生物樣品汞形態(tài)分析方法的研究進展

　　摘要：中國人為活動汞排放量達500t/年~700t/年，略大于我國地表自然源年均汞排放量，導(dǎo)致了總汞及其形態(tài)分析在分析檢測領(lǐng)域的巨大需求。該文介紹近年來汞形態(tài)分析的前處理方法和儀器分析方法，概述前人利用這些方法進行的生物樣品分析及其研究成果，展望汞形態(tài)分析的分析方法和儀器方法的研究及應(yīng)用前景，預(yù)測汞形態(tài)分析的方法和設(shè)備將會向快速、小型化、便攜、可移動等方向發(fā)展，擬為分析化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究提供方法學(xué)上的參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：甲基汞;汞形態(tài)分析;前處理方法;儀器分析方法;生物樣品

　　全球每年通過河流向海洋輸入的汞約有380t，每年通過地下水輸入到海洋的汞有100t～800t，另外，每年約有600t的汞由深海熱液噴口產(chǎn)生[1]。馮新斌課題組的研究結(jié)果表明，中國地表自然源年均排放約465t汞[2]。我國是全球汞消費和汞排放大國，人為活動汞排放量達500t/年~700t/年[3]。在我國，汞及其化合物的應(yīng)用主要是催化劑，所占比例達到總用量的70%，其余30%分別應(yīng)用在以下領(lǐng)域：科學(xué)測量儀9%、藥物8%、蒸氣燈5%、電極3%、雷汞2%、淘金3%[1]。汞具有高致毒性、持久性和長距離遷移性等特征，是一種全世界公認的持久性有毒物質(zhì)(persistenttoxicsubstance，PTS)。

　　汞是唯一一種能在常溫下呈現(xiàn)液態(tài)的重金屬，有7個穩(wěn)定同位素，其質(zhì)量數(shù)分別為196、198、199、200、201、202、204，汞的毒性和生物有效性取決于其化學(xué)形態(tài)。汞及其化合物在環(huán)境中普遍存在，各形態(tài)的汞之間可以相互轉(zhuǎn)化，尤其是無機汞可以通過生物甲基化或者光化學(xué)反應(yīng)等過程形成毒性更大的甲基汞，并可通過食物鏈最終在人體內(nèi)富集，嚴(yán)重危害人體健康[4-7]。汞形態(tài)分析方法和技術(shù)的發(fā)展，對相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的發(fā)展具有重要的推動作用。

　　由此，總汞及其形態(tài)分析的定性和定量分析的巨大市場需求和強烈的人文訴求可見一斑。前人針對生物樣品汞形態(tài)分析的前處理及其分析的方法開展了大量的科學(xué)研究工作，過去的幾十年國內(nèi)外汞的形態(tài)分析研究取得了很多突破性的成果。本文從總汞的分析方法、汞形態(tài)分析方法及近年來汞形態(tài)分析研究方面綜述了生物樣品中汞形態(tài)分析方法的研究進展及其新動向。

　　1總汞的快速篩查方法

　　無需前處理的總汞測量方法。試樣無需預(yù)處理過程或僅僅經(jīng)過簡單的預(yù)處理(如粉碎或干燥)，可直接上機。最具代表性的是美國環(huán)保局頒布的方法“Method7473(SW-846)：MercuryinSolidsandSolu-tionsbyThermalDecomposition，Amalgamation，andAtomicAbsorptionSpectrophotometry”，中文名為熱分解齊化原子吸收光度法，該方法(以下簡稱EPA方法7473)可測定固體及液體中的汞含量，原理：試樣經(jīng)熱解后，汞原子被捕集，隨后經(jīng)原子吸收光譜檢測。

