咖啡因在水污染來源檢測中的應用,水污染論文為了知足自然水體、農業灌溉用水、娛樂用水以及飲用水的需求，需要嚴格控制引起自然水體富營養化的硝酸鹽[1]、磷酸鹽污染物[2]以及引起胃腸疾病的病原微生物和致病菌污染[3],而這些污染物的主要來源是生活污水。因而，準確定位及跟蹤生活污染源，從源頭控制污染物的擴散，保衛水源地，保證生產、生活及農業用水的安全，是一項具有實際應用價值的研究。當前，用于追蹤及定位生活污染源的指標主要有指示生物和化學示蹤劑2類。指示生物包括糞大腸菌群、大腸桿菌及腸道球菌。流行病學的研究表示清楚，胃腸疾病與大腸桿菌及腸道球菌有關。因而，1986年美國國家環保局〔USEPA〕公布導則將同時檢測大腸桿菌及腸道球菌代替單獨檢測糞大腸菌群[4]作為水質監測標準，以確保飲用水及娛樂用水的安全。我們國家飲用水及廢水常規水質標準中亦有大腸菌群項目。化學示蹤劑分為3類，即人體產生的物質、通過人體代謝后排出的物質、污水處理廠中的物質[4].20世紀60年代后期，Murtaugh等利用人體內臟細菌分解膽固醇的生成物糞〔甾〕醇指示糞便的污染[5,6];其他一些人類消耗和排泄的天然及合成化學物質可以用來指示糞便的污染，華而不實最受關注的是咖啡因[1,3,6-9],另外人類活動排放的醫藥品污染物可以作為生活污染源的示蹤劑[10-12];英國的一項研究結果表示清楚，16%的生活污水來源于洗衣機[3],華而不實含有清潔劑、外表活性劑[13,14]、熒光增白劑[15]及香水[16]等主要成分，因而此類物質可以以作為生活污染源的化學示蹤劑。1咖啡因介紹CAS:58-08-02,分子式:C8H10N4O2,分子量:194.19,中文名稱：咖啡因、3,7-二氫-1,3,7三甲基-1H-嘌呤-2,6-二酮、咖啡堿、無水咖啡因、1,3,7-三甲基黃嘌呤、茶索、無水咖啡堿，英文名稱：Coffeine、3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-Purine-2,6-dione、Guaranine、Theine、1,3,7-trimethyl-2,6-dioxopurine、1,3,7-trimethylxanthine、coffein、coffeinum[17].咖啡因分子構造，如此圖1所示。咖啡因屬于甲基黃嘌呤的生物堿，純的咖啡因是白色的、強烈苦味的粉狀物。它是一種天然物質，存在于世界上超過60種植物的葉瓣、種子或果實中。由這些成分制成的很多食物和飲料產品就自然含有咖啡因了。除此之外，在制造經過中有時在食品和飲料中參加咖啡因改善口味，或是在藥物中參加咖啡因，以增加藥效。作為易揮發物，咖啡因在其生產和使用時被排入環境中，包括污水處理廠、垃圾填埋浸析液或焚化爐飛灰等。假如排入到土壤中，咖啡因將呈現非常高的不穩定性，但咖啡因不會從濕潤或枯燥的土壤中揮發到大氣中，可能會進行生物遞降分解；假如排放到水體中，咖啡因不會從水中揮發到大氣中，不會在魚類體內生物積聚，也不會吸附在沉淀物上，可能會進行生物遞降分解；假如排放到大氣中，咖啡因可能會與光化學反響產生的羥基自由基發生氣相反響。但是，大氣中的咖啡因絕大多數被微粒物質吸附，因而可能會減弱此經過的速率。對咖啡因的職業性接觸可能發生在其生產、配方和使用時，有塵土吸入或皮膚接觸。一般人通過攝取食物、藥品或消耗含有咖啡因的產品而與咖啡因接觸。