氰化物檢測技術(shù)研究進展

祖 新 ，楊玲娟 ，李羽翡 ，周 佳 ，趙菲佚 ，焦成瑾

（1.甘肅省食品檢驗研究院，甘肅蘭州730030；2.天水師范學院化學工程與技術(shù)學院，甘肅天水741001；3.硫生物技術(shù)研究所，甘肅天水741001；4.天水師院學院生物工程與技術(shù)學院，甘肅天水741001）

氰化物是一類劇毒危險化學品，分為無機氰化物、有機氰化物和氰化物絡(luò)合物等，新近提出的有效氰化物則包括HCN、NaCN等簡單氰化物和中等及弱穩(wěn)定金屬氰絡(luò)合物，如：Hg（C、Ni（C等。有效氰化物作用快、毒性大，是重點關(guān)注的氰化物。

1 氰化物的來源和危害

環(huán)境中的氰化物主要來源于工業(yè)應(yīng)用，如：電鍍、選礦、洗印、醫(yī)藥、合成材料、農(nóng)藥等，燃燒或熱降解1 g聚氨酯泡沫塑料約產(chǎn)生 0.008 g HCN〔1〕，而吸煙者唾液中的氰化物水平為164 mg/L〔2〕。除人工源外，也有少部分來自于自然源，已經(jīng)在菊科、豆科、亞麻科和薔薇科等2 500多種種屬中被發(fā)現(xiàn)的氰苷即是氰化物的自然源〔3〕，其在木薯、亞麻子以及白三葉草中以亞麻苦苷的形式存在，在苦杏仁、櫻桃核、大果西番蓮等中則以苦杏仁苷和野櫻皮苷的形式存在。氰苷本身不含有毒性，但當植物組織被破壞時會釋放內(nèi)源性酶，氰苷會被酶分解生成氰醇繼而轉(zhuǎn)化為HCN，因此也具有毒性。

不僅無機氰化物會污染環(huán)境使生物中毒甚至死亡，即便是鐵氰酸鹽和亞鐵氰酸鹽等低毒性氰化物復(fù)鹽，若大量排入地表水，經(jīng)陽光照射和在其他條件的協(xié)同作用下也可以分解并釋放出相當數(shù)量的游離氰化物，導(dǎo)致水生生物中毒死亡，同時氰化物還會影響植物的生長發(fā)育并造成減產(chǎn)，因此測定多形態(tài)的氰化物在實際監(jiān)測中尤其重要。

2 氰化物提取及預(yù)處理方法

氰化物的提取高度依賴堿性條件，Y.M.Wei等〔4〕研究了五類氰化鐵的堿輔助浸出行為，結(jié)果表明，pH升高顯著提高了解吸率，在pH=13處瀝濾2 h可以完全浸出土壤中的氰化物。采用新研發(fā)的氣熱提取法，使用由乙二胺四乙酸二鈉與磷酸物混合而成的預(yù)處理劑，可使水體和食品中痕量氰化物濃縮富集 5 倍〔5〕。

氰化物樣品分析前需加亞硫酸鈉溶液除去活性氯等氧化物干擾，加氨基磺酸除去亞硝酸離子干擾，正己烷快速萃取可去除中性或者酸性油干擾（大于40 mg/L時），質(zhì)量濃度高于1 000 mg/L的HCO3-對分析有干擾必須稀釋〔6〕。當樣品中含有大量硫化物時，應(yīng)先加碳酸鉛固體粉末除去硫化物，并用硫代硫酸鈉除去氧化性干擾物質(zhì)，否則在堿性條件下，氰離子和硫離子作用形成硫氰酸離子從而干擾測定。檢測植物氰苷時，加入外源β-葡萄糖苷酶后測定的氰化物含量準確度更高〔7〕。

3 氰化物測定方法

3.1 色譜法

色譜法是近40 a來分析化學領(lǐng)域研究最為活躍的一種分離檢測方法，它利用混合物中不同組分與固定相作用力的大小不同，在流動相推動作用下，將不同組分逐一分離，色譜法廣泛應(yīng)用于氰化物的測定。

