一种便携快速测量水中铅和镉含量的仪器-ANDalyze

白瑞霞, 殷皓铭, 黄 方

(中国科学院壳幔物质与环境重点实验室, 地球和空间科学学院, 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026)

工农业快速发展的同时，也带来了严重的环境污染问题.与许多有机物质污染不同，重金属污染不能被环境自然降解，进而在土壤和水体中累积，对生物和生态系统造成极大危害[1-3].常见测量环境中污染元素含量的方法有电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子发射光谱法(ICP-AES)和原子吸收光谱法(AAS)等[4-6].以上方法均存在仪器体积大、需要高能电源和分析过程相对耗时等问题，无法满足野外突发环境污染的快速监测[7].为了快速监测野外频发的诸如Cd、Zn、Cu和Pb等的重金属污染[3]，需要开发可以快速、准确、便携的检测仪器.

荧光化学传感器[8-11]提供了一种潜在的可以用于测量重金属元素含量的新型测量方法.DNAzymes(DNA酶)是一类对金属离子具有高度特异性和敏感性的新型酶,当与目标重金属离子结合时，重金属可以使DNA酶的荧光抑制基因失活，进而产生荧光，其荧光强度与特定的重金属元素含量成正比.这个失活过程很快，荧光产生迅速，利用小型的分光光度计测量荧光强度，即可定量分析特定重金属元素的含量[9].

经过体外筛选获得的DNA酶可以快速灵敏识别特定金属元素，因此，重金属传感器已广泛应用于例如Pb(II)、Cu(II)和Zn(II)等浓度的快速测量中[9, 12-16].重金属传感器的基本原理是核酸切割酶能够识别并切割特定 DNA 双链中某条单链，进而重金属能够激活核酸酶水解使单链释放，产生荧光.金属浓度越高，产生的荧光强度越强，二者为正比关系[17-18].因此，可以利用DNA酶定量分析特定的重金属元素浓度.

本文建立了基于生物酶原理，测定Pb和Cd两种特定元素的分析方法，使用的仪器仅手掌大小，利用小型分光光度计将荧光信号转化为浓度信号.由于荧光反应迅速，分析速度快，测定仪器便携，测量方法即时，因此与传统的质谱和光谱测量方法完全不同.

1 试验部分

1.1 仪器

PerkinElmerElan DRCII ICP-MS(美国PerkinElmer公司)；ANDalyze生物酶传感器(美国哈希)的外形如图1所示(http://andalyze.com/)，使用经典方法校正仪器.

图1 生物酶传感器外观图

1.2 试剂

标准溶液原液：国家有色金属及电子材料分析测试中心生产的国家单元素标准样品GSB 04-1742-2004(铅)、GSB 04-1721-2004(镉)，质量浓度均为1 000 mg/L；介质为硝酸，CHNO3=1.0 mol/L；利用质量稀释的方法，将原液准确定量、稀释到传感器方法可测量的浓度范围内，获得校正仪器所用的标准溶液；二次去离子水,电阻率18.2 MΩ cm；矿泉水,农夫山泉过滤所得.

由于生物酶测量要求水样pH范围为6～8，因此通过加入一定量的分析纯碳酸钠(Sinopsin Group Chemical Reagent)中和硝酸介质，以符合生物酶工作环境.

Pb元素：移取国家单元素标准样品，中和后稀释至10、20、50 μg/L；Cd元素：移取国家单元素标准样品，中和后稀释至0.2、0.4、0.6、0.8 mg/L.

1.3 校正曲线

由于生物酶传感器只能相对于荧光强度获得测量浓度结果，该测量浓度结果不是溶液的绝对真实浓度，与溶液真实浓度存在偏差，因此需要建立测量结果和标准溶液推荐浓度的关系-校正曲线.基于校正曲线可以通过测量的浓度结果计算溶液的真实浓度.

为了获得校正曲线并检验生物酶分析方法的准确性，首先要验证稀释获得的标准溶液是否准确.标准溶液通过使用二次去离子水稀释单元素标准溶液至仪器可测量的范围获得，利用ICP-MS进行测量.多元素混合外标溶液是由单元素标准溶液混合稀释获得，通过使用Rh作为内部标准并反复分析“外部”标准溶液来进行漂移校正.ICP-MS数据使用ICPMSDataCal软件进行处理[19].仪器测试条件如表1所列.

1.4 试验方法

测试在常温常压下进行，Pb和Cd分开进行测量.先将待测溶液加入容量为5 mL样品管(图2a)中.为了使pH维持稳定，样品管中事先存有一定量的缓冲溶液，使得测试过程中待测溶液pH保持稳定.溶液定容至5 mL，混匀，静置.将比色皿放入仪器，一个新的传感器放在比色皿上(图2b).然后用注射器从样品管中取1 mL样品，插入传感器上方小孔，在3～5 s内将样品推过传感器(图2c)，待测溶液与生物酶接触即可发生荧光反应.移开传感器，盖上盖子，迅速按下开始按钮.检测结束后屏幕自动显示检测结果(图2d).从混合缓冲溶液到测试完成获得浓度结果,整个过程只需要3～5 min.

