含氮雜環(huán)類有機(jī)物應(yīng)用于中藥重金屬離子檢測(cè)的展望

★ 榮楨 楊婕 錢坤 楊明（江西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院 南昌 330004）

中醫(yī)藥經(jīng)過(guò)幾千年的沉積，已成為我國(guó)不可或缺的民族傳統(tǒng)文化瑰寶，是我國(guó)極具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要產(chǎn)業(yè)。社會(huì)的進(jìn)步，離不開工業(yè)的發(fā)展，隨之而來(lái)的工業(yè)污染也愈發(fā)嚴(yán)重，各種污染問(wèn)題相繼出現(xiàn)，產(chǎn)生大量廢氣、廢水等，使土壤受到了破壞，農(nóng)作物及中藥材上的農(nóng)藥含量增高，重金屬含量也超過(guò)了規(guī)定的限度，中藥材的質(zhì)量不能得到保證，使人的身體受到傷害［1］。

雖然中醫(yī)藥的國(guó)際地位得到了認(rèn)可，但中醫(yī)藥現(xiàn)代化還處于初級(jí)階段，質(zhì)量和工藝依然存在一定的不足。在中藥生產(chǎn)領(lǐng)域，工藝制造較粗糙，質(zhì)量控制水平低，大部分中藥生產(chǎn)線只實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化或者自動(dòng)化，而沒有達(dá)到數(shù)字化、智能化程度，且中藥材重金屬污染問(wèn)題嚴(yán)重，成為中藥材進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的限制因素。中藥材的質(zhì)量問(wèn)題不僅影響療效，對(duì)于中藥在國(guó)際上的聲譽(yù)也產(chǎn)生負(fù)面影響，如何避免這一問(wèn)題的進(jìn)一步加深，是在今后的工作中需要引起注意的首要環(huán)節(jié)［2］。

政府對(duì)制造行業(yè)節(jié)能減排的要求日益嚴(yán)格，這就要求不僅要在中藥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型過(guò)程中對(duì)工藝進(jìn)行升級(jí)改造，還要對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化智能化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到節(jié)能降耗、綠色高效的生產(chǎn)需求［3］。隨著中藥材重金屬污染問(wèn)題日益突出，越來(lái)越多的科研人員開始對(duì)中藥材中重金屬進(jìn)行檢測(cè)。近年來(lái)，科研人員致力于研究一種能夠精確高效的檢測(cè)重金屬離子的方法。隨著科技的發(fā)展，熒光及傳感技術(shù)逐漸步入人們的視線，隨之出現(xiàn)的重金屬的檢測(cè)方法有：比色法、紫外分光光度法、高效液相色譜法、原子吸收光譜法、分子熒光光譜法、分子磷光光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電化學(xué)分析法等。

對(duì)中藥材中的重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)分析前，首先需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，樣品消解的完全與否關(guān)系著整個(gè)測(cè)定結(jié)果。因此，需要根據(jù)所測(cè)元素及樣品的性質(zhì)加以選擇。將樣品經(jīng)干燥、粉碎、過(guò)篩后，通過(guò)一定的前處理方法，制備成樣品溶液，用于分析，常用的前處理方法有濕法、干法、微波消解法［4］。消解完畢再進(jìn)行分析檢測(cè)。

本文對(duì)重金屬離子的檢測(cè)方法進(jìn)行分析總結(jié)，為檢測(cè)中藥中重金屬離子的應(yīng)用提供借鑒。

1 熒光分子傳感器檢測(cè)重金屬離子

1.1 熒光分子傳感器的結(jié)構(gòu) 熒光分子傳感器的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單地分為三部分，即熒光基團(tuán)（fluorophore）、識(shí)別基團(tuán)（receptor）和連接臂（linker）。熒光基團(tuán)是發(fā)出光學(xué)信號(hào)的信息源；識(shí)別基團(tuán)是可以和檢測(cè)底物選擇性識(shí)別的基團(tuán)；連接臂是用以連接識(shí)別基團(tuán)和熒光基團(tuán)的紐帶。

1.2 熒光分子傳感器的識(shí)別原理 熒光分子傳感器的識(shí)別原理主要包括以下幾種：光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIRT）、激基締合物、C=N 異構(gòu)化等。

