重金屬離子的光學(xué)檢測方法綜述*

王文華， 吳勝旭， 李思東， 黃 江， 謝玉萍

(1.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088； 2.中國廣州分析測試中心，廣東 廣州 510070；3.廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江 524088)

0 引 言

據(jù)《2015中國國土資源公報》公布：對全國5 118個地下水監(jiān)測點中，優(yōu)良級水質(zhì)監(jiān)測點僅466個，僅占9.1 %，較差水質(zhì)監(jiān)測點多達(dá)2 174個，占42.5 %，極差水質(zhì)監(jiān)測點964個，占18.8 %[1]。常見的鉛、汞、鎘、鉻、銅等重金屬污染水和土壤之后很難降解，通過飲用水或者水生植物吸收沿食物鏈進入人體，不斷沉積和富集，給人們的健康帶來極大的危害。因此，重金屬含量的檢測顯得尤為重要，且需要及時、準(zhǔn)確地對水質(zhì)、土壤和食品的重金屬離子進行檢測。國務(wù)院于2011年頒布了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，因此，對重金屬離子的檢測提出了越來越高的要求[2]，人們也在不斷提出新的檢測方法。目前，檢測方法有電化學(xué)分析法、電感耦合等離子質(zhì)譜法、高效液相色譜法、酶分析法，以及各種光學(xué)檢測方法。

本文分別對傳統(tǒng)和新型的重金屬離子光學(xué)檢測方法進行了綜述,并給出了該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)的重金屬離子光學(xué)檢測方法

1.1 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法以原子吸收為原理，測量樣品必須是氣體，寬譜光源的波長覆蓋待測元素特征譜線，樣品蒸氣待測元素含量遵循朗伯—比爾定律吸收特征譜線的光強，從而造成光譜對應(yīng)波長位置的光強衰減，根據(jù)特征譜線的光強衰減量即可實現(xiàn)待測樣品的含量，測量時需要確定樣品中各元素的最大吸收波長、吸收光譜和摩爾吸收度。檢測儀器主要由光源系統(tǒng)、原子化系統(tǒng)(將樣品轉(zhuǎn)化成原子蒸氣)、分光組件(棱鏡或光柵)以及基于光電倍增管的檢測系統(tǒng)組成。原子吸收光譜儀可以對多種重金屬離子進行測定，但價格昂貴，單次測試費用比較高[3]，且測試不同重金屬離子時需要更換不同的光源。

1.2 原子熒光光度法

與原子吸收光譜法基本原理相反，原子熒光光度法通過輻射能激發(fā)待測樣品的原子蒸氣，進而產(chǎn)生熒光，熒光對應(yīng)波長位置的發(fā)射強度由待測樣品的濃度決定，因此也需要原子化系統(tǒng)。原子熒光光度法的靈敏度比原子吸收光譜法高，譜線清晰。欒云霞等人[4]提出了一種雙道原子熒光光度法，用于測定土壤中汞、砷的含量，檢出限分別為0.03,0.13 μg /L。唐蓮仙等人[5]優(yōu)化了儀器的工作參數(shù)，利用原子熒光光度法測定白酒中鉛含量，檢出限為0.1 μg /L。

1.3 原子發(fā)射光譜法

原子發(fā)射光譜法的基本原理與原子吸收光譜法相反：待測樣品中的元素發(fā)射特征光譜，根據(jù)該特征光譜的信息來測定待測樣品中重金屬的含量。儀器由光源、單色儀(分光組件)和檢測部件組成，單色儀和檢測部件的功能與原子吸收光譜法對應(yīng)組件相同，光源有兩個功能：將待測樣品蒸發(fā)為氣態(tài)原子，將氣態(tài)原子的電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)、為發(fā)射光譜做準(zhǔn)備。原子發(fā)射光譜法通常不需要更換光源，且能夠?qū)Χ喾N重金屬離子實現(xiàn)鑒別測定，對樣品的分析時間短，靈敏度依據(jù)不同的光源而定。