　　雖然該方法不需要消解過程便可直接測定汞含量、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、操作簡便，但由于儀器的運行成本高，我國GB5009.17-2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中總汞及有機汞的測定》并未涵蓋該方法[8]。為了減免試樣的復(fù)雜前處理過程，一些可用于化妝品及保健食品中重金屬的快速篩查的“食品藥品安全快速檢測試劑盒(汞快速檢測試紙)”悄然而生，并且在我國已有十多年的歷史。

　　目前常用的汞離子快速檢測有生物酶抑制法、化學(xué)顯色法和離子交換法等，可應(yīng)用于環(huán)境水樣、食品、中藥材、紡織等領(lǐng)域的汞含量檢測。這些檢測手段通常用于快速篩查大樣本中的可疑樣本，從而起到排查食品安全事故的作用，但在樣本中目標(biāo)物含量低時，會出現(xiàn)重現(xiàn)性差、平行性不好等情況。

　　2測定總汞的前處理方法

　　生物樣品(尤其是食品)重金屬的檢測需要低檢出限、高靈敏度的分析方法(檢出限低于1mg/kg)，因此，無法使用X射線熒光光譜儀這類快速檢測儀器直接進行測定(檢出限通常高于50mg/kg)，此外，汞極易在常溫下?lián)]發(fā)，不適合與其它重金屬一起進行酸消解等前處理，常常需要單獨進行預(yù)處理。

　　總汞的前處理方法有濕法酸消解法、微波消解法。GB5009.17-2014方法包含了這些前處理方法，包括濕法消解或微波消解、定容、離心等過程，采用冷原子吸收光譜法或原子熒光光譜法進行總汞的測定，由于具有運行成本較低、對技術(shù)要求不高等優(yōu)點，深受基層技術(shù)工作者的歡迎。

　　3檢測總汞的儀器分析方法

　　總汞的檢測方法一般包括三大類：光譜法、電化學(xué)法和其它方法。據(jù)Suvarapu和Baek統(tǒng)計，最新的研究報道中大于50%總汞的檢測使用的方法是光譜法，他們將電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductivelycoupledplasmamassspectrometry，ICP-MS)列入光譜法中，此外還包括冷原子吸收光譜(cold-vaporatomicabsorptionspectrometry，CV-AAS)、冷原子熒光光譜(cold-vaporatomicfluorescencespectrometry，CV-AFS)以及電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductivelycoupledplasmaopti-calemissionspectrometry，ICP-OES)等[9-10]。

　　為了防止汞的記憶效應(yīng)干擾檢測結(jié)果，維持儀器較低的檢出限，經(jīng)ICP-OES或ICP-MS檢測的固體樣品一般需要經(jīng)過繁瑣的前處理以及稀釋后，才能上機，例如微波輔助消解/萃取和酶水解，而且上機前需要進行靈敏度、精度和重現(xiàn)性等儀器條件的調(diào)試[11-17]。CV-AFS的操作原理：還原劑硼氫化鉀在酸性條件下與樣液反應(yīng)，樣液中的含汞目標(biāo)物全部氣化為原子態(tài)的汞蒸氣，汞蒸氣被氬氣送入檢測器，汞的絕對含量在特征波長下被測定。

　　直接測汞儀包括塞曼測汞儀(例如，俄羅斯魯美科思公司生產(chǎn)的塞曼測汞儀RA-915+)、原子吸收直接測汞儀(例如，意大利邁爾斯通公司生產(chǎn)的直接測汞儀DMA-80，美國力可LECO-ALTEC公司生產(chǎn)的全自動汞含量分析儀AMA254)、固體同位素質(zhì)譜儀—多通道接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等[18-24]。

　　其中，塞曼測汞儀的原理：基于熱分解混合樣品和塞曼校正技術(shù)的原子吸收光譜檢測生成的汞元素總量;原子吸收直接測汞儀的原理：固態(tài)或液態(tài)的樣品經(jīng)干燥、程序升溫至特定的溫度，汞蒸汽在氧氣的作用下被金網(wǎng)捕集形成金汞齊，再經(jīng)高溫加熱同步釋放，在特征波長下檢測總汞的絕對含量。

