張?zhí)m蘭，葉晨倩，黃奕雯，李達(dá)諒

（1.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117；2.福建省漁業(yè)資源檢測(cè)中心，福建 福州 350117）

1 重金屬污染的現(xiàn)狀及危害

重金屬污染是指人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致重金屬排放入環(huán)境中，致使環(huán)境中的重金屬含量遠(yuǎn)高于原有濃度，從而對(duì)人類(lèi)健康造成潛在或現(xiàn)有的威脅。重金屬污染主要產(chǎn)生于工業(yè)活動(dòng)、交通、生活這三個(gè)途徑，如金屬開(kāi)采和冶煉、能源和燃料生產(chǎn)、化肥和農(nóng)藥工業(yè)及應(yīng)用等，這些重金屬一旦進(jìn)入環(huán)境，就會(huì)累積在土壤和水體中，通過(guò)食物鏈的富集，被人體攝入，從而對(duì)人體健康造成危害[1]，重金屬污染一旦產(chǎn)生，其治理難度大，潛在危害巨大。

食品安全是人們的最基礎(chǔ)的安全需求，在食品安全危險(xiǎn)中，重金屬污染最嚴(yán)重的危害是重金屬超標(biāo)的食物或者水被攝入到人體后，重金屬物質(zhì)通過(guò)食物鏈在體內(nèi)累積，當(dāng)其含量達(dá)到一定程度后會(huì)損害神經(jīng)、心肺、肝臟及內(nèi)分泌等系統(tǒng)，甚至?xí)l(fā)癌變。最早發(fā)現(xiàn)的因重金屬污染造成的公害病是20世紀(jì)日本的“日本水俁事件”，其根源是含有重金屬汞的污水排放進(jìn)日本水俁灣中，導(dǎo)致重金屬汞進(jìn)入該灣中的魚(yú)蝦體內(nèi)，再通由食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，侵害到人的小腦和知覺(jué)系統(tǒng)，該類(lèi)似事件在日本共發(fā)生3次，致使784人患病，103人死亡。因此對(duì)于食品中重金屬的檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展刻不容緩。

2 光學(xué)檢測(cè)法

2.1 原子熒光光譜法

原子熒光光譜法工作原理是當(dāng)樣品受到強(qiáng)特征輻射時(shí)，各種元素的原子所發(fā)射的熒光波長(zhǎng)有所不同，因此利用此特征來(lái)區(qū)分不同元素。李霞[2]等人利用原子熒光光譜法測(cè)定農(nóng)產(chǎn)品中的汞離子，他們選取大米和芹菜作為實(shí)驗(yàn)樣品，實(shí)驗(yàn)證明該方法在1～2μg/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9996，檢測(cè)限為0.001 mg/kg，精密度為2.4%～3.9%，這些數(shù)據(jù)都證明了該方法的可行性。

2.2 原子吸收光譜法

原子吸收光譜法具有選擇性強(qiáng)、靈敏度高、分析范圍廣和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為在食品重金屬檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。2021年，李吉鋒[3]利用原子吸收光譜法對(duì)黃河、渭河和洛河交匯區(qū)蓮藕中鉛、鎘、鉻、銅、錳和鋅6種重金屬元素含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果的精密度符合要求。

2.3 熒光發(fā)射光譜法

熒光發(fā)射光譜法是利用不同元素處于激發(fā)態(tài)的原子或離子躍遷回基態(tài)時(shí)發(fā)射的特征譜線(xiàn)不同的特點(diǎn)來(lái)對(duì)待測(cè)元素進(jìn)行分析。趙麗和她的團(tuán)隊(duì)[4]利用原子發(fā)射光譜法測(cè)定膨化食品中的鉛和鋁的含量，結(jié)果表明鉛和鋁的檢出限分別為4.7 ng/mL和20.8 ng/mL，加標(biāo)回收率為96.4%～104.1%，實(shí)驗(yàn)證明了熒光發(fā)射光譜法是檢測(cè)膨化食品中鉛和鋁的有效手段。

2.4 分光光度法

分光光度法是利用是重金屬會(huì)與有機(jī)顯色劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生一定的顯色分子團(tuán)，在特定波長(zhǎng)的光作用下可以根據(jù)已知的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)[5]即可實(shí)現(xiàn)食品中所含重金屬的有效定量定性檢測(cè)。迪麗努爾[6]利用分光光度法對(duì)烏魯木齊河部分河段的水質(zhì)進(jìn)行重金屬檢測(cè)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定了最佳pH值、反應(yīng)時(shí)間等重要參數(shù)，并構(gòu)建重金屬離子的標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線(xiàn)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)水中鎘離子、鉛離子等重金屬離子的含量超標(biāo)。

