[HgI4]可实现Hg的定性分析；随着Hg反应量的增加，由无色变为浅黄色乃至橘黄色的色阶变化进行半定量甚至定量分析。CuI化学反应方程式为Hg+4CuI→Cu2[HgI4]+2Cu，其反应简单、显色快速，对Hg的特异性强，非常适合研制便携式的试纸条、探针或检测装置。2000年，YALLOUZ等[51～52]利用CuI与汞离子形成的Cu2[HgI4]复合物颜色深浅的变化，建立了鱼肉样品中汞离子的半定量分析方法。目前，CuI显色剂可以制成多种形式，如试纸[53～54]、显色管[55]及探针[56]等。

（一）基于电热蒸发的显色测汞技术ETV可以将Hg从样品中蒸发，这为Hg与CuI反应进而实现定性定量分析提供了可能。王博等[55]将ETV与CuI显色结合，利用小型管式炉研制了一种ETV半定量测汞装置，可以通过肉眼定性或者手机拍照亮度值半定量分析，LOD达到50 ng，线性范围为50～2 500 ng，线性回归系数（R2）＞0.97，整个分析时间可控制在5 min之内，方便、快捷、直观，可用于肥料、饲料等样品中Hg的快速筛查。

（二）基于化学蒸气发生的显色测汞技术除了利用ETV导入Hg实现CuI显色反应，还有研究利用化学蒸气发生（CVG）将液体中汞离子转化为气态Hg原子，再与CuI反应。XIA等[56]前期建立了一种CVG和自制CuI探针结合的半定量可视化测Hg技术，并在此基础上建立了光化学蒸气发生（PVG）和CuI试纸结合的可视化检测水中Hg的方法[54]。与酸介质—氯化亚锡的CVG反应相比，PVG更加绿色、高效，可以实现水中1 ng/mL～1 μg/mL Hg的可视化半定量分析。

五、基于电化学的测汞技术

电化学技术是一种分析溶液中电化学参量的方法，成本低、设备简单、便于携带、操作方便，常见的主要有伏安法、极谱法、电位分析法以及电导分析法等，其中阳极溶出伏安法（anodic stripping voltammetry，ASV）是最常用的方法，美国环境保护署（USEPA）也认可ASV测汞的方法[57]。按工作电极材料的不同，电化学常用电极种类分为未修饰的裸电极、化学修饰电极及纳米结构电极3类。未修饰的裸电极以基于碳和金的裸电极为主，如AFONSO等[58]使用碳纤维微电极，以ASV快速测定氯化物介质中甲基汞。但是未经修饰的碳电极灵敏度较低，并且检出限高、富集时间长，不适用于常规分析；而使用金电极测汞时，需要净化后才能使电极恢复到初始状态。与裸电极相比，化学修饰可以进一步提高电极灵敏度和选择性，修饰材料可以是聚合物[59]、络合剂[60]、DNA[61]、离子印迹聚合物[62]、纳米材料等。使用碳纳米材料电化学测汞，工作电极表面积的增加会显著提高灵敏度，降低LOD，如ABOLLINO等[63]将玻碳电极用金纳米颗粒修饰，ASV法测定多种样品（饮用水、凝胶和沉淀物）中的Hg2+，后期扩展到了生菜、金枪鱼和废水等样品[64]。但是电化学法仅适用于测定液体介质中Hg2+，无法直接用于固体样品分析；此外，工作电极难以除去汞导致的记忆效应依然是电极重复利用的一大难题。

六、基于生物技术的测汞方法

（一）基于纳米材料和核酸适配体的测汞技术

1.纳米材料比色技术。纳米材料具有独特的纳米效应，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应[65]，表现出特殊的光学与化学特性，被广泛应用于化学、生物、物理及医疗等领域。纳米金颗粒（AuNPs）在可见光范围内有特征吸收峰，当发生团聚时，其吸收波长随着AuNPs尺寸的增大而红移，溶液颜色由酒红色变为蓝色，常被应用于生物传感分析。结合AuNPs团聚变色的特性，有研究者开发了基于T－Hg2+－T结构的汞离子检测方法[66～70]。如XUE等[68]将Hg2+引入含有寡核苷酸束缚的AuNPs探针和具有许多胸腺嘧啶－胸腺嘧啶（T－T）不匹配的接头寡核苷酸的水溶液中，由于Hg2+介导的T－Hg2+－T碱基对的形成，会导致在室温下形成颗粒聚集体，并伴有色度响应，14 nm NP体系对Hg2+的肉眼LOD约为3 mol/L。该方法方便实用，无需分析仪器，尤其适用于偏远地区水质中Hg2+的快速筛查。

