吳潔婷，楊東廣，王 立，包紅旭，趙 磊，馬 放

1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090

近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展促使化石燃料大量使用，隨著污水、污泥用于農(nóng)用灌溉及汽車(chē)尾氣排放污染加劇等現(xiàn)象的增多，環(huán)境中重金屬含量逐年增高，生態(tài)環(huán)境(土壤、大氣、水體等)的污染程度也日趨嚴(yán)重。重金屬因其具有易于生物積累并可生物放大等特點(diǎn)，已成為環(huán)境污染修復(fù)一大難題[1]，因此“十三五”以來(lái)，對(duì)環(huán)境中重金屬污染進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)，進(jìn)而從源頭預(yù)防污染發(fā)生并進(jìn)行末端污染治理等研究工作均受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-3]。通過(guò)對(duì)植物中重金屬的賦存形態(tài)及分布特征進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)環(huán)境中大氣、土壤的重金屬污染來(lái)源、污染程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)及解析，有助于對(duì)重金屬污染起到生態(tài)預(yù)警的作用，同時(shí)也為構(gòu)建合理的植物修復(fù)方案提供理論依據(jù)[4]。

目前通過(guò)指示植物(如苔蘚、地衣)或者部分植物組織(如樹(shù)葉、樹(shù)皮等)監(jiān)測(cè)環(huán)境的重金屬污染狀況，或?qū)χ参镄迯?fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究較多[5-6]。選擇合適的方法對(duì)植物體內(nèi)金屬的賦存形態(tài)、分布特征2方面進(jìn)行解析，對(duì)于研究重金屬的生物有效性及毒性作用、篩選出具有優(yōu)良性狀的植物品系、監(jiān)測(cè)部分地區(qū)重金屬污染狀況、評(píng)價(jià)污染場(chǎng)地植物修復(fù)效果等具有重要意義。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物中重金屬賦存形態(tài)、分布特征的分析方法研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，并比較了不同分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，展望其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為新分析方法的研究提供參考。

1 植物內(nèi)重金屬賦存形態(tài)分析方法

目前重金屬的賦存形態(tài)分類(lèi)較多，其中湯鴻霄[7]提出的“價(jià)態(tài)、化合態(tài)、結(jié)合態(tài)和結(jié)構(gòu)態(tài)”理論認(rèn)可度最高。根據(jù)不同的分類(lèi)方法，其測(cè)定方法的選擇也不盡相同，所以迄今為止并未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)要求、重金屬含量與形態(tài)、植物種類(lèi)等因素進(jìn)行選擇。按照分析步驟可分為間接分析法和直接分析法：間接分析法是利用化學(xué)提取劑或者色譜儀等分離儀器基于不同重金屬形態(tài)的物理化學(xué)性質(zhì)的差異，將其進(jìn)行提取或分離，再進(jìn)行總量測(cè)定，從而得到各種形態(tài)的重金屬含量；直接分析法是指利用光譜等技術(shù)對(duì)植物樣品所含的重金屬價(jià)態(tài)、元素構(gòu)成、分子結(jié)構(gòu)等采取分子或原子層面的檢測(cè)方式，與間接分析法相比無(wú)需分離樣品中重金屬，能夠準(zhǔn)確分析重金屬實(shí)際結(jié)構(gòu)、形態(tài)。目前主要有X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(XAFS)、X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)等。表1對(duì)比介紹了常用的植物內(nèi)重金屬賦存形態(tài)分析方法。

表1 植物內(nèi)重金屬賦存形態(tài)分析方法Table 1 Analysis methods for heavy metal speciation in plants

1.1 間接分析法

1.1.1 化學(xué)提取

化學(xué)提取法按照提取次數(shù)可分為單級(jí)提取法和多級(jí)提取法。由于植物中重金屬的化學(xué)形態(tài)較為復(fù)雜，所以目前多級(jí)提取法在重金屬賦存形態(tài)上的使用更多[13]。多級(jí)提取法是利用選擇性依次增強(qiáng)的提取劑對(duì)顆粒樣品中不同理化性質(zhì)的重金屬元素進(jìn)行分級(jí)提取的方法[14]。目前常用的化學(xué)提取法為T(mén)essier法[15]及歐洲共同體參考物機(jī)構(gòu)(BCR)的規(guī)定方法[16]，其他方法大多是在它們的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，表2簡(jiǎn)要介紹了Tessier和BCR 2種方法所用的化學(xué)態(tài)、提取劑及提取條件。

