重金屬的檢測(cè)新方法及其在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

周靜靜 高國(guó)偉,2 李延生＊ 王冬冬 何一凡

1.北京信息科技大學(xué) 傳感器北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；3.北京工商大學(xué) 化妝品監(jiān)管科學(xué)研究院，北京 100048

0 前言

根據(jù)1989 年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》規(guī)定，化妝品是指以涂擦、噴灑或其他類似的方法散布于人體皮膚、毛發(fā)、指甲、口唇等部位，以達(dá)到清潔、護(hù)膚、美容等目的的日用化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品[1]。在過去的幾十年里，化妝品行業(yè)迅速發(fā)展，種類日益增多，功能也日趨多樣化，在人們的生活中逐漸占有重要地位[2]。

然而，化妝品某些成分的添加若不符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格就會(huì)危害人體健康[3-4]?；瘖y品中常見的有害物質(zhì)包括防腐劑、合成香料、色素、激素、重金屬等[5]。其中防腐劑的超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致過敏性皮炎的發(fā)生；激素的添加會(huì)導(dǎo)致內(nèi)分泌紊亂，皮膚新陳代謝異常[6]?；瘖y品中的重金屬離子能夠產(chǎn)生美白、淡斑的功效，但是過量使用就會(huì)通過皮膚進(jìn)入體內(nèi)，造成巨大的傷害[7]。因此，化妝品中重金屬離子的精準(zhǔn)測(cè)量具有非常重要的意義。目前，常見的檢測(cè)方法有電感耦合等離子體發(fā)射譜法、紫外可見分光光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等。雖然這些檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)化妝品中重金屬離子的精準(zhǔn)測(cè)量，但也有一些不足之處，如電感耦合等離子發(fā)射譜在實(shí)際運(yùn)用中易受環(huán)境影響，紫外可見分光光度檢測(cè)時(shí)需要的特殊試劑有較強(qiáng)的毒性，電感耦合等離子體質(zhì)譜法使用的設(shè)備儀器較為昂貴以及需要專業(yè)的技術(shù)人員[8]?；诖?，文章綜述了新型的重金屬離子檢測(cè)方法，有望實(shí)現(xiàn)化妝品安全性的快速、便攜、精準(zhǔn)評(píng)估。

1 化妝品中重金屬的主要來源

不同化妝品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)差異化較大，可能導(dǎo)致重金屬離子超標(biāo)的流程也非常多樣化?；瘖y品中重金屬離子的來源主要分為3 類：第1 類是化妝品生產(chǎn)過程中使用到的原料[9]，比如化妝品中的天然成分是從植物中提取而來的，在提取植物精華時(shí)，富集在植物內(nèi)的重金屬會(huì)不可避免地殘留在植物提取物中；第2 類是在化妝品生產(chǎn)過程中故意添加重金屬及其化合物[10]，一些重金屬的鹽或氧化物具有隔離紫外線、增白等效果，而其替代品的工藝成本過于高昂，一些不法商家和企業(yè)為了獲取暴利就會(huì)惡意添加這些有害物質(zhì)；第3 類是來自化妝品的包裝以及運(yùn)輸過程，包裝材料中重金屬的析出和遷移也會(huì)導(dǎo)致化妝品中重金屬離子的含量超標(biāo)。

2 化妝品中重金屬檢測(cè)的傳統(tǒng)方法

化妝品中含有的重金屬離子會(huì)嚴(yán)重危害人體的健康。為了實(shí)現(xiàn)化妝品中重金屬含量的精準(zhǔn)測(cè)量，通常采用石墨爐原子吸收光譜法、原子吸收光譜法、高效液相色譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、紫外可見分光光度法等，如表1所示。這些方法技術(shù)成熟度高，是實(shí)現(xiàn)化妝品安全性評(píng)估的有力手段。

