重金属镉离子检测技术研究进展

1、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 Forestry University ,Linan

2、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 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、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

5、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

6、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。FOOD ENGINEERING食品分析!"!"!"!"6月出

7、版表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,两地平均含镉水平为(0.162

8、7;0.078mg/kg和(0.433±0.288mg/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、0.32mg/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(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

9、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Queirolo 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

10、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

11、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,对重金属污染特别是镉离子的分析任务也越来越重,传统的检测方法已经无法满足社会的需求。近年来,国内外诸多学者对重金属残留的快速检测技术进行了许多研究,产生了许多快速检测方法,其中主要有免疫分析方法、生物化学传感器方

12、法、试纸法等,这些方法虽然灵敏度和准确性稍微低于传统的分析方法,但是具有方便、简单、快速、易携而经济的特点,十分适合对现场及大量的样品分析,目前国内外已经有相关的研究和报道。2.1免疫学检测方法免疫分析(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6月出版体的制备

13、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(BSA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(Flu

14、orescence 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/L100nmol/L之间的标准曲线,最低检出限在1.0nmol/L以下,而

15、且交叉反应率低。此法的基本原理是先将重金属单抗与固相载体结合,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

16、测范围(变异系数<10%为0.24g/L100g /L。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。美国Tulane大学健康科学中心Blake

17、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

18、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%。2.2生物化学传感器方法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6月出版质

19、、酶及其复合体系实现固定化,一般多固定在电极或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(10100mmol/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。2.3快速试纸法检测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建立起来的试纸法多组分分析中,对Cd(及

20、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

21、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1VIG K,M EGHARAJ M,SETHUNATHAN N,et al.Bioa-vailability and toxicity of cadmium to microorganisms andtheir activit

22、ies in soil:a reviewJ.Advances in Environme-ntal Research,2003,8:121-135.2宋关玲,侯文华,汪群.水体中镉对紫萍修复富营养化水体影响的研究J.四川大学学报(工程科学版,2005,37(3:56-60.3COOPER G P,M analis R S.Interaction of lead and cadmiumon acetylcholine release at the frog neuromuscular junction J.Toxicology and Applied Pharmacology,1984,74(3:

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