吳世豪 董林沛 張?jiān)品? 王繼芬* 趙 鵬 季佳華 李佳宜 吳小軍 王愛華

(1.中國人民公安大學(xué) 偵查學(xué)院,北京 100038;2.公安部物證鑒定中心,北京 100038)

重金屬具有極強(qiáng)的生物毒性,其進(jìn)入人體后會抑制酶活性并誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,產(chǎn)生強(qiáng)烈的毒害作用。為了及時(shí)避免有毒重金屬的危害,亟需探究建立快速、簡便的生物體內(nèi)重金屬檢測與脫除方法。然而常規(guī)的分析手段存在儀器便攜性差、檢測過程復(fù)雜等問題,難以用于現(xiàn)場的快速實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。基于此,多種針對生物樣品特性的快速定量分析技術(shù)得到了開發(fā)與應(yīng)用。同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)有毒重金屬的安全與高效脫除,研究人員不斷探索各種藥物的解毒機(jī)理,對其脫除能力以及安全性進(jìn)行了全面系統(tǒng)的評價(jià)。

1 有毒重金屬的常見來源

作為重要的自然資源,重金屬在工業(yè)生產(chǎn)和生活實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用,給人們的生活帶來了極大的便利。然而重金屬難以被生物體降解,能夠通過多種途徑進(jìn)入人體,對健康造成嚴(yán)重危害。在日常生活中,環(huán)境中的重金屬污染物會沿著食物鏈不斷富集并在人體內(nèi)累積;在工業(yè)生產(chǎn)中,鉻、鉛等廣泛使用的重金屬則能夠通過職業(yè)性接觸的方式導(dǎo)致慢性或急性中毒;在刑事司法領(lǐng)域,砷、汞等具有致命生物毒性的物質(zhì)也經(jīng)常出現(xiàn)在投毒、自殺、誤服等案件中。表1對常見有毒重金屬的來源進(jìn)行了匯總[1],并列舉了世界衛(wèi)生組織《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則(第四版)》以及我國GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的水中重金屬離子限量值。

表1 常見有毒重金屬的來源與水中限量值Table 1 Sources and water limits of common toxic heavy metals

2 生物樣品中重金屬的快速檢測

為了實(shí)現(xiàn)生物樣品中重金屬的快速檢測,氣相富集、激光燒蝕等固體進(jìn)樣技術(shù)迅速發(fā)展,與原子吸收光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜等方法實(shí)現(xiàn)了聯(lián)用。近年來,隨著電子技術(shù)與半導(dǎo)體材料的發(fā)展,單色聚焦X射線熒光光譜技術(shù)的靈敏度得到了顯著提升,在生物樣品中痕量重金屬的檢測方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。此外,基于新型修飾電極開發(fā)的電化學(xué)傳感器在血液、精漿的直接檢測方面也取得了良好的效果,成為重金屬快速檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2.1 高分辨率連續(xù)光源原子吸收光譜法

原子吸收光譜法(Atomic absorption spectrometry,AAS)通過分析待測元素基態(tài)原子蒸氣對特征譜線的吸收強(qiáng)度來確定待測元素的含量。為了實(shí)現(xiàn)痕量重金屬的快速檢測,可以利用石墨管加熱產(chǎn)生的高溫使樣品全部參與原子化,在提高靈敏度的同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的直接分析。然而由于生物樣品的基體成分較為復(fù)雜,需要針對基質(zhì)效應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。對于血液、尿液等液體類生物樣品,通常在稀釋后加入基體改進(jìn)劑即可有效消除干擾[2-3]。然而對于肝臟等固體生物樣品,存在背景噪音嚴(yán)重、難以將樣品引入石墨管等問題。近年來,隨著高分辨率連續(xù)光源原子吸收光譜法(HR-CS-AAS)的發(fā)展,固體進(jìn)樣技術(shù)有效克服了基體干擾等的限制,在固體樣品的直接分析中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。如ORANI等[4]建立了HR-CS-ETAAS測定海洋生物樣品中As、Cd、Cu、Ni、Co和Cr等元素的分析方法,使用魚勻漿、龍蝦肝胰腺等基質(zhì)相似的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對方法進(jìn)行校準(zhǔn)與驗(yàn)證,證明了該方法能夠用于固體生物樣品的直接分析。GMEZ-NIETO等[5]同樣基于HR-CS-AAS技術(shù)開發(fā)了一種快速、簡單的微量采樣方法,在固體取樣平臺中將微量樣品引入石墨爐霧化器,從而實(shí)現(xiàn)了人體全血樣品以及小鼠肝線粒體懸浮液中鈣含量的快速分析。