2.5 X射線(xiàn)熒光光譜法

X射線(xiàn)熒光光譜法是指當(dāng)不同元素的外層電子從高能態(tài)跳躍回低能態(tài)時(shí)，多余的能量以X射線(xiàn)的形式產(chǎn)生不同的譜線(xiàn)，從而對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行元素種類(lèi)分析和含量測(cè)定。熒光X射線(xiàn)法可對(duì)液體、固體以及粉末的樣品進(jìn)行定性和定量分析。楊桂蘭等人[7]應(yīng)用X射線(xiàn)熒光光譜法對(duì)5類(lèi)典型土壤中的重金屬進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明，在一定預(yù)處理?xiàng)l件下，X射線(xiàn)熒光光譜法對(duì)5類(lèi)土壤的檢測(cè)準(zhǔn)確度在75%～125%，精密度在0.14%～11.40%，基本滿(mǎn)足對(duì)土壤重金屬檢測(cè)的要求。

3 生物學(xué)檢測(cè)法

3.1 酶分析法

酶分析法是重金屬與酶活性中心的巰基或者甲巰基結(jié)合后，改變酶活性中心的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，以此為依據(jù)建立相關(guān)重金屬濃度與酶系統(tǒng)的定量關(guān)系，從而快速檢測(cè)重金屬含量的方法。柴小平等人[8]探究了酶活性與重金屬之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)脫氫酶、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶活性與Cu、Pb、Zn、Cr、As之間呈顯著正相關(guān)，過(guò)氧化氫酶活性與Pb之間呈一定程度正相關(guān)，脲酶活性與高于0.1 mg/kg的Hg含量之間呈顯著負(fù)相關(guān)，該實(shí)驗(yàn)證明了酶活性作為重金屬污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的可行性。

3.2 免疫分析法

免疫分析法是基于抗原抗體特異性結(jié)合的特性，利用已知的抗原或抗體檢測(cè)未知的抗原或抗體的方法。在重金屬檢測(cè)時(shí)，需要將重金屬與合適的絡(luò)合物或氨基酸進(jìn)行絡(luò)合后，制備成抗原，使其產(chǎn)生免疫原性，從而對(duì)重金屬含量進(jìn)行檢測(cè)。王玉龍等人[9]基于汞-螯合劑和汞-谷胱甘肽等半抗原，制備了Hg2+-MNA mAb、Hg2+-ITCBE mAb等不同的汞抗體，運(yùn)用多種樣品檢測(cè)技術(shù)和不同信號(hào)轉(zhuǎn)化的檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水、奶制品、農(nóng)產(chǎn)品和化妝品中有機(jī)汞的檢測(cè)。

4 重金屬熒光探針?lè)?/h2>

近年來(lái)，熒光探針因其成本效益高、靈敏度高、樣品制備簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間快以及不需要參考溶液的優(yōu)勢(shì)而受到極大關(guān)注[10]，大量重金屬相關(guān)的熒光探針陸續(xù)被研發(fā)出來(lái)。在環(huán)境和食品污染方面，重金屬主要是指汞、鎘、鉛、鉻以及類(lèi)金屬砷等生物毒性顯著的重元素，因此，本文主要以汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）和鉻（Cr）這4種重金屬的熒光探針為例來(lái)介紹熒光探針在重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用。

4.1 汞離子熒光探針

汞因其不可生物降解的性質(zhì)以及對(duì)生物和環(huán)境的有害影響而在許多方面受到持續(xù)和特別的關(guān)注。排放到環(huán)境中的無(wú)機(jī)汞在細(xì)菌的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為甲基汞，其容易在人、動(dòng)物、植物體內(nèi)積累，導(dǎo)致多種疾病，如水端病、發(fā)育遲緩、心血管疾病、運(yùn)動(dòng)障礙等。世界衛(wèi)生組織建議飲用水中Hg2+的最高濃度為0.001 mg/L。

