白瑞霞, 殷皓銘, 黃 方

(中國科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 地球和空間科學(xué)學(xué)院, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230026)

工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的同時，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題.與許多有機物質(zhì)污染不同，重金屬污染不能被環(huán)境自然降解，進(jìn)而在土壤和水體中累積，對生物和生態(tài)系統(tǒng)造成極大危害[1-3].常見測量環(huán)境中污染元素含量的方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)和原子吸收光譜法(AAS)等[4-6].以上方法均存在儀器體積大、需要高能電源和分析過程相對耗時等問題，無法滿足野外突發(fā)環(huán)境污染的快速監(jiān)測[7].為了快速監(jiān)測野外頻發(fā)的諸如Cd、Zn、Cu和Pb等的重金屬污染[3]，需要開發(fā)可以快速、準(zhǔn)確、便攜的檢測儀器.

熒光化學(xué)傳感器[8-11]提供了一種潛在的可以用于測量重金屬元素含量的新型測量方法.DNAzymes(DNA酶)是一類對金屬離子具有高度特異性和敏感性的新型酶,當(dāng)與目標(biāo)重金屬離子結(jié)合時，重金屬可以使DNA酶的熒光抑制基因失活，進(jìn)而產(chǎn)生熒光，其熒光強度與特定的重金屬元素含量成正比.這個失活過程很快，熒光產(chǎn)生迅速，利用小型的分光光度計測量熒光強度，即可定量分析特定重金屬元素的含量[9].

經(jīng)過體外篩選獲得的DNA酶可以快速靈敏識別特定金屬元素，因此，重金屬傳感器已廣泛應(yīng)用于例如Pb(II)、Cu(II)和Zn(II)等濃度的快速測量中[9, 12-16].重金屬傳感器的基本原理是核酸切割酶能夠識別并切割特定 DNA 雙鏈中某條單鏈，進(jìn)而重金屬能夠激活核酸酶水解使單鏈釋放，產(chǎn)生熒光.金屬濃度越高，產(chǎn)生的熒光強度越強，二者為正比關(guān)系[17-18].因此，可以利用DNA酶定量分析特定的重金屬元素濃度.

本文建立了基于生物酶原理，測定Pb和Cd兩種特定元素的分析方法，使用的儀器僅手掌大小，利用小型分光光度計將熒光信號轉(zhuǎn)化為濃度信號.由于熒光反應(yīng)迅速，分析速度快，測定儀器便攜，測量方法即時，因此與傳統(tǒng)的質(zhì)譜和光譜測量方法完全不同.

1 試驗部分

1.1 儀器

PerkinElmerElan DRCII ICP-MS(美國PerkinElmer公司)；ANDalyze生物酶傳感器(美國哈希)的外形如圖1所示(http://andalyze.com/)，使用經(jīng)典方法校正儀器.

圖1 生物酶傳感器外觀圖

1.2 試劑

標(biāo)準(zhǔn)溶液原液：國家有色金屬及電子材料分析測試中心生產(chǎn)的國家單元素標(biāo)準(zhǔn)樣品GSB 04-1742-2004(鉛)、GSB 04-1721-2004(鎘)，質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L；介質(zhì)為硝酸，CHNO3=1.0 mol/L；利用質(zhì)量稀釋的方法，將原液準(zhǔn)確定量、稀釋到傳感器方法可測量的濃度范圍內(nèi)，獲得校正儀器所用的標(biāo)準(zhǔn)溶液；二次去離子水,電阻率18.2 MΩ cm；礦泉水,農(nóng)夫山泉過濾所得.

由于生物酶測量要求水樣pH范圍為6～8，因此通過加入一定量的分析純碳酸鈉(Sinopsin Group Chemical Reagent)中和硝酸介質(zhì)，以符合生物酶工作環(huán)境.

Pb元素：移取國家單元素標(biāo)準(zhǔn)樣品，中和后稀釋至10、20、50 μg/L；Cd元素：移取國家單元素標(biāo)準(zhǔn)樣品，中和后稀釋至0.2、0.4、0.6、0.8 mg/L.

