邢仕歌, 賀木易, 劉 通, 雍 煒, 張 峰

(中國檢驗檢疫科學(xué)研究院食品安全研究所, 北京 100176)

金屬離子廣泛存在于環(huán)境中,環(huán)境和食品中的金屬污染會對人類構(gòu)成巨大威脅,導(dǎo)致人們產(chǎn)生嚴重的健康問題,如失憶、失明和失聰、腎臟損傷和患癌等[1,2]。因此人們應(yīng)避免攝入過量的重金屬,同時需加強對重金屬的風(fēng)險檢測和風(fēng)險管理。

目前常用的金屬檢測技術(shù)包括電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)、電感耦合等離子體光發(fā)射光譜(ICP-OES)、電熱原子吸收光譜(ETAAS)、火焰原子吸收光譜(FAAS)等[3-6]。雖然這些檢測技術(shù)可有效識別痕量重金屬,并且具有多組分分析能力，以及動態(tài)線性范圍大、檢出極限低、產(chǎn)量高等優(yōu)點。但是復(fù)雜樣品如食品和生物溶液中重金屬的檢測仍存在很多瓶頸,主要原因在于樣品本身的濃度水平較低以及基質(zhì)干擾較大。因此需要對重金屬進行提取、凈化等預(yù)富集前處理過程,以消除基質(zhì)成分的干擾,滿足低濃度和小體積樣品的檢測需求。

目前常見的樣品前處理方法有液相萃取(LPE)、固相萃取(SPE)、液固萃取(L-SPE)、超臨界萃取(SFE)等。SPE的萃取劑為固體,作為樣品前處理的一個常用方法,其在金屬離子的預(yù)富集中應(yīng)用廣泛[7,8]。SPE具有易于再生和分析頻率高的優(yōu)點，對于吸附能力強的吸附劑(如碳納米管(CNTs))有較高的預(yù)富集因數(shù)。但是,傳統(tǒng)的SPE方法需要多個萃取和清洗步驟,因此存在煩瑣、耗時、稀釋比例高等缺點。另外,當(dāng)從蛋白溶劑(如血液、血漿、血清)中提取金屬離子時,樣品中大量的蛋白質(zhì)會保留在吸附劑表面,阻礙吸附劑的結(jié)合位點,導(dǎo)致結(jié)果的不精確和不準確。近年來,在傳統(tǒng)SPE的基礎(chǔ)上發(fā)展了微固相萃取(μ-SPE)、分散-微固相萃取(D-μSPE)、固相微萃取(SPME)等方法。開發(fā)能夠高效、快速富集分離的固相萃取新材料及前處理技術(shù)是一個非常重要的研究課題。

1 納米材料

納米材料由于其獨特的尺寸和理化性質(zhì)在樣品前處理、信號標記等方面具有較多優(yōu)勢。納米材料的表面性質(zhì)使其能夠通過各種戴帽配體實現(xiàn)功能化,經(jīng)過精心設(shè)計,可以提供大的比表面積和可調(diào)官能團,促進金屬離子吸附。它們還具有優(yōu)越的光學(xué)性能(如淬滅能力),可用于進行簡單且靈敏度高的熒光和比色檢測[9]。因此,納米粒子在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[10,11],也廣泛應(yīng)用于金屬離子固相萃取中。

圖 1 RACNTs微柱萃取Pb(Ⅱ)示意圖

1.1 限制接觸碳納米管

Barbosa等[12,13]將氧化后的CNTs表面覆蓋上牛血清白蛋白(BSA)層,形成限制接觸碳納米管(RACNTs)。以戊二醛為交聯(lián)劑,BSA的氨基相互交聯(lián)固定在CNT表面,當(dāng)生物液體在高于蛋白質(zhì)等電點的pH值下通過RACNTs柱時,樣品和BSA層的蛋白質(zhì)都帶負電荷,引起靜電排斥,因此該材料可以將Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)從血清中萃取出來(見圖1),最大吸附量為34.5 mg/g。研究者[12]將填充有RACNTs的微柱用于在線SPE系統(tǒng),并且偶聯(lián)FAAS進行金屬離子檢測。在優(yōu)化后的實驗條件下,該方法的檢出限可達2.1 μg/L,富集因子為5.5,日內(nèi)和日間的精密度<8.1%,未經(jīng)處理人血清中Pb(Ⅱ)的加標回收率為89.4%～107.3%。該RACNTs微柱可進行超過200次萃取,而不丟失萃取效率,并且Pb(Ⅱ)含量保持在μg/L水平。RACNTs具有對樣品量的限制少、靈敏度和準確度好、分析頻率高,以及試劑和樣品消耗量少的優(yōu)點。RACNTs還可用于復(fù)雜樣品中直接萃取無機和有機分子。