1.3 熒光分子傳感器的應(yīng)用

1.3.1 吖啶類 吖啶類化合物具有大的剛性共軛平面結(jié)構(gòu)，具有良好的熒光性能。此外，吖啶類化合物不需要額外的催化劑，可以在適當(dāng)?shù)乃釅A體系中發(fā)出熒光，且背景干擾小，發(fā)光效率高［5］。

王煜課題組［6］研究發(fā)現(xiàn)了一種新型檢測(cè)Cu2+的吖啶類熒光分子傳感器，傳感器在100%的中性水溶液中，對(duì)Cu2+展現(xiàn)了熒光猝滅，而其它金屬離子的干擾很小。熒光響應(yīng)具有濃度依賴性，可以用改進(jìn)的Stern-Volmer 方程很好地描述，能夠形成1∶1 的配合物。

Shyamaprosad Goswami 課題組［7］設(shè)計(jì)合成的新型分子傳感器，該傳感器在中性水的緩沖溶液中，對(duì)Cd2+展現(xiàn)了較強(qiáng)的熒光螯合作用，而其它重金屬離子和過(guò)渡金屬離子干擾很小，對(duì)水溶液中的Cd2+具有好的檢測(cè)效果。

Fehmi Karag?z 等［8］以9-氨基吖啶（Ac）與丙烯酰氯反應(yīng)合成了9-丙烯酰胺吖啶（VAc），研究發(fā)現(xiàn)在pH=6.0 的緩沖溶液中，用Hg2+滴定VAc具有選擇性熒光增強(qiáng)作用，而在其它二價(jià)過(guò)渡金屬離子的作用下，VAc 的熒光發(fā)射被猝滅。

Wan Yi Xie［9］設(shè)計(jì)了一種用于Hg2+檢測(cè)的三通道光信號(hào)探針。在不含Hg2+的情況下，富胸腺嘧啶的ssDNA 包裹的AuNPs 分散良好。因此，溶液的顏色為粉紅色，共振光散射（RLS）信號(hào)較低，吖啶橙（AO）的熒光強(qiáng)烈猝滅。在Hg2+存在的條件下，ssDNA 形成T-Hg2-T 構(gòu)型，產(chǎn)生顏色變化、RLS 信號(hào)增強(qiáng)且AO 恢復(fù)熒光。

Yanpeng Dai 課題組［10］設(shè)計(jì)了一對(duì)基于吖啶的復(fù)合型手性熒光化學(xué)傳感器，該傳感器能夠在常見金屬離子干擾下選擇性識(shí)別Cu2+，該熒光傳感器能夠與Cu2+形成1∶1 的絡(luò)合物，使傳感器的熒光發(fā)生猝滅。

1.3.2 吡啶類 吡啶類化合物作為金屬配合物的重要配體，對(duì)配合物的光學(xué)物理性質(zhì)起到了重要的調(diào)節(jié)作用，特別是其結(jié)構(gòu)修飾的靈活性以及配位方式的多樣性。因此，吡啶類金屬配合物被廣泛應(yīng)用于染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池、有機(jī)電致發(fā)光以及分子自組裝等領(lǐng)域。

Young-A Son 課題組［11］設(shè)計(jì)合成了新型羅丹明-吡啶衍生物熒光分子傳感器的，該傳感器對(duì)Hg2+具有高度選擇性和靈敏的比色和熒光反應(yīng)。添加Hg2+時(shí)顏色由無(wú)色變?yōu)榉奂t色，使之成為適合Hg2+的“肉眼”指示劑。此外，在43-Hg2+的溶液中加入不同的氨基酸后，只有半胱氨酸對(duì)43-Hg2+產(chǎn)生非常明顯的顏色和熒光猝滅，與其他氨基酸相比，具有較高的靈敏度和選擇性。為檢測(cè)Hg2+提供了一種新的研究思路。

Yonggang Zhao 等［12］發(fā)現(xiàn)了一種用于汞（Ⅱ）檢測(cè)的熒光傳感器，該傳感器引入了一種與汞（Ⅱ）促進(jìn)的硫脲衍生物四-2-吡啶硫脲環(huán)化相關(guān)的“關(guān)閉”熒光響應(yīng)。

