关于环境天然纳米颗粒提取及其携带有机污染物的定性测试研究

张永祥，吴伊婷，徐慧蕾，丁文华

(北京工业大学 城市建设学部 水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124)

以往研究都是传统的地下水溶液水质分析，鲜有关于环境介质中天然纳米颗粒携带的污染物可能脱附进入地下水对水环境造成潜在危害的研究。因此，定性分析环境介质中天然纳米颗粒携带的污染物对于环境污染防治具有一定理论和实际意义。气相色谱(GC)的分辨能力高和质谱检测器(MS)的定性分析能力强，将二者结合起来，可对样品中未知有机物进行有效定性[1]。GC/MS可以分析沸点0～250 ℃ 之间的挥发性有机物(VOCs)和沸点大于 250 ℃ 的半挥发性的有机物(SVOCs)[2]。这些有机物在水环境中含量虽然很低，但不能忽略其对生态环境和人类健康的影响。如果人与这些物质长期接触会直接影响人的生殖系统和中枢系统，甚至导致死亡。

本文对北运河河道两侧地下水及土壤污染带中天然纳米颗粒携带有机污染物分析问题[3-4]，采用超声离心辅以抽滤的纯物理方法提取土壤中天然纳米颗粒，随后用固相萃取-GC/MS联用法对颗粒所携带的有机污染物进行定性分析，找出主要残留的污染物质，分析其污染来源和途径。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲醇，色谱纯；超纯水。

GCMS-2010QP气相色谱-质谱联用仪；BILON-650Y超声波细胞粉碎机；TG16.5台式高速离心机；90Plus Zeta激光粒度仪；HSE-12B固相萃取装置；HGC-12D干式氮吹仪；HLB固相萃取小柱(500 mg/6 mL)。

1.2 取样方法

土壤取样点位于通州区规划丰字沟试验区南侧，北运河河岸北侧[3-4]，1#、2#、3#地下水监测井向北运河方向延长线上，距岸边0.5 m，取样深度 2.5 m，具体见图1。

取样方法严格根据《土壤检测·第1部分：土壤样品的采集、处理和贮存》(NY/T 1121.1—2006)[5]；《地块土壤和地下水中挥发性有机物采样技术导则》(HJ 1019—2019)[6]执行。样品带回实验室后立即进行预处理，将土壤放在样品盘上，经过冷冻干燥机冷冻干燥后碾碎过2 mm筛，再继续研磨，使之全部通过0.25 mm孔径筛。处理好的样品放在棕色磨口玻璃瓶中保存备用。

1.3 样品前处理

1.3.1 天然纳米颗粒的提取 提取采用沉淀-超声-离心-抽滤-离心-超声的方法路径。

将5.0 g经预处理后的土壤样品放入有80 mL超纯水的100 mL玻璃烧杯中，配制好待测样品液体后静置30 min。用超声波细胞粉碎机控制超声能量设置为60 kJ，并以40%振幅稳定输出能量，超声总时长6.5 min(超声3 s，间歇2 s)，控制整个过程温度保持在25 ℃左右。将超声处理后的土壤悬浊液放入离心管中(100 mL)，离心条件为：离心机转速 3 500 r/min，离心时间25 min，此过程在室温下进行。第一次离心后，收集上清液，过0.2 μm滤膜进行抽滤。滤后液体样品再次超声-离心，以此法依次操作2次，保证所提取纳米颗粒满足粒径条件的要求(离心后立刻用激光粒度仪测定所提取土壤纳米颗粒的粒径)。收集最后一次离心得到的上清液超声后作为纳米颗粒原液，密封储存于磨砂广口瓶，放入4 ℃冰箱中冷藏备用。

1.3.2 纳米颗粒原液的前处理 采用Oasis HLB固相萃取小柱进行纳米颗粒携带有机污染物的预富集。量取300 mL纳米颗粒原液，依次用5 mL甲醇和10 mL超纯水活化HLB柱，借助真空泵使水样以5～10 mL/min的流速通过HLB柱。用5 mL超纯水淋洗固相萃取柱，继续抽真空30 min，以除去多余的水分。用10 mL甲醇在1 mL/min的流速下洗脱固相萃取柱，洗脱液通过氮吹仪浓缩至0.2 mL，保存在4 ℃冰箱里待测。

1.4 GC-MS分析条件

色谱柱Rtx-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，进样口温度280 ℃，程序升温50 ℃(1 min)，20 ℃/min 升温到200 ℃，再以10 ℃/min升温到290 ℃，保持15 min，进样方式采用不分流进样模式，进样量 10 μL。载气为氦气(He，99.999%)，流速1 mL/min。离子源温 300 ℃，电子轰击能量 70 eV，溶剂延迟 0.5 min。