1.4 紫外可見分光光度法

分光光度法是在目視比色法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[6]，通過光電檢測的方法取代比色法的人眼判斷。紫外可見分光光度法可用于定性或定量分析，其基本原理是利用物質(zhì)對190～760 nm波長范圍內(nèi)紫外可見光的吸光度不同測定溶液中的重金屬離子的含量，理論基礎(chǔ)是朗伯—比爾定律。紫外可見光分光光度計由光源、單色儀(分光組件)、樣品池和檢測系統(tǒng)組成。經(jīng)單色儀輸出的光譜入射到溶液時，不同物質(zhì)對不同波長的吸光度不同，根據(jù)不同波長位置的吸光度即可測定物質(zhì)的含量。

重金屬離子溶液通常為無色或者顏色非常淺，不宜直接采用光度法測量，需特定的螯合劑，也稱之為絡(luò)合劑[7]，螯合劑和待測物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成顏色較深的螯合物。

2 新型重金屬離子光學(xué)檢測方法

對于傳統(tǒng)檢測方法，其設(shè)備、試劑盒等部件的價格昂貴，攜帶不方便，因此，催生了一些新型重金屬離子檢測方法。

2.1 表面等離子體共振技術(shù)測量法

表面等離子體共振(surface plasma resonance,SPR)技術(shù)的支持體可以是棱鏡，也可以是光纖[8]。其基本原理是：在棱鏡的全反射面或光纖表面鍍一層很薄的金屬膜，膜厚小于倏逝波的深度，當(dāng)光束發(fā)生全反射時產(chǎn)生倏逝波，倏逝波在金屬表面激發(fā)表面等離子體波，如果入射光束的波長或入射角為某一特定值(共振波長或共振角)時，表面等離子體波與倏逝波將產(chǎn)生共振，此時共振波長或共振角位置的光能量被吸收，從而導(dǎo)致全反射光束的能量驟降，反射光譜出現(xiàn)由于光能量被吸收后的共振峰，即表面等離子體共振。金屬膜與其周圍環(huán)境的物質(zhì)接觸時如果產(chǎn)生吸附、化學(xué)反應(yīng)或是構(gòu)象的變化，則金屬表面附近的折射率將發(fā)生改變，而SPR對折射率的變化非常敏感，目前可以達(dá)到10-8RIU[9]，據(jù)此，可以設(shè)計相應(yīng)的SPR檢測分析技術(shù)。

Yu Jorn C C研究小組[10]在金膜表面制作了聚吡咯膜(此膜充當(dāng)傳感芯片)，利用聚吡咯膜對溶液中的二價汞離子進行鍵合、實現(xiàn)離子的SPR測定，單獨測定汞離子的線性范圍在0.1～10 g/L。英國East Anglia大學(xué)的Lee M M研究小組[11]提出了在玻璃金膜表面形成單分子層薄膜，利用尿素酶經(jīng)過N-succinimidyl 3-(2-pyridyldithiol)propionate作用實現(xiàn)自組裝形成分子膜，通過鎘離子對尿素酶的抑制，當(dāng)芯片上的尿素酶與不同濃度的鎘離子接觸時產(chǎn)生吸附作用，如果此時鎘離子存在, 則導(dǎo)致脲酶的系列結(jié)構(gòu)變化，其線性范圍為0～0.01 mg/L。美國Stanford大學(xué)的Chah S研究小組[12]提出了利用1,6—二硫醇在SPR傳感器金膜表面實現(xiàn)自組裝單分子層，其原理是該自組裝芯片與含有二價汞離子的水溶液接觸時，SPR傳感器的信號將隨著汞離子濃度的變化而發(fā)生變化，從而實現(xiàn)濃度測量；且Pb，Ni，Zn和Cu等重金屬離子基本不會對汞離子的SPR信號產(chǎn)生干擾。Fen Y W研究小組[13]提出了采用旋涂制膜工藝在玻璃金膜表面沉積一層很薄的薄膜，利用不同濃度的重金屬離子與薄膜的相互作用導(dǎo)致SPR傳感器共振角的變化，分別實現(xiàn)了二價鉛離子和銅離子的有效檢測。Ericas F等人[14]提出采用縮氨酸修飾SPR傳感器芯片的性能，經(jīng)縮氨酸修飾的SPR芯片能夠吸附重金屬離子，改變SPR信號，利用SPR的傳感信號和參考信號的比值實現(xiàn)了高分辨率的重金屬離子檢測，對銅離子實現(xiàn)了在(10-6～10-9)體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的實時、定量的選擇性檢測。