表2 植物內(nèi)重金屬化學(xué)提取法Table 2 Chemical extraction methods of heavy metals in plants

馬榮輝等[17]進(jìn)行黑土-水稻系統(tǒng)中銅形態(tài)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤中Cu形態(tài)與植物內(nèi)Cu形態(tài)有顯著的相關(guān)性，通過(guò)施加豬糞能降低土壤中活性態(tài)Cu含量，使其由非結(jié)合態(tài)向結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，相應(yīng)地植物內(nèi)水溶態(tài)、碳酸鹽提取態(tài)等植物可利用的Cu形態(tài)比例下降，其與土壤Cu變化呈現(xiàn)正相關(guān)。這說(shuō)明植物內(nèi)重金屬形態(tài)與土壤重金屬具有相關(guān)性，可通過(guò)植物間接分析土壤重金屬污染種類(lèi)及程度。傳統(tǒng)Tessier法存在提取劑缺乏選擇性、提取過(guò)程中有重吸附和再分配現(xiàn)象、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)分析方法、分析結(jié)果的可比性差等問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差大。針對(duì)上述問(wèn)題，研究者從改良提取劑，采用準(zhǔn)確度更高、更靈敏的檢測(cè)方法，對(duì)已有的幾種金屬形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步劃分等方面對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。吳慧梅等[18]對(duì)茶葉中的6種金屬元素進(jìn)行BCR三步簡(jiǎn)化分析，將重金屬依次分為乙醇提取態(tài)、鹽酸提取態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種形態(tài)的金屬含量之和占各元素總量的80%以上，回收率與標(biāo)準(zhǔn)偏差滿(mǎn)足形態(tài)分析的要求。但該方法也存在對(duì)金屬形態(tài)分類(lèi)較為簡(jiǎn)單、無(wú)法獲取更多的金屬形態(tài)信息、與其他方法所得結(jié)果難以進(jìn)行比較等缺點(diǎn)。目前，對(duì)于化學(xué)提取法的研究主要集中于特異性提取劑的選擇、新分類(lèi)方法的建立等方面。

1.1.2 色譜分離

為了更好更快地對(duì)植物中的金屬進(jìn)行分類(lèi)提取，有研究者借助分離器(如高效液相色譜、氣相色譜等)，利用不同形態(tài)金屬在色譜柱內(nèi)遷移能力的差異，實(shí)現(xiàn)金屬種類(lèi)、形態(tài)的高效分離，然后采用原子吸收光譜法(AAS)、原子熒光光譜(AFS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等檢測(cè)儀，對(duì)分離后的金屬含量進(jìn)行檢測(cè)。

色譜分離器-檢測(cè)器聯(lián)用技術(shù)較為靈活，可選擇的方式較多，目前沒(méi)有統(tǒng)一的聯(lián)用形式，但是高效液相色譜(HPLC)因其較強(qiáng)的分離能力常被用于分離裝置，而電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)因其較高的靈敏度與準(zhǔn)確度、較低的檢出限等優(yōu)點(diǎn)常被用于檢測(cè)裝置。TIE[19]利用基于高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HPLC-ICP-MS)對(duì)金針菇中的Se進(jìn)行分析，對(duì)水溶性蛋白經(jīng)過(guò)提純后，結(jié)果表明存在至少6種含Se蛋白質(zhì)，占可溶Se總量的約7.0%。SANG等[20]利用HPLC-ICP-MS對(duì)水稻中的As進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明主要含As(Ⅲ)，其次為As(Ⅴ)，含量最低的為有機(jī)As。除了高效液相色譜以外，還有人采用其他的分離方式，如SANTHA等[21]利用離子交換色譜作為分離裝置，采用ICP-MS作為檢測(cè)裝置對(duì)蕓薹葉中Se復(fù)合物形態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其主要以蛋氨酸-甲基硒和半胱氨酸-甲基硒形態(tài)存在，且后者含量較高。但是聯(lián)用技術(shù)方法本身也有局限性，它能對(duì)不同形態(tài)的重金屬進(jìn)行分離，但不能給出重金屬化合物的結(jié)構(gòu)信息，因此需與其他分析方法聯(lián)用(如電噴霧質(zhì)譜等)。