　　4汞形態(tài)分析的前處理方法

　　總汞的分析檢測技術(shù)是汞形態(tài)分析技術(shù)得以發(fā)展的基礎(chǔ)，總汞檢測技術(shù)日益豐富，促使了基于儀器聯(lián)用技術(shù)的汞形態(tài)分析方法及相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的快速發(fā)展。在生物樣品甲基汞的萃取過程中，所使用的試劑有鹽酸(HCl)、濃硝酸(HNO3)、四甲基氫氧化銨(te-tramethylammoniumhydroxide，TMAH)、氫氧化鉀(KOH)、甲醇(MeOH)、乙醇(EtOH)、四乙基硼酸鈉(NaBEt4)，萃取后的試樣若過酸或過堿，則需要中和試樣的pH值后再進行下一個分析步驟;常用的萃取方法有超聲輔助萃取、恒溫振蕩提取和微波輔助萃取，以及不常用的前處理方法，如蒸餾、乙基化、吸附-解吸等。

　　經(jīng)氣相色譜分析的樣品一般需要進行衍生化處理，常用的衍生化(也稱乙基化)試劑為四乙基硼酸鈉(NaBEt4)。包括目標(biāo)物(總汞、無機汞和甲基汞)、生物樣品類別、前處理方法以及儀器分析方法等。食品中甲基汞的分析檢測按照GB5009.17-2014方法執(zhí)行時需要進行一系列的前處理(加酸條件下超聲輔助提取、離心、中和、絡(luò)合、定容、過濾)，才可上機測試[8]。

　　然而，超聲波輔助萃取法的優(yōu)缺點：1)萃取效率的穩(wěn)定性高、儀器運行成本低、人力成本低;2)受超聲波衰減因素的制約，超聲有效作用區(qū)域為一環(huán)形，如果提取罐的直徑太大，在罐子的周壁就會形成超聲空白區(qū);3)難以保證超聲波器件的安全性，也無法實現(xiàn)超聲罐的密封性;4)前處理時間至少需要半小時。Teo等充分肯定了微波輔助萃取法(microwaveassistedextraction，MAE)作為生物樣品(尤其是食品)前處理技術(shù)的快速、簡單等優(yōu)勢所在，同時強調(diào)了優(yōu)化MAE方法的重要性[46]。

　　微波輔助萃取法作為前處理方法的優(yōu)勢有：1)在密閉的容器中進行，很好地避免目標(biāo)物的揮發(fā)和溶劑的損失，有效避免前處理過程中的外源污染;2)微波能具有良好的穿透性，可控因素多，節(jié)能;3)萃取時間短，一般以秒或分鐘計，省時;4)溶劑的用量少，通常為幾毫升，環(huán)保;5)減少稱樣量，當(dāng)樣品來源稀少時，此優(yōu)點更為明顯。不可置否，由于無機汞化物和有機汞化物的正辛醇/水分配系數(shù)的差別往往較大，因此應(yīng)用微波法難以實現(xiàn)同步萃取重金屬有機化合物和無機形態(tài)的重金屬，部分元素如砷除外[47]。

　　5汞形態(tài)分析的儀器分析方法及其在基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用

　　本文以甲基汞的分析方法為例介紹汞形態(tài)分析的儀器檢測技術(shù)與分析方法。甲基汞的分析包括兩個部分：定性分析(甲基汞形態(tài)的甄別)與定量分析(甲基汞含量的測量)。

　　首先，借助液相色譜柱或氣相色譜柱，利用甲基汞和其它含汞化合物在填料上的保留時間不同，使溶液中的甲基汞和其它形態(tài)的汞分離，隨后通過催化或熱解等技術(shù)使甲基汞轉(zhuǎn)化為汞蒸氣(汞原子或汞離子)，最后根據(jù)汞在特征波長253.6nm或質(zhì)量數(shù)200.59下的響應(yīng)，便可達到定性分析汞的目的。

