快速可視化識(shí)別氰化物方法的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展*

宋逸群，李宏達(dá)，孫倩倩，朱 昱

(中國(guó)刑事警察學(xué)院法化學(xué)系，遼寧 沈陽(yáng) 110035)

氰化物作為一種高毒物質(zhì)，具有很強(qiáng)的毒性，它進(jìn)入體內(nèi)后，分解有出毒的CN-，與細(xì)胞色素氧化酶的含鐵輔基結(jié)合，使電子傳遞喪失功能，導(dǎo)致整個(gè)呼吸鏈的電子傳遞，缺氧引起的細(xì)胞氧化代謝過程引起急性中毒[1]。工業(yè)生活中，氰化物被廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、電鍍、醫(yī)藥、塑料、制革等行業(yè)[2]，若處理不當(dāng)，則會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。食品中氰化物的來源很復(fù)雜。在食品植物中，氰化物通常與糖分子結(jié)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種氰基葡萄糖苷。然而，也有一些植物以游離氰化物的形式存在，如食用菌、蘑菇和真菌，它們被檢測(cè)到高濃度的氰化物。植物中氰甙配糖體的含量高低可能與植物遺傳基因、環(huán)境、生長(zhǎng)地、氣候、土壤因素有關(guān)[3-4]。除此之外，市面上所常見的牛奶、蒸餾酒以及果酒等飲品可能檢出微量氰化物。

氰化物是危害生命安全的劇毒物質(zhì)，而且氰化物造成的安全事故也時(shí)有發(fā)生[5]。因此，在重大活動(dòng)保障中氰化物是其中一項(xiàng)重要的檢測(cè)項(xiàng)目。目前所見報(bào)道的氰化物檢測(cè)方法主要有化學(xué)分析法、分光光度法、流動(dòng)注射法、離子色譜法以及化學(xué)傳感器法等。常見的一些儀器方法雖然結(jié)果精密度、準(zhǔn)確度高，但存在著前處理復(fù)雜、用時(shí)長(zhǎng)、操作繁瑣且需要昂貴的儀器設(shè)備等問題。因此，高效、可視化的快速檢驗(yàn)氰化物的方法對(duì)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)方面具有重大意義。本文主要對(duì)氰化物可視化檢測(cè)方法、發(fā)展及其檢驗(yàn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 氰化物試紙的研究進(jìn)展

為實(shí)現(xiàn)氰化物的現(xiàn)場(chǎng)快速檢驗(yàn)，常制作相應(yīng)反應(yīng)的氰化物檢測(cè)試紙，即將實(shí)驗(yàn)反應(yīng)用試劑固化在試紙條上。試紙法具有簡(jiǎn)易、便攜、快速的特點(diǎn)。

國(guó)標(biāo) GB/T5009.36-1996[6]中規(guī)定苦味酸試紙法作為糧食中氰化物測(cè)定的定性試驗(yàn)，氰化物與酸反應(yīng)后產(chǎn)生氫氰酸，氫氰酸與苦味酸鈉發(fā)生作用后生成紅色異性紫酸鈉。王麗玲[7]將苦味酸試紙法用于酒中氰化物的預(yù)測(cè)定，同時(shí)用異煙酸-吡唑酮法進(jìn)行定量測(cè)定，結(jié)果表明兩法測(cè)定結(jié)果吻合，故酒中氰化物含量的測(cè)定可先用苦味酸試紙法定性或預(yù)測(cè)定，該方法可較好的應(yīng)用于酒中氰化物的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

基于在pH=7.0溶液中，氰化物可與氯胺T反應(yīng)生成氯化氰，再與異煙酸-吡唑啉酮作用，生成藍(lán)色染料這一原理，陳慧玲[8]等驗(yàn)證了試紙條法快速檢測(cè)法對(duì)酒中氰化物定量測(cè)定的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明該法適于水樣中氰化物的定量測(cè)定及酒樣中氰化物的快速定性測(cè)定。該方法具有快速、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

楊俊等[9]將食品中的氰化物經(jīng)水浸取后，與氯胺T反應(yīng)生成氯化氰，繼而通過異煙酸-巴比妥酸法進(jìn)行比色定量。該方法的準(zhǔn)確度和精密度較好，檢出限為1.00 mg/kg，且該氰化物紙片速測(cè)法具有靈敏度高、快速、攜帶方便的特點(diǎn)，可以很好的適用于重大活動(dòng)保障中氰化物的快速測(cè)定。

