重金屬離子的光學(xué)檢測(cè)方法綜述*

王文華， 吳勝旭， 李思東， 黃 江， 謝玉萍

(1.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088； 2.中國廣州分析測(cè)試中心，廣東 廣州 510070；3.廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江 524088)

0 引 言

據(jù)《2015中國國土資源公報(bào)》公布：對(duì)全國5 118個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，優(yōu)良級(jí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅466個(gè)，僅占9.1 %，較差水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多達(dá)2 174個(gè)，占42.5 %，極差水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)964個(gè)，占18.8 %[1]。常見的鉛、汞、鎘、鉻、銅等重金屬污染水和土壤之后很難降解，通過飲用水或者水生植物吸收沿食物鏈進(jìn)入人體，不斷沉積和富集，給人們的健康帶來極大的危害。因此，重金屬含量的檢測(cè)顯得尤為重要，且需要及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)水質(zhì)、土壤和食品的重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)。國務(wù)院于2011年頒布了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，因此，對(duì)重金屬離子的檢測(cè)提出了越來越高的要求[2]，人們也在不斷提出新的檢測(cè)方法。目前，檢測(cè)方法有電化學(xué)分析法、電感耦合等離子質(zhì)譜法、高效液相色譜法、酶分析法，以及各種光學(xué)檢測(cè)方法。

本文分別對(duì)傳統(tǒng)和新型的重金屬離子光學(xué)檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述,并給出了該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)的重金屬離子光學(xué)檢測(cè)方法

1.1 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法以原子吸收為原理，測(cè)量樣品必須是氣體，寬譜光源的波長覆蓋待測(cè)元素特征譜線，樣品蒸氣待測(cè)元素含量遵循朗伯—比爾定律吸收特征譜線的光強(qiáng)，從而造成光譜對(duì)應(yīng)波長位置的光強(qiáng)衰減，根據(jù)特征譜線的光強(qiáng)衰減量即可實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品的含量，測(cè)量時(shí)需要確定樣品中各元素的最大吸收波長、吸收光譜和摩爾吸收度。檢測(cè)儀器主要由光源系統(tǒng)、原子化系統(tǒng)(將樣品轉(zhuǎn)化成原子蒸氣)、分光組件(棱鏡或光柵)以及基于光電倍增管的檢測(cè)系統(tǒng)組成。原子吸收光譜儀可以對(duì)多種重金屬離子進(jìn)行測(cè)定，但價(jià)格昂貴，單次測(cè)試費(fèi)用比較高[3]，且測(cè)試不同重金屬離子時(shí)需要更換不同的光源。

1.2 原子熒光光度法

與原子吸收光譜法基本原理相反，原子熒光光度法通過輻射能激發(fā)待測(cè)樣品的原子蒸氣，進(jìn)而產(chǎn)生熒光，熒光對(duì)應(yīng)波長位置的發(fā)射強(qiáng)度由待測(cè)樣品的濃度決定，因此也需要原子化系統(tǒng)。原子熒光光度法的靈敏度比原子吸收光譜法高，譜線清晰。欒云霞等人[4]提出了一種雙道原子熒光光度法，用于測(cè)定土壤中汞、砷的含量，檢出限分別為0.03,0.13 μg /L。唐蓮仙等人[5]優(yōu)化了儀器的工作參數(shù)，利用原子熒光光度法測(cè)定白酒中鉛含量，檢出限為0.1 μg /L。

1.3 原子發(fā)射光譜法

原子發(fā)射光譜法的基本原理與原子吸收光譜法相反：待測(cè)樣品中的元素發(fā)射特征光譜，根據(jù)該特征光譜的信息來測(cè)定待測(cè)樣品中重金屬的含量。儀器由光源、單色儀(分光組件)和檢測(cè)部件組成，單色儀和檢測(cè)部件的功能與原子吸收光譜法對(duì)應(yīng)組件相同，光源有兩個(gè)功能：將待測(cè)樣品蒸發(fā)為氣態(tài)原子，將氣態(tài)原子的電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)、為發(fā)射光譜做準(zhǔn)備。原子發(fā)射光譜法通常不需要更換光源，且能夠?qū)Χ喾N重金屬離子實(shí)現(xiàn)鑒別測(cè)定，對(duì)樣品的分析時(shí)間短，靈敏度依據(jù)不同的光源而定。