　　其次，測量汞的含量，在定性的基礎(chǔ)上使用外標(biāo)法或內(nèi)標(biāo)法將試樣中的目標(biāo)物與標(biāo)準(zhǔn)樣液進行比較分析，從而達到定量分析的目的。目前，最常見的甲基汞的形態(tài)分析檢測手段為氣相/液相色譜-冷原子熒光光譜和氣相/液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜等[38-40，43-45]。原子熒光光譜法經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展，取得了令人矚目的成績，但是仍存在重復(fù)性和穩(wěn)定性略差、儀器使用壽命略短等不足。

　　相比之下，有記憶效應(yīng)但穩(wěn)定性好的氣相/液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜等技術(shù)手段在魚類等復(fù)雜生物樣品汞形態(tài)分析方面在國際上得到了廣泛的應(yīng)用和認可。汞的形態(tài)分析是研究汞的毒性、致毒機理、膳食暴露風(fēng)險等課題的必經(jīng)之路，離開前者討論后者是不嚴(yán)謹甚至不科學(xué)的。

　　從這個層面上，可以認為，汞形態(tài)分析的儀器檢測技術(shù)與分析方法是開展環(huán)境化學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品安全等基礎(chǔ)學(xué)科的相關(guān)研究的基礎(chǔ)。中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所馮新斌課題組及其合作者基于氫氣發(fā)生-原子熒光光譜和冷原子熒光光譜等儀器分析方法研究了在汞礦區(qū)河流/土壤系統(tǒng)中硒的生物地球化學(xué)循環(huán)特征及其環(huán)境歸趨，在此基礎(chǔ)上對萬山汞礦區(qū)域的居民在大米膳食中汞暴露或者硒暴露健康風(fēng)險進行了評估，并且在對硒的生理學(xué)/毒理學(xué)意義、汞的毒理學(xué)意義以及硒汞相互作用分子機理等進行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了健康風(fēng)險效益值(benefit-riskvalue，BRV)，指出將該指標(biāo)用于評估大米或魚類膳食中硒汞聯(lián)合暴露的健康獲益和風(fēng)險水平更為科學(xué)[48-50]。

　　此外，基于穩(wěn)定同位素的汞形態(tài)分析方法，是近二十年發(fā)展起來的，Yin等在國內(nèi)首次建立了基于多接受電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用的高精度測定汞同位素組成的方法[21]，這使我國的汞形態(tài)分析技術(shù)向高精度發(fā)展成為了可能。Li等借助冷蒸氣-多接受電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)建立了大米樣品甲基汞同位素的分析測試方法[51]。

　　Du等利用相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及同位素的質(zhì)量分餾和非質(zhì)量分餾二元混合模型進行計算，發(fā)現(xiàn)食用大米甲基汞暴露人群的頭發(fā)汞同位素組成與食魚甲基汞暴露人群的差異，證實了頭發(fā)汞同位素是示蹤人體汞暴露來源的有力工具[52]。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心江桂斌課題組及其合作者運用多種儀器聯(lián)用技術(shù)開展了很多汞形態(tài)分析與生命科學(xué)、食品安全等領(lǐng)域密切相關(guān)的前沿研究[53-55]。

　　李璐借用高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜等儀器聯(lián)用技術(shù)研究了貴州汞礦區(qū)的生大米，發(fā)現(xiàn)大米中的甲基汞主要以甲基汞半胱氨酸(CH3HgCys)的形式存在，它的形成被認為是甲基汞可以穿越血腦屏障和胎盤屏障的主要原因，然而，甲基汞半胱氨酸(CH3HgCys)經(jīng)烹飪后，絕大部分降解成其他形式的甲基汞化合物[54]。