3 化妝品中重金屬離子的新型檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)化妝品中重金屬的準(zhǔn)確測(cè)量，但依然存在弊端，如對(duì)專業(yè)技術(shù)人員和儀器設(shè)備的依賴[17]。因此，開發(fā)簡(jiǎn)單、快速、便攜的檢測(cè)工具，讓人們方便得知化妝品中的重金屬含量是人類健康和化妝品行業(yè)的發(fā)展需要。近年來，新型納米材料和智能識(shí)別分子憑借其優(yōu)良的特性，在生物化學(xué)傳感應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景[18-20]。下文介紹了近期關(guān)于化妝品中常見重金屬離子的幾種檢測(cè)新方法。

3.1 汞離子（Hg2+）的檢測(cè)

汞離子可以阻止黑色素的生成，通常用于皮膚增白。但長(zhǎng)期使用含有汞離子的化妝品會(huì)影響人的神經(jīng)系統(tǒng)，造成視力模糊或行走困難，嚴(yán)重的汞中毒會(huì)導(dǎo)致器官衰竭直至死亡[21]。

目前，已經(jīng)開發(fā)出多種汞離子的檢測(cè)方法。碳點(diǎn)作為一種新興的熒光納米粒子常用于檢測(cè)重金屬離子，是一種有前景的熒光傳感器[22]。Sun D 等人[23]以梔子為前驅(qū)體，通過熱液合成法制備了氮硫共摻雜碳點(diǎn)，檢測(cè)Hg2+。氮硫共摻雜碳點(diǎn)溶液發(fā)出藍(lán)色熒光，將Hg2+加入氮硫共摻雜碳點(diǎn)水溶液中，碳點(diǎn)形成Hg2+-S健吸附Hg2+，導(dǎo)致氮硫共摻雜碳點(diǎn)熒光猝滅。Geng Z等人[24]通過簡(jiǎn)單的交聯(lián)方法，用戊二醛改性殼聚糖纖維，制備出優(yōu)良熒光性能的三維殼聚糖水凝膠。三維殼聚糖水凝膠具有親水性，在337 nm 處發(fā)射出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光。三維殼聚糖作為固相熒光探針，選擇性地、靈敏地測(cè)定了水中的汞離子，檢測(cè)限為0.9 nmol/L。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，在Hg2+存在下，熒光在401 nm 處猝滅，這是因?yàn)镠g2+和戊二醛熒光團(tuán)與共軛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)絡(luò)合作用。由于Hg2+-Au（I）高親和力的親和性金屬相互作用機(jī)制，F(xiàn)u J 等人[25]開發(fā)了一種透明的纖維素納米纖維基質(zhì)支撐發(fā)光金納米顆粒（AuNPs）穩(wěn)定的固態(tài)傳感膜。在這種固態(tài)膜中，合成了具有強(qiáng)烈紅色熒光發(fā)射的金納米顆粒作為傳感單元，制備了纖維素納米纖維基質(zhì)作為載體，為AuNPs 提供大量的固定點(diǎn)，并產(chǎn)生強(qiáng)熒光。當(dāng)固態(tài)膜與Hg2+接觸時(shí)，紅色熒光猝滅，并顯示“關(guān)斷”信號(hào)，如圖1 所示，用肉眼可以很容易地觀察到從紅光發(fā)射到猝滅的顏色變化，檢測(cè)限為1.0 nmol/L。

