重金屬鎘離子檢測技術(shù)研究進(jìn)展

1、6月出版龐鑠權(quán)*王志坤徐建偉郭明(浙江林學(xué)院理學(xué)院化學(xué)系,臨安311300重金屬鎘離子檢測技術(shù)研究進(jìn)展*Recent advance in analytical methods of cadmium*浙江省科技廳項(xiàng)目,編號:2006C22075。*龐鑠權(quán),男,1983年出生,浙江林學(xué)院理學(xué)院碩士研究生。收稿日期:2008-02-22PANG Shuo-quan *WANG Zhi-kun XU Jian-wei GUO M ing(Department of Chemistry ,Science of School of Zhejiang Forestry University ,Linan

2、311300,China 摘要鎘離子污染嚴(yán)重威脅人類健康,近年來,痕量鎘的分析技術(shù)在不斷發(fā)展。對傳統(tǒng)的鎘離子分析方法進(jìn)行了回顧,并對適應(yīng)社會(huì)發(fā)展而建立起來的快速檢測技術(shù)進(jìn)行了綜述,其中利用制備抗鎘-螯合物的單克隆抗體建立的免疫檢測技術(shù)顯示了很好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞鎘;檢測方法;免疫檢測Abstract Cadmium Pollution is threatening human health.Great progress has been made in determination of trace cadmium in recent years.Traditional determinatio

3、n of trace cadmium was reviewed ,and some rapid detection methods of cadmium established with the development of society was summarized.The immunoassay based on preparation of monoclonal antibody directed toward vari-ous heavy metal-chelate complexes may have great po-tential for application in the

4、future.keywords cadmium ;analytical methods ;immuno-assay隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,重金屬污染危害日益突出。鎘是一種毒性很強(qiáng)的重金屬,是人體非必需的有毒元素,被稱為“五毒之首”。早在1974年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP 和國際勞動(dòng)衛(wèi)生重金屬委員會(huì)就將其定為重點(diǎn)污染物。鎘離子具有富集作用,同時(shí)半衰期長(長達(dá)二三十年,不宜生物降解。據(jù)報(bào)道,在通過生物鏈在人體內(nèi)富集的鎘離子能引起慢性中毒,使腎機(jī)能衰退、骨質(zhì)疏松,長期吸入氯化鎘能引起肺部炎癥、支氣管炎甚至癌癥。1987年鎘被國際抗癌聯(lián)盟(IARC 定為A級(共級致癌物質(zhì),還能引起糖尿病,高血壓等疾

5、病。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界上每年由冶煉廠和鎘加工處理釋放到大氣中的鎘大約為1000t ,約占排入大氣中總鎘質(zhì)量的45%,日本所發(fā)生的“骨痛病”就是由于含鎘廢水污染土壤后轉(zhuǎn)移至農(nóng)產(chǎn)品中,通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)而造成的。目前我國鎘離子污染形勢嚴(yán)峻,通過對浙江部分食品中鎘污染水平研究表明:浙江省海產(chǎn)品、豬腎受鎘污染較重,海魚鎘含量高,其平均值為0.59mg /kg ,最高達(dá)2.0mg /kg ,超標(biāo)率達(dá)35.4%,最高鎘含量的樣品超過國家標(biāo)準(zhǔn)50倍。2005年發(fā)生的北江鎘污染事件中鎘濃度超標(biāo)達(dá)12倍之多,釀成了廣東省環(huán)保史上最大的污染事故。2006年震驚全國的湘江鎘污染事件,鎘超標(biāo)排放濃度仍超標(biāo)2240倍,嚴(yán)

6、重地影響了居民的正常生活。由于人們對鎘污染的高度關(guān)注,對鎘離子的痕量檢測技術(shù)要求也越來越高,特別是農(nóng)副產(chǎn)品及近年來興起的森林食品和綠色食品的質(zhì)量檢測中重金屬鎘離子含量指標(biāo)也成為被關(guān)注的熱點(diǎn)之一。痕量鎘的分析技術(shù)也在不斷發(fā)展,分析工作者一直在努力尋找更有效更準(zhǔn)確的測定各種樣品中微量鎘的方法。本文綜述了傳統(tǒng)的鎘離子檢測方法,并著重對適應(yīng)社會(huì)發(fā)展要求而建立起來的快速、檢測靈敏、價(jià)格低廉、操作簡單、使用和攜帶方便、處理量大而適合現(xiàn)場和在線檢測的免疫學(xué)方法、生物傳感器及試紙法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹并做了展望。FOOD ENGINEERING食品分析!"!"!"!"6月出