1.3 校正曲線

由于生物酶傳感器只能相對于熒光強度獲得測量濃度結(jié)果，該測量濃度結(jié)果不是溶液的絕對真實濃度，與溶液真實濃度存在偏差，因此需要建立測量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)溶液推薦濃度的關(guān)系-校正曲線.基于校正曲線可以通過測量的濃度結(jié)果計算溶液的真實濃度.

為了獲得校正曲線并檢驗生物酶分析方法的準(zhǔn)確性，首先要驗證稀釋獲得的標(biāo)準(zhǔn)溶液是否準(zhǔn)確.標(biāo)準(zhǔn)溶液通過使用二次去離子水稀釋單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液至儀器可測量的范圍獲得，利用ICP-MS進(jìn)行測量.多元素混合外標(biāo)溶液是由單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液混合稀釋獲得，通過使用Rh作為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)并反復(fù)分析“外部”標(biāo)準(zhǔn)溶液來進(jìn)行漂移校正.ICP-MS數(shù)據(jù)使用ICPMSDataCal軟件進(jìn)行處理[19].儀器測試條件如表1所列.

1.4 試驗方法

測試在常溫常壓下進(jìn)行，Pb和Cd分開進(jìn)行測量.先將待測溶液加入容量為5 mL樣品管(圖2a)中.為了使pH維持穩(wěn)定，樣品管中事先存有一定量的緩沖溶液，使得測試過程中待測溶液pH保持穩(wěn)定.溶液定容至5 mL，混勻，靜置.將比色皿放入儀器，一個新的傳感器放在比色皿上(圖2b).然后用注射器從樣品管中取1 mL樣品，插入傳感器上方小孔，在3～5 s內(nèi)將樣品推過傳感器(圖2c)，待測溶液與生物酶接觸即可發(fā)生熒光反應(yīng).移開傳感器，蓋上蓋子，迅速按下開始按鈕.檢測結(jié)束后屏幕自動顯示檢測結(jié)果(圖2d).從混合緩沖溶液到測試完成獲得濃度結(jié)果,整個過程只需要3～5 min.

表1 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測試條件

圖2 元素測量操作圖

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的可靠性檢驗

標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的準(zhǔn)確性是建立標(biāo)準(zhǔn)曲線的基礎(chǔ)，通過其他測量濃度的方法,可以對標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗.本工作根據(jù)ICP-MS測量結(jié)果和稀釋溶液時質(zhì)量平衡計算獲得的濃度進(jìn)行對比(如圖3所示).由圖3可知，人工配制的標(biāo)液濃度與ICP-MS測量結(jié)果一致，說明通過質(zhì)量平衡計算獲得的濃度可以作為推薦值來使用.

圖3 人工配制標(biāo)液推薦值和ICP-MS測量結(jié)果對比

2.2 試驗獲得校正曲線

為了檢驗測量結(jié)果的可靠性，分別以二次去離子水和礦泉水為基質(zhì)稀釋1 000 mg/L單元素溶液至一定已知濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用傳感器方法進(jìn)行測量.基于熒光強度和金屬濃度成正比，可以通過測量某一濃度溶液，與原點連接進(jìn)行作圖獲得校正曲線.對于鉛元素和鎘元素，在二次去離子水和礦泉水基質(zhì)中，分別測量較高濃度溶液，將其與零點連接擬合獲得校正曲線(如表2、3所列，圖4所示).

因此，對于Pb和Cd兩種元素，根據(jù)生物酶傳感器方法的基本原理(生物酶釋放熒光的強度和金屬濃度成正比的關(guān)系)，應(yīng)用經(jīng)典校正辦法，利用標(biāo)準(zhǔn)溶液和原點連接擬合，可以獲得線性校正曲線(如圖4所示).

表2 Pb元素的校正結(jié)果

表3 Cd元素的校正結(jié)果

圖4 不同基質(zhì)元素校正曲線及測量結(jié)果圖

2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液測量結(jié)果

為了驗證生物酶傳感器方法校正曲線的可靠性，我們選取了不同元素濃度的樣品進(jìn)行測試(圖4).其中每種溶液均平行測定兩次或以上，以減少測試誤差.