1.4 紫外可見分光光度法

分光光度法是在目視比色法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[6]，通過光電檢測(cè)的方法取代比色法的人眼判斷。紫外可見分光光度法可用于定性或定量分析，其基本原理是利用物質(zhì)對(duì)190～760 nm波長范圍內(nèi)紫外可見光的吸光度不同測(cè)定溶液中的重金屬離子的含量，理論基礎(chǔ)是朗伯—比爾定律。紫外可見光分光光度計(jì)由光源、單色儀(分光組件)、樣品池和檢測(cè)系統(tǒng)組成。經(jīng)單色儀輸出的光譜入射到溶液時(shí)，不同物質(zhì)對(duì)不同波長的吸光度不同，根據(jù)不同波長位置的吸光度即可測(cè)定物質(zhì)的含量。

重金屬離子溶液通常為無色或者顏色非常淺，不宜直接采用光度法測(cè)量，需特定的螯合劑，也稱之為絡(luò)合劑[7]，螯合劑和待測(cè)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成顏色較深的螯合物。

2 新型重金屬離子光學(xué)檢測(cè)方法

對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，其設(shè)備、試劑盒等部件的價(jià)格昂貴，攜帶不方便，因此，催生了一些新型重金屬離子檢測(cè)方法。

2.1 表面等離子體共振技術(shù)測(cè)量法

表面等離子體共振(surface plasma resonance,SPR)技術(shù)的支持體可以是棱鏡，也可以是光纖[8]。其基本原理是：在棱鏡的全反射面或光纖表面鍍一層很薄的金屬膜，膜厚小于倏逝波的深度，當(dāng)光束發(fā)生全反射時(shí)產(chǎn)生倏逝波，倏逝波在金屬表面激發(fā)表面等離子體波，如果入射光束的波長或入射角為某一特定值(共振波長或共振角)時(shí)，表面等離子體波與倏逝波將產(chǎn)生共振，此時(shí)共振波長或共振角位置的光能量被吸收，從而導(dǎo)致全反射光束的能量驟降，反射光譜出現(xiàn)由于光能量被吸收后的共振峰，即表面等離子體共振。金屬膜與其周圍環(huán)境的物質(zhì)接觸時(shí)如果產(chǎn)生吸附、化學(xué)反應(yīng)或是構(gòu)象的變化，則金屬表面附近的折射率將發(fā)生改變，而SPR對(duì)折射率的變化非常敏感，目前可以達(dá)到10-8RIU[9]，據(jù)此，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的SPR檢測(cè)分析技術(shù)。

Yu Jorn C C研究小組[10]在金膜表面制作了聚吡咯膜(此膜充當(dāng)傳感芯片)，利用聚吡咯膜對(duì)溶液中的二價(jià)汞離子進(jìn)行鍵合、實(shí)現(xiàn)離子的SPR測(cè)定，單獨(dú)測(cè)定汞離子的線性范圍在0.1～10 g/L。英國East Anglia大學(xué)的Lee M M研究小組[11]提出了在玻璃金膜表面形成單分子層薄膜，利用尿素酶經(jīng)過N-succinimidyl 3-(2-pyridyldithiol)propionate作用實(shí)現(xiàn)自組裝形成分子膜，通過鎘離子對(duì)尿素酶的抑制，當(dāng)芯片上的尿素酶與不同濃度的鎘離子接觸時(shí)產(chǎn)生吸附作用，如果此時(shí)鎘離子存在, 則導(dǎo)致脲酶的系列結(jié)構(gòu)變化，其線性范圍為0～0.01 mg/L。美國Stanford大學(xué)的Chah S研究小組[12]提出了利用1,6—二硫醇在SPR傳感器金膜表面實(shí)現(xiàn)自組裝單分子層，其原理是該自組裝芯片與含有二價(jià)汞離子的水溶液接觸時(shí)，SPR傳感器的信號(hào)將隨著汞離子濃度的變化而發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)濃度測(cè)量；且Pb，Ni，Zn和Cu等重金屬離子基本不會(huì)對(duì)汞離子的SPR信號(hào)產(chǎn)生干擾。Fen Y W研究小組[13]提出了采用旋涂制膜工藝在玻璃金膜表面沉積一層很薄的薄膜，利用不同濃度的重金屬離子與薄膜的相互作用導(dǎo)致SPR傳感器共振角的變化，分別實(shí)現(xiàn)了二價(jià)鉛離子和銅離子的有效檢測(cè)。Ericas F等人[14]提出采用縮氨酸修飾SPR傳感器芯片的性能，經(jīng)縮氨酸修飾的SPR芯片能夠吸附重金屬離子，改變SPR信號(hào)，利用SPR的傳感信號(hào)和參考信號(hào)的比值實(shí)現(xiàn)了高分辨率的重金屬離子檢測(cè)，對(duì)銅離子實(shí)現(xiàn)了在(10-6～10-9)體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)、定量的選擇性檢測(cè)。

