重金屬檢測技術研究與應用

王紀華， 馬智宏， 韓 平

(北京農產品質量檢測與農田環境監測技術研究中心，北京 100097)

重金屬檢測技術研究與應用

王紀華， 馬智宏， 韓 平

(北京農產品質量檢測與農田環境監測技術研究中心，北京 100097)

闡述了近年來國內外在重金屬檢測技術研究與應用方面的進展，從原理和應用角度重點分析和比較了目前我國常用的國標、行標主要檢測方法，以及快速檢測新方法研究狀況，指出了重金屬檢測技術研究應用的發展趨勢和重點．

重金屬;檢測技術;快速測定

銅、鋅等重金屬是生命活動所需要的微量元素，但攝入過多會危害健康，而汞、鉛、鎘等大部分重金屬并非生命活動所必需，超過一定濃度對人體和其他動物健康都有毒害．重金屬污染具有多源性、隱蔽性強、遷移性小、毒性大、化學行為和生態效應復雜等特點，當環境、食物、物品中重金屬含量超過一定限量時，將通過食物鏈、呼吸、表面接觸，對人體引起毒害，并能通過某些遷移方式進入水體、大氣．重金屬的監測手段主要以定量檢測為依據，本文概述了目前主要采用的重金屬檢測技術方法和原理，以及近年來發展迅速的重金屬快速檢測方法研究概況．

1 目前常用的技術方法及特點

1.1 原子光譜法

原子光譜法是目前國標和行標最常用的主要方法［1－3］，如原子吸收光譜和原子熒光光譜法，均是通過測量待測元素的原子在特定頻率輻射能激發下所吸收能量或產生的熒光發射強度，來測定待測元素含量的方法．原子吸收只能是對單一元素的測定，可以分析70余種金屬元素，檢出限大部分為10～100 μg/L，其技術成熟，儀器價格及使用成本較低，廣泛應用于環境及食品檢測中;原子熒光光譜法則具有發射譜線簡單，靈敏度高，線性范圍較寬，干擾少的特點，能夠對多元素同時測定，但只可檢測汞、砷、銻、鉍、硒、碲、鉛、錫、鍺、鎘、鋅等十幾種元素［4］．

1.2 分子光譜法

分子光譜法利用分光光度計比色分析，既可利用物質本身對紫外及可見光的吸收進行測定，也可利用生成有色化合物即“顯色”后測定．加入顯色劑使待測物質轉化為在紫外和可見光區有吸收的化合物來進行光度測定，是目前應用最廣泛的測試手段．顯色劑與金屬離子反應生成的化合物一般是穩定的螯合物．顯色反應的選擇性和靈敏度都較高［5］．

1.3 電感耦合等離子原子發射光譜法

電感耦合等離子原子發射光譜法(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICPOES)是利用等離子體形成的原理，即樣品由載氣帶入霧化系統霧化后，以氣溶膠形式進入等離子體的軸向通道，在高溫和惰性氣氛中被充分蒸發、原子化、電離和激發，發射出所含元素的特征譜線．根據特征譜線的存在與否，鑒別樣品中是否含有某種元素(定性分析)，并根據特征譜線強度確定樣品中相應元素的含量(定量分析)．ICP發射光譜可以用于測定除氬以外所有已知光譜的元素，元素周期表內大部分元素在水溶液中的檢出限達到0.01～10 mg/L［5］，因此適用于微量成分分析到常量成分的測定［6－7］．

1.4 電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)法是以獨特的接口技術，將ICP的高溫電離特性與四極桿質譜的靈敏快速掃描的優點相結合而形成一種元素和同位素分析技術，可分析幾乎所有元素．ICP-MS技術的分析能力不僅可以取代傳統的無機分析技術如電感耦合等離子體光譜技術，石墨爐原子吸收進行定性、半定量、定量分析及同位素比值的準確測量等，還可以與其他技術，如高效液相色譜(high performance liquid chromatography，HPLC)、高效毛細管電泳(high performance capillary electrophoresis，HPCE)、GC 聯用進行元素的形態和分布特性等分析［4］．在目前幾種常用方法中，ICP-MS的檢出限最優，大部分元素為ng/L．但儀器本身價格昂貴，對環境條件要求高，反應氣種類也比較復雜，因此多使用在標準測量工作中．

以上幾種常規的分析技術均需要對樣品進行消解處理，可采用濕化法、干化法將樣品轉化為稀酸溶液后測定，濕法消化需要根據樣品類型選擇不同酸或混合酸體系，總體上測定比較繁瑣．

2 快速檢測方法的研究進展

2.1 電化學法

電化學法是近年來發展較快的一種方法，我國已經頒布了適用于化學試劑中金屬雜質測定的陽極溶出伏安法國家標準．它以經典極譜法為依托，在此基礎上又衍生出示波極譜、陽極溶出伏安法等方法．電化學法的檢出限較低，測試靈敏度較高，如國標中鉛的測定方法中第五法及鉻的測定方法中第二法均為示波極譜法［3］．陽極溶出伏安法是將恒電位電解富集與伏安法測定相結合的一種電化學分析方法．這種方法一次可連續測定多種金屬離子，而且靈敏度很高，所用儀器比較簡單，操作方便，是一種很好的痕量分析手段．

