重金属镉离子检测技术研究进展

1、2008年第 2期6月出版庞铄权 *王志坤徐建伟郭明(浙江林学院理学院化学系 , 临安 311300重金属镉离子检测技术研究进展 *Recent advance in analytical methods of cadmium*浙江省科技厅项目 , 编号 :2006C22075。*庞铄权 , 男 , 1983年出生 , 浙江林学院理学院硕士研究生。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 Fo

2、restry University , Linan 311300, China 摘要镉离子污染严重威胁人类健康 , 近年来 , 痕量镉的分析技术在不断发展。对传统的镉离子分 析方法进行了回顾 , 并对适应社会发展而建立起来 的快速检测技术进行了综述 , 其中利用制备抗镉 -螯合物的单克隆抗体建立的免疫检测技术显示了很 好的应用前景。 关键词镉 ; 检测方法 ; 免疫检测Abstract Cadmium Pollution is threatening human health. Great progress has been made in determination of trace cad

3、mium in recent years. Traditional determination 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 m

4、ay have great po-tential for application in the future.keywords cadmium ; analytical methods ; immuno-assay随着现代工业的迅速发展 , 重金属污染危害日 益突出。镉是一种毒性很强的重金属 , 是人体非必 需的有毒元素 , 被称为“五毒之首” 。早在 1974年 联合国环境规划署 (UNEP 和国际劳动卫生重金属委员会就将其定为重点污染物。镉离子具有富集 作用 , 同时半衰期长 (长达二三十年 , 不宜生物 降解。据报道 , 在通过生物链在人体内富集的镉离子能引起慢性中毒 , 使肾机能衰退、

5、骨质疏松 , 长 期 吸 入 氯 化 镉 能 引 起 肺 部 炎 症 、 支 气 管 炎 甚 至 癌 症 。 1987年 镉 被 国 际 抗 癌 联 盟 (IARC 定 为 A级 (共 级 致癌物质 , 还能引起糖尿病 , 高血压等疾病。据统计 , 世界上每年由冶炼厂和镉加工处 理释放到大气中的镉大约为 1000t , 约占排入大气 中总镉质量的 45%, 日本所发生的“骨痛病”就是 由于含镉废水污染土壤后转移至农产品中 , 通过食 物链转移到人体内而造成的。目前我国镉离子污染 形势严峻 , 通过对浙江部分食品中镉污染水平研究 表明 :浙江省海产品、猪肾受镉污染较重 , 海鱼镉 含量高 , 其

6、平均值为 0.59mg /kg , 最高达 2.0mg /kg , 超标率达 35.4%, 最高镉含量的样品超过国家标准 50倍。 2005年发生的北江镉污染事件中镉浓 度超标达 12倍之多 , 酿成了广东省环保史上最大 的污染事故。 2006年震惊全国的湘江镉污染事件 , 镉超标排放浓度仍超标 2240倍 , 严重地影响了居民的正常生活。由于人们对镉污染的高度关注 , 对镉离子的痕 量检测技术要求也越来越高 , 特别是农副产品及近 年来兴起的森林食品和绿色食品的质量检测中重金 属镉离子含量指标也成为被关注的热点之一。痕量 镉的分析技术也在不断发展 , 分析工作者一直在努 力寻找更有效更准确的

7、测定各种样品中微量镉的方 法。本文综述了传统的镉离子检测方法 , 并着重对 适应社会发展要求而建立起来的快速、检测灵敏、 价格低廉、操作简单、使用和携带方便、处理量大 而适合现场和在线检测的免疫学方法、生物传感器 及试纸法进行了详细的介绍并做了展望。食 品 工 程 FOOD ENGINEERING 食品分析 ! "!"! ! ! ! ! ! "! "622008年第 2期6月出版庞铄权 , 等 :重金属镉离子检测技术研究进展表 1传统的镉离子检测方法检测方法 基本原理 优缺点 相关报道火焰原子吸收法 (FASS 用 火 焰 将 样 品 气 化 为 基 态

