馬俊杰，楊 琦，王業(yè)耀，，楊 凱，劉宇兵，趙艷梅

1．中國地質大學(北京)，北京 100083

2．中國環(huán)境監(jiān)測總站 國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質量控制重點實驗室，北京 100012

3．廣州市怡文環(huán)境科技股份有限公司，廣東 廣州 510730

重金屬污染是是當今土壤污染中污染面積最廣、危害最大的環(huán)境問題之一［1-3］。2013年國務院辦公廳發(fā)布《近期土壤環(huán)境保護和綜合治理工作安排》中提出了解決土壤重金屬污染問題首先需要摸清污染家底，計劃2015年全面摸清中國土壤環(huán)境狀況，因而加強土壤重金屬的檢測分析具有重要意義［4］。

土壤重金屬傳統(tǒng)的測定方法多采用化學分析儀器［5-6］，如原子吸收光譜(AAS)［7］、原子熒光光譜(AFS)［8-10］、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)［11-12］、分光光度法［13］、電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法［14］、電化學法［15］等，均需要價格昂貴的大型儀器設備，同時由于前處理及檢測過程復雜、步驟繁瑣［16］，導致檢測效率低下、檢測成本偏高，且大量有機試劑易對環(huán)境造成污染。傳統(tǒng)檢測方法難以應對環(huán)境應急監(jiān)測的要求，研發(fā)便捷、快速、低成本的現(xiàn)場檢測方法及儀器對實現(xiàn)快速有效監(jiān)控重金屬污染具有重要意義。本文重點介紹了近年國內外土壤重金屬快速監(jiān)測方法，并闡述了土壤重金屬快速監(jiān)測儀器應用方面的研究現(xiàn)狀，最后對土壤重金屬快速監(jiān)測方法研究和快速監(jiān)測儀器應用的發(fā)展方向進行了總結與展望。

1 土壤重金屬快速監(jiān)測方法

土壤重金屬檢測是一項長期的工作，要求各種檢測手段向更高靈敏度、更高選擇性、更方便快捷的方向發(fā)展，不斷推出新的方法來解決遇到的新問題。近年來，國內外發(fā)展了激光誘導擊穿光譜法、X射線熒光光譜法、酶抑制法、免疫分析法、生物傳感器等新的分析方法。

1.1 激光誘導擊穿光譜法(LIBS)

激光誘導擊穿光譜技術是光譜分析領域一種嶄新的激光燒蝕光譜分析技術，是基于物質等離子體發(fā)光來探測物質成分的分析方法。其工作原理:激光經(jīng)過會聚透鏡會聚，高峰值功率密度使未知樣品表面物質氣化、電離，激發(fā)形成高溫、高能等離子體，等離子體輻射出來的原子光譜和離子光譜被光學系統(tǒng)收集，通過輸入光纖耦合到光譜儀的入射狹縫中，光譜數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集控制器傳輸?shù)接嬎銠C，研究該光譜就可以分析計算出被測物質的成分與濃度［17］。激光誘導擊穿光譜技術［18］不同于傳統(tǒng)的光譜測量技術，具有以下優(yōu)點:1)可同時進行多元素定性、定量分析;2)適用于所有物質(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、漿狀、氣溶膠態(tài))，非均勻樣品可直接分析;3)無需進行復雜的樣品預處理，研究對象再污染幾率小，可實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測;4)分析效率高，可以實現(xiàn)非接觸式無損探測。缺點是成本較高，研究樣品的特性對結果的精確性影響較大。

1.2X射線熒光光譜法(XRF)

