重金属快速检测的技术发展机制

文献综述报告综述题目：重金属快速检测的技术发展机制研究所：天津环保所班级：硕士十九班学号：82101135066姓名：郑波1重金属快速检测的技术发展机制摘要重金属污染问题日趋严重，已对农产品和环境构成了严重的危害，引起了人们广泛的重视，重金属污染防治工作刻不容缓，急需建立重金属污染快速检测方法，提高检测效率。相较于传统的重金属检测方法，快速检测法应具有方便、快速、经济等优点，本文综合论述了酶抑制分析法、免疫分析法、阳极溶出伏安法、化学显色法、X射线荧光光谱法、直接固体进样技术等重金属快速检测方法的原理和应用，并对今后的发展方向进行了展望。关键词重金属;酶抑制分析法；免疫分析法；阳极溶出伏安法；化学显色法；X射线荧光光谱法；直接固体进样技术前言随着我国经济的快速发展，环境污染日益严重，尤其以重金属污染最为突出。据统计我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积接近两千万公顷，每年受其污染的粮食总量高达12000万ｔ，直接经济损失超过200亿元。国家环境保护部和国土资源部最新发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国耕地点位超标率为19.4%，污染以镉、汞和铅等8种无机污染物为主。土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧。作为污染防控的重要手段之一，重金属监测工作一直受到政府的关注，检测技术在工作中直接影响到工作效率和质量，传统经典的重金属检测方法有原子吸收光谱法[1](AAS)、原子发射光谱法(AES)、原子荧光光谱法(AFS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)和分光光度法等，这些方法和技术具有特异性强、灵敏度高等优点，是目前普遍采用的重金属检测方法，但这些方法样品前处理均是采用酸加热消解方法，是整个分析过程中最费力、费时的一个环节[2],对环境带来污染的同时也影响测试人员的身体健康，传统样品消解过程中有些因素会直接或间接带来检测误差并且仪器价格昂贵、运行费用高、不易携带、无法连续监测及现场测定。人们对环境质量的关注和要求不断提高，渴望有一些快速检测的方法传统的检测技术已无法满足这种需求，快速、简便、成本低的检测方法和仪器的开发已成为当今的研究热点。目前研究的重金属快速检测技术的方法大体有酶抑制分析法、免疫分析法、阳极溶出伏安法、化学显色法、X射线荧光光谱法、直接固体进样技2术等几大技术方法，相比较其中的共同点有一下特点：①使用的仪器设备简单，具有微型化、便携化特点;②在线、连续、实时和计算机控制测量的自动化;③分析速度快，试样用量少，费用消耗少;④灵敏度和准确度高，选择性好。本文主要对这几种技术方法的原理和应用做了一个综述，以期为建立更准确、更快速及灵敏度更高的检测方法提供参考。1.酶分析法重金属具有一定的生物毒性，它与形成酶活性中心的巯基或甲巯基结合后，改变了酶活性中心的结构与性质，，引起酶活力下降，使底物-酶反应系统中的pH、颜色和电导率等理化参数发生变化，这些变化可直接通过肉眼或借助于光信号、电信号等加以区分[3],可以建立重金属浓度与酶系统变化的定量关系。Organ等［4］早在1978年就利用脲酶反应器和氨气电极测定了环境样品中痕Hg2+。自此之后，脲酶［5］、胆碱脂酶［6］、过氧化氢酶［7］、氧化酶［8］、蔗糖酶［9］等多种酶广泛应用于重金属的快速检测。重金属离子能定量抑制酶的活性，从而可以快速检测重金属在环境介质中的浓度。依据此原理，Yunhui等［10］用脲酶抑制法检测Hg2+，检出限为10μg/L。除了脲酶以外，其他酶如过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、乙酰胆碱酯酶、磷酸酯酶等，也越来越多地被用来检测重金属［11-13］。