水中重金属检测方案(水质重金属)

环 境竟 工 程 技 术 学 报Journal of Environmental Engineering Technology第1卷，第5期2011年9月Vol.1， No.5Sep.， 2011 ·439·第5期余若祯等：重金属离子快速检测技术研究与应用进展 文章编号：1674-991X2011)05-0438-05 重金属离子快速检测技术研究与应用进展 余若祯，王红梅，方征，闫振广，王宏 环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 摘 要：在突发环境污染事件和区域生态风险筛查中迫切需要环境样品中重金属离子的快速检测技术手段。环境样品中重金属离子的快速检测技术有电化学方法和生物学方法。电化学检测方法主要是阳极溶出伏安法 AnodicStripping Voltammetry，ASV)，可以同时检测多种重金属离子，有标准化认证的产品，但是检测成本相对较高。随着纳米粒子技术 Nanoparticles，NPs)和石英微天平分析技术 Quartz Crystal Microbalance，QCM)的引入，ASV法的白测成本将不断降低；生物检测方法包括免疫检测 mmunoassay，IA)和功能 DNA Functional DNA)检测技术。重金属离子的免疫检测技术样品通量大，检测成本低，已经广泛用于食品行业，其中汞离子的免疫检测方法已经成为环境样品标准检测方法之一。免疫检测传感器技术将拓展重金属离子的快速检测的应用空间。功能 DNA 传感器检测的研究为重金属离子的快速检测提供了新的技术手段，但是这些仅限于实验室研究，还没有达到实际应用的水平。 关键词：重金属离子；阳极溶出伏安法 ASV)；免疫检测；功能DNA 中图分类号：X830.2 文献标识码：A DOI：10.3969/j. issn. 1674 -991X. 2011.05.073 Study and Application of the Heavy Metal Ions Rapid Testing Technology YU Ruo-zhen， WANG Hong-mei， FANG Zheng， YAN Zhen-guang， WANG Hong State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012， China Abstract： The rapid testing technology for heavy metal ions in environmental samples was in urgent need in theunexpected environmental pollution incidents and regional ecological risk screening. Rapid testing methods of heavymetal ions in environmental samples included electrochemical methods and biological methods. The electrochemicalmethods were mainly Anodic Stripping VoltammetryyASV) method， which could detect several heavy metal ionssimultaneously and had standardized products. But its test cost was relatively high.With introduction of thenanoparticle NP) technology and quartz crystal microbalance QCM) analyzer， the testing cost of ASV methodwould be reduced continuously. Biological detection methods included immunoassay and functional DNA detectiontechniques. Heavy metal ions immunoassay had high-throughout samples and the testing cost was low. It had beenwidely used in food examination， and the immunoassay of mercury ions in environmental samples had become one ofthe standard testing