生物样品汞形态分析方法的研究进展

张文凤，张冠文，陈云，何嘉耀

（1.中国广州分析测试中心，广东省测试分析研究所，广东广州510070；2.广东省疾病预防控制中心国家食品安全风险监测参比实验室（重金属），广东广州511430）

全球每年通过河流向海洋输入的汞约有380 t，每年通过地下水输入到海洋的汞有100 t～800 t，另外，每年约有600 t 的汞由深海热液喷口产生[1]。冯新斌课题组的研究结果表明，中国地表自然源年均排放约465 t汞[2]。我国是全球汞消费和汞排放大国，人为活动汞排放量达500 t/年～700 t/年[3]。在我国，汞及其化合物的应用主要是催化剂，所占比例达到总用量的70%，其余30%分别应用在以下领域：科学测量仪9%、药物8%、蒸气灯5%、电极3%、雷汞2%、淘金3%[1]。

汞具有高致毒性、持久性和长距离迁移性等特征，是一种全世界公认的持久性有毒物质（persistent toxic substance，PTS）。汞是唯一一种能在常温下呈现液态的重金属，有7 个稳定同位素，其质量数分别为196、198、199、200、201、202、204，汞的毒性和生物有效性取决于其化学形态。汞及其化合物在环境中普遍存在，各形态的汞之间可以相互转化，尤其是无机汞可以通过生物甲基化或者光化学反应等过程形成毒性更大的甲基汞，并可通过食物链最终在人体内富集，严重危害人体健康[4-7]。汞形态分析方法和技术的发展，对相关领域科学研究的发展具有重要的推动作用。由此，总汞及其形态分析的定性和定量分析的巨大市场需求和强烈的人文诉求可见一斑。

前人针对生物样品汞形态分析的前处理及其分析的方法开展了大量的科学研究工作，过去的几十年国内外汞的形态分析研究取得了很多突破性的成果。本文从总汞的分析方法、汞形态分析方法及近年来汞形态分析研究方面综述了生物样品中汞形态分析方法的研究进展及其新动向。

1 总汞的快速筛查方法

无需前处理的总汞测量方法。试样无需预处理过程或仅仅经过简单的预处理（如粉碎或干燥），可直接上机。最具代表性的是美国环保局颁布的方法“Method 7473 （SW-846）：Mercury in Solids and Solutions by Thermal Decomposition，Amalgamation，and Atomic Absorption Spectrophotometry”，中文名为热分解齐化原子吸收光度法，该方法（以下简称EPA 方法7473）可测定固体及液体中的汞含量，原理：试样经热解后，汞原子被捕集，随后经原子吸收光谱检测。虽然该方法不需要消解过程便可直接测定汞含量、灵敏度高、准确度高、操作简便，但由于仪器的运行成本高，我国GB 5009.17-2014《食品安全国家标准食品中总汞及有机汞的测定》并未涵盖该方法[8]。

为了减免试样的复杂前处理过程，一些可用于化妆品及保健食品中重金属的快速筛查的“食品药品安全快速检测试剂盒（汞快速检测试纸）”悄然而生，并且在我国已有十多年的历史。目前常用的汞离子快速检测有生物酶抑制法、化学显色法和离子交换法等，可应用于环境水样、食品、中药材、纺织等领域的汞含量检测。这些检测手段通常用于快速筛查大样本中的可疑样本，从而起到排查食品安全事故的作用，但在样本中目标物含量低时，会出现重现性差、平行性不好等情况。

2 测定总汞的前处理方法

生物样品（尤其是食品）重金属的检测需要低检出限、高灵敏度的分析方法（检出限低于1 mg/kg），因此，无法使用X 射线荧光光谱仪这类快速检测仪器直接进行测定（检出限通常高于50 mg/kg），此外，汞极易在常温下挥发，不适合与其它重金属一起进行酸消解等前处理，常常需要单独进行预处理。

总汞的前处理方法有湿法酸消解法、微波消解法。GB 5009.17-2014 方法包含了这些前处理方法，包括湿法消解或微波消解、定容、离心等过程，采用冷原子吸收光谱法或原子荧光光谱法进行总汞的测定，由于具有运行成本较低、对技术要求不高等优点，深受基层技术工作者的欢迎。

3 检测总汞的仪器分析方法

总汞的检测方法一般包括三大类：光谱法、电化学法和其它方法。据Suvarapu 和Baek 统计，最新的研究报道中大于50%总汞的检测使用的方法是光谱法，他们将电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）列入光谱法中，此外还包括冷原子吸收光谱（cold-vapor atomic absorption spectrometry，CV-AAS）、冷原子荧光光谱（cold-vapor atomic fluorescence spectrometry，CV-AFS）以及电感耦合等离子体发射光谱（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）等[9-10]。