2咖啡因作為示蹤劑的原理理想的示蹤劑需要具有在環境中普遍存在、持久性、良好的遷移特性等特點[3],能夠追蹤及定位污染源并對人口進行定量[1].追蹤生活污染源的傳統方式方法是利用糞大腸菌群、大腸桿菌等指示微生物，然而利用大腸桿菌作為指示生物存在一些問題：大腸桿菌在環境中的存活時間較短；遷移性差難以對污染源進行定位[1];并且是一項比擬耗時的工作，在實驗室對其進行分析時一般需要培養18~48h[4],固然聚合酶鏈式反響〔PolymeraseChainReaction,PCR〕等新型分析技術能夠縮短分析時間，但是這些方式方法可操作性差且不合適大范圍推廣使用[17];另外糞大腸菌群等細菌不能區別人類污染源與動物污染源[4];在區別經處理排放廢水與未經處理排放廢水方面也有較大難度。因而，指示微生物用作追蹤生活污染源的指標，遭到很多限制。一些只要人類活動才能產生的化學物質，如人類使用的醫藥品、個人護理用品等作為示蹤劑追蹤生活污染源更具有確定性。但是，示蹤劑在環境中的存在量應該保持相對穩定，也就是人類使用示蹤劑物質的生活習慣不會輕易改變，并且這種物質在短時間內不會被淘汰，更重要的是示蹤劑物質在環境中經過稀釋、擴散后能夠到達檢測水平。由于人類很少長期服用某種醫藥品或使用個人護理用品，因而這2類物質在環境中的含量穩定性差，并且不可預測。相比之下，咖啡因固然在污水處理廠的去除率能夠到達81%~99.9%[1],但是在自然水體中的檢出濃度仍較高。咖啡因是咖啡、茶、軟飲料及巧克力、甜點等食物的主要成分。固然各個國家消耗咖啡因的情況有所不同，但世界人均天天消耗咖啡因70mg.水體中的咖啡因除以上來源外，還來源于一些治療咳嗽、感冒以及止痛的藥物。人類大量使用咖啡因，使得其在水體中的濃度較醫藥品和個人護理用品高得多。研究結果表示清楚，咖啡因的濃度與人口密度成正比，因而能夠比擬好地反映生活污染源[1].Buerge等[2]利用質量守恒原理，計算自然水體中來源于經處理污水與未經處理污水的咖啡因比例，進而計算河流中經處理污水與未經處理污水中總磷的奉獻率，明確總磷的輸入源，以采取相應的措施控制河流中總磷的輸入。Buerge、Seiler、Glassmeyer等[1-4]對咖啡因作為生活污染源示蹤劑的可行性進行了研究，結果顯示利用咖啡因能夠分別追蹤經處理污水與未經處理污水排入自然水體的磷酸鹽污染物的總量，進而有效地對污染源進行監督和管理；同時，咖啡因還可區分人類污染源及動物污染源，美國地質調查局分析中心的DanaKolpin就開展了通過追蹤廢水中咖啡因來監測家庭廢棄物含量的試驗。盡管如此，當前國內外對于咖啡因作為生活污染源示蹤劑的研究仍不多見[18,19],這主要是由于咖啡因作為示蹤劑的可行性仍有待于進一步驗證，國內關于示蹤劑追蹤生活污染源的研究也尚未見報道。3國外水體咖啡因含量狀況各國污水處理廠及自然水體中咖啡因的檢出濃度，見表1.咖啡因存在于市政污水中，到達300ppb標準。1980年，美國伊利諾斯州污水處理廠的10條二級排水道中有1條檢測出了咖啡因；新澤西州的3個不同的公有污水處理廠的6個排水樣本中全部檢測出了咖啡因，濃度為3~20ppb.1980-1981年間，在洛杉磯縣污水處理廠排水道樣本中也檢測出了咖啡因，濃度為40ppb;加拿大溫哥華的一家市政污水處理廠排水道中也曾檢測出濃度為16~292ppb的咖啡因；家庭污水咖啡因的檢測濃度為10~46ppb[12].1975-1976年間，全美排水溝站點收集的204個水體樣本中，有8個檢測出了咖啡因，濃度范圍為1~6ppb;密歇根湖流域的13個樣本中，有4個檢測出了咖啡因，濃度范圍為1~4ppb.1976年，在英國的李河和美國的特拉華河的水體樣本中也檢測出了痕量的咖啡因。