2.2 共振光散射技術(shù)測(cè)量法

用于重金屬離子檢測(cè)既和SPR有關(guān)聯(lián)，又和比色法有關(guān)聯(lián)。金屬膜表面的等離子體波與倏逝波發(fā)生能量耦合產(chǎn)生共振，即SPR，如果金屬膜由尺寸非常小的金屬納米粒子代替，則納米粒子表面的自由電子集體受迫振動(dòng)形成的共振稱為局域SPR(local SPR,LSPR)。LSPR使得納米粒子表面的電磁場(chǎng)急劇增加，表現(xiàn)出很強(qiáng)的共振吸收，同時(shí)輻射出與振蕩電荷頻率相同的光波，即發(fā)生LSPR散射。金屬納米粒子通常是金和銀兩種材料[8]。

以金納米粒子為例，LSPR會(huì)影響金納米粒子溶液的顏色，當(dāng)待測(cè)溶液的環(huán)境變化時(shí)，金納米粒子將發(fā)生聚集，導(dǎo)致溶液的藍(lán)色發(fā)生變化，這是由于粒子間距導(dǎo)致LSPR散射光譜發(fā)生變化，可以利用這種顏色的變化測(cè)定環(huán)境溶液的濃度變化。Mirkin C A等人[15]早在1996年首先提出了基于金納米粒子標(biāo)記DNA的比色分析方法，并發(fā)表于《Nature》上?；贚SPR的光散射技術(shù)是LSPR的重要光學(xué)性質(zhì)，與LSPR吸收構(gòu)成了其重要應(yīng)用，其散射光譜強(qiáng)度比熒光染料的熒光強(qiáng)得多[16]。

對(duì)于納米粒子，納米金或納米銀表面通過金屬—S鍵或靜電吸附作用修飾蛋白質(zhì)或核酸等基團(tuán)，重金屬離子與修飾后的納米金粒子或納米銀粒子相互作用，改變顏色，實(shí)現(xiàn)重金屬離子的測(cè)定?；贚SPR光散射，F(xiàn)an Y等人[17]利用硫化鈉修飾納米金顆粒，與二價(jià)汞離子作用后納米金顆粒的LSPR散射光信號(hào)明顯增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了納摩爾(nmol)級(jí)別的檢測(cè)。Liu Z D等人[18]提出了一種DNA金納米粒子免標(biāo)記法檢測(cè)環(huán)境水體中的二價(jià)汞離子，檢測(cè)限達(dá)1 nmol/L。Wang H等人[19]利用單雙鏈DNA對(duì)納米金顆粒的分散能力不同，高鹽濃度時(shí)納米金顆粒處于分散狀態(tài)，如果向溶液中加入二價(jià)汞離子，則核酸分子配位雜交，與納米金顆粒的作用降低，納米金顆粒團(tuán)聚，溶液由紅色變?yōu)樗{(lán)色， 從而實(shí)現(xiàn)Hg2+的監(jiān)測(cè)。Liu D B等人[20]將光控染料螺吡喃修飾納米金顆粒，紫外光照射時(shí)螺吡喃為開環(huán)，如果往溶液中加入銅離子，則銅離子與開環(huán)螺吡喃配位，使得納米金顆粒團(tuán)聚，顏色由酒紅色變成藍(lán)色，實(shí)現(xiàn)光控方法的銅離子檢測(cè)。