Haibing Li 等［13］設(shè)計(jì)并合成了一種基于硫脲-噻二唑-吡啶連接（TTP）熒光有機(jī)納米粒子(Fons)的新型“肉眼”熒光Hg2+探針，TTP Fons 具有良好的水溶性，傳感選擇性高，對(duì)Hg2+具有較高的選擇性，在水溶液中，Cd2+、Cu2+、Ag+、Pb2+等潛在干擾金屬離子的作用不明顯。

Dayu Wu 課題組［14］以羅丹明6G 熒光團(tuán)和碳腙結(jié)合單元于一個(gè)分子中，設(shè)計(jì)并制備了一種選擇性檢測(cè)混合N，N-二甲基甲酰胺水溶液中汞離子的高靈敏度熒光探針。熒光探針能在混合水環(huán)境中檢測(cè)到十億個(gè)水平的Hg2+，并對(duì)Hg2+表現(xiàn)出高度選擇性的熒光增強(qiáng)反應(yīng)。

Perkovic 等［15］設(shè)計(jì)合成的Ru2+的多吡啶絡(luò)合物作為Pb2+的傳感器，當(dāng)加入Pb2+后，熒光強(qiáng)度隨著Pb2+的濃度增加而增加，而加入Ca2+其熒光強(qiáng)度沒有明顯的改變。

何純蓮［16］以3（4’-甲基2，2’-聯(lián)吡啶-4’-羧基）-二（2，2’-聯(lián)吡啶)Ru（II）2PF6-Cu2+熒光探針）測(cè)定中藥百合中Cu2+的含量，實(shí)驗(yàn)顯示出良好的選擇性，能較好地避免其他過(guò)渡金屬元素的干擾。

1.4 熒光分子傳感器智能化應(yīng)用 林權(quán)等［17］研究發(fā)現(xiàn)了一種具有熒光/溫度智能響應(yīng)的聚合物分子刷薄膜，該分子薄膜通過(guò)將共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)熒光分子復(fù)合其中，當(dāng)環(huán)境的溫度發(fā)生改變時(shí)，熒光分子的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致熒光分子刷薄膜的熒光性質(zhì)的智能響應(yīng)，從而使熒光/溫度響應(yīng)性聚合物分子刷薄膜智能化，可以在4 ℃～70 ℃的較大溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)。

2 紫外分光光度法檢測(cè)重金屬離子

2.1 紫外分光光度法機(jī)理 紫外-可見分光光度法是一種測(cè)定190～800 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)定物質(zhì)的吸光度的方法，用于鑒別、雜質(zhì)檢查測(cè)和定量測(cè)定。當(dāng)光通過(guò)被測(cè)溶液時(shí)，光的吸收隨光的波長(zhǎng)而變化。因此，通過(guò)測(cè)定物質(zhì)在不同波長(zhǎng)處的吸光度，并繪制其吸光度與波長(zhǎng)之間的關(guān)系，可以得到被測(cè)物質(zhì)的吸收光譜。

2.2 紫外分光光度法的應(yīng)用 苑嗣純等［18］研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)過(guò)渡金屬離子，可以與聯(lián)三吡啶及其衍生物配位，根據(jù)紫外-可見吸收光譜可知，配體在紫外-可見光區(qū)的吸收相對(duì)于未配位的配體發(fā)生紅移，在可見光區(qū)觀察到特征電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(MLCT)吸收。

初偉偉課題組［19］合成了一種對(duì)Cu2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+具有一定選擇性的4 種不同吡啶類化合物，當(dāng)加入上述4 種離子后，紫外吸收光譜發(fā)生了一定的改變，而加入其它金屬陽(yáng)離子，紫外吸收光譜沒有明顯的紅移或藍(lán)移現(xiàn)象。

鄒德卿［20］利用PAN 這一三齒配位體與中藥中的金屬離子發(fā)生配位反應(yīng)，根據(jù)紫外-可見吸收光譜發(fā)現(xiàn)，Cu2+、Co2+的螯合物的最大吸收波長(zhǎng)與PAN 相比發(fā)生了改變。