2.荧光和磷光探针。有研究结合纳米材料猝灭特性开发了基于T－Hg2+－T结构的汞离子检测方法[71～72]。如MA等[71]借助小分子荧光探针实现对水中汞离子的检测；ZHANG等[72]研发了一种基于单壁碳纳米管（SWNTs）猝灭作用荧光检测汞离子的方法。量子点是一种三维尺寸限制在纳米尺度的半导体纳米晶，由于其小尺寸（1～20 nm）而显示出独特的性质，CdS、CdSe、CdTe等量子点是目前该领域研究的热点[73～75]。量子点主要通过荧光强度变化进行重金属离子检测。LUE等[74]以3－巯基丙酸为稳定剂，在水溶液中合成了一种新型掺杂锰的CdTe/ZnS量子点作为磷光探针，实现对水样中痕量汞离子的高灵敏选择性测定，线性范围为5.0×10－8～1.0×10－5mol/L，LOD为4.3×10－9mol/L。

（二）基于电化学DNA传感器的测汞技术电化学DNA传感器一般由分子识别元件和信号转换元件两部分组成，前者一般是一段固定在电极表面的DNA片段，后者一般是电活性杂交指示剂，如二茂铁、亚甲基蓝、钌胺等；具有灵敏度高、选择性好、易于微型化等优点，同时又不破坏测试体系，在环境、疾病、法医等领域已有应用[76～79]。LIU等[80]开发了一种基于二茂铁标记的电化学检测汞离子方法，在金电极表面通过金巯键固定一段标记有电活性基团二茂铁的富T序列作为捕获探针，当加入汞离子后，探针之间通过T－Hg2+－T结构而形成分子间杂交，使得探针变得刚性直立而远离电极表面，阻止电活性基团二茂铁的电子传递，电化学信号明显减弱，从而达到检测汞离子的目的，LOD可达到0.5 nmol/L，但需对探针进行标记。

（三）免疫分析技术

1.酶联免疫。酶联免疫（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）广泛用于食品、医学检测，与传统方法相比，ELISA操作简便、特异性强、灵敏度高，已成为一种公认的有机污染物快速检测手段，也用于金属离子检测的报道。如ZHANG等[81]用1－（4－氨基苄基）乙二胺－N，N，N’，N’－四乙酸（氨基苄基－EDTA）制备汞螯合物，所得复合物通过氨基与锁孔戚血蓝蛋白（KLH）或牛血清白蛋白连接，分别用作免疫抗原或检测抗原，5F7细胞系产生了对氨基苄基－EDTA－Hg的单克隆抗体，用于竞争性间接ELISA（CI－ELISA），可测定Hg2+，检测范围为0.087～790.4μg/L，LOD为0.042μg/L。但是ELISA与其他生物和纳米分析技术一样只能检测金属离子，其金属离子人工抗原的合成时间比较长，步骤也较复杂；其次由于载体蛋白的结构存在差异，载体蛋白的不同将导致ELISA试剂盒灵敏性差异，特异性抗体的专一性有待进一步提高。

2.胶体金。免疫胶体金是20世纪90年代兴起的一种免疫学检测技术，其反应所需原料的全部或大部分均已整合到试剂中，具有简便、快速、方便等优点。如CHENG等[82]采用胶体金和DNA体系，用分光光度计扫描，比较添加汞离子前后D660 nm/D530 nm的变化来测定Hg2+，但是LOD依然较高，难以实现痕量分析。同时，胶体金也需要液体介质才能反应，无法直接用于固体样品分析。

七、总结与展望

2018年8月16日，我国《关于汞的水俣公约》正式生效。对于农业领域重金属汞的监测和监管将成为我国履行《关于汞的水俣公约》的重要环节。常用的传统实验室检测方法虽然具有较高的分析灵敏度和技术成熟度，但是难以在现场或应急场景中使用。因此，重金属汞的现场快速检测依然是近年来研究的热点和难点。基于电热蒸发－催化热解、激光和微等离子体、X射线荧光、CuI显色反应等原理的总汞速测技术可以实现固体直接进样分析，无需消解处理和大量化学试剂，是当前最有希望产业化、商品化的测汞技术。其中，基于电热蒸发－催化热解的测汞仪技术已获得了广泛的应用，但是尚未实现仪器小型化；而LIBS分析速度快，易于小型化，但是分析灵敏度和稳定性仍需得到实质性提高才能用于痕量汞的分析；XRF是一种无损分析技术，对于汞的检出能力已经可以达到mg/kg级，但是仍需改进检测器、分光系统和数据算法，以进一步提高检出能力；基于CuI显色反应的试纸条、显色管及探针等检测技术直观便捷，但检出能力仍不足，需要进一步优化显色剂载体及载附方式，发展显色快速、灵敏读取设备。此外，基于电化学、纳米材料、生物传感和免疫分析技术的测汞方法，是农业样品中液体介质检测的重要方向，但是在固体样品分析方面依然面临较大的难度；同时，如果可以利用特异性富集技术，如GPE技术，将固体样品中Hg转化为基质干净的液体汞离子，上述方法则可以充分发挥小型化、便携化、可视化和低成本的优势而广泛用于农业领域。