Bozkurt和Gul[11]設(shè)計(jì)并合成了一種用于檢測(cè)汞離子的探針1（圖1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Hg2+的加入顯著降低了探針1的熒光強(qiáng)度，且不受其他離子影響，其檢出限為0.16 μmol/L。同時(shí)，他們利用該探針在自來(lái)水中進(jìn)行了實(shí)際樣品實(shí)驗(yàn)，3次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于15%，回收率在72.7%～109.6%之間，這些數(shù)據(jù)為探針1的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Patil和Das[12]設(shè)計(jì)合成了含羅丹明的新型熒光探針2（圖1），用于選擇性檢測(cè)水溶液中Hg2+。探針2對(duì)Hg2+具有較高的選擇性和靈敏度，與Hg2+絡(luò)合后會(huì)導(dǎo)致熒光開(kāi)啟，其檢測(cè)限低至26 nmol/L。利用探針對(duì)實(shí)際水樣中汞離子污染進(jìn)行了加標(biāo)回收法檢測(cè)，成功地實(shí)現(xiàn)了探針2用于實(shí)際水樣中Hg2+污染的檢測(cè)。

Rani和他的團(tuán)隊(duì)[13]報(bào)道了一種用于通過(guò)“關(guān)閉”熒光檢測(cè)汞離子的探針3（圖1）。探針3在加入汞離子后，觀察到明顯的熒光猝滅（96%），經(jīng)計(jì)算檢出限為0.35 nmol/L。除Pb2+和Fe3+對(duì)熒光光譜有輕微猝滅作用外，其他金屬對(duì)熒光強(qiáng)度影響不大。此外，該團(tuán)隊(duì)還成功應(yīng)用探針3對(duì)細(xì)胞內(nèi)的汞離子進(jìn)行了成像。

圖1 汞離子熒光探針

Lin等人[14]合成了一種香豆素-硼酸酯汞離子熒光探針4（圖1），它在H2O/CH3CN溶液或PBS溶液中對(duì)Hg2+顯示出很高的熒光響應(yīng)。在探針4溶液中加入Hg2+，肉眼可觀察到由淡黃色變?yōu)槌壬?。檢測(cè)下限低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的飲用水中Hg2+的允許水平。

Tian等人[15]合成一種帶有鄰苯二甲酰亞胺基團(tuán)的汞離子熒光探針5（圖1），探針5不絡(luò)合Hg2+時(shí)，熒光強(qiáng)度較弱，溶液顏色為淡黃色。在Hg2+存在下，該探針與發(fā)出強(qiáng)烈的熒光，溶液顏色也變?yōu)榈G色，從而實(shí)現(xiàn)肉眼對(duì)汞離子的監(jiān)測(cè)，其檢測(cè)限為40 nmol/L。此外，該探針成功應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)Hg2+檢測(cè)并且具有較小的細(xì)胞毒性。

4.2 鎘離子熒光探針

來(lái)自工業(yè)、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域的過(guò)渡金屬污染物中，鎘是最嚴(yán)重的污染物之一，大量實(shí)驗(yàn)表明，人長(zhǎng)期攝入含超量鎘的食物會(huì)對(duì)機(jī)體的呼吸系統(tǒng)造成損傷，同時(shí)嚴(yán)重影響人體的消化系統(tǒng)、肝和腎等的功能。世界衛(wèi)生組織建議飲用水中Cd2+的最高濃度為0.01 mg/L。

Li等人[16]報(bào)道了一種以半胱氨酸為輔試劑的含苯并噻唑的鎘、鋅離子熒光離子探針6（圖2）。在所測(cè)試的各種金屬離子中，Zn2+和Cd2+分別導(dǎo)致探針9的藍(lán)移發(fā)射從573 nm增加到520 nm和540 nm。半胱氨酸的加入使6-Cd2+的發(fā)射紅移回573 nm。相反，半胱氨酸的加入僅降低了6-Zn2+的發(fā)射，對(duì)探針的波長(zhǎng)沒(méi)有影響。試紙實(shí)驗(yàn)表明，探針6可以通過(guò)顯著的熒光變化同時(shí)識(shí)別Zn2+和Cd2+，從而為生物體系中Zn2+和Cd2+的示蹤提供了一種方便的方法。

Krishnendu和他的團(tuán)隊(duì)[17]合成了新的喹啉-苯并噻唑類(lèi)探針7（圖2），用于選擇性檢測(cè)鎘離子。實(shí)驗(yàn)證明探針對(duì)Cd2+的選擇性“開(kāi)啟”發(fā)射變化。探針7在加入Cd2+后熒光顯著增強(qiáng)，肉眼可觀察到溶液顏色從微青色變成綠色。而且，該探針不受其他金屬元素的影響，特別是Cd2+同族元素Zn2+的影響。探針7還可制作成便攜式試劑盒，無(wú)需使用任何昂貴的儀器幫助即可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)Cd2+。