3 磷光分子傳感器檢測(cè)重金屬離子

磷光檢測(cè)法不僅方法簡(jiǎn)便，而且在靈敏度、選擇性、響應(yīng)時(shí)間和利用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)方面均有其突出優(yōu)點(diǎn)。

3.1 磷光產(chǎn)生的機(jī)理 金屬配合物中的重金屬原子是自旋耦合的，使單線態(tài)和三線態(tài)混雜，破壞了三線態(tài)激子的對(duì)稱性，衰減變快，發(fā)出效率較高的電磷光。單線態(tài)也具有一定的三線態(tài)性質(zhì)，衰減時(shí)間變長(zhǎng)。同時(shí)提高了從單線態(tài)到三線態(tài)間竄躍（ISC）的效率，從而發(fā)出高效磷光［21］。

3.2 磷光分子傳感器的應(yīng)用 多吡啶釕(Ⅱ)配合物磷光分子傳感器具有水溶性好、Stokes 位移大、光穩(wěn)定性好、可見光激發(fā)與發(fā)射、發(fā)光壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［22］。

Tosta 等［23］設(shè)計(jì)合成了一種識(shí)別集團(tuán)是氮雜冠醚的釕配合物磷光傳感器，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶液的pH為5～9 時(shí)，該傳感器的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)隨著Hg2+的加入而增強(qiáng)，而Cu2+、Cd2+、Pb2+的加入沒有明顯的發(fā)光強(qiáng)度變化，該磷光傳感器對(duì)Hg2+的選擇性高。

茹嘉喜課題組［24］設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)基于釕配合物的磷光化學(xué)傳感器Ruphen-1，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溶液中Hg2+的磷光增強(qiáng)識(shí)別響應(yīng)，該磷光傳感分子具有良好的水溶性和生物相容性，使用Ruphen-1測(cè)定Hg2+的磷光分析法具有很高的靈敏度。

Guerchais 課題組［25-26］先后報(bào)道了兩個(gè)對(duì)Pb2+具有響應(yīng)的多吡啶鉑（II）配合物，第一個(gè)配合物將黃酮引入到多吡啶鉑（II）配合物上，通過(guò)三重態(tài)與單重態(tài)之間的轉(zhuǎn)換達(dá)到識(shí)別Pb2+的目的；將吡啶基直接通過(guò)三鍵連接到多吡啶鉑（II）配合物上得到第二個(gè)配合物，該配合物對(duì)Pb2+產(chǎn)生“on-off”的響應(yīng)而達(dá)到識(shí)別的目的。

一些金屬陽(yáng)離子(如堿金屬和堿土金屬離子)能夠與大環(huán)結(jié)構(gòu)的冠醚或是冠雜醚很好的鍵合，而且金屬陽(yáng)離子可以通過(guò)影響配合物金屬中心、配體的電子云密度和能級(jí)來(lái)改變其光物理性質(zhì)［27］。

BD Muegge 等［28］設(shè)計(jì)了一種新的配合物，將一個(gè)氮雜-18 冠醚-6 連接在吡啶配體的4 號(hào)位上，空間位阻在與Pb2+、Hg2+和Cu2+絡(luò)合后降低，配合物的發(fā)射性質(zhì)表現(xiàn)出顯著性的改變，“turn-on”型磷光傳感器在BD Muegge 等人設(shè)計(jì)出的這一配合物得以實(shí)現(xiàn)。

4 電化學(xué)分析法檢測(cè)重金屬離子

電化學(xué)分析法是應(yīng)用電化學(xué)的基本原理和分析技術(shù)，重點(diǎn)研究物質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律，對(duì)物質(zhì)成分的測(cè)定進(jìn)行定性和定量研究。通常將含有待測(cè)物質(zhì)的溶液作為整個(gè)循環(huán)電路的一部分，通過(guò)測(cè)定化學(xué)電池的相關(guān)參數(shù)（電流、電阻、電位、電導(dǎo)、電量等各種物理量），對(duì)被測(cè)物質(zhì)的濃度進(jìn)行研究［29］。