2.2 介質(zhì)阻擋放電-原子熒光光譜法

原子熒光光譜法(Atomic fluorescence spectrometry,AFS)根據(jù)原子在輻射能激發(fā)下產(chǎn)生的熒光發(fā)射強(qiáng)度來確定物質(zhì)的含量。由于光譜干擾極小,原子熒光光譜儀可在無需分光系統(tǒng)的條件下進(jìn)行元素檢測。此外,介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(DBD)的應(yīng)用也簡化了樣品的前處理過程,促進(jìn)了儀器往小型化、便攜化的方向發(fā)展。在生物樣品分析中,AFS法主要用于砷、汞、鉛等元素的測定。如LIU等[6]對微生物以及頭發(fā)樣品的研磨液進(jìn)行簡單稀釋后使用DBD對砷元素進(jìn)行預(yù)濃縮,而后使用懸浮進(jìn)樣-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法實(shí)現(xiàn)了砷的快速、超靈敏檢測。然而AFS法的缺點(diǎn)在于應(yīng)用范圍不夠廣,僅能檢測As、Sb、Hg等11種具有熒光發(fā)射的元素[7]。因此,原子熒光光譜技術(shù)在重金屬檢測中的推廣和應(yīng)用仍然是分析人員研究的熱點(diǎn)。

2.3 激光燒蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜法

電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)具有靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢,在檢測復(fù)雜生物基質(zhì)中的重金屬時(shí)得到了最為廣泛的應(yīng)用。如MCGEEHAN等[8]使用ICP-MS對雞肉干、牛肝等樣品中的重金屬進(jìn)行檢測,通過比較4個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到的24個(gè)數(shù)據(jù)集,證明了ICP-MS是一種可重復(fù)分析的方法。近年來,隨著儀器進(jìn)樣系統(tǒng)的多樣化以及接口性能的改進(jìn)[9],電感耦合等離子體質(zhì)譜不斷與其他技術(shù)聯(lián)用,應(yīng)用范圍得到大幅擴(kuò)展。激光燒蝕(LA)是一種常用的激光導(dǎo)入技術(shù),通過高強(qiáng)度激光脈沖聚焦在樣品表面產(chǎn)生高溫使樣品等離子化。激光燒蝕技術(shù)與ICP-MS相結(jié)合,能夠用于固體生物樣品的快速直接分析,具有制樣簡單、無需消解、污染小等優(yōu)點(diǎn)。為了消除儀器漂移、不穩(wěn)定性以及基質(zhì)對等離子體的影響,通常需要采用相同或相似基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)。如ASH等[10]根據(jù)果樹葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中待測元素205Tl與內(nèi)標(biāo)元素12C的強(qiáng)度比建立了校準(zhǔn)曲線,并通過分析毛發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證了方法的定量準(zhǔn)確性,而后使用LA-ICP-MS技術(shù)對鉈中毒前、中、后的頭發(fā)樣品進(jìn)行連續(xù)線性掃描,成功揭示了中毒時(shí)間等重要信息。