1.2 納米吸附劑

最近,μ-SPE作為SPE的微型形式被發(fā)展用于低溶劑、吸附劑消耗的樣品處理中。吸附劑駐留在一個密封的多孔膜包膜中,并保護其不受樣品基體的影響。該方法能同時進行樣品清理和提取,適用于復(fù)雜基質(zhì)樣品[14]。μ-SPE方法基質(zhì)效應(yīng)不明顯,商品化吸附劑類型多,因此應(yīng)用廣泛。在一種改進的D-μSPE方法中,萃取發(fā)生在整體溶液中,因而吸附劑能與所有目標物快速均勻的相互作用[3,15]。

Ghazaghi等[16]將D-μSPE納米吸附劑用于富集Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)。他們通過化學(xué)氣相沉積將石墨烯沉積在斜發(fā)沸石上制備石墨烯-斜發(fā)沸石(G-CL)混合納米吸附劑。結(jié)構(gòu)表征顯示,石墨烯片沉積在沸石的多孔結(jié)構(gòu)周圍,具有高表面積。這些石墨烯片充當(dāng)了屏障以阻擋樣品基質(zhì)中可能存在的大分子，因而金屬離子可穿透斜發(fā)沸石的多孔結(jié)構(gòu)，而部分與蛋白質(zhì)結(jié)合的金屬離子則吸附在石墨烯表面，將游離和結(jié)合的金屬離子提取出來。該納米材料可作為吸附劑用于分離和預(yù)濃縮生物樣品中痕量Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)。這種小的提取單元可將清洗和富集步驟同時進行,方便處理小樣本容量,因此也增加了預(yù)濃縮系數(shù)。

G-CL納米材料對金屬離子的吸附原理可能是基于靜電力,其受到吸附劑用量、洗脫濃度、洗脫體積及超聲波浴時間等因素的影響,并且與溶液pH值密切相關(guān)。在較低pH值時,質(zhì)子和分析物競爭占據(jù)活性位點,回收率降低;較高pH值時,兩種金屬離子和-OH形成沉淀,導(dǎo)致回收率降低。實驗數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)溶液pH=5、反應(yīng)時間30 s時,金屬離子的萃取回收率為97%。將該方法與電熱原子吸收光譜(ET-AAS)聯(lián)用，測定水和人血清中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的檢出限分別為70 ng/L和4 ng/L。實際樣品檢測結(jié)果顯示,在各類水樣及類似血清的復(fù)雜基質(zhì)中,該方法的回收率為92.3%～99.0%。

1.3 納米粒子載體

Abdolmohammad-Zadeh等[17]以8-羥基喹啉(8-HQ)功能化CoFe2O4納米粒子為載體,以十二烷基硫酸鈉(SDS)為輔助物,建立了簡單固相微萃取分離水溶液中Al(Ⅲ)離子的方法。8-HQ是一種非常靈敏的熒光檢測配體,可以和Al(Ⅲ)離子結(jié)合形成高熒光信號的復(fù)合物[18]。與8-HQ/SDS/CoFe2O4納米粒子相互作用的熒光強度相比,Al(Ⅲ)-8-HQ絡(luò)合物在本體溶液中的熒光強度提高了近5倍(見圖2)。在優(yōu)化條件下,校準曲線的線性范圍為0.1～300 ng/mL,相關(guān)系數(shù)為0.998 6,檢出限和定量限分別為0.03 ng/mL和0.10 ng/mL。該方法可直接測定人體血清和水樣中Al(Ⅲ)離子,方法快速、簡單,靈敏度高,不需要額外的清洗過程。