2.2 共振光散射技術(shù)測量法

用于重金屬離子檢測既和SPR有關(guān)聯(lián)，又和比色法有關(guān)聯(lián)。金屬膜表面的等離子體波與倏逝波發(fā)生能量耦合產(chǎn)生共振，即SPR，如果金屬膜由尺寸非常小的金屬納米粒子代替，則納米粒子表面的自由電子集體受迫振動形成的共振稱為局域SPR(local SPR,LSPR)。LSPR使得納米粒子表面的電磁場急劇增加，表現(xiàn)出很強的共振吸收，同時輻射出與振蕩電荷頻率相同的光波，即發(fā)生LSPR散射。金屬納米粒子通常是金和銀兩種材料[8]。

以金納米粒子為例，LSPR會影響金納米粒子溶液的顏色，當(dāng)待測溶液的環(huán)境變化時，金納米粒子將發(fā)生聚集，導(dǎo)致溶液的藍(lán)色發(fā)生變化，這是由于粒子間距導(dǎo)致LSPR散射光譜發(fā)生變化，可以利用這種顏色的變化測定環(huán)境溶液的濃度變化。Mirkin C A等人[15]早在1996年首先提出了基于金納米粒子標(biāo)記DNA的比色分析方法，并發(fā)表于《Nature》上?；贚SPR的光散射技術(shù)是LSPR的重要光學(xué)性質(zhì)，與LSPR吸收構(gòu)成了其重要應(yīng)用，其散射光譜強度比熒光染料的熒光強得多[16]。

對于納米粒子，納米金或納米銀表面通過金屬—S鍵或靜電吸附作用修飾蛋白質(zhì)或核酸等基團，重金屬離子與修飾后的納米金粒子或納米銀粒子相互作用，改變顏色，實現(xiàn)重金屬離子的測定?；贚SPR光散射，F(xiàn)an Y等人[17]利用硫化鈉修飾納米金顆粒，與二價汞離子作用后納米金顆粒的LSPR散射光信號明顯增強，實現(xiàn)了納摩爾(nmol)級別的檢測。Liu Z D等人[18]提出了一種DNA金納米粒子免標(biāo)記法檢測環(huán)境水體中的二價汞離子，檢測限達(dá)1 nmol/L。Wang H等人[19]利用單雙鏈DNA對納米金顆粒的分散能力不同，高鹽濃度時納米金顆粒處于分散狀態(tài)，如果向溶液中加入二價汞離子，則核酸分子配位雜交，與納米金顆粒的作用降低，納米金顆粒團聚，溶液由紅色變?yōu)樗{(lán)色， 從而實現(xiàn)Hg2+的監(jiān)測。Liu D B等人[20]將光控染料螺吡喃修飾納米金顆粒，紫外光照射時螺吡喃為開環(huán)，如果往溶液中加入銅離子，則銅離子與開環(huán)螺吡喃配位，使得納米金顆粒團聚，顏色由酒紅色變成藍(lán)色，實現(xiàn)光控方法的銅離子檢測。