7、版表1傳統(tǒng)的鎘離子檢測方法檢測方法基本原理優(yōu)缺點(diǎn)相關(guān)報(bào)道火焰原子吸收法(FASS用火焰將樣品氣化為基態(tài)原子,然后根據(jù)被測元素對特定頻率輻射線的吸收進(jìn)行分析操作簡單、分析速度快、測定高濃度元素時(shí)干擾小、信號穩(wěn)定M ohammad A等人用Nitroso-S對樣品進(jìn)行富集,然后用對微量鎘進(jìn)行了檢測,取得了理想的結(jié)果石墨爐原子吸收法(GF-AAS利用石墨管使樣品原子化,然后根據(jù)被測元素對特定頻率輻射線的吸收進(jìn)行分析靈敏、準(zhǔn)確、選擇性好,但在線檢測方法基體干擾嚴(yán)重,不適合多種元素分析Hasan C等人用此法對Carsamba和Bafra兩地農(nóng)業(yè)區(qū)土壤的鎘進(jìn)行檢測,兩地平均含鎘水平為(0.162

8、7;0.078mg/kg和(0.433±0.288mg/kg電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-M S利用電感耦合等離子體使樣品氣化,將待測金屬分離出來,然后進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行測定靈敏度高,選擇性好,能同時(shí)分析多種元素,但價(jià)格昂貴,易受污染Baba K等人測定了3種標(biāo)準(zhǔn)米粉中的鎘,濃度分別為0.032mg/kg、0.32mg/kg、1.82mg/kg,標(biāo)準(zhǔn)曲線在0.023mg/kg1.82mg/kg之間顯示良好的線性相關(guān)性紫外分光光度法(UV基于被測物質(zhì)對紫外-可見光輻射具選擇性吸收來進(jìn)行分析測定的方法,通常要加入顯色劑簡便、快速、靈敏度高、儀器簡單、價(jià)格低廉、容易普及。但干擾因素較多,選擇性

9、較差張明英等人研究了以5-Br-PADAP雙波長吸光光度法同時(shí)測定微量鋅與鎘,鎘的線性范圍為012g/mL,回收率達(dá)96%101%陽極溶出伏安法(ASV利用電流對時(shí)間的半微分值對電位的關(guān)系曲線為基礎(chǔ)的新的電位分析方法靈敏度高、分辨率好,儀器價(jià)格低廉,檢測限可達(dá)10-9mol/L,可同時(shí)測定幾種元素Queirolo F等人研究了多種蔬菜中的總鉛、鎘含量,結(jié)果顯示鎘含量范圍在0.2g/g40g/g之間1鎘離子的傳統(tǒng)檢測方法傳統(tǒng)的鎘離子檢測方法主要有原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectroscopy、紫外分光光度法(Ultra-violet Spectroscopy、陽極溶

10、出伏安法(An-odic Stripping Voltammetr、示波極譜法(Oscillopo-larography和各種儀器聯(lián)用技術(shù),如電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductively Coupled Plasma-Mass Spec-trometry、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spec-trometry、氫化物發(fā)生-原子吸收法(Hydride Generation-Atomic Absorption Spectrometry等。表1列舉了各種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及相關(guān)報(bào)道。通過表1對傳統(tǒng)分析方法的

11、總結(jié)可以看出這些分析方法雖然能夠?qū)Νh(huán)境中的鎘離子進(jìn)行有效分析,而且測量精度可達(dá)到mg/kg,或更高。但大多需要大型儀器,成本較高,樣品要經(jīng)過消解,只能逐個(gè)測定單種重金屬濃度,同時(shí)檢測步驟繁瑣,不適合現(xiàn)場、在線分析檢測,難以適應(yīng)環(huán)境及市場產(chǎn)品的現(xiàn)場抽查、生產(chǎn)企業(yè)自查及產(chǎn)品進(jìn)出口快速通關(guān)的要求。2鎘離子的快速檢測方法隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,生活水平的不斷提高,人們對環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高,對重金屬污染特別是鎘離子的分析任務(wù)也越來越重,傳統(tǒng)的檢測方法已經(jīng)無法滿足社會(huì)的需求。近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者對重金屬殘留的快速檢測技術(shù)進(jìn)行了許多研究,產(chǎn)生了許多快速檢測方法,其中主要有免疫分析方法、生物化學(xué)傳感器方