1.2 直接分析法

1.2.1 XAFS

XAFS通過(guò)對(duì)樣品的入射X射線(xiàn)吸收曲線(xiàn)上下波動(dòng)產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定及計(jì)算，對(duì)原子的排列情況及周?chē)优湮粻顩r等進(jìn)行分析，從而分析其結(jié)構(gòu)特征[22]。XAFS按能量范圍可分為擴(kuò)展X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)和X射線(xiàn)吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)2個(gè)部分。EXAFS能反映吸收X射線(xiàn)原子的鄰近原子間距、種類(lèi)和配位數(shù)等信息；而XANES能反映原子的化學(xué)價(jià)態(tài)和配位狀態(tài)[23]。

不同的元素有不同的吸收邊能量，且元素間干擾較小。因此，XAFS在土壤、植物等環(huán)境樣品的研究中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已被開(kāi)始用于分析其重金屬分子形態(tài)。BLUEMLEIN等[24]對(duì)藤本植物根部As形態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得大部分As是As(III)，并與肽S(53%)結(jié)合形成As(III)-PC復(fù)合物。同時(shí)EXAFS數(shù)據(jù)也證實(shí)了As—S和As—O鍵的存在，推測(cè)這2種鍵是在植物中形成的，可能為植物緩解As毒性的機(jī)制之一。JIN等[25]對(duì)用As(Ⅴ)處理過(guò)的擬南芥進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得擬南芥中出現(xiàn)As(Ⅲ)，并且與O、S配位，推測(cè)擬南芥可能在體內(nèi)將高毒性As(Ⅴ)轉(zhuǎn)化為毒性較低的As(Ⅲ)，并通過(guò)形成絡(luò)合物，緩解重金屬的毒性。XAFS因其具有靈敏性強(qiáng)、在不破壞樣品的情況下可進(jìn)行原位測(cè)定、能準(zhǔn)確分析金屬形態(tài)和結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，在植物中重金屬形態(tài)分析上具有獨(dú)特的優(yōu)越性。但是該法設(shè)備投資以及維護(hù)成本較高、操作較為復(fù)雜、需要利用已知結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)確定化學(xué)鍵的結(jié)合形式或利用現(xiàn)有的同步輻射圖譜及數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行分析，增加了未知樣品當(dāng)中物質(zhì)形態(tài)監(jiān)測(cè)的難度。

1.2.2 XPS

XPS是根據(jù)光電效應(yīng)對(duì)電子能量進(jìn)行檢測(cè)的譜學(xué)技術(shù)。利用X射線(xiàn)轟擊樣品原子的內(nèi)層電子，使其處于激發(fā)態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)電子能量高于真空能級(jí)就會(huì)逸出原子外，通過(guò)對(duì)光電子能量進(jìn)行分析可以測(cè)出元素種類(lèi)及其所處的化學(xué)環(huán)境，進(jìn)而推測(cè)出該元素的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)和價(jià)態(tài)[26]。

XPS可對(duì)元素化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析，從而分析出化合物組成，而且有檢測(cè)速度快、應(yīng)用范圍廣、無(wú)需前處理等優(yōu)點(diǎn)。在植物生理學(xué)、分子生物學(xué)等方面均有良好應(yīng)用。TAN等[27]對(duì)小麥莖內(nèi)鉛的化學(xué)形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在小麥莖基部Pb2+主要與—COOH及—OH結(jié)合形成配位體，從而有較好的吸收性。斯冬芳[28]對(duì)三角褐指藻中Cd的絡(luò)合作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁上—COOH、—OH和—NH2與Cd形成絡(luò)合物較多，從而減少細(xì)胞質(zhì)內(nèi)游離Cd的含量，推測(cè)這種細(xì)胞壁基團(tuán)絡(luò)合作用與重金屬解毒機(jī)制有關(guān)。盡管XPS在植物樣品檢測(cè)上應(yīng)用較多，但僅限于樣品表面10 nm范圍內(nèi)的元素，除此之外，樣品深層元素?zé)o法測(cè)出，高真空條件較難維持，靈敏度、精密度與空間分辨率較低，儀器成本昂貴等不足均使其應(yīng)用受到一定限制。

1.2.3 FTIR

2 植物內(nèi)重金屬分布特征分析方法

重金屬在植物內(nèi)的分布，實(shí)質(zhì)上是指植物內(nèi)重金屬在不同部位的含量，其結(jié)果對(duì)于分析土壤或大氣環(huán)境重金屬污染的指示作用、揭示植物對(duì)重金屬脅迫的抗逆性信號(hào)機(jī)理、預(yù)測(cè)重金屬污染發(fā)展趨勢(shì)、研究植物耐受機(jī)制等方面提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。表3對(duì)植物內(nèi)重金屬分布特征常用的分析方法(差速離心法、電鏡顯微技術(shù)、熒光探針)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明及比較[32-33]。