2 以化學(xué)傳感器為基礎(chǔ)快速識(shí)別氰化物的研究進(jìn)展

目前所現(xiàn)有氰化物試紙條檢測(cè)方法雖然具備現(xiàn)場(chǎng)快速定性的優(yōu)點(diǎn)，但是，其目前的準(zhǔn)確性略有不足，且將其用于環(huán)境樣品中氰化物檢測(cè)的時(shí)，又易受到樣品中其它復(fù)雜成分的干擾。近年來，在離子檢測(cè)領(lǐng)域，比色法或熒光法由于操作簡(jiǎn)單、儀器易得等原因而成為研究的熱點(diǎn)[10]。人們把主客體比色和熒光識(shí)別的相關(guān)概念和原理應(yīng)用到氰根離子的識(shí)別和檢測(cè)研究中[11]，并據(jù)此設(shè)計(jì)出相應(yīng)的靈敏、高效、高選擇性的傳感器。通過傳感器與CN-結(jié)合發(fā)生的熒光或顏色變化，可簡(jiǎn)單、快速、可視化的實(shí)現(xiàn)對(duì)CN-的現(xiàn)場(chǎng)定性、定量檢測(cè)，因此CN-傳感器受到了各界關(guān)注并得到快速發(fā)展。

2.1 基于氫鍵作用的CN-傳感器

CN-作為氫鍵的受體可以與傳感器分子之間形成氫鍵，致使傳感器發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而引發(fā)了傳感器分子產(chǎn)生顏色或熒光的變化，從而達(dá)到識(shí)別CN-的目的，但此類傳感器也往往會(huì)與其他陰離子，如F-、AcO-等離子之間形成氫鍵，從而對(duì)CN-的識(shí)別產(chǎn)生一定的干擾。

Wang等[12]通過 2-羥基-1-萘酚和鹽酸羥胺在水溶液中以偶聯(lián)反應(yīng)制備了熒光傳感器1。傳感器1在甲醇和水體系對(duì)CN-可通過較強(qiáng)的氫鍵作用以2:1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行絡(luò)合，傳感器1對(duì)CN-很好的選擇性且不受其他常見陰離子的干擾，可將其制備成試紙并應(yīng)用于湖水樣本中CN-的檢測(cè)。

圖1 傳感器1檢測(cè)CN-原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of CN- principal for sensor 1 detection

Das等[13]研究并合成了基于咪唑類受體的氰根離子傳感器分子2和3，二者在乙腈-水1:1的體系內(nèi)與CN-形成氫鍵后，可以通過比色、熒光雙通道選擇性的識(shí)別CN-，并應(yīng)用于飲用水中CN-的含量檢測(cè)，檢測(cè)過程不受其他常見陰離子的干擾。此外，傳感器2還可以用于檢測(cè)微生物細(xì)胞中的CN-。

圖2 傳感器2和3結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sensors 2 and 3

2.2 脫質(zhì)子型的CN-傳感器

CN-可與具有活潑氫的傳感器分子發(fā)生脫質(zhì)子作用，使其熒光光譜及紫外光譜發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CN-的識(shí)別。但此類傳感器易受到其他陰離子(如F-、OH-、AcO-等)的干擾。

Wei等[14]基于二羥基吩嗪設(shè)計(jì)合成了一種簡(jiǎn)單的選擇性高、靈敏度高的CN-傳感器4，該傳感器可作為純水CN-的啟動(dòng)熒光傳感器，傳感器4的羥基與CN-之間通過脫質(zhì)子作用發(fā)生識(shí)別過程，且不受其他陰離子的影響。此外，還制備了相應(yīng)的試紙并應(yīng)用于水中CN-的檢測(cè)。該化學(xué)傳感器已成功地應(yīng)用于馬鈴薯發(fā)芽和苦菜種子中氰化物的檢測(cè)。

圖3 傳感器4結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of sensor 4

Kumar[15]等以工業(yè)原料為原料，經(jīng)一步縮合反應(yīng)合成了一種簡(jiǎn)單易行的化學(xué)傳感器5。5是一種高效的比色熒光傳感器，在二甲基亞砜-水2:8的體系中與CN-反應(yīng)使羥基去質(zhì)子化，由此產(chǎn)生的酚酸根離子改變了5的熒光性質(zhì)，溶液的顏色瞬間從橘黃色變?yōu)榫G色，可實(shí)現(xiàn)水介質(zhì)中CN-的裸眼檢測(cè)。另外，傳感器5能夠成功的檢測(cè)食品中，如杏仁、木薯粉和土豆中的氰化物。

圖4 傳感器5檢測(cè)CN-的原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of CN- principal for sensor 5 detection

2.3 基于加成反應(yīng)的CN-傳感器

基于CN-具有很強(qiáng)的加核性，近年來，基于CN-與一些親電基團(tuán)如羰基化合物、共軛體系等發(fā)生親核加成的原理所設(shè)計(jì)形成的傳感器引起了極大關(guān)注，此類傳感器具有良好的水溶性，不僅可以在有機(jī)與水的混合體系檢測(cè)CN-，而且也可以實(shí)現(xiàn)純水中CN-的檢測(cè)[16]。