2.3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜法

激光誘導(dǎo)擊穿光譜法(laser-induced breakdown spectro-scopy,LIBS)的原理是利用短脈沖高能量密度的激光在待測樣品表面產(chǎn)生瞬間高溫，樣品被激光產(chǎn)生的高溫激發(fā)形成氣態(tài)物質(zhì)，繼而在高能激光能量的作用下發(fā)生雪崩電離而形成等離子體。待測樣品氣化元素的自由電子被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，當(dāng)躍遷回基態(tài)時會產(chǎn)生具有各元素特征的光譜，通過分析激光誘導(dǎo)激發(fā)的特征譜線可以分析確定待測樣品的物質(zhì)及其含量。

Srungaram P K等人[21]將給定汞濃度的土壤樣品制成丸狀，利用LIBS技術(shù)測定土壤中的汞，結(jié)構(gòu)顯示在汞濃度較高的情況下，檢測效果較好。吳文韜等人[22]利用LIBS 技術(shù)對土壤中的銅含量進行定量檢測，檢測下限為mg/kg級別，相對誤差小于10 %。LIBS技術(shù)也被應(yīng)用于溶液中重金屬含量的測定，Knopp R等人[23]利用LIBS 技術(shù)對溶液中金屬鎘、鉛等物質(zhì)進行了檢測研究，其檢測限為500，12.5 mg/L，隨后，LIBS 技術(shù)應(yīng)用于溶液中金屬物質(zhì)含量的檢測得到了不斷改進。Yu Y 等人[24]提出了雙脈沖LIBS技術(shù)定量檢測溶液中金屬物質(zhì)的方法，并測量了銅的含量，結(jié)果表明，溶液中Cu的檢測限達(dá) mg/L級別。常亮等人[25]提出了基于LIBS 技術(shù)定量檢測豎直噴流和靜止液面模式下溶液中的鎘、鉛、鋁等金屬物質(zhì)的含量，可以較好地應(yīng)用于實際溶液的監(jiān)測。而Samu T J等人[26]利用LIBS 技術(shù)對水中的痕量重金屬鉛和鋅等物質(zhì)進行檢測，欲實現(xiàn)工業(yè)廢水的在線監(jiān)測。彭秋梅[27]分析了研究條件的最優(yōu)化情況，采用LIBS 技術(shù)對桔子葉片中的重金屬鉛、鉻、銅等進行了定量檢測。

2.4 試紙—光電反射測量法

試紙—光電反射測量法的基本原理與紫外可見分光光度法相同，利用物質(zhì)對入射光譜中不同波長成分的吸光度不同來測定溶液中的重金屬離子的含量，測試系統(tǒng)如圖1所示，入射光譜借助于光纖以一定角度入射到定量試紙，經(jīng)試紙反射后由接收光纖接收然后進行光/電轉(zhuǎn)換和信號處理，通過對比空白定量試紙和滴入待測溶液干燥后試紙的反射光相對光強方法來測定待測溶液重金屬離子的含量[28]。

圖1 試紙—光電反射法測試系統(tǒng)示意

3 結(jié)束語

本文對重金屬離子的傳統(tǒng)光學(xué)檢測方法以及近年來受到研究人員青睞的光學(xué)檢測方法進行了闡述與分析。原子吸收光譜法等傳統(tǒng)的光學(xué)檢測方法相對來說比較成熟，應(yīng)用較普遍，但設(shè)備、試劑盒等部件依賴進口，且價格昂貴，攜帶不方便，因此，催生了一些新的重金屬離子檢測方法，具有靈敏度高、輕便等優(yōu)點，但是儀器設(shè)備的穩(wěn)定性、重復(fù)性，以及制作方法與流程較為繁瑣。鑒于重金屬離子對人類健康危害的嚴(yán)重性，研究新型檢測方法的機理，探索多技術(shù)融合、性能優(yōu)良、環(huán)境友好和可重復(fù)利用的重金屬離子傳感器成為未來的發(fā)展方向。