表3 植物內(nèi)重金屬分布特征分析方法Table 3 Analysis methods for heavy metal distribution characteristics in plants

2.1 差速離心法

差速離心法是對(duì)植物中重金屬在亞細(xì)胞水平上的分布特征進(jìn)行分析的常用方法。其基本原理是先將含有提取緩沖液的樣本細(xì)胞打碎，根據(jù)不同細(xì)胞器的質(zhì)量差異，通過(guò)差速離心機(jī)分離亞細(xì)胞組分，將細(xì)胞分為細(xì)胞壁及殘?jiān)?、?xì)胞核、線(xiàn)粒體及葉綠體等細(xì)胞器、可溶部分等組分，再分別對(duì)各組分進(jìn)行檢測(cè)。MING[38]對(duì)蕓苔和小白菜釩的組織積累和亞細(xì)胞分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示釩在細(xì)胞壁中含量最高，其次是可溶性部分，兩者之和占總量的90%以上。極端情況下，釩亞細(xì)胞分布在細(xì)胞核、線(xiàn)粒體和葉綠體(僅占總釩的6.8%)，表明細(xì)胞壁和可溶性部分是主要的釩累積位點(diǎn)。XIN等[39]對(duì)2個(gè)蘿卜品種中Cd的亞細(xì)胞分布進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)Cd敏感基因型H 4中所有亞細(xì)胞組分的Cd濃度都高于Cd耐性基因型L 19，同時(shí)，大部分Cd分布于H 4根系細(xì)胞壁，而L 19根系Cd的2個(gè)品種的葉片中Cd主要貯藏在可溶性部分，推測(cè)這可能涉及耐Cd毒性機(jī)制。由于該方法具有儀器要求低、操作簡(jiǎn)單、設(shè)備投入少、簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室不具備掃描電鏡等顯微成像儀器時(shí)，為了分析植物對(duì)重金屬的解毒原理，可采用此法對(duì)重金屬亞細(xì)胞分布(細(xì)胞器水平)進(jìn)行分析。但是由于該法對(duì)操作精確度要求較高、樣品處理效果直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果、不能以成像方式直觀(guān)觀(guān)察重金屬亞細(xì)胞分布特征、會(huì)對(duì)樣品細(xì)胞造成破壞等，限制了其在活細(xì)胞原位檢測(cè)的使用。

2.2 電鏡顯微技術(shù)

電子顯微鏡是利用電子源發(fā)出的電子轟擊樣品，電子與物質(zhì)發(fā)生作用從而發(fā)生二次電子、透射電子、俄歇電子、X射線(xiàn)等信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)及逆行分析，從而觀(guān)察樣品區(qū)域結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組分、電子分布等情況的電子光學(xué)裝置[40]。按結(jié)構(gòu)和用途可分為透射式電子顯微鏡(TEM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等。電鏡只能將樣品進(jìn)行顯微成像，還需借助光譜技術(shù)將樣品組分中重金屬含量測(cè)定出來(lái)，兩者結(jié)合就能將樣品中重金屬在不同位置的含量顯示出來(lái)，即觀(guān)察重金屬的分布特征，而X射線(xiàn)能量色散光譜儀(EDX)是其中最常用的光譜技術(shù)。