methods. The immunosensor technology would extend the application space of rapid detection ofheavy metal ions. Research of functional DNA sensor would provide new technical means for the detection of heavymetal ions， but these studies in laboratories had not reached the level of practical application. Key words： heavy metal； Anodic Stripping Voltammetry ASV)； immunoassay； functional DNA 目前我国受镉、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2 000 万hm²，约占总耕地面积的1/5；其中工业 “三废”污染耕地1000万hm²，污水灌溉的农田面积已达330多万hm。污水灌溉及废弃物等对农田 ( 收稿日期：2011-04-04 ) ( 基金项目：中国环境科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务研项2007KYYW15) ) ( 作者简介：余若祯(9 6 9一)，女，副研究员，博士，主要从事生物毒性测试技术、生态风险分析等研究，yuruozhen@ gmai l . com ) 已造成大面积的土壤污染13。2009年环境保护部公布了12起重金属污染事件，共导致4035人血铅超标，182人镉超标。当年发生32起由重金属污染引起的群体性事件。我国陕西凤翔、江苏大丰、安徽怀宁、湖南郴州、云南鹤庆、河南济源、四川隆昌、湖南嘉禾、甘肃瓜州、湖北崇阳等地相继出现血铅超标事件461。重金属污染通过不同的暴露途径对人体健康造成不良影响：1)土壤中的重金属污染物通过食物链进入人体，直接危害人类健康；2)通过影响水体和大气环境间接对人体健康造成威胁。环境样品中重金属离子最可靠、最有效的检测分析方法还是常规的仪器检测方法，包括电感耦合等离子体原子发射光谱法ICP-AES)、原子吸收光谱法AAS)、电感耦合等离子体质谱法 ICP-MS)等。这些方法需要费用高昂的大型仪器设备、专门的实验室、专业的操作技术人员和复杂的样品前处理过程。在突发环境污染事件调查和流域/区域尺度的生态风险调查中，由于区域范围广，需要采集的环境样品数量大，迫切需要高通量的、实时的现场筛查技术。电化学检测技术和生物学检测技术为实现污染现场环境样品中重金属离子的快速定量/半定量检测提供了多种可行的技术手段。 电化学检测方法——阳极溶出伏安法 1.1 阳极溶出伏安法的基本原理 20世纪20年代 Jaroslav Heyrovsky 发明了重金属离子的电化学分析方法——阳极溶出伏安法Anodic Stripping Voltammetry， 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00-mol/L)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。 1.2 ASV 法在环境样品分析中的应用 1996年美国国家环境保护局 US EPA)分别确 定了液体样品及提取物中砷7063)和和(472)的ASV标准分析方法。我国《水和废水监测分析方法第4版)》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 US EPA 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~5 min，检测范围4 pg/L~300 mg/L。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)问。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。 表1 PDV6000重金属分析仪主要技术参数 Table 1 Main parameters of PDV6000 portable metal analyzer 电极类型 元素 检测范围 汞膜电极 Cd 1 pg/L~30 mg/L Cu 1 pg/L~32 mg/L Pb 1 pg/L~300 mg/L Zn 1 p.g/L~32 mg/L 金电极或镀金碳电极 As 1 pg/L~8 mg/L Hg Cr 1~6 000 pg/L 1 pg/L~20 mg/L 玻碳电极 Mn 1 pg/L~30 mg/L Ti 1 pg/L~300 mg/L 1.3 ASV 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、高效、廉价的工作电极材料及结构，如采用炭黑/石墨电电[10-11]、修饰或改性的炭糊/石墨电极121、金电极13、铋电及4、银电5以及廉价的1，10-氨杂OP)修饰的黏土层电极6等。 