1976-1977年間，威斯康星州的福克斯河下游水體樣本中檢測出了咖啡因，但沒有定量。1979年，荷蘭境內的萊因河中，咖啡因濃度為0.1ppb;日本北九州市地區的河流水體樣本中也檢測出了咖啡因。在波士頓港灣海水中檢測出的咖啡因濃度范圍為140~1600ng/L,麻省海灣中檢測出的濃度范圍為5.2~71ng/L[20].咖啡因的來源似乎與人類活動有關，在波士頓內港海水和入港淡水水源中咖啡因的濃度較高。查爾斯河河水與鹿島污水處理廠的排水道是進入港口的兩大淡水水源，1998年分別含有370和6700ng/L的咖啡因。污水的流入和流出濃度似乎與波士頓地區內含咖啡因飲料的估計消耗量一致，也與去除有機碳總目的一致。咖啡因與從波士頓海港口到Stellwagen盆地斷面上的鹽度反相關，這意味著咖啡因能夠作為人類活動向海洋系統輸出的一種有用的化學示蹤劑。4國內外咖啡因的檢測方式方法在我們國家，咖啡因的標準檢測方式方法主要有：GB14758-1993、SN/T0744-1999、GB/T5009.139-2003、GB/T19182-2003/ISO10095:1992,但這些方式方法都是用于飲料、咖啡、茶葉及其制成品中咖啡因的測定，當前還沒有針對水中咖啡因含量的標準檢測方式方法。美國環保署〔EPA〕553號方式方法能夠用來測定咖啡因，這是根據萃取-高效液相色譜法進行分析的。用二氯甲烷將有機化合物、被分析物和替代物從1L水體樣本中萃取出來，或是使1L水體樣本通過C18柱或中性聚苯乙烯/聚合二乙烯基苯萃取柱進行液-固萃取。假如使用液-液萃取，被分析物將通過二氯甲烷的蒸發和甲醇的參加〔交換溶劑〕濃縮在甲醇中。假如使用液-固萃取，被分析物將從萃取盤〔柱〕中用少量甲醇洗脫出來，通過溶劑蒸發得到濃縮。使用帶有粒子束流〔PB〕接口的質譜儀〔MS〕和反相色譜柱，把一部分濃縮的甲醇溶液注入高效液相色譜中，樣品的成分就能被分離出來，并且能夠定性和定量。通過對測量的化合物質譜與保存時間和數據庫中的參考譜圖與保存時間進行比擬，能夠對從高效液相色譜柱中洗脫下來的化合物進行定性。被測樣品的參考質譜和保存時間是通過與測量樣品一樣條件下測量校準標樣得到的。建立被定性的化合物產生的定量離子的質譜圖與校準樣品〔外標〕中的一樣化合物產生的定量離子的質譜圖，即可給這個化合物進行定量。每個樣品中的替代物濃度是已經知道的，通過一樣的外標標準曲線進行測量。含有干擾物或有拖尾峰的樣品能夠選擇稀釋同位素的方式方法。SOURCEMOLECULAR公司用的方式方法是：所有的樣品在分析前都要通過一個0.45-Am玻璃纖維過濾器〔華特曼紙〕過濾。將每升過濾后的水樣轉移到一個2L的分離漏斗中，參加適量的內標物〔阿特拉津-d5〕。用0.1M氫氧化鈉溶液將樣品的pH升高到8~9后，使用液-液萃取法分別用3個50mL二氯甲烷溶液萃取樣品。用水浴和Snyder柱將有機萃取物濃縮到2~5mL,再用恒流的高純氮進一步濃縮枯燥。然后用1∶1的甲醇/水溶液將樣品定容為500mL,進行液相色譜-質譜聯用分析。咖啡因的定量結果是使用高效液相色譜大氣壓化學電離質譜〔HPLCAPCI