圖5 傳感器6檢測(cè)CN-的原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of CN- principal for sensor 6 detection

周彬彬等[17]以水楊醛為識(shí)別基團(tuán)，通過偶氮鍵與信號(hào)基團(tuán)萘酰亞胺偶氮苯偶聯(lián)，合成了一種基于萘酰亞胺偶氮苯染料的新型氰化物比值式比色法傳感器6。利用水楊醛與CN-的親核加成作用對(duì)樣品中的氰化物進(jìn)行識(shí)別，然后通過結(jié)合CN-后萘酰亞胺重氮苯骨架上較強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)而產(chǎn)生吸收光譜紅移以及顏色的顯著變化對(duì)食品中氰化物實(shí)現(xiàn)高效檢測(cè)。該法與目前常用的食品中氰化物檢測(cè)方法相比，具有簡(jiǎn)單、快捷、低毒等優(yōu)勢(shì)，因此，傳感器6在食品中氰化物的快速檢測(cè)方面具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

Sun等[18]設(shè)計(jì)并合成了一種新的咔唑衍生物傳感器分子7。在二甲基亞砜-水1:9的體系中，傳感器分子7利用CN-特殊的親核性與之形成穩(wěn)定的加成產(chǎn)物，阻礙了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，其發(fā)射光譜和吸收光譜均發(fā)生了顯著的雙重變化，可直接用肉眼觀察到顏色的顯著變化。不僅如此，傳感器7也成功地應(yīng)用于活體細(xì)胞中CN-的成像。

圖6 傳感器7檢測(cè)CN-原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of CN- principal for sensor 7 detection

Niu等[19]研制了一種新型高選擇性低聚噻吩-苯并噻唑基傳感器8，在二甲基亞砜-水9:1的體系中，CN-可與8中的碳碳雙鍵發(fā)生1:1的親核加成，進(jìn)行“裸眼”比色和熒光“開啟”檢測(cè)氰化物，呈現(xiàn)出明顯的視覺顏色和光譜變化。制造經(jīng)濟(jì)可行的比色測(cè)試條可以有效地檢測(cè)水中的CN-離子。更重要的是，作為一種具有成本效益的選擇性熒光傳感器，傳感器8已成功用于檢測(cè)食品樣品中的CN-和活體HeLa細(xì)胞中的熒光生物成像。

圖7 傳感器8結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of sensor 8

此類傳感器選擇性好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)CN-專一識(shí)別，且不易受到其他離子的干擾。

2.4 基于配位型的CN-傳感器

CN-是一種配位能力較強(qiáng)的陰離子，根據(jù)此原理，人們?cè)O(shè)計(jì)并合成了可與CN-配位結(jié)合的基于金屬配合物的傳感器分子，從而可實(shí)現(xiàn)高效、靈敏對(duì)CN-進(jìn)行識(shí)別、檢測(cè)。根據(jù)反應(yīng)類型可將此類傳感器分為兩種：一種是CN-與傳感器分子中的金屬離子可直接進(jìn)行配位作用，致使傳感器分子的配位狀態(tài)改變，導(dǎo)致配合物的構(gòu)型或電荷分布變化，從而引起顏色及光譜的變化；第二種是CN-可與傳感器分子中的金屬離子生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，可使傳感器分子中的配體得到釋放，造成了比色或熒光的變化。

2.4.1 直接配位型的CN-傳感器

Sun等[20]設(shè)計(jì)合成了傳感器分子9，該傳感器分子通過與Cu2+和Zn2+進(jìn)行雙金屬組裝形成穩(wěn)定的金屬凝膠，通過兩種不同的金屬離子的協(xié)同作用提高了體系的信號(hào)報(bào)告和選擇性響應(yīng)能力。這種金屬凝膠可以通過CN-和9與Cu2+競(jìng)爭(zhēng)配位，可以通過熒光變化選擇性的檢測(cè)CN-。結(jié)果表明，傳感器分子9可以應(yīng)用于CN-的裸眼檢測(cè)。

圖8 傳感器9結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of sensor 9

2.4.2 基于置換法的CN-傳感器

周彬彬[21]設(shè)計(jì)將香豆素骨架與甘氨酸-甘氨酸-組氨酸三肽縮合得到熒光傳感器分子10(C-GGH)，此傳感器的生色團(tuán)為香豆素結(jié)構(gòu)，識(shí)別基團(tuán)為GGH三肽。利用傳感器分子10識(shí)別基團(tuán)與Cu2+絡(luò)合形成復(fù)合物使熒光淬滅，而復(fù)合物C-GGH-Cu2+在CN-的存在下，通過CN-與Cu2+的絡(luò)合形成更加穩(wěn)定的絡(luò)合物，體系熒光又得到恢復(fù)的原理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中氰化物的快速檢測(cè)。

