不同污染背景下的环境水体中天然含Ce纳米颗粒和工程CeO2纳米颗粒的区分、表征与SP-ICP-Q-TOF-MS数据分析

随着纳米材料的应用范围和市场价值不断上涨，纳米颗粒（nanoparticles，NPs）向环境的释放将持续增加。自然形式的纳米颗粒（natural nanoparticles，NNPs）无处不在，但随着工程纳米颗粒（engineered nanoparticles，ENPs）的生产和处理的增加，其对生态系统和人类健康的影响受到诸多质疑。ENPs的开发是由于类似成分的材料的化学反应活性普遍增强，这意味着特征的生物反应性和潜在的危害。为了评估纳米颗粒的风险和监管纳米技术产品使用，有必要在区域和全球尺度上了解它们在各种环境中的赋存状态和丰度。氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）是最常用的ENPs之一，在催化剂、半导体制造、生物医学和农业等领域应用广泛，它们会通过空气、土壤、水体进入生物体中，不同生物系统已证明了CeO2 NPs摄入的毒性。人为因素产生的CeO2ENPs在环境中的任何重要贡献都会导致稀土元素模式中的Ce异常，稀土元素（REEs）的相对丰度，特别是它们在地球化学过程中的分馏行为，使它们成为矿物风化的强大示踪剂，也是检查水中元素来源的一种手段，因此Ce相对于另一种REE的浓度比值是CeO2ENPs发生的潜在示踪剂（Phalyvong et al., 2021）。

▲  图1. SP-ICP-Q-MS对瞬态信号（Transient Signal）的信号采集原理示意图

单颗粒-电感耦合等离子体质谱法（SP-ICP-MS）首次面世以来，经过二十余年的快速发展，已成为一种广泛应用于食品、药品、环境等各类领域中纳米颗粒的重要表征方法之一。单颗粒形成的离子云，属于典型的瞬态信号（Transient Signal），针对瞬态信号的分析，四极杆质谱（SP-ICP-Q-MS）只能提供元素顺序扫描的能力，进行单元素分析时获得最大采集率，颗粒信息捕获完整。但必须指出的是，当面对多元素扫描时，四极杆质谱受制于技术原理，无法用测试时间来弥补颗粒信息丢失（图1）。针对此问题，飞行时间质谱（SP-ICP-Q-TOF-MS）是一个极为有力的补充，TOF质量分析器可提供微秒级别的扫描速度，单次push即可提供全谱质荷比数据，不存在“跳峰”行为，使得测试数据在质荷比的维度上具有显著的优势。此外，尽管飞行时间占空比损失部分离子，但微秒时间内的全谱扫描仍然足以获得相对完整瞬态信号信息（图2）。这种独特的信号采集能力在多组分纳米颗粒或多个不同组分纳米颗粒的区分鉴别方面具备显著优势，通过近同时采集的元素组成特征，更加直观的区分ENPs和NNPs（Praetorius et al., 2016）并量化它们的浓度。

本文详细展示了利用谱育科技EXPEC 7910型ICP-Q-TOF-MS进行不同污染背景下的环境水体中Ce纳米颗粒表征的详细实验过程与实验数据，为纳米颗粒风险评估提供理论依据。

▲  图2. 谱育科技EXPEC 7910型ICP-Q-TOF-MS外观示意图（A）、离子光学示意图（B）、SP-ICP-Q-TOF-MS对瞬态信号（Transient Signal）的信号采集原理示意图（C）

1、谱育科技-单颗粒分析专用软件介绍

谱育科技提供专用的单颗粒-ICP-MS（ICP-MSMS、ICP-Q-TOF-MS）分析模块，具有更快的扫描速度和强大的数据处理能力。“单颗粒数据采集”提供四极杆质谱最快10μs的同位素顺序扫描或飞行时间质谱最快150k全谱扫描能力。谱育科技最新发布的“单颗粒数据分析软件”，包含分析方法设置（目标同位素（单/多个）设置、驻留时间设置、采集时间设置等）、单颗粒数据处理（背景阈值算法、颗粒事件识别的多重算法、颗粒信号整合、传输效率计算等）、单颗粒数据解析（溶解态离子浓度解析、颗粒数量浓度解析、颗粒粒径分布解析）等多重核心功能。更重要的是，该软件能够兼容谱育科技的所有ICP质谱产品，包括传统的单四极杆质谱（SUPEC 7000型ICP-MS）、四极杆串联质谱ICP-MS/MS（EXPEC 7350型）、飞行时间质谱ICP-Q-TOF-MS（EXPEC 7910型）。单颗粒数据分析软件主界面示意如图3所示。