X射線熒光光譜技術是一種利用樣品對X射線的吸收隨成分及含量變化進行定性或定量分析的方法［19］。在眾多元素分析技術中，XRF是一種應用較早，且至今仍廣泛使用的多元素分析技術［20-21］。其工作原理:X射線作為激發(fā)源照射試樣，使試樣中元素產(chǎn)生特征X射線，根據(jù)熒光的波長和能量確定元素種類和濃度。該法優(yōu)點是可直接分析成品，對樣品無污染、無破壞，檢測速度快，穩(wěn)定性高，再現(xiàn)性好，同時可以進行現(xiàn)場快速監(jiān)測［22］。近年來，在XRF方法中發(fā)展了幾項新的分析技術，例如全反射 X射線熒光分析(TXRF)、電子探針X射線顯微分析法(EPMA)、粒子誘發(fā)X射線熒光分析(PIXE)、同步輻射X射線熒光分析、偏振激發(fā)X射線熒光分析［23］、X射線微熒光分析等［24］。采用這些新技術后，靈敏度有了極大的提高，取樣量少、定量分析過程簡單，其中全反射X射線熒光分析(TXRF)在土壤重金屬監(jiān)測方面的應用引起了廣泛關注［25］。

全反射X射線熒光分析(TXRF)技術實質上是對能量色散X射線熒光分析(EDXRF)技術的發(fā)展，有兩個重要的優(yōu)點:1)背景很低，峰背比高，檢出限很低(可達pg級);2)由于入射角和反射角都很小，穿透深度很淺，基體效應基本消除。TXRF與XRF不同之處在于激發(fā)，XRF通常是以入射角大約45°的原級X射線激發(fā)樣品，而TXRF是以入射角小于0.1°的原級X射線激發(fā)樣品。樣品置于載體上，原級射線全反射經(jīng)過載體表面，激發(fā)出來的X射線熒光，用支在樣品上的Si(Li)探測器進行探測。TXRF用于痕量分析可與AAS、ICP-AES、ICP-MS 等技術媲美［26］，因此被譽為目前國際上最具競爭力的分析工具，具有很好的應用前景。

1.3 酶抑制法

酶抑制法測定重金屬的基本原理是重金屬離子與形成酶活性中心的巰基或甲巰基結合改變了酶活性中心的結構和性質，引起酶活力下降，從而使底物－酶系統(tǒng)產(chǎn)生一系列變化，例如使顯色劑的顏色、pH、電導率、吸光度等發(fā)生改變，可以通過電信號、光信號進行定性或定量分析。目前已有很多種酶用于重金屬離子的測定，如脲酶、磷酸酯酶、過氧化氫酶、葡萄糖氧化酶等。表1介紹了幾種酶檢測重金屬的例子，可以看出目前酶抑制法多應用于水質中重金屬離子測定分析，而關于土壤中重金屬的監(jiān)測報道很少，應用于土壤重金屬監(jiān)測則需要樣品前處理，這就需要研究者們從土壤中快速監(jiān)測重金屬領域進行進一步的方法探索研究。該法具有快速、方便、經(jīng)濟等優(yōu)點，在現(xiàn)場檢測中應用比較普遍，但其靈敏度和準確性低于傳統(tǒng)檢測方法。用各種酶作為識別元件，配上相應的轉換元件制備出能夠測量某個區(qū)間內重金屬任意濃度的傳感器，能夠彌補單純酶分析法的不足，這將成為一種發(fā)展趨勢。

表1 幾種酶檢測重金屬實例

1.4 免疫分析法

免疫學檢測是一種特異性和靈敏度都較高的分析方法，根據(jù)抗原和抗體反應原理，利用已知的抗原檢測未知抗體或利用已知的抗體檢測未知抗原。常用的免疫學技術主要包括免疫熒光技術(FIA)、發(fā)光免疫技術(LIA)、酶聯(lián)免疫吸附技術(ELISA)等。該方法的靈敏度在重金屬監(jiān)測方面優(yōu)于傳統(tǒng)的原子吸收光譜法。用于檢測重金屬離子需要進行兩方面工作:1)選擇合適的化合物與重金屬離子結合，獲得一定的空間結構，產(chǎn)生反應原性;2)將與重金屬離子結合的化合物連接到載體蛋白上，產(chǎn)生免疫原性。其中，選擇適合與重金屬離子結合的化合物是能否制備出特異性抗體的關鍵。篩選特異性好的新型螯合劑、單克隆抗體將是今后的發(fā)展方向。免疫分析法檢測速度快、靈敏度高、選擇性強，在重金屬快速監(jiān)測方面有一定的研究前景。

