重金屬快速檢測技術(shù)研究進展

陸覃昱，陳仕淼，羅義燦，甘志勇，李 鴻，李冬桂，呂麗蘭*

（1廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西南寧 530001；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部亞熱帶果品蔬菜質(zhì)量安全控制重點實驗室，廣西南寧 530001）

在我國，隨著農(nóng)田污染或高本底背景引發(fā)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題被報道，重金屬污染問題也逐步走進公眾的視野。在我國，鎘（Cd）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、汞（Hg）等5 種重金屬或類金屬是典型的土壤污染元素，由于其自身所具備的生物毒性，并且在生物體中存在累加效應(yīng)，其通過食物鏈進入人體后，會引發(fā)多種嚴重的健康問題。同時農(nóng)田重金屬污染也會導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)下降。目前用于農(nóng)業(yè)環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的重金屬相關(guān)檢測分析方法主要包括原子吸收法（AAS）、氰化物發(fā)生器-原子吸收法（HGV-AAS）、原子熒光法（AFS）、以及電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP-OES） 質(zhì)譜法（ICP-MS）。值得注意的是，雖然這些方法相對穩(wěn)定、成熟，近年來，隨著ICP 技術(shù)的應(yīng)用，已經(jīng)實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品中有害金屬離子的篩查，甚至實現(xiàn)了對簡單介質(zhì)，如地表水、污水、氣溶膠中的多種元素的在線監(jiān)測，但在復(fù)雜介質(zhì)（如土壤、農(nóng)產(chǎn)品）中，傳統(tǒng)儀器分析方法仍然存在前處理復(fù)雜、儀器設(shè)備昂貴所導(dǎo)致的監(jiān)測樣品量少，數(shù)據(jù)時效性差等問題，這大大制約了農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染的監(jiān)測及重金屬污染/高背景農(nóng)田安全利用的開展。同時隨著對重金屬污染機制機理研究的深入，及大數(shù)據(jù)及人工智能算法的發(fā)展，重金屬防治技術(shù)手段的開發(fā)也在不斷升級，農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染風險評估模型、早期預(yù)警理論、手段和方法不斷增加。這些都對日常監(jiān)測數(shù)據(jù)量及時效，提出了更高的要求。因此快速、廉價、高通量重金屬檢測技術(shù)正成為國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注的研究重點。

1 基于免疫識別的快速檢測技術(shù)

酶聯(lián)免疫法（ELISA）及膠體金法（GICT）是目前兩種較為成熟且被廣泛應(yīng)用的免疫檢測方法，其是利用抗原抗體特異性識別對待測物質(zhì)進行定性、定量分析的方法。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于新冠病毒在內(nèi)的病原體、毒素、抗生素檢測。其在農(nóng)業(yè)方面也被廣泛的應(yīng)用，目前采用相關(guān)技術(shù)開發(fā)的內(nèi)源激素、植物病原體、農(nóng)藥快速篩查相關(guān)檢測方法都開展了較為深入的研究。重金屬或類金屬離子由于其較小的分子量，通常情況下，并不具備免疫原性，但與其他大分子物質(zhì)如EDTA 螯合后與載體蛋白偶聯(lián)，可引發(fā)免疫反應(yīng)。郝亞明通過將鉛、鎘離子與硫氰根苯基乙二胺四乙酸（ITCBE）螯合后制備人工合成抗原，免疫小鼠后分別制備了鼠抗Pb-ITCBE 及鼠抗Cd-ITCBE 抗體，基于此構(gòu)建的ELISA 方法可實現(xiàn)對Pb 與Cd 的檢測，其最低檢出限分別為20 μg/L 和0.01 μg/L，檢測范圍分別為20～160 μg/L、0.01～0.64 μg/L。其檢測能力與原子吸收石墨爐法相當。奚濤制備了青霉烯酸硫醇汞（Hg-MPA）、汞-谷胱甘肽（Hg-GSH）、青霉烯酸硫醇銅鹽（Cu-MPA）半抗原與卵清蛋白（OVA）偶聯(lián)并通過p-NH-Bn-DTPA 雙功能偶聯(lián)劑將Pb、Cd 與載體蛋白孔戚血藍素（KLH）制備人工抗原，免疫新西蘭大白兔制備了Hg、Cu、Pb、Cd單克隆抗體，實現(xiàn)了對4 種元素的快速檢測，其中對Pb 的檢測能力最強，達6.63 mg/kg，優(yōu)于原子吸收石墨爐的檢測能力。而其他重金屬或類金屬如As、Cr、Ni 等相關(guān)抗體制備研究也有報道。

