食品中重金属检测方法研究进展*

张兰兰，叶晨倩，黄奕雯，李达谅

（1.福建师范大学生命科学学院，福建 福州 350117；2.福建省渔业资源检测中心，福建 福州 350117）

1 重金属污染的现状及危害

重金属污染是指人类活动导致重金属排放入环境中，致使环境中的重金属含量远高于原有浓度，从而对人类健康造成潜在或现有的威胁。重金属污染主要产生于工业活动、交通、生活这三个途径，如金属开采和冶炼、能源和燃料生产、化肥和农药工业及应用等，这些重金属一旦进入环境，就会累积在土壤和水体中，通过食物链的富集，被人体摄入，从而对人体健康造成危害[1]，重金属污染一旦产生，其治理难度大，潜在危害巨大。

食品安全是人们的最基础的安全需求，在食品安全危险中，重金属污染最严重的危害是重金属超标的食物或者水被摄入到人体后，重金属物质通过食物链在体内累积，当其含量达到一定程度后会损害神经、心肺、肝脏及内分泌等系统，甚至会引发癌变。最早发现的因重金属污染造成的公害病是20世纪日本的“日本水俣事件”，其根源是含有重金属汞的污水排放进日本水俣湾中，导致重金属汞进入该湾中的鱼虾体内，再通由食物链进入人体内，侵害到人的小脑和知觉系统，该类似事件在日本共发生3次，致使784人患病，103人死亡。因此对于食品中重金属的检测技术的发展刻不容缓。

2 光学检测法

2.1 原子荧光光谱法

原子荧光光谱法工作原理是当样品受到强特征辐射时，各种元素的原子所发射的荧光波长有所不同，因此利用此特征来区分不同元素。李霞[2]等人利用原子荧光光谱法测定农产品中的汞离子，他们选取大米和芹菜作为实验样品，实验证明该方法在1～2μg/L范围内呈现良好的线性关系，相关系数为0.9996，检测限为0.001 mg/kg，精密度为2.4%～3.9%，这些数据都证明了该方法的可行性。

2.2 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法具有选择性强、灵敏度高、分析范围广和抗干扰性强等优点，目前已成为在食品重金属检测中应用最广泛的技术。2021年，李吉锋[3]利用原子吸收光谱法对黄河、渭河和洛河交汇区莲藕中铅、镉、铬、铜、锰和锌6种重金属元素含量进行检测，结果的精密度符合要求。

2.3 荧光发射光谱法

荧光发射光谱法是利用不同元素处于激发态的原子或离子跃迁回基态时发射的特征谱线不同的特点来对待测元素进行分析。赵丽和她的团队[4]利用原子发射光谱法测定膨化食品中的铅和铝的含量，结果表明铅和铝的检出限分别为4.7 ng/mL和20.8 ng/mL，加标回收率为96.4%～104.1%，实验证明了荧光发射光谱法是检测膨化食品中铅和铝的有效手段。

2.4 分光光度法

分光光度法是利用是重金属会与有机显色剂发生化学反应并产生一定的显色分子团，在特定波长的光作用下可以根据已知的标准曲线[5]即可实现食品中所含重金属的有效定量定性检测。迪丽努尔[6]利用分光光度法对乌鲁木齐河部分河段的水质进行重金属检测，通过大量实验确定了最佳pH值、反应时间等重要参数，并构建重金属离子的标准光谱曲线，检测发现水中镉离子、铅离子等重金属离子的含量超标。

2.5 X射线荧光光谱法

X射线荧光光谱法是指当不同元素的外层电子从高能态跳跃回低能态时，多余的能量以X射线的形式产生不同的谱线，从而对待测样品进行元素种类分析和含量测定。荧光X射线法可对液体、固体以及粉末的样品进行定性和定量分析。杨桂兰等人[7]应用X射线荧光光谱法对5类典型土壤中的重金属进行检测，实验表明，在一定预处理条件下，X射线荧光光谱法对5类土壤的检测准确度在75%～125%，精密度在0.14%～11.40%，基本满足对土壤重金属检测的要求。