8、 原子 , 然后根据被测元素对特定频率辐射线的吸收进行分析操作简单、分析速度快 、 测定高浓度元素时干扰小 、 信号稳定M ohammad A 等 人 用 Nitroso-S 对 样 品 进行富集 , 然后用对微量镉进行了检 测 , 取得了理想的结果石墨炉原子吸收法 (GF-AAS 利用石墨管使样品原子化 , 然后根据被测元素对特定频率辐射线的吸收进行分析灵敏、准确、选择性好 , 但在 线 检 测 方 法 基 体 干 扰 严重 , 不适合多种元素分析Hasan C 等 人 用 此 法 对 Carsamba 和 Bafra 两 地 农 业 区 土 壤 的 镉 进 行 检 测 , 两地平均含 镉

9、水 平 为 (0.162±0.078 mg /kg 和 (0.433±0.288 mg /kg电感耦合等离子体质谱法 (ICP-M S 利用电感耦合等离子体使样品气 化 , 将 待 测 金 属 分 离 出 来 ,然后进入质谱进行测定灵敏度高 , 选择性好 , 能 同时分析多种元素 , 但价 格 昂贵 , 易受污染Baba K 等人测定了 3种标准米粉中的 镉 , 浓 度 分 别 为 0.032mg /kg 、 0.32 mg /kg 、 1.82mg /kg , 标 准 曲 线 在 0.023mg /kg1.82mg /kg 之 间 显 示 良 好的线性相关性紫外分光光度法

10、 (UV 基于被测物质对紫外 -可见光辐射具选择性吸收来进行分析测定的方法 , 通常要加入显色剂简便、快速、灵敏度高 、 仪器简单、价格低廉、容 易 普及。但干扰因素较多 , 选 择性较差张明英等人研究了以 5-Br-PADAP 双 波 长 吸 光 光 度 法 同 时 测 定 微 量 锌 与 镉 , 镉 的 线 性 范 围 为 012g /mL , 回收率达 96%101%阳极溶出伏安法 (ASV 利用电流对时间的半微分值对电位的关系曲线为基础的新的电位分析方法灵敏度高、分辨率好 , 仪 器价 格 低 廉 , 检 测 限 可 达 10-9mol /L , 可 同 时 测 定 几 种 元素Que

11、irolo F 等人研究了多种蔬菜中的总 铅、镉含量 , 结果显示镉含量范围在 0.2g /g40g /g 之间1镉离子的传统检测方法传统的镉离子检测方法主要有原子吸收光谱法 (Atomic Absorption Spectroscopy 、紫外分光光度法 (Ultra-violet Spectroscopy 、阳极溶出伏安法 (An-odic Stripping Voltammetr 、示波极谱法 (Oscillopo-larography 和各种仪器联用技术 , 如电感耦合等离 子体质谱法 (Inductively Coupled Plasma-Mass Spec-trometry 、 电

12、 感 耦 合 等 离 子 体 原 子 发 射 光 谱 分 析 (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spec-trometry 、 氢 化 物 发 生 -原 子 吸 收 法 (Hydride Generation-Atomic Absorption Spectrometry 等。表 1列举了各种方法的原理、优缺点及相关报道。通过表 1对传统分析方法的总结可以看出这些 分 析 方 法 虽 然 能 够 对 环 境 中 的 镉 离 子 进 行 有 效 分 析 , 而且测量精度可达到 mg /kg , 或更高。但大多 需要大型仪器 , 成本较高 , 样

13、品要经过消解 , 只能 逐个测定单种重金属浓度 , 同时检测步骤繁琐 , 不 适合现场、在线分析检测 , 难以适应环境及市场产 品的现场抽查、生产企业自查及产品进出口快速通 关的要求。2镉离子的快速检测方法随 着 工 业 化 进 程 的 加 快 , 生 活 水 平 的 不 断 提 高 , 人们对环境质量的要求也越来越高 , 对重金属免疫分析 (Immunoassay 是以抗原 (Antigen , Ag 或半抗原 (hapten 和抗体 (Antiboby , Ab 特异性结合 生成 Ag 、 Ab 复合物的免疫反应为基础的生化测试 技术 , 他在环境污染、临床检测、生化分析、疾病 防治等方面