相較于傳統(tǒng)的全量儀器分析方法，ELISA與膠體金試紙法已經(jīng)很大程度上降低了分析技術(shù)要求及相關(guān)工作量，但基于抗體的生物傳感器技術(shù)可以更進一步提升重金屬檢測效率。Kinetic Exclusion Assay（KinExA）是一種流式熒光技術(shù)，通過包被受體或配體的珠子捕獲游離的配體或受體，再通過熒光標記的抗體檢測游離的配體或受體的量研究分子間相互作用的技術(shù)。Diane 等基于KinExA3000 開發(fā)了Cd-EDTA 生物傳感器，并利用其對地下水中的Cd 進行了分析，其加標回收率為（114.25±11.37%），處于可接受水平。Lin 等通過局域表面等離子共振（LSPR）技術(shù)構(gòu)建了Pb-EDTA 生物檢測器，其可以實現(xiàn)對最低0.27 μg/kg Pb的檢出能力，同時擁有10～100 μg/kg 的定量線性范圍。歐陽輝基于抗體識別機制和魯米諾-過氧化氫體系對重金屬的敏感機制的雙重特異性開發(fā)了Cu 化學(xué)發(fā)光免疫傳感器，實現(xiàn)了對中草藥中Cu 的檢測，其檢測范圍為1.0～1000 μg/kg，檢出限達0.33 μg/kg。但值得注意的是由于傳感器需要抗體等生物活性物質(zhì)參與識別工作，多數(shù)傳感器存在壽命短，工作條件嚴格等問題。部分傳感器的研究仍處于理論階段，其功能的實現(xiàn)仍需復(fù)雜設(shè)備配套，這些研究現(xiàn)狀均在很大程度上制約了相關(guān)應(yīng)用的開展。

綜上基于抗體的重金屬檢測技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的儀器分析方法，擁有高通量、前期投入低等顯著優(yōu)勢，便于基層單位開展工作，為例行監(jiān)測工作的開展提供了更為有效的手段。另外，多數(shù)植物傾向?qū)⒅亟饘倥c多種解毒物質(zhì)如谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PCs）等結(jié)合，以降低其毒性，減輕其對正常生理活動的影響。而對于某些重金屬或類金屬，如Cr、As，其不同結(jié)合態(tài)具有不同的毒理學(xué)意義。因此，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全評估及相關(guān)研究中，重金屬形態(tài)相較于重金屬總量更有意義。相較于傳統(tǒng)的液相色譜法，基于免疫識別的檢測技術(shù)可以更容易的提供農(nóng)作物中重金屬的形態(tài)信息，同時利用免疫組化技術(shù)，還可以有針對性的對特定的重金屬進行組織、細胞或亞細胞級別的定位研究。因此有針對性的開發(fā)重金屬結(jié)合態(tài)抗體及配套的在線或高通量檢測技術(shù)對指導(dǎo)重金屬污染農(nóng)田安全利用、農(nóng)產(chǎn)品重金屬質(zhì)量安全監(jiān)測、風險評估及相關(guān)科研工作的開展均具有重要的意義。

2 基于X 射線熒光光譜的快速檢測技術(shù)

X 射線熒光光譜法（XRF）是指采用高能X 射線激發(fā)樣本，并根據(jù)樣本所發(fā)出熒光光譜特征及強度對樣本中的金屬元素含量進行定性、定量研究的光學(xué)檢測技術(shù)。由于其可分析元素范圍廣、可對固體、粉末等試樣進行分析等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、化工、建材等領(lǐng)域。前期，由于相關(guān)檢測設(shè)備信噪比較差，農(nóng)業(yè)方面，XRF 主要被應(yīng)用于高背景環(huán)境樣本的檢測中，而目前由于新開發(fā)的雙面彎晶光學(xué)晶體技術(shù)采用多個單色光激發(fā)樣品，使XRF 檢測設(shè)備的信噪比大幅提高，檢測靈敏度上升，提升了其在農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢測中應(yīng)用的可能性。劉通等利用XRF 結(jié)合基本參數(shù)法開發(fā)了針對谷物、豆類、肉制品、水產(chǎn)品樣品的XRF 快速檢測方法，其中As、Cd、Pb 的假陽性率均小于5%，其檢出限分別為0.07、0.06、0.07 mg/kg?？紤]到常規(guī)檢測方法中的前處理過程對待測樣品具有稀釋效應(yīng)，該方法的檢出能力達到原子吸收石墨爐法的檢測能力。徐德江等采用高精度便攜式X 射線熒光光譜儀（HDXRF）對土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、As 等7 種元素的檢測能力進行了評價，結(jié)果表明HDXRF 法測定土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr、As 的檢出限分別是2、2、5、5、0.08、11、0.8 mg/kg，滿足土壤環(huán)境質(zhì)量標準的測試要求。綜上，XRF 法以其可以實現(xiàn)無損檢測的特性使其在重金屬農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測中具有較高的應(yīng)用前景，但值得注意的是，其同樣也存在著一定的應(yīng)用缺陷，如設(shè)備采購成本較高，操作人員存在X 射線暴露風險等問題。

3 基于電化學(xué)的快速檢測技術(shù)