4.1 電化學(xué)傳感器的原理 當(dāng)待測(cè)物質(zhì)以適當(dāng)形式置于某電化學(xué)反應(yīng)池中時(shí)，會(huì)發(fā)生特定的物理和化學(xué)變化，電化學(xué)器件將這些物理化學(xué)變化轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量其電信號(hào)(如電位、電流、電阻等)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)組成及含量的測(cè)定［30］。

4.2 電化學(xué)的應(yīng)用 王輝等［31］設(shè)計(jì)了一種絲網(wǎng)印刷電極，該電極由N-辛基吡啶六氟硝磷酸鹽離子液體粘合納米四氧化三鐵修飾，通過(guò)方波陽(yáng)極溶出伏安法對(duì)Cd2+、Pb2+實(shí)現(xiàn)了同步檢測(cè)，這種電化學(xué)傳感器使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，修飾電極在有多種金屬干擾離子存在的情況下，對(duì)鎘離子和鉛離子仍顯示出良好的檢測(cè)靈敏性，且縮短了檢測(cè)時(shí)間。

劉波等［32］研究了1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚螯合物修飾玻碳電極的制備方法，并采用陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定痕量汞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被修飾的電極，在Hg2+加入的情況下，即使有其他干擾金屬離子的存在，也可以表現(xiàn)出較高的靈敏度。

為了制備得到兼具高光電轉(zhuǎn)換效率和良好穩(wěn)定性的釕聯(lián)吡啶配合物和TiO2納米粒子的復(fù)合材料，黃勇杰等［33］設(shè)計(jì)并合成了四種羧基取代的釕聯(lián)吡啶配合物。其中，以異硫氰根取代的二聯(lián)吡啶釕配合物和TiO2的納米復(fù)合物為基礎(chǔ)，發(fā)展了一種可對(duì)Hg2+進(jìn)行高靈敏選擇性檢測(cè)的光電傳感器。

韋國(guó)兵等［34］使用聯(lián)吡啶釕（Ru（bpy）32+）/β-環(huán)糊精-金納米粒子（β-CD-AuNPs）/全氟磺酸（Nafion）復(fù)合物和二茂鐵標(biāo)記（Fc）的DNA探針（Fc-DNA），構(gòu)建了基于主客體識(shí)別技術(shù)及T-Hg2+-T 特異性結(jié)合的新型“Off-On”電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器，對(duì)中藥丹參中的Hg2+進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明對(duì)Hg2+具有良好的線性響應(yīng)。

5 結(jié)論

目前重金屬污染已經(jīng)引起全球廣泛關(guān)注。重金屬是指鉛、鎘、汞、銅、鋅等，因砷來(lái)源、危害與重金屬相似，通常也被納入重金屬中。本文通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，結(jié)合當(dāng)下研究總結(jié)重金屬離子的檢測(cè)方法。熒光分子傳感器具有選擇性好、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，備受科研人員的青睞。含氮雜環(huán)中吡啶類和吖啶類有機(jī)物熒光性能優(yōu)越、發(fā)光效率高，常作為熒光傳感器檢測(cè)重金屬離子。因此，利用含氮雜環(huán)中的吡啶類和吖啶類有機(jī)物檢測(cè)中藥重金屬具有廣泛應(yīng)用前景。

近年來(lái)，科研工作者們對(duì)鉛、鎘、汞、銅、鋅做了很多研究，有關(guān)砷的檢測(cè)卻很少。合成能夠同時(shí)檢測(cè)多種金屬離子的傳感器尤為迫切，既具有熒光性質(zhì)，又可以做電化學(xué)傳感器的修飾電極，肉眼識(shí)別的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)重金屬離子的定性定量分析。

智能化日益滲透到各行各業(yè)，信息技術(shù)革命使得工業(yè)社會(huì)傳統(tǒng)的以能量轉(zhuǎn)換為特征的工具被智能化工具所驅(qū)動(dòng)，形成了具備對(duì)信息進(jìn)行采集、傳輸、處理、執(zhí)行能力的智能工具。面以紛繁復(fù)雜的技術(shù)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)格局，我們需要沖破傳統(tǒng)的思維枷鎖，將傳感器更好的智能化，才能緊跟社會(huì)發(fā)展的潮流。