分別利用二次去離子水和礦泉水稀釋了國家單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(Pb)，配置質(zhì)量濃度為10、20 μg/L的待測樣品溶液.根據(jù)生物酶傳感器測量得到的值y，使用Pb的兩種校正曲線計算得到校正濃度x，結(jié)果如表4、5所列.

表4 Pb元素二次去離子介質(zhì)水校正結(jié)果和誤差估計*

*：二次去離子水介質(zhì)鉛元素濃度校正曲線y=0.94(±0.21)x

表5 Pb元素礦泉水介質(zhì)水校正結(jié)果和誤差估計*

*：礦泉水介質(zhì)鉛元素濃度校正曲線y=0.60(±0.03)x

類似地，分別利用二次去離子水和礦泉水稀釋國家單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(Cd)，配置質(zhì)量濃度分別為0.2、0.4和0.6 mg/L的待測樣品溶液.根據(jù)生物酶傳感器測量得到的值y，使用Cd的兩種校正曲線計算得到校正濃度x，結(jié)果如表6、7所列.

綜上，測量結(jié)果(圖4圓點)很好地落在了校正曲線附近.通過校正曲線，可以從生物酶傳感器的測量值計算獲得溶液中金屬元素真實濃度，驗證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性.

表6 Cd元素二次去離子介質(zhì)水校正結(jié)果和誤差估計*

*：二次去離子水介質(zhì)鎘元素濃度校正曲線y=0.67(±0.03)x

表7 Cd元素礦泉水介質(zhì)水校正結(jié)果和誤差估計*

*：二次去離子水介質(zhì)鎘元素濃度校正曲線y=0.67(±0.03)x

2.4 誤差估計

相對誤差通過對比校正結(jié)果和推薦濃度獲得，可以利用公式(1)[20]計算獲得測量和平均絕對誤差，結(jié)果如表4～7所列：

(1)

式中，校正值是測量值通過校正曲線計算獲得的，推薦值指已知濃度樣品的真實濃度.從誤差結(jié)果可以看出，大部分測量結(jié)果相對誤差在20%以內(nèi)，最大相對誤差不超過30%.因為3～5 min就可以完成測量，這個結(jié)果可以很好地滿足野外污染的測量需求.

3 結(jié)論

利用以生物酶熒光技術(shù)為原理的便攜式生物酶傳感器，開發(fā)了一種快速測量水體中重金屬元素含量的新方法.該方法主要具有以下特點：(1)快速.生物酶傳感器方法的測量步驟分為4步，包括混合水樣與緩沖溶液，將溶液注射進(jìn)入儀器，等待測量結(jié)果，獲得結(jié)果.4步總用時在3～5 min內(nèi)，可以短時間內(nèi)獲得重金屬濃度，在野外快速檢測識別污染.(2)便攜.該儀器尺寸為20×9×5 cm，重量為0.6 kg，因此該儀器相比常規(guī)元素含量測量儀器具有體積小、質(zhì)量輕的特點，從而方便帶到野外進(jìn)行測量.(3)可靠.我們通過質(zhì)量稀釋計算得到的真實濃度值與傳感器方法測量得到的測量濃度值結(jié)合原點擬合作圖，獲得線性校正曲線.測量已知推薦值的溶液濃度，并利用校正曲線反算獲得金屬元素含量的校正濃度，其相對誤差大部分在20%以內(nèi)(最大相對誤差30%以內(nèi))，因此可以通過對儀器線性校正的方法獲得準(zhǔn)確的金屬元素濃度.該儀器可以獨立分析Pb、Cd兩種元素，兩種元素的測量范圍分別為Pb 2～100 μg/L，Cd 0.1～1.0 mg/L.

因ANDalyze儀器攜帶方便，操作簡單，測量時間短，大大提高野外污染的測量效率，可以滿足野外突污染重金屬元素含量的快速測量.這是一種不同于傳統(tǒng)光譜和質(zhì)譜測量的新方法.