为了防止汞的记忆效应干扰检测结果，维持仪器较低的检出限，经ICP-OES 或ICP-MS 检测的固体样品一般需要经过繁琐的前处理以及稀释后，才能上机，例如微波辅助消解/萃取和酶水解，而且上机前需要进行灵敏度、精度和重现性等仪器条件的调试[11-17]。CV-AFS 的操作原理：还原剂硼氢化钾在酸性条件下与样液反应，样液中的含汞目标物全部气化为原子态的汞蒸气，汞蒸气被氩气送入检测器，汞的绝对含量在特征波长下被测定。

直接测汞仪包括塞曼测汞仪（例如，俄罗斯鲁美科思公司生产的塞曼测汞仪RA-915+）、原子吸收直接测汞仪（例如，意大利迈尔斯通公司生产的直接测汞仪DMA-80，美国力可LECO-ALTEC 公司生产的全自动汞含量分析仪AMA 254）、固体同位素质谱仪—多通道接收电感耦合等离子体质谱仪等[18-24]。其中，塞曼测汞仪的原理：基于热分解混合样品和塞曼校正技术的原子吸收光谱检测生成的汞元素总量；原子吸收直接测汞仪的原理：固态或液态的样品经干燥、程序升温至特定的温度，汞蒸汽在氧气的作用下被金网捕集形成金汞齐，再经高温加热同步释放，在特征波长下检测总汞的绝对含量。

4 汞形态分析的前处理方法

总汞的分析检测技术是汞形态分析技术得以发展的基础，总汞检测技术日益丰富，促使了基于仪器联用技术的汞形态分析方法及相关基础学科的快速发展。

在生物样品甲基汞的萃取过程中，所使用的试剂有盐酸（HCl）、浓硝酸（HNO3）、四甲基氢氧化铵（tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH）、氢氧化钾（KOH）、甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）、四乙基硼酸钠（NaBEt4），萃取后的试样若过酸或过碱，则需要中和试样的pH 值后再进行下一个分析步骤；常用的萃取方法有超声辅助萃取、恒温振荡提取和微波辅助萃取，以及不常用的前处理方法，如蒸馏、乙基化、吸附－解吸等。经气相色谱分析的样品一般需要进行衍生化处理，常用的衍生化（也称乙基化）试剂为四乙基硼酸钠（NaBEt4）。

如上所述，汞形态分析的前处理方法具有多样化，2013年～2017年研究报道的生物样品汞形态分析的方法见表1，包括目标物（总汞、无机汞和甲基汞）、生物样品类别、前处理方法以及仪器分析方法等。

表1 近5年（2013年～2017年）文献涉及的生物样品中汞的形态分析方法Table 1 The analytical methodologies of mercury species in biomaterials according to previous studies published in the past five years（2013-2017）

续表1 近5年（2013年～2017年）文献涉及的生物样品中汞的形态分析方法Continue table 1 The analytical methodologies of mercury species in biomaterials according to previous studies published in the past five years（2013-2017）

食品中甲基汞的分析检测按照GB 5009.17-2014方法执行时需要进行一系列的前处理（加酸条件下超声辅助提取、离心、中和、络合、定容、过滤），才可上机测试[8]。然而，超声波辅助萃取法的优缺点：1）萃取效率的稳定性高、仪器运行成本低、人力成本低；2）受超声波衰减因素的制约，超声有效作用区域为一环形，如果提取罐的直径太大，在罐子的周壁就会形成超声空白区；3）难以保证超声波器件的安全性，也无法实现超声罐的密封性；4）前处理时间至少需要半小时。

Teo 等充分肯定了微波辅助萃取法（microwaveassisted extraction，MAE）作为生物样品（尤其是食品）前处理技术的快速、简单等优势所在，同时强调了优化MAE 方法的重要性[46]。微波辅助萃取法作为前处理方法的优势有：1）在密闭的容器中进行，很好地避免目标物的挥发和溶剂的损失，有效避免前处理过程中的外源污染；2）微波能具有良好的穿透性，可控因素多，节能；3）萃取时间短，一般以秒或分钟计，省时；4）溶剂的用量少，通常为几毫升，环保；5）减少称样量，当样品来源稀少时，此优点更为明显。不可置否，由于无机汞化物和有机汞化物的正辛醇/水分配系数的差别往往较大，因此应用微波法难以实现同步萃取重金属有机化合物和无机形态的重金属，部分元素如砷除外[47]。

5 汞形态分析的仪器分析方法及其在基础研究中的应用

本文以甲基汞的分析方法为例介绍汞形态分析的仪器检测技术与分析方法。甲基汞的分析包括两个部分：定性分析（甲基汞形态的甄别）与定量分析（甲基汞含量的测量）。首先，借助液相色谱柱或气相色谱柱，利用甲基汞和其它含汞化合物在填料上的保留时间不同，使溶液中的甲基汞和其它形态的汞分离，随后通过催化或热解等技术使甲基汞转化为汞蒸气（汞原子或汞离子），最后根据汞在特征波长253.6 nm 或质量数200.59 下的响应，便可达到定性分析汞的目的。其次，测量汞的含量，在定性的基础上使用外标法或内标法将试样中的目标物与标准样液进行比较分析，从而达到定量分析的目的。目前，最常见的甲基汞的形态分析检测手段为气相/液相色谱-冷原子荧光光谱和气相/液相色谱-电感耦合等离子体质谱等[38-40，43-45]。