Fabiane等人[18]制備了一種新型的吖啶類(lèi)熒光探針8（圖2），并對(duì)其進(jìn)行了表征和研究，用于乙醇溶液中鎘離子的定量檢測(cè)。探針8與Cd2+的絡(luò)合使得熒光增強(qiáng)了746%，不受干擾離子的影響。檢出限和定量限分別為9.98 nmol/L和33.31 nmol/L(R2=0.996)，線(xiàn)性范圍為0.10～1.00μmol/L。此外，探針8在3種不同的基質(zhì)中進(jìn)行了回收測(cè)試，這三種基質(zhì)是巴西甘蔗酒、巴西清酒和在乙醇中捕獲的煙草主流煙霧。

Li等人[19]設(shè)計(jì)并合成了一種簡(jiǎn)單的用于識(shí)別鎘離子 和 銀 離 子 的 探 針9 （ 圖2 ） 。 該 探 針 在CH3OH/HEPES緩沖體系中測(cè)定Ag+和Cd2+，實(shí)驗(yàn)證明探針9對(duì)這2種離子有熒光猝滅作用，其檢測(cè)限分別為0.42μmol/L和0.26μmol/L。重要的是該探針與Cd2+的絡(luò)合，使得溶液從藍(lán)色變?yōu)榫G色，所以可以在紫外燈下用肉眼分辨Ag+和Cd2+。濾紙紙片試驗(yàn)進(jìn)一步證明了探針9可以作為一種簡(jiǎn)便、快速的檢測(cè)方法。

Lu等人[20]合成了一種新型的喹啉類(lèi)熒光探針10（圖2）。在100%的水環(huán)境中，探針10對(duì)Cd2+（開(kāi)啟）和Hg2+（關(guān)閉）分別表現(xiàn)出不同的熒光響應(yīng)，表現(xiàn)出較高的靈敏度和選擇性，檢測(cè)限分別為39 nmol/L和98μmol/L。同時(shí)，探針10成功應(yīng)用于細(xì)胞成像。

圖2 鎘離子熒光探針

4.3 鉛離子熒光探針

鉛污染的途徑有兩個(gè)。其一，約有3億t開(kāi)采的鉛在水生系統(tǒng)和土壤中存在；其二，含鉛材料的利用，包括廢塑料、電池、顏料、汽油和重燃料油。人類(lèi)接觸過(guò)多的鉛可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的健康問(wèn)題，如神經(jīng)、發(fā)育和心血管疾病。世界衛(wèi)生組織建議飲用水中Pb2+的最高濃度為0.01 mg/L。

Jiang等人[21]設(shè)計(jì)并合成了一種以氨基硫脲-萘酰亞胺衍生物為基礎(chǔ)的新型鉛離子熒光探針11（圖3），該探針在乙腈/水溶液中對(duì)Pb2+具有良好的選擇性和靈敏度。探針11在365 nm的紫外光下有明顯的變色，并隨著Pb2+的加入表現(xiàn)出開(kāi)啟的熒光響應(yīng)，檢出限為4.7 nmol/L，同時(shí)，水樣中Pb2+的加標(biāo)回收率為100.54%～113.68%。探針18還可用于人基質(zhì)細(xì)胞系（HSC）溶酶體中Pb2+的熒光成像。

Zhang等人[22]設(shè)計(jì)并合成了一種新的基于熒光素的比色探針12（圖3）。該探針利用F-作為輔助劑，可以快速、靈敏地區(qū)分Pb2+和Cd2+。當(dāng)在探針12溶液中加入Pb2+或Cd2+時(shí)，顏色由無(wú)色變?yōu)榈仙?。然而，在含Pb2+或Cd2+的探針溶液中加入F-后，出現(xiàn)了一個(gè)明顯的現(xiàn)象，即含Pb2+的探針溶液由淡紫色褪色為無(wú)色，含Cd2+的探針溶液由淡紫色變深為深紫色。在水溶液中，Pb2+和Cd2+的檢出限分別為0.42μmol/L和0.53μmol/L。此外，該探針成功地用于自來(lái)水中痕量有害鉛和鎘的快速檢測(cè)，相對(duì)回收率較好，鉛和鎘的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.8%和0.3%，為實(shí)際應(yīng)用提供了一種新的檢測(cè)方法。

Shaily等人[23]設(shè)計(jì)并合成了一種基于三氮唑的鉛離子熒光探針13（圖3）。探針13的熒光強(qiáng)度可被Pb2+選擇性猝滅，肉眼可觀察到明顯地從無(wú)色到黃色的顏色變化。在磷酸鹽緩沖溶液中對(duì)Pb2+離子具有很高的靈敏度和選擇性，檢測(cè)下限為1.9 nmol/L。此外，該團(tuán)隊(duì)利用探針13制作了試紙，可用于Pb2+的高效檢測(cè)。