2.4 激光誘導(dǎo)擊穿光譜法

激光誘導(dǎo)擊穿光譜法(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一種新興的物質(zhì)組分光化學(xué)“綠色”分析技術(shù)。與LA-ICP-MS檢測元素離子信號不同[11],LIBS利用超短脈沖激光聚焦在樣品表面形成的高溫使樣品產(chǎn)生特征的等離子體發(fā)射光譜,從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)成分及含量的分析。LIBS具有樣品制備簡單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),在食品安全[12]、環(huán)境監(jiān)測[13]等領(lǐng)域的重金屬快速檢測中發(fā)揮了重要作用。然而在分析生物組織樣品時(shí),由于其具有表面凹凸不平、常溫下呈軟質(zhì)等特點(diǎn),LIBS光譜信號質(zhì)量較低。為此,孫浩然[14]針對生物組織樣品的特性對LIBS檢測平臺裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)了光譜信號的有效采集,提高了光譜重復(fù)性以及信號質(zhì)量。此外,將化學(xué)計(jì)量學(xué)等方法與LIBS相結(jié)合,能夠?yàn)閺?fù)雜光譜數(shù)據(jù)的定性定量分析提供強(qiáng)有力的支持。如YAO等[15]為了校正豬肉樣品的LIBS光譜基體效應(yīng),使用多元偏最小二乘算法對Cr和Pb的含量進(jìn)行了預(yù)測,通過與AAS的檢測結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了校正模型的準(zhǔn)確性。

2.5 單色聚焦X射線熒光光譜技術(shù)

X射線熒光光譜法(X-ray fluorescence spectrometry,XRF)是一種直接進(jìn)樣的無損分析方法,通過分析待測元素受到激發(fā)后產(chǎn)生的X射線熒光強(qiáng)度來確定元素的含量。由于X射線熒光光譜與樣品的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)無關(guān)[16],因此方法無需復(fù)雜的樣品前處理,具有操作簡單、檢測成本低、不損耗樣品等優(yōu)點(diǎn)。然而在分析生物樣品中的痕量重金屬元素時(shí),由于傳統(tǒng)XRF技術(shù)的靈敏度相對較低,因此應(yīng)用較少。近年來,隨著電子技術(shù)與半導(dǎo)體材料的發(fā)展,X射線熒光光譜儀的檢測性能得到了顯著提升。單色聚焦X射線熒光光譜技術(shù)使用先進(jìn)的單色聚焦光學(xué)器件DCC晶體,將來自光管的X射線單色化并有效聚焦到測量樣品的小區(qū)域,從而大幅提高了儀器的信噪比,在生物樣品中痕量重金屬的檢測方面展現(xiàn)出來巨大的應(yīng)用潛力。如WANG等[17]使用單色聚焦XRF技術(shù)建立了扇貝中As、Cd、Ni、Pb等重金屬元素的定量檢測方法,通過優(yōu)化儀器工作條件以及樣品制備方法,實(shí)現(xiàn)了重金屬的快速、準(zhǔn)確分析。吳世豪等[18]采用同樣的技術(shù)對人體血液中As、Sr、Cd、Hg、Tl、Pb等元素進(jìn)行了分析,檢出限在0.037～0.192 mg/L,適用于重金屬中毒案件的快速檢驗(yàn)。

2.6 電化學(xué)傳感器技術(shù)

電化學(xué)分析法是一種高效、靈敏的重金屬痕量測定方法,具有便攜性好、特異性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,電化學(xué)傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水相中重金屬離子的檢測。然而當(dāng)傳統(tǒng)傳感器直接接觸基質(zhì)復(fù)雜的生物樣本時(shí),蛋白質(zhì)、紅細(xì)胞的非特異性吸附會造成傳感器的污染,從而影響檢測精度[19]。近年來,隨著新型修飾電極的開發(fā)以及檢測方法的創(chuàng)新[20],電化學(xué)分析法的選擇性、靈敏度不斷提高,檢測范圍也得到了相應(yīng)的改善,在生物樣品中重金屬的直接分析方面具有廣闊的應(yīng)用前景。如SONG等[21]構(gòu)建了一種新型的基于氯氧化鉍介孔氧化硅復(fù)合材料修飾的傳感器,用于真實(shí)血液樣品中鉛的電化學(xué)溶出分析,檢出限低至33 ng/L。SKIBA等[22]采用厚膜改性石墨傳感器(TMGE)作為工作電極,采用陽極溶出伏安法對牛精漿中的銅、鉛、鎘等重金屬進(jìn)行了直接測定。CHEN等[23]基于肝素修飾的磁性超支化聚酰胺成功構(gòu)建了一種用于血鉛檢測的電化學(xué)/熒光雙響應(yīng)生物傳感器,肝素的修飾使傳感器具備了抗生物污損性,而具有豐富氨基和空腔結(jié)構(gòu)的超支化聚酰胺則能夠通過與鉛離子形成配位鍵快速積累血鉛,實(shí)現(xiàn)全血中鉛離子的高效檢測。