12、法、試紙法等,這些方法雖然靈敏度和準(zhǔn)確性稍微低于傳統(tǒng)的分析方法,但是具有方便、簡單、快速、易攜而經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),十分適合對現(xiàn)場及大量的樣品分析,目前國內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)的研究和報(bào)道。2.1免疫學(xué)檢測方法免疫分析(Immunoassay是以抗原(Antigen,Ag或半抗原(hapten和抗體(Antiboby,Ab特異性結(jié)合生成Ag、Ab復(fù)合物的免疫反應(yīng)為基礎(chǔ)的生化測試技術(shù),他在環(huán)境污染、臨床檢測、生化分析、疾病防治等方面有著廣泛的應(yīng)用。免疫檢測技術(shù)的開發(fā)主要有以下三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),人工抗原的合成、抗體的獲得和免疫檢測方法的建立。鎘離子的免疫檢測技術(shù)關(guān)鍵在于獲得針對鎘離子的特異性抗體,而抗6月出版體的制備

13、又取決于人工抗原的合成,其中半抗原的合成是獲得高純度人工抗原的基礎(chǔ)。鎘離子自身帶有電荷,能與生物分子發(fā)生強(qiáng)烈的不可逆反應(yīng),導(dǎo)致動(dòng)物中毒。因此選用一定的雙功能鰲合劑使其與金屬離子配位,形成金屬-鰲合劑復(fù)合物,從而提供一個(gè)能被免疫系統(tǒng)識(shí)別的有機(jī)物外殼。而重金屬-鰲合劑復(fù)合物是低分子量的半抗原,不具備免疫原性,要將其偶聯(lián)到載體蛋白(BSA或KLH上,從而制備出完全抗原。在成功制備重金屬抗原之后,可以通過動(dòng)物免疫、細(xì)胞融和、雜交瘤篩選、抗體純化等步驟制備重金屬特異性抗體。對鎘離子的免疫學(xué)檢測技術(shù)國內(nèi)外已經(jīng)有初步的研究并相繼報(bào)道,根據(jù)抗體的種類及免疫檢測的對象,可將其檢測方法分為熒光偏振免疫檢測(Flu

14、orescence Polarization Immunoassay,FPIA、一步競爭性免疫檢測法、競爭性酶聯(lián)免疫(ELISA檢測法和KinExA免疫檢測法等。熒光偏振重金屬免疫檢測法(FPIA是熒光偏振法與免疫競爭法的結(jié)合,其原理是樣品中的金屬離子與過量螯合劑形成金屬-螯合劑復(fù)合物后,與固定濃度的金屬-螯合劑-熒光復(fù)合物競爭檢測多克隆抗體上的結(jié)合位點(diǎn),然后進(jìn)入熒光偏振分析儀進(jìn)行分析,通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照得出金屬離子的濃度。Johnson D K等人利用此方法對樣品中的鎘離子進(jìn)行檢測,并建立了鎘-螯合物濃度在0nmol/L100nmol/L之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線,最低檢出限在1.0nmol/L以下,而

15、且交叉反應(yīng)率低。此法的基本原理是先將重金屬單抗與固相載體結(jié)合,然后把作為檢測的重金屬抗原和已知濃度的酶標(biāo)重金屬抗原混合,二者在包被有抗體的微孔中競爭單克隆抗體的抗原結(jié)合位點(diǎn),加底物和沒有反應(yīng)的酶發(fā)生顯色反應(yīng),根據(jù)顯色程度確定樣品中重金屬的含量。Darwish I A等采用一步競爭性免疫檢測法檢測環(huán)境水樣中的鎘,該檢測法對Cd(的靈敏度很高,檢測下限可達(dá)0.3g/L,水樣中存在高濃度的Ca(、Mg(和Fe(不干擾測定,添加Cd(的平均回收率為100.29%±3.60%,變異系數(shù)為3.6%10.9%。在前面工作的基礎(chǔ)上,他們繼續(xù)又對人血清中的Cd(進(jìn)行檢測,檢測限為0.24g/L,有效檢

16、測范圍(變異系數(shù)<10%為0.24g/L100g /L。本法的基本原理是樣品中的重金屬離子與過量螯合劑形成可溶性的重金屬-螯合劑復(fù)合物,將其與已經(jīng)包被在酶標(biāo)板上的重金屬-螯合劑-蛋白質(zhì)復(fù)合物競爭單克隆抗體的抗原結(jié)合位點(diǎn),添加酶標(biāo)二抗和底物顯色,與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照,即可得出樣品中的重金屬離子濃度。Khosraviani M等利用競爭性ELISA檢測法測定了環(huán)境水樣中Cd(的含量,該法選擇針對Cd-EDTA復(fù)合物而不針對EDTA的特異性強(qiáng)的單抗,結(jié)果表明環(huán)境中常見的金屬離子對Cd(的影響很小,采用該法對鎘離子的檢測效果與原子吸收光譜法相近,結(jié)果令人滿意。美國Tulane大學(xué)健康科學(xué)中心Blake