▲图3. 谱育科技SP-ICP-MS单颗粒数据分析专用软件主界面示意图

2、实验及样品

样品采集

将取样瓶在河水中冲刷3遍，再装满环境水样品，采集的4个区域水样分别为：A. 某开放水库下游，B. 某自动化设备-城内支流，C. 某镀层科技公司-城内支流，D. 某水处理排水公司后，见图4。

▲图4. 环境水样品采样点区域图

前处理

样品前处理目的是进行纳米颗粒提取，并需去除大粒径颗粒和残渣，防止堵塞雾化器。

取20 mL环境水样装入50mL离心管中，超声20 min（每超声5min手动摇晃）；

将超声后样品，放入离心机，离心转速1000 rpm，离心时间5 min（提取粒径＜2 um），

颗粒提取离心条件基于Stokes Law定理计算（Soukup et al., 2008）：

t：离心沉降时间（min）

η：液体的粘度（Pa·s）

R：容器壁垂直于旋转轴时从转轴（即离心头中心点）到管内沉积物顶部的距离（cm）

S：从旋转轴（即离心头中心点）到悬浮物顶部的距离（cm）

rpm：转速，每分钟的转数

D：颗粒粒径（μm）

sp、sl：颗粒密度和液体介质的密度（g/cm3）

不同离心机的R和S距离可能不同，应在计算沉降时间之前进行测量。

     3. 离心后样品，取15 ml上清液，4℃保存待用；

     4. 上机测试前，样品超声10 min，每个样品测3min并进行3次平行测试。

3、仪器运行条件

本实验仪器采用谱育科技EXPEC 7910型ICP-Q-TOF-MS，样品引入系统包括2.5mm内径的石英矩管、石英微流雾化器、石英旋流雾室、Ni采样锥和Ni截取锥，样品以自吸的方式进行提取，采用60nmAu纳米颗粒作为校正参考物质。详细仪器运行条件见表1。

▲表1. ICP-Q-TOF-MS仪器运行条件

ICP-Q-TOF-MS可以瞬时采集全谱信号并输出数据结果，为避免不需要或无信号处的同位素数据大量输出，测样前进行预扫描。首先在全谱扫描模式，通过是否出现质谱信号峰快速判断样品中主要的元素种类，本实验样品以Ba、La、Ce、Pr、Nd、Pb元素为主，接着在单颗粒数据采集模式进行扫描，并输出138Ba、139La、140Ce、141Pr、142Ce、146Nd、209Pb同位素信号结果。

4、结果与讨论

含Ce纳米颗粒的数量浓度和粒径

四个取样点获得的水样品中，单颗粒模式采集Ce同位素的实时质谱图中均显示明显纳米颗粒信号脉冲（图5）。

▲图5. 单颗粒模式分析的实时谱图（A.某开放水库下游，B.某自动化设备-城内支流，C.某镀层科技公司-城内支流，D.某水处理排水公司后）

通过单颗粒数据处理获得含Ce纳米颗粒的数量浓度和粒径如下图所示（图6和图7）。其中A水库和D排水公司所采水样获得相对低的颗粒数量浓度和粒径，B自动化公司和C镀层公司附近水样获得相对高的颗粒数量浓度和粒径结果。水库附近人流量少、环境好，颗粒丰度最低。排水公司后无论是工业污水或生活用水均经过处理，获得相对低的颗粒丰度水平，而城中公司附近人类活动频繁，受工业污染，颗粒丰度和粒径处于较高水平。