1.5 生物傳感器分析法

生物傳感器技術是將特異性的蛋白質、酶及其復合體系固定于電極或生物膜上，實現(xiàn)對相應重金屬的快速監(jiān)測。利用生物識別物質與待測物質結合，發(fā)生的變化通過信號轉換器轉化成易于捕捉和檢測到的電信號或者光信號等，通過電信號、光信號或其他信號等來判斷待測物質的量。目前在重金屬監(jiān)測領域已有應用的傳感器有酶生物傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器、細胞傳感器等。表2中介紹了幾種生物傳感器檢測重金屬的實例，其中免疫傳感器技術拓展了重金屬離子快速監(jiān)測的應用空間，功能DNA傳感器檢測重金屬離子的研究為重金屬離子的快速監(jiān)測提供了新的技術手段。

生物傳感器技術具有高選擇性、高靈敏度、高穩(wěn)定性、快速等特點，但正是由于這種高選擇性，使得同時測定幾種不同重金屬的難度增大，而樣品中往往存在幾種重金屬的復合污染，所以利用不同酶對重金屬離子的敏感性差異，發(fā)展多酶生物傳感器將是未來研究的熱點和發(fā)展趨勢。

表2 各種生物傳感器檢測重金屬實例

2 土壤重金屬快速監(jiān)測儀器

激光誘導擊穿光譜法和X射線熒光光譜法以及新發(fā)展的分析方法如酶抑制法、免疫分析法、生物傳感器等均可實現(xiàn)樣品快速實時分析，可應用于土壤重金屬快速分析儀器。土壤重金屬快速分析儀器要求能夠批量處理樣品，例如歐美正用X射線熒光光譜儀取代傳統(tǒng)原子吸收光譜儀進行環(huán)境應急監(jiān)測、區(qū)域性土壤重金屬監(jiān)測中大量樣品的分析。

2.1 激光誘導擊穿光譜儀

該儀器是基于激光誘導擊穿光譜法原理，既可用于實驗室分析，也可用于現(xiàn)場土壤重金屬快速檢測。隨著技術的不斷突破，例如穩(wěn)定可靠的激光器、高分辨率光譜儀以及分析軟件技術等進展，LIBS的產(chǎn)業(yè)化在近十年中有了快速的發(fā)展，使其成為可以真正應用于實驗室甚至工業(yè)現(xiàn)場的實用分析儀器。其中比較有代表性的是TSI推出的ChemReveal臺式LIBS激光誘導擊穿光譜儀，無需特別的樣品制備可直接測量，其內置的雙攝像頭、微秒級時序控制、微米級深度分析以及可編程的量化分析軟件等功能，使儀器的可靠性、可重復性和操作便利性達到了商業(yè)或工業(yè)應用的要求，特別適用于土壤重金屬快速監(jiān)測分析，典型應用領域包括金屬冶金、環(huán)境、農業(yè)、生態(tài)等。清華大學已于2009年購買了4臺，利用該儀器實驗室研究人員已經(jīng)意識到LIBS在重金屬分析方面的能力與優(yōu)勢。在Pittcon 2014展會上，TSI新推出了一款ChemLogix手持式激光誘導擊穿光譜元素分析儀(LIBS)用于現(xiàn)場研究、質量控制、移動實驗室。該ChemLogix手持式激光誘導擊穿光譜儀采用位于IR-B頻段，Class 1級別的對人眼安全的激光源，可以除去樣品表面的污染物，儀器使用無需特殊的培訓和個人防護裝備，可以在幾秒鐘內完成分析，非常適合要求苛刻的土壤重金屬污染快速分析的領域。趙南京等［36］研制了基于激光誘導擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬測定儀，其結構小巧、輕便，能夠進行現(xiàn)場原位檢測土壤中重金屬的含量，處于應用示范階段。