17、等在LISA 的基礎(chǔ)上,改進(jìn)并開發(fā)了KinExA免疫檢測法。KinExA是一種計(jì)算機(jī)控制的流式熒光計(jì),由毛細(xì)管流/觀察單元組成并配有多微孔篩,各種被測液能在負(fù)壓下通過篩孔。統(tǒng)一大小的小珠堆積在篩子上形成了一個(gè)填充床,其表面包被固化抗原。與間接競爭ELISA法一樣,樣品中的重金屬離子先與過量螯合劑螯合形成溶解性抗原,加入抗體并使抗體和溶解性抗原之間的結(jié)合達(dá)到平衡,然后這種溶液快速流過包被有固化抗原的小珠,這時(shí)還具有抗原結(jié)合位點(diǎn)的抗體被小珠捕獲,用緩沖液沖洗,加入酶標(biāo)二抗和顯色劑顯色,通過PC界面來檢測和記錄熒光信號,與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照得出金屬離子濃度。Blake D A等用競爭性微孔板和KinExA

18、3000免疫傳感器兩種方式競爭性免疫測定Cd(、Co (、Pb(及U(,結(jié)果表明,KinExA3000抗體傳感器的對Cd(的平均測試回收率為114.25%±11.37%,測試變異系數(shù)為0.81%7.77%。2.2生物化學(xué)傳感器方法生物傳感器的研究始于20世紀(jì)60年代初期,隨著傳感技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微機(jī)加工技術(shù)、生物工程技術(shù)和生物電子學(xué)的發(fā)展,各種類型的生物傳感器相繼問世,目前已經(jīng)研制出測量重金屬殘留的生物、化學(xué)傳感器并開始投入實(shí)際應(yīng)用。其原理是利用重金屬對某些蛋白質(zhì)或酶生物活性的抑制、產(chǎn)生可逆或不可逆的變性作用,研究重金屬對蛋白質(zhì)或酶影響作用的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,并將篩選獲得的蛋白6月出版質(zhì)

19、、酶及其復(fù)合體系實(shí)現(xiàn)固定化,一般多固定在電極或生物膜上制作成生物或化學(xué)傳感器對環(huán)境、食品及農(nóng)畜產(chǎn)品的重金屬進(jìn)行快速測定。Ibolya B等利用發(fā)光酶固定化生物傳感器檢測重金屬汞、鎘、銅、鋅該種生物傳感器檢測濃度范圍為(10100mmol/L,檢測限約為(1015 mmol/L。Maria T G等開發(fā)了基于光合系統(tǒng)(PS的生物傳感器,將藻細(xì)胞固定在質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的瓊脂中,通過檢測pH值的變化來測定重金屬Cr (和C(d的含量。2.3快速試紙法檢測由于試紙法具有檢測靈敏、價(jià)格低廉、操作簡單、使用和攜帶方便等特點(diǎn),開始受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Amelin V G建立起來的試紙法多組分分析中,對Cd(及

20、其他金屬離子的檢測只需15min20 min即可完成,檢測范圍在(0.11000mg/L。郭玉香等將具有特效顯色反應(yīng)的生物染色劑通過浸漬附載到試紙上,制備成重金屬鎘快速檢測試紙,用于水環(huán)境樣中Cd(的快速檢測并取得了滿意的結(jié)果。3結(jié)束語重金屬特別是鎘離子污染問題,已經(jīng)不容忽視。目前,鎘離子的檢測方法多種多樣,傳統(tǒng)的檢測方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),適合于不同的檢測條件,但總的來說存在成本高、樣品處理繁瑣、效率低、不適合現(xiàn)場和在線檢測的缺點(diǎn),目前鎘離子的檢測技術(shù)正在朝著快速、低廉、精確、處理量大而且便于推廣的方向發(fā)展。近年來發(fā)展起來的免疫檢測技術(shù)和生物傳感器等快速檢測技術(shù)正是適應(yīng)這種要求而產(chǎn)生,其中利用

21、制備抗鎘-螯合物的單克隆抗體建立的免疫檢測技術(shù)顯示了很好的應(yīng)用前景。該方法具有檢測速度較快、費(fèi)用低廉、簡單易攜、高度的靈敏度和選擇性的特點(diǎn)。這種方法理論上能應(yīng)用于能產(chǎn)生合適抗體的任何污染物質(zhì)。但這種技術(shù)還處于不斷的探索和深入階段,技術(shù)需進(jìn)一步完善,鎘離子人工抗原的制備及單克隆抗體的制備是免疫檢測的難點(diǎn),如何制備純度高的抗原及特異性強(qiáng)的單抗成為免疫檢測研究的方向。參考文獻(xiàn)1VIG K,M EGHARAJ M,SETHUNATHAN N,et al.Bioa-vailability and toxicity of cadmium to microorganisms andtheir activit

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