在對(duì)植物中重金屬進(jìn)行細(xì)胞層面的分布特征分析時(shí)，為了直觀(guān)地觀(guān)察到重金屬的分布情況，電鏡通常與EDX聯(lián)用。EDX本質(zhì)上也是借助測(cè)定樣品受X射線(xiàn)激發(fā)時(shí)所發(fā)出的特征X射線(xiàn)波長(zhǎng)和強(qiáng)度，對(duì)元素進(jìn)行定性、定量測(cè)定。LU等[41]利用SEM-EDX測(cè)定紅樹(shù)中Cu、Zn、Pb和Cd的細(xì)胞分布和化學(xué)形態(tài)，結(jié)果表明，Cd主要分布在表皮、皮層、內(nèi)皮層和一些木質(zhì)部薄壁的壁上，其他金屬也呈現(xiàn)類(lèi)似的分布趨勢(shì)，且Cd濃度在表皮細(xì)胞最高，細(xì)胞壁濃度大于細(xì)胞間隙濃度。推測(cè)根表皮是金屬運(yùn)輸?shù)闹饕系K，與紅樹(shù)植物的耐受機(jī)制有關(guān)。但是該法也有不足之處，例如普通電鏡只能提供瞬時(shí)的二維圖像，難以觀(guān)察樣品三維立體結(jié)構(gòu)，樣品操作條件需保持真空等問(wèn)題。因此學(xué)者在普通掃描電鏡的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了掃描探針顯微鏡(SPM)、激光掃描共聚焦顯微鏡(LSCM)等技術(shù)。這些技術(shù)以激光為光源，將掃描電鏡與熒光技術(shù)相結(jié)合，對(duì)樣品掃描的分辨率、靈敏度等提供更好的成像條件，同時(shí)也可以對(duì)樣品的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。張衛(wèi)娜等[42]采用LSCM對(duì)受Cd脅迫的擬南芥根細(xì)胞進(jìn)行觀(guān)察，對(duì)于Cd在根中亞細(xì)胞分布的觀(guān)察取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。但由于此技術(shù)發(fā)展較晚、設(shè)備成本較高、操作較為復(fù)雜，需使用具有一定質(zhì)量要求的熒光探針進(jìn)行標(biāo)記再掃描成像，所以?huà)呙杷俣仁艿较拗?，檢測(cè)效率較其他顯微技術(shù)略低，但隨著激光光源、檢測(cè)器等方面的研究，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景仍十分廣闊。

2.3 熒光探針標(biāo)記

熒光探針標(biāo)記是指利用強(qiáng)熒光的標(biāo)記試劑對(duì)待測(cè)物進(jìn)行標(biāo)記，生成具有高熒光強(qiáng)度的結(jié)合物，根據(jù)探針?lè)N類(lèi)、熒光強(qiáng)度對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析[43]。熒光探針?lè)肿油ǔＳ勺R(shí)別基團(tuán)、熒光基團(tuán)、連接體部分3個(gè)部分組成[44]。按熒光探針物質(zhì)本身的性質(zhì)將其分為有機(jī)物探針、納米材料探針、蛋白探針等。對(duì)重金屬的檢測(cè)主要采用熒光素類(lèi)、羅丹明類(lèi)、香豆素類(lèi)等化合物。

熒光探針靈敏性高、無(wú)需預(yù)處理即可對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行原位檢測(cè)、選擇性好(熒光探針可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，根據(jù)被測(cè)物的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)，能對(duì)探針形態(tài)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì))，現(xiàn)在植物活細(xì)胞中重金屬分布檢測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越多。姚宏偉等[45]采用Zn特異性探針HL 1對(duì)擬南芥和谷子中的Zn進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在擬南芥中Zn2+主要分布于細(xì)胞間隙以及葉表皮毛的外周和表層；而谷子葉片中的Zn2+分布在細(xì)胞間隙以及維管組織中較多，且熒光強(qiáng)度與濃度表現(xiàn)出正相關(guān)。JI等[46]采用一種高選擇性的“開(kāi)啟”熒光探針在其他金屬離子的干擾下測(cè)定擬南芥中Zn2+，結(jié)果顯示此探針靈敏度達(dá)到3.2×10-12，且Zn2+主要被隔離在擬南芥的液泡中，熒光強(qiáng)度表現(xiàn)強(qiáng)烈。盡管熒光探針在活細(xì)胞金屬分布檢測(cè)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但該法尚有不足，比如探針?lè)肿釉诨罴?xì)胞中的均勻分布是最大難點(diǎn)之一，而且當(dāng)細(xì)胞中含有色素時(shí)會(huì)對(duì)熒光產(chǎn)生干擾，需要提前對(duì)樣品進(jìn)行脫色處理，這些缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。

