關于環境天然納米顆粒提取及其攜帶有機污染物的定性測試研究

張永祥，吳伊婷，徐慧蕾，丁文華

(北京工業大學 城市建設學部 水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室，北京 100124)

以往研究都是傳統的地下水溶液水質分析，鮮有關于環境介質中天然納米顆粒攜帶的污染物可能脫附進入地下水對水環境造成潛在危害的研究。因此，定性分析環境介質中天然納米顆粒攜帶的污染物對于環境污染防治具有一定理論和實際意義。氣相色譜(GC)的分辨能力高和質譜檢測器(MS)的定性分析能力強，將二者結合起來，可對樣品中未知有機物進行有效定性[1]。GC/MS可以分析沸點0～250 ℃ 之間的揮發性有機物(VOCs)和沸點大于 250 ℃ 的半揮發性的有機物(SVOCs)[2]。這些有機物在水環境中含量雖然很低，但不能忽略其對生態環境和人類健康的影響。如果人與這些物質長期接觸會直接影響人的生殖系統和中樞系統，甚至導致死亡。

本文對北運河河道兩側地下水及土壤污染帶中天然納米顆粒攜帶有機污染物分析問題[3-4]，采用超聲離心輔以抽濾的純物理方法提取土壤中天然納米顆粒，隨后用固相萃取-GC/MS聯用法對顆粒所攜帶的有機污染物進行定性分析，找出主要殘留的污染物質，分析其污染來源和途徑。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

甲醇，色譜純；超純水。

GCMS-2010QP氣相色譜-質譜聯用儀；BILON-650Y超聲波細胞粉碎機；TG16.5臺式高速離心機；90Plus Zeta激光粒度儀；HSE-12B固相萃取裝置；HGC-12D干式氮吹儀；HLB固相萃取小柱(500 mg/6 mL)。

1.2 取樣方法

土壤取樣點位于通州區規劃豐字溝試驗區南側，北運河河岸北側[3-4]，1#、2#、3#地下水監測井向北運河方向延長線上，距岸邊0.5 m，取樣深度 2.5 m，具體見圖1。

取樣方法嚴格根據《土壤檢測·第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存》(NY/T 1121.1—2006)[5]；《地塊土壤和地下水中揮發性有機物采樣技術導則》(HJ 1019—2019)[6]執行。樣品帶回實驗室后立即進行預處理，將土壤放在樣品盤上，經過冷凍干燥機冷凍干燥后碾碎過2 mm篩，再繼續研磨，使之全部通過0.25 mm孔徑篩。處理好的樣品放在棕色磨口玻璃瓶中保存備用。

1.3 樣品前處理

1.3.1 天然納米顆粒的提取 提取采用沉淀-超聲-離心-抽濾-離心-超聲的方法路徑。

將5.0 g經預處理后的土壤樣品放入有80 mL超純水的100 mL玻璃燒杯中，配制好待測樣品液體后靜置30 min。用超聲波細胞粉碎機控制超聲能量設置為60 kJ，并以40%振幅穩定輸出能量，超聲總時長6.5 min(超聲3 s，間歇2 s)，控制整個過程溫度保持在25 ℃左右。將超聲處理后的土壤懸濁液放入離心管中(100 mL)，離心條件為：離心機轉速 3 500 r/min，離心時間25 min，此過程在室溫下進行。第一次離心后，收集上清液，過0.2 μm濾膜進行抽濾。濾后液體樣品再次超聲-離心，以此法依次操作2次，保證所提取納米顆粒滿足粒徑條件的要求(離心后立刻用激光粒度儀測定所提取土壤納米顆粒的粒徑)。收集最后一次離心得到的上清液超聲后作為納米顆粒原液，密封儲存于磨砂廣口瓶，放入4 ℃冰箱中冷藏備用。

1.3.2 納米顆粒原液的前處理 采用Oasis HLB固相萃取小柱進行納米顆粒攜帶有機污染物的預富集。量取300 mL納米顆粒原液，依次用5 mL甲醇和10 mL超純水活化HLB柱，借助真空泵使水樣以5～10 mL/min的流速通過HLB柱。用5 mL超純水淋洗固相萃取柱，繼續抽真空30 min，以除去多余的水分。用10 mL甲醇在1 mL/min的流速下洗脫固相萃取柱，洗脫液通過氮吹儀濃縮至0.2 mL，保存在4 ℃冰箱里待測。

1.4 GC-MS分析條件

色譜柱Rtx-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進樣口溫度280 ℃，程序升溫50 ℃(1 min)，20 ℃/min 升溫到200 ℃，再以10 ℃/min升溫到290 ℃，保持15 min，進樣方式采用不分流進樣模式，進樣量 10 μL。載氣為氦氣(He，99.999%)，流速1 mL/min。離子源溫 300 ℃，電子轟擊能量 70 eV，溶劑延遲 0.5 min。

1.5 定性分析

通過儀器隨機攜帶美國國家標準與技術研究院NIST譜庫進行檢索，并結合對取樣試驗地區污染來源的全面分析和人工解譜，最終定性確認出環境樣品中天然納米顆粒攜帶的殘留有機物成分。