2.3 激光誘導(dǎo)擊穿光譜法

激光誘導(dǎo)擊穿光譜法(laser-induced breakdown spectro-scopy,LIBS)的原理是利用短脈沖高能量密度的激光在待測(cè)樣品表面產(chǎn)生瞬間高溫，樣品被激光產(chǎn)生的高溫激發(fā)形成氣態(tài)物質(zhì)，繼而在高能激光能量的作用下發(fā)生雪崩電離而形成等離子體。待測(cè)樣品氣化元素的自由電子被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，當(dāng)躍遷回基態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生具有各元素特征的光譜，通過分析激光誘導(dǎo)激發(fā)的特征譜線可以分析確定待測(cè)樣品的物質(zhì)及其含量。

Srungaram P K等人[21]將給定汞濃度的土壤樣品制成丸狀，利用LIBS技術(shù)測(cè)定土壤中的汞，結(jié)構(gòu)顯示在汞濃度較高的情況下，檢測(cè)效果較好。吳文韜等人[22]利用LIBS 技術(shù)對(duì)土壤中的銅含量進(jìn)行定量檢測(cè)，檢測(cè)下限為mg/kg級(jí)別，相對(duì)誤差小于10 %。LIBS技術(shù)也被應(yīng)用于溶液中重金屬含量的測(cè)定，Knopp R等人[23]利用LIBS 技術(shù)對(duì)溶液中金屬鎘、鉛等物質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)研究，其檢測(cè)限為500，12.5 mg/L，隨后，LIBS 技術(shù)應(yīng)用于溶液中金屬物質(zhì)含量的檢測(cè)得到了不斷改進(jìn)。Yu Y 等人[24]提出了雙脈沖LIBS技術(shù)定量檢測(cè)溶液中金屬物質(zhì)的方法，并測(cè)量了銅的含量，結(jié)果表明，溶液中Cu的檢測(cè)限達(dá) mg/L級(jí)別。常亮等人[25]提出了基于LIBS 技術(shù)定量檢測(cè)豎直噴流和靜止液面模式下溶液中的鎘、鉛、鋁等金屬物質(zhì)的含量，可以較好地應(yīng)用于實(shí)際溶液的監(jiān)測(cè)。而Samu T J等人[26]利用LIBS 技術(shù)對(duì)水中的痕量重金屬鉛和鋅等物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，欲實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水的在線監(jiān)測(cè)。彭秋梅[27]分析了研究條件的最優(yōu)化情況，采用LIBS 技術(shù)對(duì)桔子葉片中的重金屬鉛、鉻、銅等進(jìn)行了定量檢測(cè)。

2.4 試紙—光電反射測(cè)量法

試紙—光電反射測(cè)量法的基本原理與紫外可見分光光度法相同，利用物質(zhì)對(duì)入射光譜中不同波長成分的吸光度不同來測(cè)定溶液中的重金屬離子的含量，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，入射光譜借助于光纖以一定角度入射到定量試紙，經(jīng)試紙反射后由接收光纖接收然后進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，通過對(duì)比空白定量試紙和滴入待測(cè)溶液干燥后試紙的反射光相對(duì)光強(qiáng)方法來測(cè)定待測(cè)溶液重金屬離子的含量[28]。

圖1 試紙—光電反射法測(cè)試系統(tǒng)示意

3 結(jié)束語

本文對(duì)重金屬離子的傳統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)方法以及近年來受到研究人員青睞的光學(xué)檢測(cè)方法進(jìn)行了闡述與分析。原子吸收光譜法等傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)方法相對(duì)來說比較成熟，應(yīng)用較普遍，但設(shè)備、試劑盒等部件依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴，攜帶不方便，因此，催生了一些新的重金屬離子檢測(cè)方法，具有靈敏度高、輕便等優(yōu)點(diǎn)，但是儀器設(shè)備的穩(wěn)定性、重復(fù)性，以及制作方法與流程較為繁瑣。鑒于重金屬離子對(duì)人類健康危害的嚴(yán)重性，研究新型檢測(cè)方法的機(jī)理，探索多技術(shù)融合、性能優(yōu)良、環(huán)境友好和可重復(fù)利用的重金屬離子傳感器成為未來的發(fā)展方向。