近年来，蛋白酶也被用于测定环境中的重金属，通常以酪蛋白-考马斯亮蓝体系作为反应底物，具有较高的有害物质相容性、较广的pH活性范围、较强的温度稳定性和相对较快的反应时间。Shukor［14］使用木瓜蛋白酶对多种重金属进行了检测，结果表明，木瓜蛋白酶对多种重金属较为敏感，其对Hg2+、Ag2+、Pb2+、Zn2+的I50分别为0.39，0.40，2.16，2.11mg/L，而对Cu2+、Cd2+的最低检出限分别为0.004，0.1mg/L。ShukorMY［15］用丝氨酸蛋白酶对Hg2+、Zn2+进行检测，通过抗干扰实验得知，西维因、硫丹、草甘磷、敌草隆、百草枯等杀虫剂对该检测方法无干扰。与传统速检测方法相比，酶抑制法检测重金属具有快速、简便、能实现在线检测等特点，近年来已经成为相关领域研究的一个热点。但由于不同重金属离子对于酶活性的抑制效应相差很大，重金属离子对酶活力抑制的广谱性，使该方法对单一重金属检测存在一定的困难，需要采用特殊预处理技术，如预先分离、“掩3盖”干扰物等。另外，酶的使用方式(游离或固定)和检测方法(静态或流动)的不同也影响检测的准确性。因此，酶源的筛选、检测结果可重复性、样品提取以及与之相结合的酶传感器、试纸条、量热计、比色法等方面将会是今后进一步研究的方向。2.免疫分析法20世纪90年代初期，国外已经建立了多种针对有机污染物的免疫检测方法，并尝试将这些方法用于重金属离子的分析检测。重金属离子免疫检测的关键在于重金属特异性单克隆抗体的制备［16］。抗体的产生需要有抗原来刺激机体;但重金属的分子质量小，并且带有电荷的重金属离子趋向于与生物分子发生强烈的不可逆的反应，自身不能作为有效的抗体识别目标。因此，设计金属离子完全抗原，是制备出单克隆抗体以及建立重金属离子免疫检测方法的基础。可见免疫法检测重金属必须进行两方面的工作:①选用合适的络合物或其它化合物与金属离子特异性结合，使其获得一定空间结构，从而产生免疫反应原性，从而能与相应的抗体发生特异性结合;②将结合了金属离子的化合物耦联到载体蛋白上，产生免疫原性，以便制备相应的抗体。自从1985年Reardan等首次通过金属-螯合剂抗原产生并分离出单克隆抗体以来，国内外研究人员开展了广泛的研究，越来越多的抗Hg2+、Cd2+、In3+、U6+、Pb2+等金属-螯合剂复合物抗原被研制出来，获得了以上重金属离子的特异性抗体，建立了相应的重金属离子免疫检测方法，并对抗体和抗原的亲和力的研究也有一定报道[17-20]。目前，用免疫法测定重金属的检测结果与传统的检测方法，如ICPAES、ICP-MS等具有高度的一致性。免疫分析法检测速度快、灵敏度高、选择性强，可作为重金属快速检测的方法。但金属离子单克隆抗体的制备非常困难，而较容易制备的多克隆抗体无法满足对金属离子的特异性要求，这在很大程度上限制了重金属离子的免疫分析方法的研究与发展。不过，基因工程和蛋白质工程的发展，为免疫分析技术提供了新的技术思路和模式，弥补了其在实际应用中存在的一些缺陷和技术局限性。近年来，重组单克隆抗体建构技术的进步为免疫法提供了广阔的应用前景。筛选特异性好的新型螯合剂、单克隆抗体都将是今后的发展方向。43.电化学检测方法—阳极溶出伏安法3.1阳极溶出伏安法的基本原理前20世纪20年代JaroslavHeyrovsky发明了重金属离子的电化学分析方法—阳极溶出伏安法(AnodicStrippingVoltammetry，ASV)，并于1959年为此赢得了诺贝尔化学奖。ASV法是将待测离子先富集于工作电极上，再使电位从负向正扫描，使其自电极溶出，并记录溶出过程的电流－电位曲线。在一定条件下，曲线的峰高与离子浓度呈线性关系，而且不同离子在一定的电解液中具有不同的峰电位。因此，峰电流和峰电位可作为定量和定性分析的基础。目前ASV法可测定40种以上的元素，能够快速检测样品中浓度很低(10－6molL)的金属离子，检测灵敏度高，能满足饮用水水质卫生规范和地表水环境质量标准的检测限要求。由于ASV法所用仪器设备简单、操作方便，在超纯物质分析、环境监测分析中得到了广泛的应用。3.2ASV法在环境样品分析中的应用1996年美国国家环境保护局(USEPA)分别确定了液体样品及提取物中砷(7063)和汞(7472)的ASV标准分析方法。