2.2 免疫學檢測法

免疫學檢測是根據抗原和抗體反應原理，利用已知的抗原檢測未知抗體或利用已知的抗體檢測未知抗原．常用的免疫學技術主要包括:免疫熒光技術、放射免疫技術、發光免疫技術、酶聯免疫吸附技術等．按照抗體類型，重金屬免疫檢測模式可分為多克隆抗體免疫檢測和單克隆免疫檢測．該方法專一性強，靈敏度很高，如利用多克隆抗體免疫的熒光偏振免疫檢測法對環境中的Pb2+和Cd2+離子檢出限分別達到了 0.02 μg/L 和 0.1 μg/L［8］．

2.3 酶抑制法及生物傳感器技術

由于重金屬污染抑制土壤酶的活性，因此開發出脲酶、脫氫酶、磷酸酶、硫酸酶作為土壤重金屬污染水平的指標，其中芳香硫酸脂酶被認為是最敏感的土壤酶［9］，而最常用的是脲酶［10］．生物傳感器技術則是將特異性的蛋白質、酶及其復合體系固定于電極或生物膜上，實現對相應重金屬的快速檢測．其中，利用脲酶抑制法與薄層色譜法聯合測定重金屬含量，Hg2+、Cu2+和Ag+的檢測限分別為0.02，0.06，0.13 μg/L［10］．生物傳感器技術具有高選擇性、高靈敏度、高穩定性、快速等特點，但由于這種高選擇性，測定單一，因此發展多酶生物傳感器將是未來研究的熱點．

2.4 X射線熒光光譜分析方法

由于X射線熒光光譜檢測技術具有分析速度快、檢測元素范圍廣、前處理簡便、同時可以進行現場快速檢測等特點，因此其在農產品和土壤重金屬快速篩查方面也得到了應用．便攜式X射線光譜分析儀與火焰原子吸收光譜儀兩種測試方法的相關性較高，運用X射線“特征譜區建模”和“全譜區及Fe峰加權系數法建模”兩種策略所建立的Cr、Zn、Pb和As模型預測效果良好［11］．基于該原理開發的土壤重金屬快速檢測儀近年發展較快，其優點是測樣速度快、可以現場原位測定［12］，測量成本低廉，適宜作為土壤重金屬污染超標快速篩查工具使用．

3 發展趨勢及展望

從發展趨勢看，今后一是要加強對于毒性強、危害大的重金屬種類的檢測;二是要加強對于影響面寬、日常攝入總量高的重金屬含量的檢測等;三是在技術上逐步實現對于危害程度不同的重金屬價態類型進行分類快速測定和評價;四是定量檢測與定性篩查相結合，對于快速篩查所用方法和儀器，不必追求過低的檢出限指標，從而大幅降低測試成本，提高篩查效率;五是研發便捷、快速、低成本和現場檢測的技術方法和儀器．

［1］中華人民共和國衛生部，中國國家標準委員會．GB/T 5009．11—2003食品中總砷及無機砷的測定［S］．

［2］中華人民共和國農業部．NY/T1613—2008土壤質量重金屬測定王水回流消解原子吸收法［S］．

［3］中華人民共和國衛生部．GB 5009．12—2010食品中鉛的測定［S］．

［4］王書言，檀尊社，張偉，等．淺談農產品中重金屬檢測技術發展［J］．河南農業，2009(4):39-40．

［5］駱新崢．食品中常見的重金屬污染及檢測技術研究進展［J］．質量技術監督研究，2010(6):39-43．

［6］陳偉珍，陳永生，賴惠琴．微波消解ICP-AES法測定食品中重金屬的研究［J］．食品研究與開發，2008，29(6):98-100．

［7］云南省地方標準．DB53/T 288—2009食品中鉛、砷、鐵、鈣、鋅、鋁、鈉、鎂、硼、錳、銅、鋇、鈦、鍶、錫、鎘、鉻、釩含量的測定 電感耦合等離子體 原子發射光譜(ICP-AES)法［S］．

［8］Johnson D K．Fluorescence polarization immunoassays for metal ions［J］．Combinatorial Chemistry and High Throughput Screening，2003(6):245-255．

［9］任天志．持續農業中的土壤生物指標研究［J］．中國農業科學，2000，33(1):68-75．

［10］寇冬梅．快速檢測重金屬離子的酶膜生物傳感器及其應用研究［D］．重慶:西南大學，2008:1-3．

［11］陸安祥，朱大洲，韓平，等．一種土壤重金屬含量檢測模型的建模方法及其應用:中國，200910081688．X［P］．2011-06-22．

［12］王紀華，韓平，陸安祥，等．重金屬快速測定方法與儀器研發應用［J］．農產品質量與安全，2012(1):48-52．

(責任編輯:檀彩蓮)

Review on Detection Methods of Heavy Metals

WANG Ji-hua， MA Zhi-hong， HAN Ping
(Beijing Research Center for Agri-food Testing and Farmland Monitoring，Beijing 100097，China)

The research progress on detection methods of heavy metals at home and abroad in recent years was reviewed．The national standard and professional standard were compared from the prospect of principle and application．The current research status of rapid detection methods was introduced．The development trend and research emphasis of detection methods of heavy metals were pointed out．

heavy metals;detection methods;rapid determination

TS207.5

A

1671-1513(2012)05-0023-03

2012-09-02

王紀華，男，研究員，主要從事農產品質量檢測技術與信息技術的交叉集成研究．