表1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

針對(duì)化妝品中汞離子的檢測(cè)，Talat M 等人[26]和Guo M 等人[27]提出了應(yīng)用到化妝品中重金屬離子的檢測(cè)方法。石墨烯因其強(qiáng)導(dǎo)電性、生物相容性和突出的表面體積比而被用于電極的改性[28]。Talat M等人[26]提出用石墨烯修飾玻碳電極，用于化妝品中汞離子的檢測(cè)，并通過電化學(xué)方法測(cè)定汞的含量。結(jié)果顯示，該電極可以準(zhǔn)確、靈敏地檢測(cè)實(shí)際樣品中的汞離子，檢測(cè)限為10-6mmol/L。這種裝置具有良好的電子穩(wěn)定性、高靈敏度、較低的檢測(cè)限，并且可以實(shí)時(shí)檢測(cè)美容霜中的Hg2+。Guo M 等人[27]開發(fā)了一種基于全細(xì)胞微生物傳感器的測(cè)試條平臺(tái)，可同時(shí)檢測(cè)化妝品中的可溶性和不溶性無機(jī)汞污染物，且無需預(yù)先簡(jiǎn)化。通過啟動(dòng)子轉(zhuǎn)入大腸桿菌DH5α（一種用于基因工程的菌種，相比于正常菌種缺少了一定的免疫機(jī)制）中構(gòu)建了汞生物傳感器。不同形態(tài)的汞將影響大腸桿菌中汞的表達(dá)水平，研究人員通過測(cè)定汞的熒光強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)汞的定量檢測(cè)。這種檢測(cè)方法非常簡(jiǎn)便靈活，檢測(cè)流程如圖2 所示。消費(fèi)者在家就可以使用這個(gè)試紙條來檢測(cè)化妝品中是否含有汞及汞化合物，如果化妝品中汞含量超過1 mg/kg，試紙就會(huì)變紅。在整個(gè)檢測(cè)過程中不需要專門的儀器。該試紙條為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)化妝品中的汞污染提供了一種低成本、易于使用且與儀器無關(guān)的方法。

3.2 鎘離子（Cd2+）的檢測(cè)

鎘在人體內(nèi)長(zhǎng)期積累會(huì)損害肝臟、肺、腎、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼等器官，另外，鎘是一種致癌物質(zhì)[29-30]。因此，探索更為簡(jiǎn)便的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)化妝品中鎘離子的精準(zhǔn)檢測(cè)具有重要意義。

目前，Cd2+的分析方法主要包括原子吸收分光光度法[31-33]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[14,34]、原子熒光光譜法[35-36]等。Zhu Y F 等[37]設(shè)計(jì)了一種由Cd2+特異性適配體組成的單標(biāo)記多功能探針，它既是Cd2+的識(shí)別元件，又是信號(hào)發(fā)生器，檢測(cè)限為2.15 nmol/L。Cd2+的存在引發(fā)相應(yīng)適配體的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而導(dǎo)致熒光猝滅。Miao Q 等[38]成功開發(fā)了一種基于聯(lián)吡啶的水凝膠，用于體外和活細(xì)胞中的Cd2+檢測(cè)。該水凝膠由兩部分組成：第1 部分是兩個(gè)對(duì)稱的親水性Fmoc-賴氨酸，用于自組裝形成水凝膠并與Cd2+配位；第2 部分在Cd2+配位后，聯(lián)吡啶基團(tuán)開啟熒光。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，水凝膠與溶液中的Cd2+配位后，在470 nm 處開啟熒光（增強(qiáng)86 倍）。該水凝膠成功地實(shí)現(xiàn)了Cd2+的特異性檢測(cè)，檢測(cè)范圍為4 ～18 μmol/L，檢測(cè)限為21 nmol/L。

Khani R 等[39]提出了一種基于熒光光譜的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)口紅、染發(fā)劑和粉底霜中鎘離子的檢測(cè)。通過合成了四（4-硝基苯基）卟啉，一種新型特異性熒光探針，用于熒光“開啟”模式下的鎘離子測(cè)量。四（4-硝基苯基）卟啉中的NO2與Cd2+相互作用，打開熒光，而與其他的金屬陽離子結(jié)合并無熒光出現(xiàn)，表明該探針的特異性很好。熒光強(qiáng)度與Cd2+濃度呈線性關(guān)系，檢測(cè)限為0.276 μmol/L。

3.3 鉛離子（Pb2+）的檢測(cè)

化妝品中的鉛可以促進(jìn)皮膚吸收化妝品中的有效成分。含鉛化妝品使消費(fèi)者在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到快速美白效果，但是長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致皮膚變干、變薄，出現(xiàn)紅血絲、紅斑等一系列癥狀。鉛元素會(huì)通過皮膚進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，損害人體的造血功能[40-43]。