圖9 傳感器10結(jié)構(gòu)圖Fig. 9 Structure of sensor 10

Hu等[22]設(shè)計(jì)合成了一種基于羅丹明B酰肼和2-叔丁基二甲基硅氧基苯甲醛共軛物，即傳感器分子11。傳感器11通過與Fe3+絡(luò)合形成一種穩(wěn)定的金屬配合物，CN-加入后促進(jìn)了金屬配合物的解離以及傳感器分子11的釋放，從而引起了熒光顏色的變化。在乙腈-水1:1的體系中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CN-的高效檢測(cè)，背景陰離子對(duì)CN-的檢測(cè)干擾較小或無干擾。此外，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚撆浜衔矬w系可以重復(fù)使用。

圖10 傳感器分子11檢測(cè)CN-的原理示意圖Fig.10 Schematic diagram of CN- principal for sensor 11 detection

2.5 基于納米材料的CN-傳感器

基于納米材料的傳感器分子將具有CN-識(shí)別能力的分子片段接到納米顆粒上，具有很好的水溶性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)純水相中CN-的高效檢測(cè)，是一類新型的傳感器分子，也成為了人們所研究的熱點(diǎn)。

Zhang等[23]以等離子體金屬納米粒子為吸光體，熒光團(tuán)為發(fā)光碳點(diǎn)，基于眾所周知的內(nèi)部濾光器效應(yīng)(IFE)，設(shè)計(jì)了一種用于CN-檢測(cè)的開啟熒光傳感器12。由于銀納米粒子比金納米粒子具有更高的摩爾消光系數(shù)，因此銀納米粒子的IFE值比金納米粒子的IFE值更大，這是銀納米粒子氰化物測(cè)定性能更好的原因。該方法的可靠性已在加藥血清和水樣氰化物檢測(cè)中得到驗(yàn)證。

Wei[24]開發(fā)了兩種簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)的熒光納米傳感器13和14，它們都以牛血清白蛋白為特征，用熒光素異硫氰酸酯(FITC-BSA-Au NPs)標(biāo)記，用于在高鹽溶液和食用鹽樣品中選擇性檢測(cè)CN-和I-離子。這些傳感器的工作原理是在金納米粒子表面沉積I-和CN-，或蝕刻金納米粒子，誘導(dǎo)FITC分子或FITC-BSA釋放到溶液中，從而恢復(fù)了FITC的熒光。此類傳感器可實(shí)現(xiàn)于水樣(池塘水、自來水和海水)和食用鹽樣品中高效、快速的檢測(cè)CN-和I-。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，近年來，基于化學(xué)分析的氰化物試紙法以及化學(xué)傳感器成為了快速、可視化檢測(cè)氰化物的熱點(diǎn)方法。通過比較分析可知，現(xiàn)有的氰化物試紙法雖然可滿足氰化物現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，但可應(yīng)用范圍有限，檢測(cè)成分簡(jiǎn)單的樣品(如酒等)可取得較好的結(jié)果；對(duì)于成分復(fù)雜的環(huán)境樣品，其靈敏度相對(duì)較低，且檢驗(yàn)CN-易受樣品中其他組分的受干擾。識(shí)別機(jī)理不同的CN-傳感器有各自不同的識(shí)別特點(diǎn)：基于氫鍵作用和脫質(zhì)子型的CN-傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高效、快速檢驗(yàn)CN-，但專一性較弱，易受到其他陰離子(如F-、AcO-等)的干擾；而基于親核加成原理的CN-傳感器，具有選擇性高、專一性好的特點(diǎn)，但有時(shí)會(huì)存在反應(yīng)等待時(shí)間過長(zhǎng)的不足之處，在應(yīng)用于食品快檢方面仍待完善；基于配位型的CN-傳感器，由于CN-與傳感器分子與金屬離子發(fā)生配位作用，使得傳感器種類豐富，此類傳感器通常響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高；基于納米材料的CN-傳感器，水溶性好，對(duì)水相中的CN-有很好的識(shí)別能力。

根據(jù)兩類方法的特點(diǎn)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在今后的氰化物快檢方法研究中可以進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。設(shè)計(jì)高效、快速、高靈敏度、易于制備、便于操作、專一性好的氰化物檢測(cè)方法并將其應(yīng)用于樣品的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方面是接下來的熱門研究對(duì)象，這不僅對(duì)學(xué)術(shù)研究有重要意義，而且對(duì)國(guó)家環(huán)境安全監(jiān)測(cè)更具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。