▲图6. 环境水（4个取样点）中所有含Ce纳米颗粒数量浓度

▲图7. 环境水（4个取样点）中所有含Ce纳米颗粒粒径分布图（CeO2等效球体粒径）

溶解态Ce离子浓度与颗粒的相关性

水样品中溶解态Ce离子浓度与含Ce纳米颗粒的质量浓度具有一定正相关性，如图8所示，随着纳米颗粒质量浓度的增大，溶解态Ce离子的浓度也在增加，这表明水中存在促进纳米颗粒溶解的影响因素（如特定的离子强度、pH和有机物质等），使颗粒态Ce/CeO2在水环境中可能具备降解为离子态的能力。从排水公司后的河水样品离子态Ce的浓度较低，这表明经过污水处理系统处理后的水，金属浓度会明显降低。

▲图8. 环境水（4个取样点）中溶解态Ce离子浓度与颗粒质量浓度相关性

含Ce纳米颗粒与其他类型纳米颗粒的相关性

四个取样点的水样中除140Ce外，同时采集的138Ba、139La、141Pr、142Ce、146Nd、208Pb在实时谱图中均表现明显的纳米颗粒信号脉冲，说明存在多种成分的单纳米颗粒或多种不同成分的纳米颗粒。其中140Ce和142Ce信号比例与天然丰度相近，进一步确定了Ce信号的真实性。

每个样品所有采集的信号中均存在4种随采集时间分布的同位素组成，分别为
1. 仅140Ce、142Ce、156CeO，2. 140Ce、142Ce、156CeO及138Ba、208Pb，3. 140Ce、142Ce、156CeO及139La、141Pr、146Nd，4. 140Ce、142Ce、156CeO及139La、141Pr、146Nd、138Ba、208Pb（图9）。根据ICP-Q-TOF-MS检出的这种元素组成特征，可以区别天然和工程纳米颗粒，ENPs仅以Ce离子信号为特征，而NNPs除了Ce信号外，在单粒子事件中还可同时检测到稀土元素信号如La、Pr、Nd等。因为自然界稀土元素地球化学行为相似，特征赋存状态如独居石（磷铈镧矿，（Ce、La、Nd…）PO4），Ce元素位置由La、Nd、Pr等元素类质同相混入，使同一个颗粒中可同时检出不同元素信号（图10）。测试结果中Ba、Pb同位素也被与Ce同时检测，推测可能是大气颗粒物沉降并附着于含Ce纳米颗粒，当同时无其他稀土元素检出时仍认为是CeO2-ENPs，而同时还出现La等元素信号峰则认为是NNPs。因此，本实验结果显示环境水体样品中存在工程CeO2纳米颗粒（图9的14），也存在天然含Ce纳米颗粒（图9的23）。

▲ 图9. 某水库样品中CeO2-ENPs和含Ce-NNPs的ICP-TOF-MS质谱图

▲ 图10. 工程CeO2纳米颗粒和天然含Ce纳米颗粒的成分组成简图

在四种水样中测得的含Ce NNPs和CeO2-ENPs占本样品中所有含Ce颗粒比例各不相同，水库中CeO2-ENPs丰度最低，某自动化设备公司附近河流中丰度最高，水库和水处理公司排放的水样中CeO2-ENPs粒径相对较低，自动化公司和镀层公司附近河流的水样中含粒径相对更高（图11）。结合图3采样点分布图，可判断地理位置偏僻、工厂数量少、社会活动不密集的水库环境中工业污染少，而河流周围有工厂、人类活动频繁的河流中工业污染较大（自动化公司附近、镀层公司附近）。

▲图11. 四种样品中CeO2-ENPs颗粒数量浓度和粒径分布

结论

本实验通过SP-ICP-Q-TOF-MS快速分析不同污染背景下环境水体中Ce等纳米颗粒，表征了含Ce纳米颗粒数量浓度、等效球体粒径分布、颗粒质量浓度和溶解态离子浓度信息。同时利用稀土元素分配行为特性，成功区分工程CeO2纳米颗粒和天然含Ce的纳米颗粒，证明了这种单颗粒多元素指纹(single-particle multi-element fingerprinting，spMEF)方法在环境水体相关ENPs浓度下的适用性，及社会活动密集区域纳米颗粒的富集倾向。在某些地区，如城市中心已经有大量可能的人为原因，这项工作为纳米颗粒实验调查奠定基础，对风险评估和纳米产品的监管至关重要。