14、有着广泛的应用。免疫检测技术的开发 主要有以下三个技术环节 , 人工抗原的合成、抗体 的获得和免疫检测方法的建立。镉离子的免疫检测 技术关键在于获得针对镉离子的特异性抗体 , 而抗 632008年第 2期 6月出版体的制备又取决于人工抗原的合成 , 其中半抗原的 合成是获得高纯度人工抗原的基础。镉离子自身带 有电荷 , 能与生物分子发生强烈的不可逆反应 , 导 致动物中毒。因此选用一定的双功能鳌合剂使其与 金属离子配位 , 形成金属 -鳌合剂复合物 , 从而提 供一个能被免疫系统识别的有机物外壳。而重金属 -鳌合剂复合物是低分子量的半抗原 , 不具备免疫 原性 , 要将其偶联到载体蛋白 (BS

15、A 或 KLH 上 , 从 而 制 备 出 完 全 抗 原 。 在 成 功 制 备 重 金 属 抗 原 之 后 , 可以通过动物免疫、细胞融和、杂交瘤筛选、 抗体纯化等步骤制备重金属特异性抗体。对镉离子的免疫学检测技术国内外已经有初步 的研究并相继报道 , 根据抗体的种类及免疫检测的 对 象 , 可 将 其 检 测 方 法 分 为 荧 光 偏 振 免 疫 检 测 (Fluorescence Polarization Immunoassay , FPIA 、 一 步 竞 争 性 免 疫 检 测 法 、 竞 争 性 酶 联 免 疫 (ELISA 检测法和 KinExA 免疫检测法等。荧光偏振重金属

16、免疫检测法 (FPIA 是荧光偏振 法与免疫竞争法的结合 , 其原理是样品中的金属离 子与过量螯合剂形成金属 -螯合剂复合物后 , 与固 定浓度的金属 -螯合剂 -荧光复合物竞争检测多克 隆抗体上的结合位点 , 然后进入荧光偏振分析仪进 行 分 析 , 通 过 与 标 准 曲 线 对 照 得 出 金 属 离 子 的 浓 度。Johnson D K 等人利用此方法对样品中的镉离子 进行检测 , 并建立了镉 -螯合物浓度在 0nmol /L 100nmol /L 之 间 的 标 准 曲 线 , 最 低 检 出 限 在1.0nmol /L 以下 , 而且交叉反应率低。此法的基本原理是先将重金属单抗与

17、固相载体 结合 , 然后把作为检测的重金属抗原和已知浓度的 酶标重金属抗原混合 , 二者在包被有抗体的微孔中 竞争单克隆抗体的抗原结合位点 , 加底物和没有反 应的酶发生显色反应 , 根据显色程度确定样品中重 金属的含量。Darwish I A 等采用一步竞争性免疫检测法检测 环 境 水 样 中 的 镉 , 该 检 测 法 对 Cd( 的 灵 敏 度 很 高 , 检测下限可达 0.3g /L , 水样中存在高浓度的 Ca( 、 Mg( 和 Fe( 不干扰测定 , 添加 Cd( 的 平均回收率为 100.29%±3.60%, 变异系数为 3.6% 10.9%。在前面工作的基础上 , 他

18、们继续又对人血 清中的 Cd( 进行检测 , 检测限为 0.24g /L , 有 效检测范围 (变异系数 <10% 为 0.24g /L 100g /L 。2.1.3重金属间接竞争性 ELISA 检测法本法的基本原理是样品中的重金属离子与过量 螯合剂形成可溶性的重金属 -螯合剂复合物 , 将其 与已经包被在酶标板上的重金属 -螯合剂 -蛋白质 复合物竞争单克隆抗体的抗原结合位点 , 添加酶标 二抗和底物显色 , 与标准曲线对照 , 即可得出样品 中的重金属离子浓度。Khosraviani M 等利用竞争性 ELISA 检测法测定 了 环 境 水 样 中 Cd ( 的 含 量 , 该 法

19、选 择 针 对 Cd-EDTA 复合物而不 针 对 EDTA 的 特 异 性 强 的 单 抗 , 结果表明环境中常见的金属离子对 Cd( 的影 响很小 , 采用该法对镉离子的检测效果与原子吸收 光谱法相近 , 结果令人满意。2.1.4KinExA 免疫检测法美国 Tulane 大学健康科学中心 Blake 等在 LISA 的 基 础 上 , 改 进 并 开 发 了 KinExA 免 疫 检 测 法 。 KinExA 是一种计算机控制的流式荧光计 , 由毛细 管流 /观察单元组成并配有多微孔筛 , 各种被测液 能在负压下通过筛孔。统一大小的小珠堆积在筛子 上形成了一个填充床 , 其表面包被固化抗