3 生物学检测法

3.1 酶分析法

酶分析法是重金属与酶活性中心的巯基或者甲巯基结合后，改变酶活性中心的结构与性质，以此为依据建立相关重金属浓度与酶系统的定量关系，从而快速检测重金属含量的方法。柴小平等人[8]探究了酶活性与重金属之间的关系，实验发现脱氢酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶活性与Cu、Pb、Zn、Cr、As之间呈显著正相关，过氧化氢酶活性与Pb之间呈一定程度正相关，脲酶活性与高于0.1 mg/kg的Hg含量之间呈显著负相关，该实验证明了酶活性作为重金属污染的评价指标具有一定的可行性。

3.2 免疫分析法

免疫分析法是基于抗原抗体特异性结合的特性，利用已知的抗原或抗体检测未知的抗原或抗体的方法。在重金属检测时，需要将重金属与合适的络合物或氨基酸进行络合后，制备成抗原，使其产生免疫原性，从而对重金属含量进行检测。王玉龙等人[9]基于汞-螯合剂和汞-谷胱甘肽等半抗原，制备了Hg2+-MNA mAb、Hg2+-ITCBE mAb等不同的汞抗体，运用多种样品检测技术和不同信号转化的检测体系，实现了对水、奶制品、农产品和化妆品中有机汞的检测。

4 重金属荧光探针法

近年来，荧光探针因其成本效益高、灵敏度高、样品制备简单、实时监测响应时间快以及不需要参考溶液的优势而受到极大关注[10]，大量重金属相关的荧光探针陆续被研发出来。在环境和食品污染方面，重金属主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素，因此，本文主要以汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）和铬（Cr）这4种重金属的荧光探针为例来介绍荧光探针在重金属检测中的应用。

4.1 汞离子荧光探针

汞因其不可生物降解的性质以及对生物和环境的有害影响而在许多方面受到持续和特别的关注。排放到环境中的无机汞在细菌的作用下会转化为甲基汞，其容易在人、动物、植物体内积累，导致多种疾病，如水端病、发育迟缓、心血管疾病、运动障碍等。世界卫生组织建议饮用水中Hg2+的最高浓度为0.001 mg/L。

Bozkurt和Gul[11]设计并合成了一种用于检测汞离子的探针1（图1）。实验结果表明，Hg2+的加入显著降低了探针1的荧光强度，且不受其他离子影响，其检出限为0.16 μmol/L。同时，他们利用该探针在自来水中进行了实际样品实验，3次测定的相对标准偏差均小于15%，回收率在72.7%～109.6%之间，这些数据为探针1的实际应用奠定了基础。

Patil和Das[12]设计合成了含罗丹明的新型荧光探针2（图1），用于选择性检测水溶液中Hg2+。探针2对Hg2+具有较高的选择性和灵敏度，与Hg2+络合后会导致荧光开启，其检测限低至26 nmol/L。利用探针对实际水样中汞离子污染进行了加标回收法检测，成功地实现了探针2用于实际水样中Hg2+污染的检测。

Rani和他的团队[13]报道了一种用于通过“关闭”荧光检测汞离子的探针3（图1）。探针3在加入汞离子后，观察到明显的荧光猝灭（96%），经计算检出限为0.35 nmol/L。除Pb2+和Fe3+对荧光光谱有轻微猝灭作用外，其他金属对荧光强度影响不大。此外，该团队还成功应用探针3对细胞内的汞离子进行了成像。

图1 汞离子荧光探针

Lin等人[14]合成了一种香豆素-硼酸酯汞离子荧光探针4（图1），它在H2O/CH3CN溶液或PBS溶液中对Hg2+显示出很高的荧光响应。在探针4溶液中加入Hg2+，肉眼可观察到由淡黄色变为橙色。检测下限低于世界卫生组织规定的饮用水中Hg2+的允许水平。

Tian等人[15]合成一种带有邻苯二甲酰亚胺基团的汞离子荧光探针5（图1），探针5不络合Hg2+时，荧光强度较弱，溶液颜色为淡黄色。在Hg2+存在下，该探针与发出强烈的荧光，溶液颜色也变为淡绿色，从而实现肉眼对汞离子的监测，其检测限为40 nmol/L。此外，该探针成功应用于细胞内Hg2+检测并且具有较小的细胞毒性。