2.2 X射線熒光光譜儀

鑒于X射線熒光光譜檢測技術具有分析速度快、檢測元素范圍廣、前處理簡便、可進行現(xiàn)場快速無損檢測等特點，X射線熒光類儀器產(chǎn)品異軍突起，發(fā)展勢頭迅猛，成為土壤重金屬快速監(jiān)測領域的研究熱點。其優(yōu)點是樣品前處理簡單、測試步驟簡便、快速無損檢測，適宜應用于土壤重金屬污染快速原位定性篩查領域。例如2009年初美國賽默飛世爾科技公司推出的NITONXL3t 600型便攜式X射線熒光光譜分析儀檢測土壤中重金屬元素有較好的準確度和精確度，樣品的測試時間只需120～200 s，已在多國環(huán)保機構、科學研究所和企業(yè)研發(fā)中心應用于土壤中重金屬的快速監(jiān)測。英國牛津儀器公司推出的第四代手持式X射線熒光光譜儀產(chǎn)品X-MET 5000手持式元素分析儀，操作簡單，可消除輕元素存在的干擾，實現(xiàn)對土壤中重金屬快速、準確的分析，同時使用了牛津高能長壽命微型X射線管，可快速同時分析環(huán)境土壤中的鉛、砷、鉻、銅、鋅、鎘、硒、汞等重金屬含量，數(shù)秒內即可完成測試。日本精工盈司電子科技有限公司推出的SEA1100型臺式X射線熒光土壤分析儀，被日本選為擁有“可對土壤污染進行調查(重金屬)的建議迅速分析技術”的土壤分析儀，可在實驗室快速監(jiān)測土壤中重金屬。

基于全反射X射線熒光光譜法原理開發(fā)的全反射X射線熒光光譜儀［37-38］大大提高了方法的靈敏度，檢出限達到pg級，結構設計緊湊、便攜。例如德國布魯克公司在2008年匹茲堡會議上推出的S2 PICOFOX型全反射X射線熒光光譜儀是世界上第一臺快速多元素痕量分析TXRF光譜儀，樣品制備簡單甚至可直接分析樣品，設備小巧。日本京都大學大學院工學研究科最新研發(fā)的OURSTEX 200型便攜式全反射X射線熒光元素分析儀可同時定性定量分析測定各種形態(tài)的樣品中70多種元素(包括重金屬)，響應時間10 min，中國環(huán)境監(jiān)測總站2013年購買1臺應用于污染土壤中重金屬含量的快速分析測定。國內在此領域也進行了探索和實踐，廣州市怡文環(huán)境科技股份有限公司現(xiàn)已完成全反射X射線熒光分析儀產(chǎn)品樣機研制，可用于車載式土壤重金屬快速監(jiān)測，已在廣東省環(huán)境監(jiān)測中心開展應用示范。

Wiafe-Akenten J等［39］使用 X射線熒光光譜儀分析研究了加納卡馬西速賓河沿岸的土壤重金屬污染。Carr R等［40］結合X射線熒光光譜和全球定位系統(tǒng)，檢測愛爾蘭戈爾韋城市中的一個運動場內土壤的重金屬污染情況。Peinado F M等［41］利用X射線熒光光譜儀測定廢棄礦山中污染區(qū)的土壤中的重金屬含量。韓平等［42］應用NITONXL3t 600型便攜式X射線熒光譜分析儀對土壤中主要重金屬污染物 Cu、Zn、Pb、Cr、As進行了測試，驗證了便攜式X射線熒光譜分析儀檢測土壤中重金屬元素有較好的準確度和精密度，適用于土壤中重金屬的快速監(jiān)測。王紀華等［43］設計開發(fā)了便攜式能量色散X射線熒光分析儀用于土壤重金屬的檢測，儀器內置GPS定位系統(tǒng)可自動存儲每個采樣點地理位置信息。大量儀器應用案例證明該類儀器可實現(xiàn)土壤重金屬快速、無損檢測。