圖 2 8-HQ功能化CoFe2O4納米粒子和Al(Ⅲ)離子結(jié)合產(chǎn)生具有較強熒光的Al(Ⅲ)-HQ/SDS/CoFe2O4納米粒子復(fù)合物示意圖

圖 3 磁性固相萃取示意圖[20]

1.4 磁性納米粒子

常規(guī)的SPE技術(shù)在處理樣品時需要進行離心,在離心作用下,有些離子發(fā)生共沉淀反應(yīng),改變了樣品性狀,會導(dǎo)致一些干擾和損失。磁性固相萃取(MCPE)是通過磁性材料吸附目標物質(zhì),外加磁場使之快速分離的方法[19,20],其示意圖見圖3[20]。利用Fe3O4制備的功能化磁性納米材料因具有較強磁性且易通過外部磁場進行固液分離,免去了復(fù)雜的過濾和離心過程,在重金屬吸附萃取方面起重要作用,其中應(yīng)用較多的是碳基磁性納米材料[21,22]。

Tang等[23]將磁性碳納米管(MCNTs)用于萃取廢水中的Cu(Ⅱ),并聯(lián)用原子吸收光譜進行檢測;磁性石墨碳化氮(MC3N4)也在Zn(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的萃取中有所應(yīng)用[24];磁性氧化石墨烯(MGO)被用于萃取水中的Zn(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ),將其與分散液液微萃取結(jié)合用于水樣中金屬離子的富集測定,解決了后者選擇性較差的不足[20,25]。Filik和Avan[26]采用室溫離子液體分散液液微萃取與分散磁固相微萃取相結(jié)合的兩步微萃取技術(shù),添加磁性Fe3O4納米粒子作為吸附劑,在有機溶劑中收集分析物,磁固相分離后再用0.1 mol/L HCl洗脫富集物配合物,用于水樣中痕量鈷離子的FAAS測定。

2 聚合材料

2.1 高分子聚合物

高分子聚合材料具有卓越的機械性能、熱能、化學(xué)穩(wěn)定性和可重復(fù)利用性,可作為吸附劑從水溶劑中固相萃取金屬離子[27,28]。這些聚合物可以用金屬鏊合進行功能化,功能化的配體分子可以和聚合材料的活性位點如羥基、羧基、氨基、環(huán)氧丙基、吡啶等共價結(jié)合,以對金屬離子產(chǎn)生更高的選擇性和更強的結(jié)合性。功能化的多聚物材料以樹脂、微球、凝膠的形式作為固相萃取的吸附劑用于微量金屬離子的前富集、分離和檢測。其中,交聯(lián)多孔微球是主要的使用形式,其具有比表面積高、多孔性、耐用性、流動性和可回收的特點。環(huán)丙異丁烯酸甲酯是一種商業(yè)化的工業(yè)單體,側(cè)鏈上有一個環(huán)氧基,非常適合制備適宜尺寸的功能性多孔微球,其表面環(huán)氧丙基易通過開環(huán)反應(yīng)被各種類型配體修飾[29]。因此,選擇適宜配體對于獲得較高的選擇性和容量非常重要。噻唑環(huán)中N和S的供體中心表現(xiàn)出對二價過渡金屬離子和惰性金屬優(yōu)越的吸附選擇性,可以形成復(fù)合物,因此噻唑的衍生物是一個可用于多聚體載體功能化的有效多配位配體[30]。

圖 4 皮克林乳液聚合法合成IIPMs[35]

多孔交聯(lián)的多聚縮水甘油酯-甲基丙烯酸甲酯-二乙烯基苯(GMA-MMA-DVB)三元聚合物通過懸浮聚合作用合成微球,經(jīng)GMA上環(huán)氧基的開環(huán)反應(yīng)與2-氨基苯并噻唑(ABTAL)進行功能化修飾合成功能化多聚體微球,多聚GMA-MMA-DVB作為固相吸附劑用于選擇性的前富集/分離,聯(lián)合FAAS檢測不同飲料中Al(Ⅲ)、Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的含量[27]。在優(yōu)化的條件下,Pb(Ⅱ)的回收率為97%, Al(Ⅲ)、Co(Ⅱ)回收率為98%, Fe(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)回收率為99%。該研究證實了在FAAS檢測前使用ABTAL功能化微球?qū)悠愤M行固相萃取的可行性。該分析流程具有較好的富集因數(shù)和較低的檢出限,且環(huán)境污染較少,因而可以簡單快速的用于不同類型的飲料前處理中,從而進一步應(yīng)用于真實樣品金屬離子含量檢測。