原子吸收光譜法和氣相色譜-質(zhì)譜法等傳統(tǒng)的檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)鉛的精準(zhǔn)測(cè)量。然而這些方法均依賴于大型設(shè)備，這在一定程度上限制了它們的廣泛使用。杯芳烴以其預(yù)先組織的構(gòu)象特征對(duì)重金屬離子具有選擇性識(shí)別作用，這引起了傳感技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[44]。Kocer M B 等[45]利用杯芳烴的獨(dú)特性質(zhì)研制了一種電化學(xué)生物傳感器，用于檢測(cè)Pb2+。在最佳條件下，該傳感器的工作范圍為0.48 ～2.31 μmol/L，檢測(cè)限為0.11 μmol/L。杯芳烴修飾的氣相色譜電極具有良好的電子傳輸途徑。適配體是一小段經(jīng)體外篩選得到的寡核苷酸序列或者短的多肽，能與相應(yīng)的配體進(jìn)行高親和力和強(qiáng)特異性的結(jié)合[46]。Ran G 等[47]研制了一種新型的一步組裝法無標(biāo)簽電化學(xué)傳感器，用于Pb2+的快速檢測(cè)。首先，通過圓二色性和等溫滴定量熱法從單鏈脫氧核糖核酸庫(kù)中篩選出Pb2+適配體，選擇的適配體是一個(gè)33 個(gè)的核苷酸序列，計(jì)算其與鉛離子之間的解離常數(shù)為1.13×10-6mol/L；然后，通過獨(dú)特的連續(xù)腺嘌呤連接劑，在不使用任何其他阻滯基團(tuán)的情況下，一步將適配體直接固定在絲網(wǎng)印刷電極表面；成功構(gòu)建好傳感器后，通過在絲網(wǎng)印刷電極上滴液來檢測(cè)Pb2+，檢測(cè)限為0.03 ng/mL。

便攜式視覺檢測(cè)方法以其速度快、無需儀器設(shè)備、可對(duì)多種目標(biāo)進(jìn)行定性和半定量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已被開發(fā)用于檢測(cè)重金屬離子。Mao Y 等[48]提出了一種基于功能性DNA 交聯(lián)水凝膠的金納米棒（AuNRs）的新檢測(cè)方法。以鉛離子作為模型靶標(biāo)，首先制備Pb2+響應(yīng)的DNA 水凝膠，Pb2+的加入會(huì)引發(fā)水凝膠的裂解和葡萄糖淀粉酶的釋放。釋放的葡萄糖淀粉酶催化直鏈淀粉生成大量葡萄糖，葡萄糖立即被葡萄糖氧化酶氧化生成H2O2，F(xiàn)e2+分解H2O2，生成活性自由基。AuNRs可以被自由基刻蝕，改變AuNRs 的長(zhǎng)徑比，進(jìn)而引起顏色的變化，最終實(shí)現(xiàn)可視化檢測(cè)Pb2+。課題組[49]也做了相關(guān)的研究，利用DNA 水凝膠結(jié)合毛細(xì)作用構(gòu)建了一種新的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境中鉛離子的裸眼定量檢測(cè)。檢測(cè)原理如圖3 所示，在Pb2+的存在下，相應(yīng)的DNA 酶被激活并切割其底物鏈，導(dǎo)致水凝膠膜的網(wǎng)孔尺寸擴(kuò)大并部分裂解，這種變化引發(fā)了Pb2+水溶液通過毛細(xì)玻璃管的速度發(fā)生轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)了通過記錄溶液在毛細(xì)管中的運(yùn)動(dòng)行為就可以分析Pb2+濃度的目的，無需其他外部設(shè)備，檢測(cè)限為10 nmol/L。