3 生物體內(nèi)重金屬的脫除方法

在實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)重金屬的定性定量檢測之后,下一步的措施是采取安全高效的治療方案進(jìn)行重金屬的脫除。近年來,研究人員不斷探索重金屬在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝的生理和分子機(jī)制,多種安全有效的治療藥物得到了應(yīng)用。依據(jù)作用機(jī)理的不同,可以將脫除方法分為螯合法和吸附法兩大類。

3.1 螯合療法

螯合療法是治療急性重金屬中毒的主要方法。金屬螯合劑的種類多樣,通常是含有巰基、氨基等基團(tuán)的雙齒或多齒配體,通過環(huán)狀結(jié)構(gòu)中的配位鍵與中心金屬原子或離子形成螯合環(huán)。良好的螯合劑通常具備以下特性:1)在與金屬原子或離子結(jié)合后會形成化學(xué)惰性且無毒的絡(luò)合物,絡(luò)合物容易從體內(nèi)排出而不與重要器官發(fā)生進(jìn)一步作用;2)能夠有效地穿過細(xì)胞膜,以清除細(xì)胞內(nèi)的有毒重金屬;3)在體液的pH值下保持其螯合特性,并且在體內(nèi)的分布與重金屬相同;4)對重金屬的親和力大于對人體必需微量元素的親和力[24]。二巰基丙醇(BAL),通過巰基與金屬原子或離子形成穩(wěn)定的配合物,隨后由腎臟排泄,實(shí)現(xiàn)砷、汞中毒的治療。二巰基丙磺酸鈉(DMPS),BAL的水溶性類似物,與BAL相比毒性更低且效力更好,通常用作砷和汞的解毒劑[25]。二巰基丁二酸鈉(DMSA),我國首創(chuàng)的廣譜金屬解毒劑,藥理作用與BAL相同但毒性更低[26]。依地酸鈣鈉,對無機(jī)鉛中毒的治療效果好,但對四乙基鉛中毒無效。去鐵胺(DFO),通過羥肟酸基團(tuán)與Fe3+形成穩(wěn)定、無毒的水溶性鐵胺復(fù)合物,由尿排出[27]。青霉胺,主要用于治療因銅在組織中沉積所致的威爾遜病,也可用作砷、鉛中毒的治療[28]。

盡管取得了不錯(cuò)的臨床治療效果,但這些螯合劑仍存在一些問題:具有一定的毒副作用,可能會導(dǎo)致繼發(fā)性中毒和嚴(yán)重的并發(fā)癥,長期服用也會對腎臟造成損害;易與人體內(nèi)的必需微量元素結(jié)合,造成鉀、鈣、鎂等礦物質(zhì)的流失。為此,在充分考慮各種螯合劑理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上,提出了聯(lián)合用藥的治療方式:通過同時(shí)使用輔助藥物來提高螯合劑的作用效果,從而大幅度地減少可能產(chǎn)生的副作用,實(shí)現(xiàn)更加安全高效的解毒。如莫能菌素(Monensin)與DMSA聯(lián)合使用時(shí)能夠顯著加速Pb2+與DMSA的螯合,從而有效去除沉積在大腦中的鉛[29]。

3.2 吸附法

吸附療法通過吸附劑對體內(nèi)重金屬的吸附作用,達(dá)到治療重金屬中毒的目的。按照材料來源的不同,可以分為天然無機(jī)吸附劑、天然有機(jī)吸附劑、合成吸附劑以及生物吸附劑,見表2。理想的吸附劑應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求:1)安全、無毒性和過敏性,具有良好的生物相容性;2)高效,具有大的活性表面積,對毒素具有高的吸附能力;3)選擇性好,對人體內(nèi)微量營養(yǎng)素的損失小;4)物理和化學(xué)穩(wěn)定性良好[30-31]。

表2 常用的生物體內(nèi)重金屬吸附劑Table 2 Commonly used adsorbents for heavy metals in organisms