3.1.1 氣相色譜法

氣相色譜配置的電子俘獲檢測器（ECD）對包括CN-在內(nèi)的電負性物質(zhì)非常敏感，從而可獲得較低的檢出限。通常采用的衍生化頂空氣相色譜-ECD檢驗原理是：以氯胺T、次氯酸鈉、溴水和次氯酸鈉〔8〕為衍生試劑，氰化物被氧化為氯化氰或溴化氰，在頂空瓶內(nèi)達氣液分配平衡時，取一定體積的液上氣體經(jīng)色譜柱分離并被檢測。該方法操作簡便、抗干擾能力強，檢出限可低至0.5 μg/L，且在較寬濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，因此被廣泛應(yīng)用于空氣、環(huán)境水樣、糧食、白酒、食品，甚至血液等樣品中微量氰化物的測定〔9〕。

除了上述氣相色譜-ECD方法外，亦可對氰化物衍生轉(zhuǎn)變后，采用配置氮磷檢測器（NPD）〔10〕、氫火焰檢測器（FID）〔11〕和質(zhì)譜檢測器（MS）〔12〕的氣相色譜檢測。

3.1.2 液相色譜法

伴隨近年來樣品微萃取濃縮富集、配位衍生和梯度淋洗等技術(shù)的發(fā)展，液相色譜不僅能夠測定簡單氰化物，而且能測定氰絡(luò)合物。通常使用Ni（Ⅱ）作為金屬絡(luò)合衍生劑，它在氨水存在的條件下能與游離氰離子生成穩(wěn)定的 Ni（C絡(luò)合物，Ni（C在267 nm處有很強的紫外吸收，該方法簡便快速，抗干擾能力強、靈敏度高，朱友等〔13〕依此原理成功測定了卷煙主流煙氣中的氰化物。

高效液相串聯(lián)質(zhì)譜（HPLC-MS-MS）是將第一次質(zhì)譜檢測的離子碎裂后進行二次質(zhì)譜檢測，這種方式可最大程度地排除基體干擾，提高選擇性和靈敏度。C.Lacroix等〔14〕開發(fā)的在線檢測血液中氰化物的液相串聯(lián)質(zhì)譜方法，僅使用一個小的血液樣本，簡單省時，非常適合包括法醫(yī)毒理學在內(nèi)的血液中氰化物的測定。H.I.Kang等〔15〕以d-半胱氨酸和次氯酸鹽為衍生劑建立的簡單氰化物串聯(lián)質(zhì)譜分析方法，將形成的β-硫代氰丙氨酸直接注入液相串聯(lián)質(zhì)譜儀檢測，檢出限達到0.07 μg/L，特別適合加氯消毒過的飲用水中氯化氰的檢測，24 h可檢測18個樣品。

3.1.3 離子色譜法

離子色譜測定氰化物及金屬氰化絡(luò)合物的方法較為成熟，配備安培檢測器的離子色譜可直接檢測μg/L級的CN-，而且凡是檢測條件下不發(fā)生氧化還原反應(yīng)的所有共存物均不出峰，不發(fā)生干擾〔16〕。

欒紹嶸等〔17〕將合成藥直接溶解在熱的氫氧化鈉中，采用離子色譜安培法檢測了維生素B6與2-噻吩乙酸中的痕量氰化物，實際合成藥物中CN-的檢出下限達到0.016 4 μg/g。相對于化學滴定和分光光度法，離子色譜安培法檢測氰化物具有速度快、靈敏度高，不需加入衍生化試劑，對人員和環(huán)境無害等優(yōu)點，是一種符合綠色化學的分析手段，目前該方法在司法領(lǐng)域的氰化物檢測中得到廣泛應(yīng)用〔18〕。