4.2 镉离子荧光探针

来自工业、农业等许多领域的过渡金属污染物中，镉是最严重的污染物之一，大量实验表明，人长期摄入含超量镉的食物会对机体的呼吸系统造成损伤，同时严重影响人体的消化系统、肝和肾等的功能。世界卫生组织建议饮用水中Cd2+的最高浓度为0.01 mg/L。

Li等人[16]报道了一种以半胱氨酸为辅试剂的含苯并噻唑的镉、锌离子荧光离子探针6（图2）。在所测试的各种金属离子中，Zn2+和Cd2+分别导致探针9的蓝移发射从573 nm增加到520 nm和540 nm。半胱氨酸的加入使6-Cd2+的发射红移回573 nm。相反，半胱氨酸的加入仅降低了6-Zn2+的发射，对探针的波长没有影响。试纸实验表明，探针6可以通过显著的荧光变化同时识别Zn2+和Cd2+，从而为生物体系中Zn2+和Cd2+的示踪提供了一种方便的方法。

Krishnendu和他的团队[17]合成了新的喹啉-苯并噻唑类探针7（图2），用于选择性检测镉离子。实验证明探针对Cd2+的选择性“开启”发射变化。探针7在加入Cd2+后荧光显著增强，肉眼可观察到溶液颜色从微青色变成绿色。而且，该探针不受其他金属元素的影响，特别是Cd2+同族元素Zn2+的影响。探针7还可制作成便携式试剂盒，无需使用任何昂贵的仪器帮助即可现场检测Cd2+。

Fabiane等人[18]制备了一种新型的吖啶类荧光探针8（图2），并对其进行了表征和研究，用于乙醇溶液中镉离子的定量检测。探针8与Cd2+的络合使得荧光增强了746%，不受干扰离子的影响。检出限和定量限分别为9.98 nmol/L和33.31 nmol/L(R2=0.996)，线性范围为0.10～1.00μmol/L。此外，探针8在3种不同的基质中进行了回收测试，这三种基质是巴西甘蔗酒、巴西清酒和在乙醇中捕获的烟草主流烟雾。

Li等人[19]设计并合成了一种简单的用于识别镉离子 和 银 离 子 的 探 针9 （ 图2 ） 。 该 探 针 在CH3OH/HEPES缓冲体系中测定Ag+和Cd2+，实验证明探针9对这2种离子有荧光猝灭作用，其检测限分别为0.42μmol/L和0.26μmol/L。重要的是该探针与Cd2+的络合，使得溶液从蓝色变为绿色，所以可以在紫外灯下用肉眼分辨Ag+和Cd2+。滤纸纸片试验进一步证明了探针9可以作为一种简便、快速的检测方法。

Lu等人[20]合成了一种新型的喹啉类荧光探针10（图2）。在100%的水环境中，探针10对Cd2+（开启）和Hg2+（关闭）分别表现出不同的荧光响应，表现出较高的灵敏度和选择性，检测限分别为39 nmol/L和98μmol/L。同时，探针10成功应用于细胞成像。

图2 镉离子荧光探针

4.3 铅离子荧光探针

铅污染的途径有两个。其一，约有3亿t开采的铅在水生系统和土壤中存在；其二，含铅材料的利用，包括废塑料、电池、颜料、汽油和重燃料油。人类接触过多的铅可能会导致出现严重的健康问题，如神经、发育和心血管疾病。世界卫生组织建议饮用水中Pb2+的最高浓度为0.01 mg/L。

Jiang等人[21]设计并合成了一种以氨基硫脲-萘酰亚胺衍生物为基础的新型铅离子荧光探针11（图3），该探针在乙腈/水溶液中对Pb2+具有良好的选择性和灵敏度。探针11在365 nm的紫外光下有明显的变色，并随着Pb2+的加入表现出开启的荧光响应，检出限为4.7 nmol/L，同时，水样中Pb2+的加标回收率为100.54%～113.68%。探针18还可用于人基质细胞系（HSC）溶酶体中Pb2+的荧光成像。