原子荧光光谱法经历了四十多年的发展，取得了令人瞩目的成绩，但是仍存在重复性和稳定性略差、仪器使用寿命略短等不足。相比之下，有记忆效应但稳定性好的气相/液相色谱-电感耦合等离子体质谱等技术手段在鱼类等复杂生物样品汞形态分析方面在国际上得到了广泛的应用和认可。

汞的形态分析是研究汞的毒性、致毒机理、膳食暴露风险等课题的必经之路，离开前者讨论后者是不严谨甚至不科学的。从这个层面上，可以认为，汞形态分析的仪器检测技术与分析方法是开展环境化学、地球化学、环境科学、食品安全等基础学科的相关研究的基础。

中国科学院地球化学研究所冯新斌课题组及其合作者基于氢气发生-原子荧光光谱和冷原子荧光光谱等仪器分析方法研究了在汞矿区河流/土壤系统中硒的生物地球化学循环特征及其环境归趋，在此基础上对万山汞矿区域的居民在大米膳食中汞暴露或者硒暴露健康风险进行了评估，并且在对硒的生理学/毒理学意义、汞的毒理学意义以及硒汞相互作用分子机理等进行深入研究的基础上，提出了健康风险效益值（benefit-risk value，BRV），指出将该指标用于评估大米或鱼类膳食中硒汞联合暴露的健康获益和风险水平更为科学[48-50]。

此外，基于稳定同位素的汞形态分析方法，是近二十年发展起来的，Yin 等在国内首次建立了基于多接受电感耦合等离子质谱联用的高精度测定汞同位素组成的方法[21]，这使我国的汞形态分析技术向高精度发展成为了可能。Li 等借助冷蒸气-多接受电感耦合等离子质谱联用技术建立了大米样品甲基汞同位素的分析测试方法[51]。Du 等利用相关试验数据及同位素的质量分馏和非质量分馏二元混合模型进行计算，发现食用大米甲基汞暴露人群的头发汞同位素组成与食鱼甲基汞暴露人群的差异，证实了头发汞同位素是示踪人体汞暴露来源的有力工具[52]。

中国科学院生态环境研究中心江桂斌课题组及其合作者运用多种仪器联用技术开展了很多汞形态分析与生命科学、食品安全等领域密切相关的前沿研究[53-55]。

李璐借用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱等仪器联用技术研究了贵州汞矿区的生大米，发现大米中的甲基汞主要以甲基汞半胱氨酸（CH3HgCys）的形式存在，它的形成被认为是甲基汞可以穿越血脑屏障和胎盘屏障的主要原因，然而，甲基汞半胱氨酸（CH3HgCys）经烹饪后，绝大部分降解成其他形式的甲基汞化合物[54]。

孟梅等采用冷原子荧光光谱仪和气相色谱-原子荧光光谱技术研究软体动物中总汞和甲基汞的时空变化规律，发现总汞含量随时间呈现明显的变化趋势，随空间的变化不明显，螺类中甲基汞比例明显高于双壳类[55]。

贠照军利用二维高效液相色谱技术-电感耦合等离子体质谱联用技术对正常人体血浆蛋白中汞的形态及含量进行在线监测，发现了在血浆中存在汞结合蛋白，经高效液相色谱-线性离子阱-傅里叶变换离子回旋共振质谱鉴定该蛋白为人血清白蛋白，经等温滴定量热法等方法进行表征，发现Hg2+主要结合在为人血清白蛋白的蛋白Cys34 残基上[53]。

6 结论与展望

综上所述，汞的形态分析研究取得了一系列重要进展。从目标物的角度看，目标物从单一的总汞总量分析向不同形态化合物（如甲基汞、无机汞）分析转变，从化合物分析（如氯化甲基汞，CH3HgCl）向指定质量数的化合物（如201 标记的氯化甲基汞，CH3201HgCl）分析演变。从分析仪器的角度看，基于光谱学、质谱学的汞分析仪器趋于多样化，如CV-AAS、CV-AFS、ICPMS，以及基于这些检测手段的汞形态分析仪器联用技术层出不穷，如色谱－光谱联用技术，其中色谱模块包括液相色谱、气相色谱、毛细管电泳色谱等。

笔者推测提高实验室方法中汞形态分析前处理方法的时效性、灵敏度和准确度，降低仪器的检出限等将成为日后的研究方向，今后还可在以下几个方面进行重点研究：1）检测方法快速运行，提高时效性；2）联用仪器小型化设计，增加仪器和方法的可移动性；3）便携式仪器，增强适用性；4）多种已有仪器重组形成新仪器，衍生出新的仪器联用技术。由于快速检测能满足广大市场的需求，多功能检测试纸和多通道检测仪也将是日后的研究重点；而随着仪器技术的发展，需要也将越来越大，汞形态分析的检测方法和技术将会带来巨大的经济和社会效益。