2.2 離子印跡聚合物(IIPs)

IIPs是一種基于印跡技術(shù)的新型吸附劑,具有聚合物基質(zhì)中的特異性識別位點。離子印跡的原理是在模板離子和適當(dāng)?shù)呐潴w之間形成復(fù)合物,然后在交聯(lián)劑的存在下進行聚合,經(jīng)洗脫劑脫除模板離子后形成對目標離子具有選擇性識別能力的空間結(jié)構(gòu),可以吸附待分離體系中的目標物質(zhì)[31]。IIPs對目標離子的特異性吸附親和力高,不污染樣品,因此在金屬離子的前處理中應(yīng)用廣泛[32-34]。

梁維新等[35]以Pb(Ⅱ)為模板離子,制備了鉛離子印跡聚合物微球(IIPMs)(見圖4),填裝成固相萃取柱對水樣中的Pb(Ⅱ)進行富集,最大富集倍數(shù)可達250倍,能重復(fù)利用12次以上;同時建立了地表水中痕量Pb(Ⅱ)的印跡聚合物固相萃取-微波等離子體發(fā)射光譜(MP-AES)測定方法,在最優(yōu)萃取條件下,該法的檢出限為0.26 μg/L,實際地表水樣的加標回收率為92.4%～98.8%,相對標準偏差不大于4.1%。因此可用于地表水中痕量Pb(Ⅱ)的準確測定。

Moussa等[36]成功合成了能夠同時選擇性提取所有鑭系的IIPs。在優(yōu)化的SPE條件下，IIPs對鑭系家族8個代表性離子的萃取回收率均高于77%，平均回收率為83%；而非印跡聚合物(NIPs)的萃取回收率則為14%～36%。

3 新型功能材料

3.1 雙功能材料

在復(fù)雜的生物或環(huán)境樣品中,檢測金屬混合物比單金屬檢測需要更高的靈敏度和選擇性。質(zhì)譜法和光學(xué)光譜法是評估環(huán)境中金屬混合物的主要方法,但它們昂貴,占用空間較大,使得現(xiàn)場實時探測變得困難。因此迫切需要開發(fā)新方法用于重金屬污染的現(xiàn)場調(diào)查和現(xiàn)場應(yīng)用。

圖 5 GF和DNA酶為基礎(chǔ)的檢測金屬離子方法示意圖[37]

圖 6 Zn(Ⅱ)離子特異的光敏感螯合物(XDPAdeCage)萃取及釋放Zn(Ⅱ)過程示意圖[46]

Fang等[37]基于高選擇性和高吸收率的金屬響應(yīng)性納米材料,設(shè)計了一種雙功能的納米材料平臺,可以同時富集和靈敏檢測多種金屬離子。該平臺由大孔石墨烯泡沫(GF)和金屬響應(yīng)型DNA酶組成。金屬響應(yīng)型DNA酶是通過指數(shù)富集配體(SELEX)系統(tǒng)進化篩選的一類特殊酶,其對特定金屬離子表現(xiàn)出良好的催化能力和結(jié)合活性[38-40]。如圖5所示,GF作為金屬離子提取劑和熒光標記DNA酶的萃取劑,GF表面的磷酸基通過金屬-磷酸鹽配位提取二價金屬離子,石墨烯主鏈可以與單鏈DNA (ssDNA)緊密結(jié)合,并抑制附著在ssDNA上的熒光團[37]。一旦Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)在GF表面富集,將會激活對應(yīng)的金屬響應(yīng)DNA酶,釋放出兩種熒光標記的單鏈DNA,該熒光標記DNA單鏈可被GF吸附和淬滅。研究人員通過檢測兩種熒光強度的減少,實現(xiàn)了兩種金屬離子的同時定量檢測。該方法的回收率為95.0%～98.3%,成功定量了人血清和河水中的Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ),檢出限分別為50 pmol/L和0.6 nmol/L。