在眾多吸附劑中,由天然有機(jī)高分子材料和合成吸附材料制備的吸附劑得到了最為廣泛的應(yīng)用。殼聚糖、果膠、纖維素等天然多糖類活性物質(zhì)已經(jīng)用作重金屬的腸道吸附劑[32],而在新型高分子吸附材料的研發(fā)方面,同樣取得了不錯(cuò)的成果。如GUO等[40]通過快速配體交換法合成了一種丁二酸包覆的磁性納米吸附劑,通過研究吸附劑與血液成分之間的相互作用及其誘導(dǎo)的細(xì)胞免疫反應(yīng),有效提高了血中重金屬的分離效率。結(jié)果表明,通過采用連續(xù)多級吸附模式,該研究合成的吸附劑能夠在120 min內(nèi)去除血液中97.97%的鉛和96.53%的鎘。SONG等[41]基于角叉菜膠和聚丙烯酸等材料,合成了一種模擬肝素結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的雙網(wǎng)狀凝膠珠,該珠表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物相容性以及抗凝性能,能夠有效清除血液中外源性和內(nèi)源性的重金屬等毒素。

此外,出于對可降解性與可持續(xù)性等因素的考慮,藻類、真菌等經(jīng)濟(jì)環(huán)保的生物吸附劑逐漸用于環(huán)境中重金屬污染的修復(fù)[50-51]。對于生物體內(nèi)的有毒重金屬,盡管魯氏酵母[45]、釀酒酵母[46]等生物吸附劑已經(jīng)展示出了良好的脫除效果,但對于其可能產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn),仍需開展大量的研究進(jìn)行評估。為此,研究人員不斷開展相關(guān)的毒理學(xué)、耐藥性等實(shí)驗(yàn),以評價(jià)這些生物吸附劑的安全性,并進(jìn)一步探究其解毒的機(jī)理。如于哲[47]對具有吸附重金屬Pb2+特性的酵母菌進(jìn)行了安全性評價(jià),通過開展有毒代謝產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)、毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)等研究,證明了相關(guān)菌株的安全性,從而為食品、藥品中此類微生物的應(yīng)用提供了合理的安全依據(jù)。李麗杰[49]通過開展體外吸附實(shí)驗(yàn)與動物實(shí)驗(yàn),對具有良好吸附能力和抗鉛特性的菌株進(jìn)行了安全性驗(yàn)證,并通過光譜分析技術(shù)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)等手段,對酵母菌的吸附及抗鉛機(jī)理進(jìn)行了初步揭示。

4 總結(jié)與展望

重金屬的毒性會對健康造成嚴(yán)重危害,這促使研究人員不斷地開發(fā)各種方法與試劑,以有效地檢測和脫除生物體內(nèi)的有毒重金屬。目前,多種技術(shù)和材料已經(jīng)得到了應(yīng)用,并且取得了不錯(cuò)的效果。然而尋找更加準(zhǔn)確有效、環(huán)保節(jié)約、易于操作的檢測及脫除方法,是一個(gè)持續(xù)不斷的過程。展望未來,關(guān)于生物體內(nèi)有毒重金屬的檢測與脫除,仍存在一些亟待解決的問題。首先,對于重金屬的形態(tài)分析較為不足。在分析生物樣品中的重金屬時(shí),目前的方法通常是對元素的總濃度進(jìn)行測定,卻較少關(guān)注其存在形態(tài)。然而重金屬的毒性不僅與其含量有關(guān),而且還與元素的結(jié)合態(tài)、價(jià)態(tài)等物理-化學(xué)形式有關(guān)。因此,僅測定重金屬的總量,無法全面、客觀地反映生物體的實(shí)際中毒情況;其次,在采用新型快速檢測技術(shù)分析生物樣品中的重金屬時(shí),缺乏對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),與ICP-MS、AAS等方法相比,LIBS等快速檢測技術(shù)不需要微波消解等樣品處理,然而如果不采取有效的方法消除基體效應(yīng),則會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差;最后,關(guān)于部分重金屬脫除藥物在生物體內(nèi)的作用機(jī)理以及可能產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn),仍需開展大量的工作進(jìn)行探究與驗(yàn)證。進(jìn)一步的研究需要利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù),結(jié)合分析各類藥物對生物體基因表達(dá)及機(jī)體代謝的影響,從而揭示其在體內(nèi)緩解重金屬毒性的機(jī)制以及安全性。