Nano-Band ExplorerI金属分析仪是美国TraceDetect 公司引入纳米技术 Nanotechnology)的先进理念研发的新型重金属离子检测仪器。电极由100个0.2 nm×6 nm 的纳米带电极组成，累积每块小电极产生的信号以放大信号。纳米带电极与ASV法结合，扣除背景电流，准确测量法拉第电流，有效地提高了信噪比，进一步提高仪器灵敏度。Cu，Zn， Cd 和 Pb检测浓度为100 ng/L， As 木 Hg 检测浓度为1 g/L。可存储10°个测量数据。一般情况下，与 ICP-MS的检测结果偏差在10%左右。2006年4月TraceDetect 公司的 As 自动分析仪SafeGuard Automated Arsenic Analyzer)得得了 USEPA的认证。但是 Nano-Band" ExplorerII 目前还没有获得 US EPA 的认证。 石英微天平分析仪 (Quartz CrystalMicrobalance，QCM)是一种质量感测设备，它能够在石英晶体上实时地测量极微小的质量变化，灵敏度为0. 001 ug。 Weiss 等采用 QCM技术，结合ASV 法检测液态样品中的重金属离子。将电极连接到电源的负极上，电流可以将重金属离子沉积在石英晶体微天平表面，由电极电压和适当的金属电化学系列决定沉积到电极上的金属类型。金属沉积导致QCM 传感器的谐振频率降低。相反的电流引起最初沉积的金属逐渐溶出导致传感器谐振频率的增加。QCM的灵敏度非常高，离子浓度测量分辨率可能低于50 p.g/L。研究表明，QCM可以分辨 Cu*和Ni+，定量检测范围为50~10 000 p.g/L18。唐国林等也开展了基于 QCM 技术的重金属离子检测技术研究，建立了一种纳米金信号增强压电示金属检测方法，并用该方法对溶液溶的 Cu*，Cd*，Hg’，Pb2+和 Co²+等进行了检测，结果表明，检测方法便利、易于实现，且检测的灵敏度较高. 2 生物学检测方法 2.1 重金属离子的免疫检测技术 免疫检测技术以其特有的专一性、灵敏性、低成本、实时快捷等特点，已经在环境有机污染物、生物毒素和微生物监测研究等领域取得一定进展，并且已有标准化的产品。 US EPA 用于评价固体废物的理化测试方法Test Methods for Evaluating SolidWaste， Physical/Chemical Methods，简称 SW-846)4000 系列现行的16个生物分析筛查标准方法中有13 个免疫学方法，正在开发的4个生物学监测分析 方法均为免疫学检测分析方法。检测的污染物包括二噁英、多氯联苯、多环芳烃、石油烃、农药类、炸药类和重金属日。目前我国标准分析方法体系中仅有水中微囊藻毒素的免疫检测分析方法。 1985年 Reardan 等首次开展重金属-螯合物抗原研究，并分离出相应In的特异性抗体，开启了重金属免疫检测技术研究的先河1201。国内外研究人员开展了广泛的研究，研制出越来越多的抗 Hg+，In，Cd+和Pb2+等金属-螯合剂复合物抗原，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[21-23]。目前市场上用于食品检测的重金属离子快速检测试剂盒有铅、砷、汞、铬、镉，一次可以检测50个样品，每个样品检测成本为3~4元人民币24. 环境样品因其成分复杂、干扰较多，其中的重金属离子免疫检测方法的研究开发具有一定的难度。US EPA 从1995年开始支持重金属的定量免疫检测Quantitation of Heavy Metals by Immunoassay，EPAGrant Number： R824029)研究工作。其中US EPA标准检测方法4500 为土壤中汞的免疫检测Mercury in Soil by Immunoassay)，于1998年颁布。Blake 等承担的水和土壤中铅的免疫检测方法Lead in Water & Soil by Immunoassay，4510)仍然处于研发之中。与此同时也有许多基于免疫检测技术的重金属离子免疫传感器的研究。 Blake 等用一种计算机控制的流式荧光计 KinExA)检测样品中的Cd+，Co+，U+和Pb2+，其检测精度与 ICP-MS 相当，但鲜见应用于现场检测的报道25。