2.4 X射線(xiàn)熒光(XRF)

XRF分析是指利用激發(fā)光源發(fā)出的初級(jí)X射線(xiàn)轟擊被測(cè)樣品中基態(tài)原子，當(dāng)被X射線(xiàn)激發(fā)時(shí)，基態(tài)原子的內(nèi)層電子會(huì)向外層躍遷從而掙脫原子核的束縛，而電子躍遷產(chǎn)生的空位將由外層電子填補(bǔ)，電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)會(huì)損失能量，從而使原子在特定的能量下發(fā)出熒光[47]。XRF分析在環(huán)境樣品的檢測(cè)方面已趨于成熟，另外因其檢出限低、靈敏度高、可對(duì)樣品進(jìn)行原位檢測(cè)、無(wú)需前處理且可同時(shí)對(duì)多元素進(jìn)行分析等特點(diǎn)，目前在植物樣品重金屬分布檢測(cè)上應(yīng)用較多。王君玲等[48]利用微束X光對(duì)大米中的P、Cl、K、Ca、Fe、Cu、Zn元素進(jìn)行掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)前4種元素主要集中在大米的胚芽處，而后3種元素分布較為均勻，其含量自胚芽至整個(gè)胚乳呈遞減趨勢(shì)?？梢?jiàn)XRF分析在植物樣品重金屬微區(qū)分布檢測(cè)上有著良好應(yīng)用。但由于普通XRF分析自身具有局限性(如常規(guī)射線(xiàn)源強(qiáng)度不夠造成檢出限較低、光線(xiàn)空間分布不均勻使得空間分辨率較低等問(wèn)題)，限制了它對(duì)痕量重金屬微區(qū)分布的檢測(cè)。

為了提高檢出限以及空間分辨率，有人采用同步輻射裝置作為激發(fā)光源，利用帶電粒子在同步加速器中做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射作為激發(fā)光源對(duì)樣品進(jìn)行分析。THOMAS等[49]采用同步輻射光源激發(fā)豇豆幼苗根部的As，發(fā)現(xiàn)As在根尖的分生組織含量最高，其次是根的邊緣細(xì)胞及內(nèi)皮層，推測(cè)As的積累導(dǎo)致分生組織的永久性損傷，并通過(guò)邊框細(xì)胞積累高濃度的As限制其運(yùn)動(dòng)，從而使豇豆對(duì)As具有一定的耐受性。陳璐等[50]利用SR-XRF對(duì)植物三七根部As進(jìn)行細(xì)胞層面分布特征的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三七根部中的As主要分布于表皮細(xì)胞，并且有向維管組織運(yùn)輸?shù)内厔?shì)。當(dāng)濃度大于40 mg/L時(shí)，會(huì)使根部腐爛從而造成植物死亡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SR-XRF在細(xì)胞層面上對(duì)植物中重金屬分布特征進(jìn)行檢測(cè)取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與其他XRF分析相比其區(qū)別在于，SR-XRF是采用電磁輻射作為激發(fā)光源而非同位素放射源。因此同步輻射具有光通量大、頻譜寬、分析速度快、偏振性好等優(yōu)點(diǎn)。但是該裝置具有價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、光源容易受環(huán)境條件影響等缺點(diǎn)。

3 展望

植物能夠直觀(guān)反映受損生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境脅迫因子的綜合響應(yīng)，對(duì)于研究重金屬污染的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響具有特殊優(yōu)勢(shì)。植物監(jiān)測(cè)在現(xiàn)代環(huán)境污染預(yù)警與治理等方面的作用已引起廣泛關(guān)注。隨著現(xiàn)代分析儀器的發(fā)展，儀器對(duì)植物中重金屬的賦存形態(tài)及分布特征分析方法的靈敏度及準(zhǔn)確度也不斷提高，針對(duì)現(xiàn)有植物樣品重金屬信息分析方法的特點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展方向包括以下3個(gè)方面：

1)目前對(duì)于植物內(nèi)重金屬的檢測(cè)尚未建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這在很大程度上影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可比性，因此建立以兼顧統(tǒng)一性及可靠性分析檢測(cè)方法為主體的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和推薦性標(biāo)準(zhǔn)，提高分析設(shè)備的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)樣品的快速、批量測(cè)定，降低測(cè)定成本，開(kāi)發(fā)更加完善、簡(jiǎn)便的新分析方法十分必要。

2)由于植物往往表現(xiàn)出對(duì)區(qū)域內(nèi)所有污染物的綜合響應(yīng)，因此，如何從植株個(gè)體、器官、組織、細(xì)胞及細(xì)胞器水平加深植物與重金屬在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的相關(guān)性及互作機(jī)制的研究，對(duì)于促進(jìn)植物監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟具有重要意義。

3)對(duì)不同地區(qū)植物內(nèi)重金屬形態(tài)、分布特征進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)建立數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，解析當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴境潭?、種類(lèi)及來(lái)源，有助于及時(shí)豐富重金屬污染指示植物及修復(fù)植物的種類(lèi)庫(kù)，構(gòu)建合理的污染預(yù)防及修復(fù)方案。