1.5 定性分析

通过仪器随机携带美国国家标准与技术研究院NIST谱库进行检索，并结合对取样试验地区污染来源的全面分析和人工解谱，最终定性确认出环境样品中天然纳米颗粒携带的残留有机物成分。

2 结果与讨论

2.1 环境样品的定性分析结果

固相萃取-GC/MS联用分析总离子流(TIC)见图2。

图2 GC/MS总离子流(TIC)图Fig.2 GC/MS total ion flow diagram

由图2可知，有15个响应值明显较高的峰，对其进行NIST谱库检索，得到有机物种类较多且化学性质差异较大，其中大多数是醇、酮、醛、酯、酰胺、含氮杂环化合物、卤代烃等。14、15号物质虽然总离子流(TIC)图中响应值较高，但通过NIST谱库检索出化合物相似度较低，且同一物质检索到的化合物分子量、结构差异性大且不具备相关性，故认为分析得到的这个物质准确率较差，检测结果不可信。检索结果见表1。

表1 GC/MS分析结果Table 1 The analytical results of GC-MS

2.2 研究区历史污染特点

流域内污染源主要为生活污染源(含居民生活污染源和社会服务业污染源)、农业污染源(含畜禽养殖、种植业污染源)和工业污染源[7]。20世纪60年代至21世纪初，沿北运河流域分布有多家大型企业工厂，如东方化工厂、北京造纸厂、宝洁、北京日化二厂等[8]，在生产过程中会向环境排放有害物质，对环境产生有害影响，为工业污染源。同时，通州区曾经是北京畜禽养殖、传统农业种植大区[9]，农业污染源来自大量高浓度的养殖污水直接排入河道和施用化肥农药的面源排放，增加对水环境的污染。而生活污染主要来源于居民生活污水和集中式污水处理厂退水，增加入河污染物总量，对流域水环境造成污染[10]。这种多污染源共同排放模式直接导致16条入境河道水质均为劣Ⅴ类。

检测获得12个分析准确度较高的物质在医药、化工等行业广泛用作原料、溶剂、中间体等。N，N-二丁基甲酰胺作为重要石油化工的萃取蒸馏助剂以及强力溶解的“万能有机溶剂”[11]，原东方化工厂在石化产品生产过程中需要大量此类物质，且沸点高，较难生物降解，使其在环境体系中残留极有可能。

北京日化二厂及宝洁公司主要生产洗衣粉、洗洁精、洗护用品等洗涤类产品，生产洗涤类产品主要原料表面活性剂。而2-乙基己醇、月桂酸、己内酰胺(CPL)常被用作基本的表面活性剂原料[12]，这些物质虽然不在中国环境优先污染物“黑名单”中，但是这些物质低毒，在摄入、吸入或经皮肤吸收后对身体有害。

γ-羟基丁酸(GHB)、4-羟基-2-丁酮、γ-丁内酯(GBL)、对羟基苯甲醛(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学、医药中间体，大多用于合成磺胺类药物、杀虫剂、抗菌剂等[13-15]。由于这些物质被普遍用于日常生活、农业生产及畜禽养殖中，且有些成分较难降解，或有些成分量大未能经污水处理厂有效处理，经过污水处理厂处理的污水有可能通过灌溉或其他途径进入地表水环境中，这样残留的有毒有害物质会随地表水一起入渗周围地下水及土壤，造成更深层次的环境破坏，进一步造成环境潜在污染。

北京造纸厂生产过程排放废水中主要存在多环芳烃、卤代烃、氯酚等有机污染物，但在本次检测结果中这类物质并未明显检出，与实际污染源分析存在差异，分析原因可能为：在严格按照前述标准取样的情况下，在样品前处理过程中，由于操作不当，导致挥发性有机物逸出；在进行GC/MS检测过程中，由于进样口温度超过待测物质沸点，导致有机物挥发溢出，使得某些挥发性有机物未被检测到。

3 结论

从试验场地取得实际样品，利用超声离心提取、固相萃取(SPE)富集，GC/MS筛查技术建立了土壤中天然纳米颗粒上携带有机物的非靶向快速定性分析方法，采用了简洁、高效、清洁的超声波提取技术，对天然纳米颗粒进行有效提取。建立了一种快速、灵敏度高的仪器工作参数对样品有效进行定性分析。

分析结果有15个明显较高的峰，通过NIST库检索，得到12个可信度较高的物质。这些物质按照污染来源大致可分为三类：①工业污染来源：2-乙基己醇、己内酰胺(CPL)、N，N-二丁基甲酰胺、硝基苯酚；②农业污染源：氯代十四烷、4-羟基-2-丁酮；③生活污染来源：γ-羟基丁酸(GHB)、γ-丁内酯(GBL)、对羟基苯甲醛(p-HBA)、2-甲基-4-氨基吡啶(DMAP)、2-吡咯甲酸甲酯(2-MPC)、月桂酸。