表1 电感耦合等离子体质谱仪测试条件

图2 元素测量操作图

2 结果与讨论

2.1 标准溶液的可靠性检验

标准溶液浓度的准确性是建立标准曲线的基础，通过其他测量浓度的方法,可以对标准溶液浓度的准确性进行检验.本工作根据ICP-MS测量结果和稀释溶液时质量平衡计算获得的浓度进行对比(如图3所示).由图3可知，人工配制的标液浓度与ICP-MS测量结果一致，说明通过质量平衡计算获得的浓度可以作为推荐值来使用.

图3 人工配制标液推荐值和ICP-MS测量结果对比

2.2 试验获得校正曲线

为了检验测量结果的可靠性，分别以二次去离子水和矿泉水为基质稀释1 000 mg/L单元素溶液至一定已知浓度标准溶液，使用传感器方法进行测量.基于荧光强度和金属浓度成正比，可以通过测量某一浓度溶液，与原点连接进行作图获得校正曲线.对于铅元素和镉元素，在二次去离子水和矿泉水基质中，分别测量较高浓度溶液，将其与零点连接拟合获得校正曲线(如表2、3所列，图4所示).

因此，对于Pb和Cd两种元素，根据生物酶传感器方法的基本原理(生物酶释放荧光的强度和金属浓度成正比的关系)，应用经典校正办法，利用标准溶液和原点连接拟合，可以获得线性校正曲线(如图4所示).

表2 Pb元素的校正结果

表3 Cd元素的校正结果

图4 不同基质元素校正曲线及测量结果图

2.3 标准溶液测量结果

为了验证生物酶传感器方法校正曲线的可靠性，我们选取了不同元素浓度的样品进行测试(图4).其中每种溶液均平行测定两次或以上，以减少测试误差.

分别利用二次去离子水和矿泉水稀释了国家单元素标准溶液(Pb)，配置质量浓度为10、20 μg/L的待测样品溶液.根据生物酶传感器测量得到的值y，使用Pb的两种校正曲线计算得到校正浓度x，结果如表4、5所列.

表4 Pb元素二次去离子介质水校正结果和误差估计*

*：二次去离子水介质铅元素浓度校正曲线y=0.94(±0.21)x

表5 Pb元素矿泉水介质水校正结果和误差估计*

*：矿泉水介质铅元素浓度校正曲线y=0.60(±0.03)x

类似地，分别利用二次去离子水和矿泉水稀释国家单元素标准溶液(Cd)，配置质量浓度分别为0.2、0.4和0.6 mg/L的待测样品溶液.根据生物酶传感器测量得到的值y，使用Cd的两种校正曲线计算得到校正浓度x，结果如表6、7所列.

综上，测量结果(图4圆点)很好地落在了校正曲线附近.通过校正曲线，可以从生物酶传感器的测量值计算获得溶液中金属元素真实浓度，验证了测量结果的准确性.

表6 Cd元素二次去离子介质水校正结果和误差估计*

*：二次去离子水介质镉元素浓度校正曲线y=0.67(±0.03)x

表7 Cd元素矿泉水介质水校正结果和误差估计*

*：二次去离子水介质镉元素浓度校正曲线y=0.67(±0.03)x

2.4 误差估计

相对误差通过对比校正结果和推荐浓度获得，可以利用公式(1)[20]计算获得测量和平均绝对误差，结果如表4～7所列：

(1)

式中，校正值是测量值通过校正曲线计算获得的，推荐值指已知浓度样品的真实浓度.从误差结果可以看出，大部分测量结果相对误差在20%以内，最大相对误差不超过30%.因为3～5 min就可以完成测量，这个结果可以很好地满足野外污染的测量需求.

3 结论

利用以生物酶荧光技术为原理的便携式生物酶传感器，开发了一种快速测量水体中重金属元素含量的新方法.该方法主要具有以下特点：(1)快速.生物酶传感器方法的测量步骤分为4步，包括混合水样与缓冲溶液，将溶液注射进入仪器，等待测量结果，获得结果.4步总用时在3～5 min内，可以短时间内获得重金属浓度，在野外快速检测识别污染.(2)便携.该仪器尺寸为20×9×5 cm，重量为0.6 kg，因此该仪器相比常规元素含量测量仪器具有体积小、质量轻的特点，从而方便带到野外进行测量.(3)可靠.我们通过质量稀释计算得到的真实浓度值与传感器方法测量得到的测量浓度值结合原点拟合作图，获得线性校正曲线.测量已知推荐值的溶液浓度，并利用校正曲线反算获得金属元素含量的校正浓度，其相对误差大部分在20%以内(最大相对误差30%以内)，因此可以通过对仪器线性校正的方法获得准确的金属元素浓度.该仪器可以独立分析Pb、Cd两种元素，两种元素的测量范围分别为Pb 2～100 μg/L，Cd 0.1～1.0 mg/L.

因ANDalyze仪器携带方便，操作简单，测量时间短，大大提高野外污染的测量效率，可以满足野外突污染重金属元素含量的快速测量.这是一种不同于传统光谱和质谱测量的新方法.