我国《水和废水监测分析方法(第4版)》［21］中收录了“阳极溶出伏安法测定Cd，Cu，Pb，Zn”的方法，但是还没有成为国家或者行业标准分析方法。目前国内环境监测与研究领域应用较多的便携式ASV检测器是澳大利亚MTI公司的PDV6000重金属测定仪，该产品通过了USEPA认证，可以测定包括水、工业废水、医药品、饮料、土壤及食物提取液等液态样品。检测前需要准备几min，检测只需要20s～5min，检测范围4μgL～300mgL。电极是该仪器最重要的部分，为了获得最佳检测结果，对某一类金属应该使用相应的工作电极和参比电极(表1)。PDV6000可以用于实验室检测，也可以用于野外现场检测。在实验室一般与计算机连接使用，采用软件控制检测过程，检测精度更高。现场检测时，使用镍氢电池供电，但是检测数据只显示在屏幕上而不能保存。5表1PDV6000重金属分析仪主要技术参数Table1MainparametersofPDV6000portablemetalanalyzer电极类型元素检测范围Cd1μgL～30mgL汞膜电极Cu1μgL～32mgLPb1μgL～300mgLZn1μgL～32mgL金电极或镀金碳电极As1μgL～8mgLHg1μgL～6000μgLCr1μgL～20mgL玻碳电极Mn1μgL～30mgLTi1μgL～300mgL3.3ASV检测设备的研究进展基于ASV法的重金属传感器技术的测量时间通常是几min，可以满足一般的在线及快速响应要求，因此是重金属现场快速检测技术的重要发展方向之一。但是ASV法因电极的制造成本和使用寿命问题，导致检测费用较高。此外，传统溶出伏安法的工作电极采用液态汞电极、汞膜电极等，分析过程中会析出有毒物质汞，对环境和分析人员造成危害，是该技术的一大弊端。目前的研究多集中在无害、22-23］、修饰或1，10-氮杂(OP)修饰的黏土层电极等。4.化学显色法在重金属检测的方法中，化学显色反应应用较为广泛，主要通过重金属离子与显色剂发生显色反应进行重金属含量的检测。这些方法与试纸、检测管、试剂盒等结合后，可对重金属进行快速检测。由表2可知，利用重金属与试剂发生化学反应的原理，显示反应后与比色条对比，或用专门设计的小型仪器即可进行定性或半定量分析。用纤维类滤纸作为反应载体，可由试纸上的颜色变化分析重金属含量［24］。戈润涛［25］利用碘化亚铜试纸检测Hg2＋，15s显色，0.07μg的汞即可使试纸上出现淡黄色斑点。6表2不同显色原理用于重金属快速检测的研究Table2Differentcolorrenderingprincipletothestudyofrapiddetectionofheavymetals基于砷化氢与溴化汞产生黄色斑点，阎立荣等［26，27］用溴化汞测As3＋，检出限分别为1.00、500μg／L，适用于砷中毒病区大批量水样的现场监测。周焕英等［34］利用Cu2＋在弱碱性条件下与铜试剂反应生成棕黄色络合物快速测铜，2min即可观察结果，检测灵敏度约为500μg／L。郭玉香［28］分别用维多利亚兰B、结晶紫、孔雀石绿作Cd2＋、Hg2＋、Pb2＋检测试纸的显色剂，最低检出限分别为100、50、500μg／L，适合环境水样的现场监测。段博等［29］由二苯碳酰二肼法检测Cr6＋的原理做成试纸，能检测的范围为0～1×105μg／L，该试纸法与国标法比较，对水样进行检测，结果基本吻合。以上介绍的这些方法均为定性或半定量分析，但随着适用于试纸法检测的微型仪器的出现，定量分析已成为现实。如试纸与小型光电检测仪联合用于测铅，反应时间约为2min，方法检出限为1000μg／L［30］。除试纸法外，还有用检测管法和试剂盒测重金属离子。韩丽华等［31］用碘化亚铜作指示粉，使汞气化通过检测管根据检测管中指示粉的变色长度直接读出研究方法检出离子检出限μg/L应用碘化亚铜试纸法Hg2+7×107空气中汞碘化亚铜试纸法Hg2+820汞离子试液硝酸镁铵试纸法As5+1.02×105含砷酸根离子的中性或铵性试液亚铁氰