陽極溶出伏安法是一種目前應(yīng)用較廣的測量痕量重金屬離子的有效方法，其原理是利用在一定電位下，待測金屬部分還原溶入微電極或析出于電極表面，向電極施加反向電壓的化學(xué)特性分析溶液中重金屬含量的技術(shù)。其技術(shù)特點使其具有檢測速度快、檢測成本低、可以很容易的整合進入在線監(jiān)測系統(tǒng)等優(yōu)勢。但值得注意的是，該檢測方法對富集電位、富集時間、電位掃描速度、攪拌速度、電極性狀及性質(zhì)、電解質(zhì)條件、溶解氧等都有著具體而精確的需求，由于實際應(yīng)用中環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品樣本中組分相對復(fù)雜，對相關(guān)檢測的干擾使其相對精度較差。目前針對相關(guān)問題，學(xué)界已經(jīng)開展了諸多相關(guān)的研究，在改良電極方面，崔聞宇等采用三氧化二鉍-石墨烯材料修飾玻碳電極，構(gòu)建了同時分析Pb、Cd 的新方法，其檢測能力與ICP-OES法相當。侯金瑛等利用活性炭對碳糊電極進行化學(xué)修飾使電極在檢測Cd 時表現(xiàn)出高的靈敏度和低的檢測限。Priya 等利用還原型石墨烯（rGO）、羧甲基纖維素（GMG）和谷胱甘肽（GSH）修飾玻璃碳電極（GCE）實現(xiàn)了對痕量Cd 的檢測，檢出限達5.62 ng/L，并表現(xiàn)出較好的選擇性、穩(wěn)定性及可重復(fù)性。而在分析方法上，Ye 等利用機器學(xué)習技術(shù)對不同重金屬離子伏安峰形狀進行學(xué)習建模，提高了復(fù)雜水樣品中陽極溶出伏安法檢測多種重金屬離子的選擇性。Leon-Medina 等采用脈沖伏安法結(jié)合機器學(xué)習開發(fā)了快速檢測As，Pb 和Cd 的技術(shù)，其方法準確率高達98.31%?？梢婋S著新技術(shù)的引入，電化學(xué)法快速檢測有望突破應(yīng)用瓶頸，獲得更大的發(fā)展。

4 基于高光譜的反演技術(shù)

土壤高光譜反演技術(shù)是近年來新興的原位重金屬含量檢測技術(shù)，土壤在特定電磁波段下能被激發(fā)特定的光譜特征曲線，可以通過對光譜特征曲線的分析就能識別土壤不同成分物質(zhì)，從而預(yù)測土壤重金屬含量。目前，預(yù)測土壤成分及重金屬含量的主要反射光譜波長一般為350～2500 nm。前期，由于光譜遙感數(shù)據(jù)波段少、光譜分辨率及空間分辨率低等的條件限制，遙感技術(shù)在土壤重金屬監(jiān)測領(lǐng)域研究較少，主要應(yīng)用于地圖繪制及評價重金屬污染等級等方面。隨著高光譜技術(shù)的出現(xiàn)，使得半定量和定量反演土壤中重金屬含量成為可能。通過高光譜技術(shù)能夠?qū)ν寥乐兄亟饘俸窟M行監(jiān)測，相較于傳統(tǒng)方法，其存在成本低、時效性強及通量大的優(yōu)勢。郭云開等利用高光譜數(shù)據(jù)，通過遺傳算法優(yōu)化支持向量機（GA-SVM）重金屬反演模型，通過二階微分變化光譜后建立回歸模型，對重金屬Fe、As 和Cr 的驗證集的相關(guān)系數(shù)分別為0.968、0.821 和0.976。錢家煒等對張家港農(nóng)田土壤重金屬元素含量及土壤可見近紅外高光譜數(shù)據(jù)進行建模，開發(fā)了針對Cd、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni 和Pb 的估算模型，其擬合度均大于0.5，對張家港市農(nóng)田土壤中重金屬的預(yù)測及監(jiān)測提供較為可靠的數(shù)據(jù)支持。相較于其它重金屬快速檢測方法，其很好地解決了大尺度與高通量的檢測難題，適用于相對監(jiān)測精準度要求低的場合，如受污染農(nóng)用地安全利用生產(chǎn)場景。而隨著機器學(xué)習技術(shù)的不斷演進，相關(guān)模型擬合度的不斷提高，從而更具有應(yīng)用價值。

5 展望

重金屬快速檢測技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測及受污染、高背景農(nóng)用地安全利用中發(fā)揮著重要的作用。同時隨著農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)研究的深入，農(nóng)業(yè)信息化，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷深入，對農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集需求也在不斷增加?？焖贆z測技術(shù)以其快速、高通量的技術(shù)優(yōu)勢可以為相關(guān)模型的開發(fā)、應(yīng)用提供大量可靠、精準的數(shù)據(jù)支持。目前，絕大多數(shù)檢測技術(shù)仍然存在成本高、需要設(shè)備昂貴等問題，制約了其在生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用，仍需進一步研究廉價的耗材制備方法及低成本的應(yīng)用平臺，以幫助相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣。同時基于技術(shù)路線實現(xiàn)的重金屬快速檢測均具有一定的局限性，而現(xiàn)實生產(chǎn)中，對快速檢測技術(shù)有著多方面的需求，通過對相關(guān)技術(shù)的集成整合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，促進重金屬快速檢測技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用。