2 結果與討論

2.1 環境樣品的定性分析結果

固相萃取-GC/MS聯用分析總離子流(TIC)見圖2。

圖2 GC/MS總離子流(TIC)圖Fig.2 GC/MS total ion flow diagram

由圖2可知，有15個響應值明顯較高的峰，對其進行NIST譜庫檢索，得到有機物種類較多且化學性質差異較大，其中大多數是醇、酮、醛、酯、酰胺、含氮雜環化合物、鹵代烴等。14、15號物質雖然總離子流(TIC)圖中響應值較高，但通過NIST譜庫檢索出化合物相似度較低，且同一物質檢索到的化合物分子量、結構差異性大且不具備相關性，故認為分析得到的這個物質準確率較差，檢測結果不可信。檢索結果見表1。

表1 GC/MS分析結果Table 1 The analytical results of GC-MS

2.2 研究區歷史污染特點

流域內污染源主要為生活污染源(含居民生活污染源和社會服務業污染源)、農業污染源(含畜禽養殖、種植業污染源)和工業污染源[7]。20世紀60年代至21世紀初，沿北運河流域分布有多家大型企業工廠，如東方化工廠、北京造紙廠、寶潔、北京日化二廠等[8]，在生產過程中會向環境排放有害物質，對環境產生有害影響，為工業污染源。同時，通州區曾經是北京畜禽養殖、傳統農業種植大區[9]，農業污染源來自大量高濃度的養殖污水直接排入河道和施用化肥農藥的面源排放，增加對水環境的污染。而生活污染主要來源于居民生活污水和集中式污水處理廠退水，增加入河污染物總量，對流域水環境造成污染[10]。這種多污染源共同排放模式直接導致16條入境河道水質均為劣Ⅴ類。

檢測獲得12個分析準確度較高的物質在醫藥、化工等行業廣泛用作原料、溶劑、中間體等。N，N-二丁基甲酰胺作為重要石油化工的萃取蒸餾助劑以及強力溶解的“萬能有機溶劑”[11]，原東方化工廠在石化產品生產過程中需要大量此類物質，且沸點高，較難生物降解，使其在環境體系中殘留極有可能。

北京日化二廠及寶潔公司主要生產洗衣粉、洗潔精、洗護用品等洗滌類產品，生產洗滌類產品主要原料表面活性劑。而2-乙基己醇、月桂酸、己內酰胺(CPL)常被用作基本的表面活性劑原料[12]，這些物質雖然不在中國環境優先污染物“黑名單”中，但是這些物質低毒，在攝入、吸入或經皮膚吸收后對身體有害。

γ-羥基丁酸(GHB)、4-羥基-2-丁酮、γ-丁內酯(GBL)、對羥基苯甲醛(p-HBA)、2-吡咯甲酸甲酯(2-MPC)、2-甲基-4-氨基吡啶(DMAP)、氯代十四烷、硝基苯酚等都是重要的化學、醫藥中間體，大多用于合成磺胺類藥物、殺蟲劑、抗菌劑等[13-15]。由于這些物質被普遍用于日常生活、農業生產及畜禽養殖中，且有些成分較難降解，或有些成分量大未能經污水處理廠有效處理，經過污水處理廠處理的污水有可能通過灌溉或其他途徑進入地表水環境中，這樣殘留的有毒有害物質會隨地表水一起入滲周圍地下水及土壤，造成更深層次的環境破壞，進一步造成環境潛在污染。

北京造紙廠生產過程排放廢水中主要存在多環芳烴、鹵代烴、氯酚等有機污染物，但在本次檢測結果中這類物質并未明顯檢出，與實際污染源分析存在差異，分析原因可能為：在嚴格按照前述標準取樣的情況下，在樣品前處理過程中，由于操作不當，導致揮發性有機物逸出；在進行GC/MS檢測過程中，由于進樣口溫度超過待測物質沸點，導致有機物揮發溢出，使得某些揮發性有機物未被檢測到。

3 結論

從試驗場地取得實際樣品，利用超聲離心提取、固相萃取(SPE)富集，GC/MS篩查技術建立了土壤中天然納米顆粒上攜帶有機物的非靶向快速定性分析方法，采用了簡潔、高效、清潔的超聲波提取技術，對天然納米顆粒進行有效提取。建立了一種快速、靈敏度高的儀器工作參數對樣品有效進行定性分析。

分析結果有15個明顯較高的峰，通過NIST庫檢索，得到12個可信度較高的物質。這些物質按照污染來源大致可分為三類：①工業污染來源：2-乙基己醇、己內酰胺(CPL)、N，N-二丁基甲酰胺、硝基苯酚；②農業污染源：氯代十四烷、4-羥基-2-丁酮；③生活污染來源：γ-羥基丁酸(GHB)、γ-丁內酯(GBL)、對羥基苯甲醛(p-HBA)、2-甲基-4-氨基吡啶(DMAP)、2-吡咯甲酸甲酯(2-MPC)、月桂酸。