2.3 生物類儀器

該類儀器主要采用重金屬免疫學原理或酶抑制原理，利用生物特異性開發(fā)實現(xiàn)的。國內外已研究了多種用于水污染監(jiān)測的微生物傳感器，例如基于重金屬離子對微生物新陳代謝的抑制來檢測重金屬離子污染物。但生物傳感器用于土壤中污染物的檢測目前報道較少?；谝种谱饔玫拿干飩鞲衅鳒y定環(huán)境樣品中抑制劑的研究近年來備受關注，該法可應用于檢測土壤中的污染物?？芏返龋?4］建立了生物傳感器測定環(huán)境樣品中重金屬(Hg2+、Cu2+、Cd2+)的方法，其測試結果與傳統(tǒng)分析方法一致，可用來快速監(jiān)測環(huán)境樣品中的重金屬。Soldatkin O O等［45］開發(fā)出了一種三酶(轉化酶、變旋光酶、葡萄糖氧化酶)復合體系生物傳感器，以陶瓷薄膜電極為支撐基質，通過電容大小的改變進行Hg2+、Ag+檢測。土壤重金屬監(jiān)測領域生物類儀器的市場化暫未突破，仍處于實驗室原理樣機階段。

3 總結與展望

土壤重金屬快速監(jiān)測需求日益迫切，要求快速實現(xiàn)大面積、連續(xù)、高密度土壤現(xiàn)場檢測，真正提高時效性并保證其周邊土壤環(huán)境不被擾動。為滿足該需求，現(xiàn)已發(fā)展了3類土壤重金屬快速監(jiān)測技術，但相比成熟的實驗室檢測技術，尚不能完全實現(xiàn)定量化，大多處于定性或半定量化的應用階段。3類土壤重金屬快速監(jiān)測方法及儀器的發(fā)展趨勢如下:

1)X射線熒光光譜技術因無損快速檢測的優(yōu)勢發(fā)展最為迅速。X射線熒光光譜法發(fā)展了新的熒光激發(fā)形式，不斷克服基體效應背景干擾，但土壤重金屬定量分析方法不夠完善，重點在于譜線處理、本底準確扣除、基體合理校正、譜峰正確識別等解譜和校正技術的研究。市面的X射線熒光光譜儀基本滿足國標中 Cu、Cr、Zn、As、Pb 等元素超標的快速篩查，未來工作重點是降低檢出限，由定性檢測進入到可靠定量檢測，進一步拓展儀器在土壤環(huán)境質量評估和應急監(jiān)測等領域的應用。

2)激光誘導擊穿光譜技術亦發(fā)展迅速，成熟度略低于X射線熒光光譜技術。激光誘導擊穿光譜方法由于土壤樣品的譜線相對密集復雜，克服基體效應、樣品表面不平、樣品疏密程度以及激光能量抖動等眾多因素的影響以及降低土壤中各種微量元素的檢出限成為研究重點。市面的激光誘導擊穿光譜儀同樣適用于重金屬快速篩查，痕量重金屬定量分析應用也有待于研究的突破。

3)基于免疫學、酶抑制原理的重金屬快速檢測技術尚處于實驗室階段。酶抑制法、免疫分析法、生物傳感器法由于單一酶的選擇性與螯合劑、單克隆抗體的特異性，在土壤重金屬快速檢測領域應用較少，目前難以實現(xiàn)多元素同時分析，基于多酶抑制法和多免疫抗體分析原理的生物傳感器技術將是今后的研究方向。隨著活性物質固定化技術、新生物材料合成、納米技術的發(fā)展和應用，未來可開發(fā)高精度、小型便攜的市場化儀器產(chǎn)品。

總之，開發(fā)高精度、小型化、智能化的土壤重金屬快速監(jiān)測儀器成為一種必然趨勢，應用前景十分廣闊。

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