3.1.4 毛細管電泳色譜法

毛細管電泳是一類以毛細管為分離通道，以高壓直流電場為驅(qū)動力的新型液相分離技術(shù)。K.Papeová等〔19〕建立了在硫代硫酸鹽電解質(zhì)中測定氰化物含量的毛細管電泳色譜方法，在毛細管柱內(nèi)植入硫氰酸酶，這種線粒體酶能有效地將氰化物轉(zhuǎn)化成具有更強吸收的硫氰酸鹽，在200 nm測定條件下方法檢出限為 78 μg/L，線性范圍為 0.39～13 mg/L。可實現(xiàn)微量體積試樣中氰化物的高效分離是毛細管電泳色譜法的突出特點。

3.2 光譜法

3.2.1 分光光度法

應(yīng)用廣泛的微量氰化物分光光度法于1944年建立，使用的是吡啶-聯(lián)苯胺化學體系，隨后其他幾種化學體系的分光光度法陸續(xù)被成功建立，其中的異煙酸-巴比妥酸、異煙酸-吡唑啉酮和吡啶-巴比妥酸體系目前應(yīng)用最為廣泛。這三種體系的檢測限均可達到μg/L級別，而且成熟可靠、成本低廉、適用性強，廣泛應(yīng)用于水、土壤、動植物、焦爐煤氣、金精礦等樣品中氰化物的測定，也被國內(nèi)外廣泛采用為法定的分析方法。但該類方法也存在操作人員安全、二次污染以及操作繁瑣等問題，影響了實際應(yīng)用范圍。

新近開發(fā)的電子比色法技術(shù)原理是基于化學顯色事實上呈現(xiàn)復(fù)合光，而該復(fù)合光的每一波長下對應(yīng)的吸光度都與待測物濃度呈一定的比例關(guān)系，均符合朗伯-比爾定律，對生成物進行全色分析即可得到濃度信息。相比傳統(tǒng)分光光度計遵循的單一波長下最大吸收原則，氰化物采用電子比色法檢測的抗干擾能力更強，準確性更接近真實狀態(tài)〔20〕。

3.2.2 原子吸收光譜法

氰離子與過渡金屬離子可形成穩(wěn)定絡(luò)合物，用原子吸收分光光度法（AAS）測定溶液中過剩的金屬離子或絡(luò)合物濃度，可間接測定樣品中的氰化物。向雙全等〔21〕在pH=8.2的氨-氯化銨緩沖溶液中，添加4%十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）表面活性劑和10 mg/L銅標準溶液，形成穩(wěn)定的Cu2+-CN--CTAB三元絡(luò)合物，經(jīng)正丁醇萃取后，采用熱解涂層石墨管原子吸收分光光度計測定絡(luò)合物中銅的含量，間接求得氰的含量。利用汞與氰生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，冷原子吸收光度法（DMA）也可間接測定氰化物〔22〕。

3.2.3 拉曼光譜法

光在發(fā)生拉曼散射后不同原子團振動的頻率是惟一的，因此可以鑒別出組成物質(zhì)的分子種類。近年來激光和CCD傳感器技術(shù)的進步使拉曼光譜分析可以運用到氰化物實際檢測中。

朱穎潔等〔23〕構(gòu)建了一種基于殼層隔絕納米粒子的血液氰化物表面增強拉曼光譜檢測方法，在強堿性條件下以殼層隔絕金納米粒子為基底，極大地削弱了氰化物的溶金效應(yīng)，使得檢測信號穩(wěn)定，存在時間由普通金納米粒子的5 min提高至1 h，方法檢出限達 10 μg/L，線性范圍為 100～2 000 μg/L，實現(xiàn)了中毒血液中氰化物的快速檢測。劉易等〔24〕在拉曼位移2 135 cm-1處觀察到明顯的氰根（CN-）特征峰，并測得中藥通宣理肺丸CN-的含量為4.56 μg/g。拉曼光譜法在氰化物的快檢領(lǐng)域得到普遍運用。