Zhong等人[24]合成一種含有席夫堿的熒光探針14（圖3），能特異性檢測(cè)鉛離子。當(dāng)探針與Pb2+結(jié)合后，在560 nm處有一個(gè)明顯的吸收峰，而其他金屬離子對(duì)其影響并不大，并由此計(jì)算出其檢測(cè)限為0.16 nmol/L。將探針14制備成試紙，當(dāng)遇到Pb2+時(shí)，試紙由白色變?yōu)榉凵?，說(shuō)明探針可用于快速檢測(cè)鉛離子。

Velmurugan和他的同事[25]合成了一種用于高選擇性熒光檢測(cè)Pb2+的熒光探針15（圖3）。探針15選擇性地檢測(cè)Pb2+，對(duì)Pb2+加入表現(xiàn)出較大的藍(lán)移并增強(qiáng)了熒光，檢測(cè)限為13μM。最后，成功將探針15應(yīng)用于牛奶、紅酒、活細(xì)胞中Pb2+的檢測(cè)。

圖3 鉛離子熒光探針

4.4 鉻離子熒光探針

鉻是一種環(huán)境污染物，由于各種工農(nóng)業(yè)活動(dòng)而積累的鉻是一個(gè)令人擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題。當(dāng)人體中攝入過(guò)量鉻時(shí)，他會(huì)積蓄在腎、肝中，影響其正常功能，造成糖尿、骨質(zhì)疏松和貧血等危害。世界衛(wèi)生組織建議飲用水中Cr3+的最高濃度為0.05 mg/L。

Chai等人[26]合成了兩個(gè)羅丹明B類(lèi)化合物16和17（圖4），它們?cè)谒芯哂休^強(qiáng)的紅光發(fā)射，可用于Cr3+的研究。熒光光譜和細(xì)胞成像表明探針16和17對(duì)Cr3+有很高的響應(yīng)性，并用它們研究了吡啶甲酸鉻在活細(xì)胞中的分解。結(jié)果表明，在活細(xì)胞中，探針25和26可以從Cr(pic)3中捕獲了Cr3+。

Huang等人[27]開(kāi)發(fā)了一種新型雙光子熒光探針18（圖4）。實(shí)驗(yàn)證明，在H2O/HEPES緩沖液中，探針18對(duì)Cr3+具有熒光淬滅效應(yīng)，并且裸眼可觀察到明顯地從淡黃色到淺黃色的顏色變化。同時(shí)，將探針18應(yīng)用于實(shí)際水樣中的Cr3+檢測(cè)，回收率均在98%以上，說(shuō)明該探針對(duì)Cr3+的識(shí)別具有較高的準(zhǔn)確度和精密度。

Zhu等人[28]設(shè)計(jì)并合成了一種新型雙苯并咪唑基熒光探針19（圖4），用于Cr3+的識(shí)別。隨著鉻離子的加入，該熒光探針表現(xiàn)出強(qiáng)烈的藍(lán)色發(fā)光，發(fā)射帶位于420 nm，并對(duì)Cr3+有靈敏的關(guān)閉熒光響應(yīng)。特別的是該探針對(duì)鉻離子的響應(yīng)時(shí)間不到1 s，且Cr3+的檢測(cè)下限僅為3.5 nmol/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型熒光探針19具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可用于Cr3+的檢測(cè)。

圖4 鉻離子熒光探針

3 結(jié)論與展望

20世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出不同的儀器與設(shè)備用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的重金屬，但是，目前重金屬檢測(cè)的主要手段是借助大型儀器如電感耦合等離子體質(zhì)譜法、原子熒光光譜法、原子吸收光譜法等對(duì)待測(cè)樣品重點(diǎn)中重金屬含量進(jìn)行鑒定，這些手段的鑒定成本高、檢測(cè)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，限制了重金屬檢測(cè)技術(shù)的普及和推廣，新型檢測(cè)技術(shù)如生物免疫法等也存在制樣困難等一定的缺陷，因此建立起一個(gè)快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法是十分必要的。與傳統(tǒng)利用大型儀器進(jìn)行重金屬檢測(cè)技術(shù)相比，熒光探針具有明顯的響應(yīng)時(shí)間短，樣品制備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這為現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于重金屬的快速檢測(cè)奠定了重要的基礎(chǔ)，也將成為未來(lái)重金屬檢測(cè)的趨勢(shì)。