Zhang等人[22]设计并合成了一种新的基于荧光素的比色探针12（图3）。该探针利用F-作为辅助剂，可以快速、灵敏地区分Pb2+和Cd2+。当在探针12溶液中加入Pb2+或Cd2+时，颜色由无色变为淡紫色。然而，在含Pb2+或Cd2+的探针溶液中加入F-后，出现了一个明显的现象，即含Pb2+的探针溶液由淡紫色褪色为无色，含Cd2+的探针溶液由淡紫色变深为深紫色。在水溶液中，Pb2+和Cd2+的检出限分别为0.42μmol/L和0.53μmol/L。此外，该探针成功地用于自来水中痕量有害铅和镉的快速检测，相对回收率较好，铅和镉的相对标准偏差分别为1.8%和0.3%，为实际应用提供了一种新的检测方法。

Shaily等人[23]设计并合成了一种基于三氮唑的铅离子荧光探针13（图3）。探针13的荧光强度可被Pb2+选择性猝灭，肉眼可观察到明显地从无色到黄色的颜色变化。在磷酸盐缓冲溶液中对Pb2+离子具有很高的灵敏度和选择性，检测下限为1.9 nmol/L。此外，该团队利用探针13制作了试纸，可用于Pb2+的高效检测。

Zhong等人[24]合成一种含有席夫碱的荧光探针14（图3），能特异性检测铅离子。当探针与Pb2+结合后，在560 nm处有一个明显的吸收峰，而其他金属离子对其影响并不大，并由此计算出其检测限为0.16 nmol/L。将探针14制备成试纸，当遇到Pb2+时，试纸由白色变为粉色，说明探针可用于快速检测铅离子。

Velmurugan和他的同事[25]合成了一种用于高选择性荧光检测Pb2+的荧光探针15（图3）。探针15选择性地检测Pb2+，对Pb2+加入表现出较大的蓝移并增强了荧光，检测限为13μM。最后，成功将探针15应用于牛奶、红酒、活细胞中Pb2+的检测。

图3 铅离子荧光探针

4.4 铬离子荧光探针

铬是一种环境污染物，由于各种工农业活动而积累的铬是一个令人担忧的问题。当人体中摄入过量铬时，他会积蓄在肾、肝中，影响其正常功能，造成糖尿、骨质疏松和贫血等危害。世界卫生组织建议饮用水中Cr3+的最高浓度为0.05 mg/L。

Chai等人[26]合成了两个罗丹明B类化合物16和17（图4），它们在水中具有较强的红光发射，可用于Cr3+的研究。荧光光谱和细胞成像表明探针16和17对Cr3+有很高的响应性，并用它们研究了吡啶甲酸铬在活细胞中的分解。结果表明，在活细胞中，探针25和26可以从Cr(pic)3中捕获了Cr3+。

Huang等人[27]开发了一种新型双光子荧光探针18（图4）。实验证明，在H2O/HEPES缓冲液中，探针18对Cr3+具有荧光淬灭效应，并且裸眼可观察到明显地从淡黄色到浅黄色的颜色变化。同时，将探针18应用于实际水样中的Cr3+检测，回收率均在98%以上，说明该探针对Cr3+的识别具有较高的准确度和精密度。

Zhu等人[28]设计并合成了一种新型双苯并咪唑基荧光探针19（图4），用于Cr3+的识别。随着铬离子的加入，该荧光探针表现出强烈的蓝色发光，发射带位于420 nm，并对Cr3+有灵敏的关闭荧光响应。特别的是该探针对铬离子的响应时间不到1 s，且Cr3+的检测下限仅为3.5 nmol/L。实验结果表明，该新型荧光探针19具有灵敏度高、响应快等优点，可用于Cr3+的检测。

图4 铬离子荧光探针

3 结论与展望

20世纪以来，国内外已经研发出不同的仪器与设备用来检测环境中的重金属，但是，目前重金属检测的主要手段是借助大型仪器如电感耦合等离子体质谱法、原子荧光光谱法、原子吸收光谱法等对待测样品重点中重金属含量进行鉴定，这些手段的鉴定成本高、检测周期长的缺点，限制了重金属检测技术的普及和推广，新型检测技术如生物免疫法等也存在制样困难等一定的缺陷，因此建立起一个快速、简便、准确的检测方法是十分必要的。与传统利用大型仪器进行重金属检测技术相比，荧光探针具有明显的响应时间短，样品制备简单的特点，这为现场对于重金属的快速检测奠定了重要的基础，也将成为未来重金属检测的趋势。