紙基微型設(shè)備以便捷、可靠、不需要專業(yè)人員解讀的特點(diǎn)漸漸走入研究人員的視野，相關(guān)的研究和開發(fā)也日益增多[50]。Wei X 等[51]開發(fā)了一個(gè)多功能、易于操作的護(hù)理點(diǎn)分析平臺(tái)，該平臺(tái)基于微流控紙基分析設(shè)備，使用靶向響應(yīng)適配體交聯(lián)水凝膠來調(diào)節(jié)流體流動(dòng)并讀出信號(hào)。根據(jù)目標(biāo)分析物與相應(yīng)適配體的特異性反應(yīng)，他們實(shí)現(xiàn)了Pb2+（檢測(cè)限為200 nmol/L）的快速定性檢測(cè)。在無需輔助設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員的情況下，6 分鐘內(nèi)就可用肉眼獲得測(cè)量結(jié)果。可視化的檢測(cè)方法具有很好的便攜性和較好的商業(yè)應(yīng)用前景。Liu W Y 等人[52]利用智能納米凝膠封裝的膠囊膜開發(fā)了Pb2+的可視化定量檢測(cè)體系。該膠囊膜體系由半透性海藻酸鈣膜和密封的聚（n-異丙基丙烯酰胺-18-冠醚-6）納米凝膠組成。這種半透膜可以使鉛離子和水快速通過，且完全排斥其他干擾物質(zhì)。Pb2+進(jìn)入膠囊中會(huì)被內(nèi)部的納米凝膠特異性識(shí)別，形成18-冠醚-6/Pb2+復(fù)合物，使納米凝膠由疏水態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水態(tài)，發(fā)生一定的膨脹，進(jìn)而引發(fā)彈性膠囊膜發(fā)生等溫膨脹，如圖4 所示。通過測(cè)量膠囊的膨脹率就可以實(shí)現(xiàn)Pb2+的定量檢測(cè)，檢測(cè)限為10-9mol/L。

針對(duì)化妝品中鉛離子的檢測(cè)，Puchakayala S 等[53]通過高指數(shù)晶面-銀納米花修飾的玻碳電極，用陽極溶出伏安法檢測(cè)鉛離子，檢測(cè)限為0.74 μg/L。與傳統(tǒng)的銀納米離子相比，納米花狀結(jié)構(gòu)具有良好的表面修飾和電化學(xué)分析能力，在Cu2+、Fe2+、Mg2+、Ni2+、K+、Na+與Pb2+共同存在時(shí)，表現(xiàn)出良好的特異性。

4 總結(jié)與展望

如今，隨著居民消費(fèi)的不斷升級(jí)，化妝品逐步成為生活必需品，化妝品的安全性問題引起人們的普遍關(guān)注。本文綜述了化妝品中重金屬離子的主要來源、傳統(tǒng)檢測(cè)方法以及新型便攜化測(cè)量方法。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法雖然可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的化妝品檢測(cè)，但依然面臨一些亟待解決的問題，如：需要復(fù)雜而繁瑣的樣品處理流程，或者需要精密的實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器以及受制于檢測(cè)環(huán)境，必須在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室才能完成，商業(yè)化可家用的檢測(cè)技術(shù)依然未能普及。隨著新的《化妝品安全技術(shù)規(guī)范》的頒布，化妝品的檢測(cè)技術(shù)也要隨之更新，以滿足新的檢測(cè)需要。新型檢測(cè)方法大多依賴智能響應(yīng)材料，如DNA 水凝膠、金納米顆粒等，這類的方法比較便攜、快速，但仍然有不足之處，如DNA 水凝膠的用量較大，導(dǎo)致成本高，不利于個(gè)體化使用等。

在科技工作者的不斷努力下，化妝品中重金屬離子的精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步?；谔键c(diǎn)、金納米顆粒以及智能水凝膠等新型材料開發(fā)的檢測(cè)技術(shù)，減少了對(duì)大型設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員的依賴，為化妝品檢測(cè)行業(yè)注入了新的血液，有望實(shí)現(xiàn)化妝品中重金屬離子的便攜、快速、精準(zhǔn)的測(cè)量。