磷酸鹽修飾的GF可以富集不同類型的二價金屬陽離子，利用不同金屬特異性DNA酶，結(jié)合多種波段的熒光分子，可實現(xiàn)多種金屬離子的同時快速定量檢測.該雙功能平臺對重金屬污染的現(xiàn)場調(diào)查和患者金屬暴露的診斷具有重要價值。

3.2 光敏金屬絡(luò)合物

近年來,生物傳感器(如DNA酶)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷和成像等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[41,42]。但探測金屬離子仍然存在一個主要障礙,即傳感器無法捕捉與生物分子絡(luò)合的“結(jié)合態(tài)”金屬。已經(jīng)開發(fā)的檢測方法適用于生物分子親和力較弱的金屬離子(如Ca2+和Na+)[43],但與生物分子緊密結(jié)合金屬離子的檢測靈敏度往往較低[44]。因此,如何將結(jié)合態(tài)的金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的形式,一直是金屬離子快速檢測的一個瓶頸問題。

光敏金屬絡(luò)合物是一種螯合劑,通過光化學(xué)反應(yīng)可調(diào)節(jié)其結(jié)合親和力。該絡(luò)合物可捕獲溶液中的金屬離子，在紫外光照下，絡(luò)合物與金屬離子之間的共價鍵斷裂，螯合效應(yīng)減少，金屬離子隨之釋放。如圖6所示，Basa等[45,46]合成了多種金屬離子特異性的光敏感螯合物,其中Zn離子特異的光敏感螯合物{雙[(2-吡啶基)甲基]氨基}(9-氧-2-黃烯基)乙酸(XDPAdeCage)在紫外光下利用2-黃酮乙酸介導(dǎo)光脫羧反應(yīng)釋放金屬離子[46]。數(shù)據(jù)顯示XDPAdeCage光解的量子產(chǎn)率為27%,與Zn(Ⅱ)結(jié)合的親和力為4.6 pmol/L,在光解后親和力降低了4個數(shù)量級以上。

使用該種方法可以成功地將生物樣品中結(jié)合態(tài)的Zn(Ⅱ)釋放出來并轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的Zn(Ⅱ),進而可以被多種生物傳感器快速檢測,也可以研究生物體內(nèi)(如細胞中)金屬離子的信號傳遞過程。

4 總結(jié)與展望

重金屬污染已引起全社會的廣泛關(guān)注,其對人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害也日益顯現(xiàn)。固相萃取具有回收率和富集倍數(shù)較高、易于再生等優(yōu)點,已成為最常用金屬離子前處理方法之一。如何對復(fù)雜樣品基質(zhì)中的微量或者痕量金屬離子進行富集分離是金屬離子前處理中的核心和關(guān)鍵,為了解決這一問題,高效、高選擇性的新型固相萃取分離材料的研究發(fā)展迅速。

本文綜述了限制接觸碳納米管、納米吸附劑、納米粒子載體、磁性納米粒子等納米材料、高分子聚合物和功能材料的特點及其在生物、環(huán)境污染物、食品樣品前處理中的應(yīng)用。這些新型材料具有獨特的理化性質(zhì),環(huán)境友好,對金屬離子的特異性高,因而可以快速高效地富集萃取復(fù)雜樣品中的金屬離子,有些還可以同時進行金屬離子的萃取和檢測,實現(xiàn)了金屬離子的現(xiàn)場快速檢測。因而在各類復(fù)雜樣品的前處理過程中有著良好的應(yīng)用潛力。

總之,日益發(fā)展的新型萃取材料將在復(fù)雜樣品前處理過程中得到越來越多的應(yīng)用。開發(fā)新型萃取材料,發(fā)展簡便、高效、快速、綠色的金屬離子檢測方法,以及實現(xiàn)樣品前處理與分析同步化、自動化、環(huán)境友好化將是未來金屬離子檢測的發(fā)展方向。