3.3 電化學傳感器方法

3.3.1 離子選擇電極法

離子選擇電極法（ISEs）的指示電極對特定離子具有選擇性響應(yīng)，方法簡便可靠，靈敏度高，成為重要的氰化物檢測手段。A.Abbaspour等〔25〕開發(fā)的一種化學修飾碳糊電極，對鹵化物、類鹵化物及草酸等干擾不響應(yīng)，可實現(xiàn)對水中9 μmol/L氰化物的檢出。該類方法的關(guān)鍵，第一是干擾物的分離，第二是電極的清洗活化。J.Cheng等〔26〕開發(fā)的一種可拋棄型銀電極氰化物檢測方法，對解決電極的清洗活化具有良好的啟發(fā)作用。

3.3.2 生物電極法

生物電極法采用了生物有機成分修飾電極，實現(xiàn)了生物識別和電化學傳感的有機結(jié)合。V.Kumar等〔27〕利用與銨離子選擇電極結(jié)合的黃桿菌MTCC6936氰化二水酶活性，研制了一種用于氰化物檢測的電位生物傳感器，該傳感器對0.06 mg/L的氰化物有響應(yīng)。生物電極不但檢測快速、靈敏度高、專一性強，而且綠色環(huán)保，非常適合食品樣品中氰化物的監(jiān)測。

3.3.3 其他電化學傳感器法

材料工業(yè)的快速發(fā)展促成了新型電化學傳感器在氰化物檢測中的應(yīng)用。R.Hallaj等〔28〕用氧化石墨烯和二氧化鈦納米顆粒修飾的玻璃碳電極對氰化物進行電化學感應(yīng)。首先，用氨基丙基三乙氧硅烷對硫代納米（AS）顆粒表面進行修飾，然后與石墨烯氧化物納米片（GO）在 4-硝基苯酚（rNPh）的還原作用下沉積在玻璃碳電極（GCE）表面，設(shè)計了GO/TiO2-AS-rNPh電極。它在pH=7的溶液中，0.35 V的最佳條件下測定氰化物，具有0.1 μmol/L的檢測極限和165.5 nA·nmol/（L·cm）的靈敏度，動態(tài)線性范圍從 0.1 μmol/L延伸到60μmol/L，該電極同時對潛在的陰離子不具有干擾反應(yīng)，顯示了良好的選擇性、線性分析范圍和靈敏度，目前該傳感器已用于工業(yè)電鍍廢水的檢測。

3.4 核磁共振法

核磁共振（NMR）是一種重要的波譜技術(shù)，但通常只有高含量的氰化物可以采用該方法檢測，原因是13C和15N核的自然豐度和旋磁比低。李騰等〔29〕采用三氟苯乙酮衍生試劑，將CN-轉(zhuǎn)化為19F衍生物，實現(xiàn)對水樣中氰化物的間接鑒定，由于原子核F的自然豐度高，19F核的絕對敏感度是質(zhì)子的0.83倍，并且譜圖有尖的洛倫茨線型和寬的化學位移，因此可以滿足低含量氰化物的檢測。試驗表明該衍生方法的檢出限為0.7 mg/L，方法不受其他干擾離子（如等）的影響，具有良好的專屬性，回收率大于74.0%，相對標準偏差小于3.0%。該方法曾用于爆炸區(qū)采集的水樣中氰根的測定，獲滿意結(jié)果。

3.5 流動注射技術(shù)

流動注射技術(shù)（FIA）在CN-的快速連續(xù)監(jiān)測分析上發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用于液體樣品環(huán)境水樣〔30〕中氰化物的監(jiān)測。盧杰映〔31〕比較了流動注射法和異煙酸-巴比妥酸光譜法，結(jié)果顯示前者不但線性范圍寬而且具有更高的靈敏度。