　　孟梅等采用冷原子熒光光譜儀和氣相色譜-原子熒光光譜技術(shù)研究軟體動物中總汞和甲基汞的時空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)總汞含量隨時間呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，隨空間的變化不明顯，螺類中甲基汞比例明顯高于雙殼類[55]。贠照軍利用二維高效液相色譜技術(shù)-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對正常人體血漿蛋白中汞的形態(tài)及含量進行在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了在血漿中存在汞結(jié)合蛋白，經(jīng)高效液相色譜-線性離子阱-傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜鑒定該蛋白為人血清白蛋白，經(jīng)等溫滴定量熱法等方法進行表征，發(fā)現(xiàn)Hg2+主要結(jié)合在為人血清白蛋白的蛋白Cys34殘基上[53]。

　　6結(jié)論與展望

　　綜上所述，汞的形態(tài)分析研究取得了一系列重要進展。從目標(biāo)物的角度看，目標(biāo)物從單一的總汞總量分析向不同形態(tài)化合物(如甲基汞、無機汞)分析轉(zhuǎn)變，從化合物分析(如氯化甲基汞，CH3HgCl)向指定質(zhì)量數(shù)的化合物(如201標(biāo)記的氯化甲基汞，CH3201HgCl)分析演變。從分析儀器的角度看，基于光譜學(xué)、質(zhì)譜學(xué)的汞分析儀器趨于多樣化，如CV-AAS、CV-AFS、ICPMS，以及基于這些檢測手段的汞形態(tài)分析儀器聯(lián)用技術(shù)層出不窮，如色譜-光譜聯(lián)用技術(shù)，其中色譜模塊包括液相色譜、氣相色譜、毛細管電泳色譜等。

　　筆者推測提高實驗室方法中汞形態(tài)分析前處理方法的時效性、靈敏度和準(zhǔn)確度，降低儀器的檢出限等將成為日后的研究方向，今后還可在以下幾個方面進行重點研究：1)檢測方法快速運行，提高時效性;2)聯(lián)用儀器小型化設(shè)計，增加儀器和方法的可移動性;3)便攜式儀器，增強適用性;4)多種已有儀器重組形成新儀器，衍生出新的儀器聯(lián)用技術(shù)。

　　由于快速檢測能滿足廣大市場的需求，多功能檢測試紙和多通道檢測儀也將是日后的研究重點;而隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，需要也將越來越大，汞形態(tài)分析的檢測方法和技術(shù)將會帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

　　參考文獻：

　　[1]茆京來.隱匿無蹤汞害無窮[N/OL].中國科學(xué)報,2017-09-01(4)[2018-8-20].

　　[2]彭科峰.我國科學(xué)家建立高精準(zhǔn)中國自然源汞排放清單[N/OL].中國科學(xué)報,2016-09-21[2018-8-20].

　　[3]馮新斌,陳玖斌,付學(xué)吾,等.汞的環(huán)境地球化學(xué)研究進展[J].礦物巖石地球化學(xué)通報,2013,32(5):503-530

　　[4]FOSTERKL,STERNGA,PAZERNIUKMA,etal.MercuryBio-magnificationinMarineZooplanktonFoodWebsinHudsonBay[J].EnvironmentalScience&Technology,2012,46(23):12952-12959

　　[5]LAVOIERA,JARDINETD,CHUMCHALMM,etal.Biomagnifi-cationofMercuryinAquaticFoodWebs:AWorldwideMeta-Anal-ysis[J].EnvironmentalScience&Technology,2013,47(23):13385-13394

　　科技方向刊物推薦：《礦物巖石地球化學(xué)通報》(曾用刊名：礦物巖石地球化學(xué)通訊)，1982年創(chuàng)刊，是一份由中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會與中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所共同主辦、面向廣大地質(zhì)地球化學(xué)工作者及有關(guān)科技人員的綜合性地學(xué)學(xué)術(shù)刊物。本刊為雙月刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。

　　

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