20、原。与间 接竞争 ELISA 法一样 , 样品中的重金属离子先与过 量螯合剂螯合形成溶解性抗原 , 加入抗体并使抗体 和溶解性抗原之间的结合达到平衡 , 然后这种溶液 快速流过包被有固化抗原的小珠 , 这时还具有抗原 结合位点的抗体被小珠捕获 , 用缓冲液冲洗 , 加入 酶标二抗和显色剂显色 , 通过 PC 界面来检测和记 录荧光信号 , 与标准曲线对照得出金属离子浓度。 Blake D A 等用竞争性微孔板和 KinExA 3000免 疫 传 感 器 两 种 方 式 竞 争 性 免 疫 测 定 Cd ( 、 Co ( 、 Pb( 及 U( , 结果表明 , KinExA3000抗体 传感器的

21、对 Cd( 的平均测试回收率为 114.25%±11.37%, 测试变异系数为 0.81%7.77%。生物传感器的研究始于 20世纪 60年代初期 , 随着传感技术、半导体技术、微机加工技术、生物 工程技术和生物电子学的发展 , 各种类型的生物传 感器相继问世 , 目前已经研制出测量重金属残留的 生物、化学传感器并开始投入实际应用。其原理是 利用重金属对某些蛋白质或酶生物活性的抑制、产 生可逆或不可逆的变性作用 , 研究重金属对蛋白质 或酶影响作用的动力学关系 , 并将筛选获得的蛋白食 品 工 程 642008年第 2期 6月出版质、酶及其复合体系实现固定化 , 一般多固定在电 极或

22、生物膜上制作成生物或化学传感器对环境、食 品及农畜产品的重金属进行快速测定。Ibolya B 等利用发光酶固定化生物传感器检测 重金属汞、镉、铜、锌该种生物传感器检测浓度范 围 为 (10100 mmol /L , 检 测 限 约 为 (1015 mmol /L 。 Maria T G 等开发了基于光合系统 (PS 的生物传感器 , 将藻细胞固定在质量分数 2%的琼 脂 中 , 通 过 检 测 pH 值 的 变 化 来 测 定 重 金 属 Cr ( 和 C( d 的含量。由于试纸法具有检测灵敏、价格低廉、操作简 单、使用和携带方便等特点 , 开始受到国内外学者 的关注。 Amelin V G

23、建立起来的试纸法多组分分析 中 , 对 Cd( 及其他金属离子的检测只需 15min20 min 即可完成 , 检测范围在 (0.11000mg /L 。郭玉香 等将具有特效显色反应的生物染色剂通过浸渍附载 到试纸上 , 制备成重金属镉快速检测试纸 , 用于水 环境样中 Cd( 的快速检测并取得了满意的结果。3结束语重 金 属 特 别 是 镉 离 子 污 染 问 题 , 已 经 不 容 忽 视。目前 , 镉离子的检测方法多种多样 , 传统的检 测 方 法 都 有 自 己 的 优 缺 点 , 适 合 于 不 同 的 检 测 条 件 , 但总的来说存在成本高、样品处理繁琐、效率 低、不适合现场和在

24、线检测的缺点 , 目前镉离子的 检测技术正在朝着快速、低廉、精确、处理量大而 且便于推广的方向发展。近年来发展起来的免疫检测技术和生物传感器 等快速检测技术正是适应这种要求而产生 , 其中利 用制备抗镉 -螯合物的单克隆抗体建立的免疫检测 技术显示了很好的应用前景。该方法具有检测速度 较快、费用低廉、简单易携、高度的灵敏度和选择 性的特点。这种方法理论上能应用于能产生合适抗 体的任何污染物质。但这种技术还处于不断的探索 和深入阶段 , 技术需进一步完善 , 镉离子人工抗原 的制备及单克隆抗体的制备是免疫检测的难点 , 如 何制备纯度高的抗原及特异性强的单抗成为免疫检 测研究的方向。参考文献1V

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