流動注射技術(shù)通常聯(lián)用分光光度檢測器，但聯(lián)用電位檢測器〔32〕、熒光檢測器〔33〕和火焰原子吸收光譜〔34〕的流動注射技術(shù)也用來檢測氰化物，新近開發(fā)的配位體交換-流動注射技術(shù)〔35〕很快被美國國家環(huán)境保護局（EPA）批準為官方方法OIA-1677，該方法有許多優(yōu)點：在基體面臨干擾的情況下對氰化物有更大的選擇性，而且能夠測量更低濃度的有效氰化物，同時實現(xiàn)低水平的實驗室污染物排放。

3.6 熒光分子探針法（化學傳感器法）

熒光分子探針法是基于分子識別原理以有機熒光染料為技術(shù)核心設(shè)計合成的分子傳感器，相比傳統(tǒng)方法具有專一性好、檢測限低、速度快、可視化等優(yōu)點，已用于生物和環(huán)境系統(tǒng)中氰化物的監(jiān)測，甚至可以作為監(jiān)測腫瘤細胞中CN-的生物成像劑〔36〕。常見氰化物熒光分子探針的工作原理和檢出限見表1。

分子探針法作為技術(shù)熱點保持了強勁的研究態(tài)勢，近三年文獻報道的氰化物最新檢測技術(shù)幾乎均在此領(lǐng)域。

量子點是當下前沿技術(shù)之一，它是把導(dǎo)帶電子、價帶空穴及激子在三個空間方向束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，被稱為“人造原子”。由量子點技術(shù)開發(fā)的探針也用于氰化物檢測。O.J.Achadu等〔49〕描述了石墨烯量子點（GQDs）和鈷芘衍生酞菁（CoPc）作為識別氰離子（CN-）的敏感納米探針。在非共價（π-π堆積）雜化層上，CoPc通過能量轉(zhuǎn)移途徑淬滅GQDs熒光。然而在CN-的存在下，GQDs最初被CoPc所淬滅的熒光能夠被有效地回收。CN-對GQDs熒光的“OFF-ON”專屬作用，證明了探針對CN-的選擇性，檢測值在1.0～50.0 nmol/L的線性范圍內(nèi)，檢測低值為0.5 nmol/L。

Yang Feng等〔50〕設(shè)計了一種基于發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移的功能性DEHSPI-PLNPs納米探針，探針由兩個主要部分組成：具有優(yōu)異余輝特性的持久發(fā)光納米顆粒PLNPs作為能量供給體，以及具有可調(diào)諧光吸收的吡啶藍染料DEHSPI作為能量受體和CN-識別元素。持久的余輝特性突出了利用PLNPs作為能量提供者在原位激發(fā)下消除背景噪聲的優(yōu)點。該納米探針在活體細胞CN-的生物成像中表現(xiàn)出優(yōu)異的分析性能和較低的細胞毒性，也首次證實了在無外部照度下檢測氰離子的新方法。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，多種技術(shù)可用于氰化物的檢測且各有特點，其中光譜法穩(wěn)定可靠，作為經(jīng)典方法廣泛適用于各型氰化物檢測；電化學傳感器法適合簡單氰化物和包含部分絡(luò)合氰化物的總氰化物工業(yè)監(jiān)測，方法成熟；色譜法能測定簡單氰化物、總氰化物和絡(luò)合氰化物，尤其對絡(luò)合氰化物的測定具有優(yōu)勢；流動注射分析以其自動操作的特點尤其適用于環(huán)境中氰化物的在線監(jiān)測；核磁分析則運用于氰化物的準確鑒定，而分子熒光探針技術(shù)以對氰化物超高的靈敏度成為近年來的研究熱點和前沿領(lǐng)域，適用于食品和環(huán)境快檢以及醫(yī)學監(jiān)測領(lǐng)域。未提及的化學滴定和放射化學等技術(shù)使用面相對較窄，但也是氰化物檢測必要的技術(shù)儲備。今后應(yīng)該加大對低成本、高效率、智能化、小型化且無毒環(huán)保檢測方法的研究，以利于大范圍常規(guī)檢測和突發(fā)公共衛(wèi)生事件的快速響應(yīng)，同時探索基于新型分析原理的檢測技術(shù)，提升氰化物檢測的適用性和準確度。