虽然国内外科技人员在该领域的研究工作已取得一定进展，然而以免疫检测为核心的环境重金属离子检测技术研究尚处于起步阶段，至今仅有土壤中汞的免疫检测试剂盒，其他重金属离子的环境样品检测试剂盒或传感器等仍无标准化产品。 2.2 重金属离子的DNA检测方法 功能脱氧核糖核酸 Functional DNA)包括 DNA酶 Catalytic DNA 或 Deoxyribozyme 或 DNAzyme)和DNA 适配子 aptamer)两类。基于功能 DNA 原理，结合纳米材料或者电化学发光/荧光技术的电化学传感器是当今一个研究热点。DNA酶 DNAzyme)是通过体外筛选技术 SELEX技术)得到的具有酶活性的小分子单链 DNA，在特定辅酶存在下具有催化作用，其酶活性与某些金属离子密切相关。DNA 适配子是具有对特定靶物质有特异性亲和力的特定DNA 序列。 DNA 酶具有易于合成和修饰、稳定性好及对环境污染小等特点，其在金属离子检测中的应用备受关注126.通过分光光度计采集荧光信号，可以实现ug/L数量级的 Pb²+检则7. Xiang 等报道了一种检测Pb*的荧光生物传感器。在 DNA 链中引入dSpacer 位点建立非标记的功能 DNA 传感系统。荧光分子 ATMND可以特异性地与 dSpacer 位点结合，形成荧光猝灭的初始状态。当DNA酶或DNA适配子与相应的分析物Pb+发生作用，则会破坏dSpacer 位点处的 DNA 双链结构，从而释放出荧光分子 ATMND，产生显著的荧光增强信信。Pb²*的检测限为4 nmol/LD28 戈芳等通过自组装方法将修饰有二茂铁基团的富T序列DNA分子 DNA-Fc)固定在金电极表面，得到一种基于 DNA 修饰电极的电化学Hg传感器。溶液中的Hg*可与修饰电极上DNA的T碱基发生较强的特异结合，形成 T-Hg+T发卡结构，使 DNA 分子构象发生改变，其末端具有电化学活性的二茂铁基团远离电极表面，电化学响应随之发生变化。Hg2+浓度为0.1 nmol/L~1 u.mol/L时，电流相对变化率与 Hg*浓度的对数呈良好的线性关系。该修饰电极对 Hg*的检测限为0.1 nmol/L，可作为痕量 Hg*检测的电化学生物传感器9. Xue等报道了室温下测定 Hg的比色分析方法。该系统采用了低浓度时寡核苷酸和纳米粒子Nanoparticles，NPs)结合，当水溶液中存在过量其他金属离子时，也能检测到Hg+。采用人工合成的具有金属依赖性的碱基片段替换天然 DNA 碱基，可以用于检测其他金属离子。在Hg的快速筛查中，通过蒸发预浓缩前处理或用耦合信号放大等方法，可以达到 US EPA 饮用水水出限10nmol/L30. 基于功能 DNA 的重金属离子检测传感器还处于研究阶段，还没有产品化的检测设备，但是该技术具有广阔的应用前景。 3 结论 在突发性环境污染事件应急调查和环境生态风险评价的筛查阶段，环境样品中的重金属离子快速检测分析可以采用 ASV法和生物分子检测法。ASV 法可以同时检测多种重金属离子，检测灵敏度和准确性高，但是检测成本较高，检测过程中伴随着 微量的汞污染。随着纳米技术和 QCM技术的引入，ASV 法的检测成本有望大幅降低。免疫检测法具有高通量、高特异性和低成本的特点，但是只有标准化的汞离子免疫检测方法，其他重金属离子的免疫检测方法如何应用于环境样品的检测还有待进一步研究。免疫检测传感器的研发将拓展重金属离子的免疫检测技术的应用空间。重金属离子的功能DNA 检测技术为环境样品中重金属离子的光生物检测传感器研究提供崭新的应用前景。 ( 参考文献 ) ( [ 1] 周生贤在重金属污染综合防治“十二五”规划视频工作会议上强调坚决打好重金属污染防治攻坚战切实维护人民群众 利益和社会稳定[]. 环 境保护，2011 4 )：12-13. ) ( [ 2] 雷鸣，秦普丰，铁柏清.湖南湘江流域重金属污染的现状与分 析[].农业环境与发展，20102)：6 2 -65. ) ( [ 3] 施婉君，靳治国，周培.上海市土壤重金属污染研究进展 ].上海环境科学，2009，282)： 7 27 5 . ) ( [ 4] 张建江，贾继民，马永红.中国重要水系的有毒重金属污染状况[].职业与健康，2011，27()：89-91. ) ( [ 5] 张星.“血铅超标”事件后的沉思[].中国有色金属，2010 02)：25-26. ) ( [ 6] 何荣刚，张正.“血铅”事件拷问环保机制[].中国有色金 属，2010 ( 2) ： 27- 2 8. ) ( [ 7] 国家环境保护总局.水和废水监监分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002：334-338. ) ( [ 8] U S EPA. 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