一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型及其应用

摘要

本发明公开了一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型，是以碳纳米颗粒为核，采用物理混合吸附原理将污染物Cr(VI)、Pb(II)、As(III)和多环芳烃化合物的代表BaP或者其中的三种或两种或一种吸附并负载于碳纳米颗粒的表面制成。实验结果显示，本发明的模型与真实提取的PM2.5颗粒在组分含量、粒径、Zeta电位、肺部细胞毒性及PCA分析等方面均具有很好的一致性。为进一步研究PM2.5颗粒与生物系统间的作用提供了模型和方法，对研究PM2.5各个组分与生物效应之间的关系及其与多种疾病形成的联系具有重要参考意义。

权利要求

1.一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型，是以直径为40±3nm的碳纳米颗粒为核，采用物理混合吸附原理将污染物Cr(VI)、Pb(II)、As(III)和多环芳烃化合物的代表BaP或者其中的三种或两种吸附并负载于碳纳米颗粒的表面制成；

其特征在于：

所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)、Pb(II)、As(III)和BaP共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C15，其组成为C-BaP-Cr-Pb-As，其中BaP、Cr(VI)、Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00136，0.00597，0.00110，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为329nm和-32.13mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为308nm和-11.15mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是BaP、Cr(VI)和Pb(II)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C11,其组成为C-BaP-Cr-Pb，其中BaP、Cr(VI)和Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00142，0.00647，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为370nm和-31.80mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为334nm和-

11.80mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是BaP、Cr(VI)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C12,其组成为C-BaP-Cr-As，其中BaP、Cr(VI)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.001128，0.00102，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为367nm和-32.07mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为333nm和-

11.75mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是BaP、Pb(II)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C13,其组成为C-BaP-Pb-As，其中BaP、Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00622，0.00116，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为352nm和-30.33mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为325nm和-

10.37mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)、Pb(II)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C14,其组成为C-Cr-Pb-As，其中Cr(VI)、Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00140，0.00646，0.00126，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为336nm和-32.40mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为310nm和-10.50mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是BaP和Cr(VI)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C5,其组成为C-BaP-Cr，其中BaP和Cr(VI)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00112，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为346nm和-30.37mV，在含

10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为319nm和-11.00mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是BaP和Pb(II)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C6,其组成为C-BaP-Pb，其中BaP和Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00633，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为349nm和-31.43mV，在含

10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为323nm和-9.58mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是BaP和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C7,其组成为C-BaP-As，其中BaP和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00095，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为345nm和-30.90mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为320nm和-11.55mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)和Pb(II)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C8,组成为C-Cr-Pb，其中Cr(VI)和Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00142，0.00662，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为332nm和-29.73mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为308nm和-11.53mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C9,其组成为C-Cr-As，其中Cr(VI)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00126，0.00134，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为365nm和-

29.10mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为326nm和-9.32mV；

所述空气颗粒污染物模型中若是Pb(II)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C10,其组成为C-Pb-As，其中Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00644，0.00110，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为343nm和-

30.80mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为314nm和-10.45mV。

说明书

一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种空气颗粒污染物模型及应用，尤其涉及一种用不同种类污染物吸附建立的基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型及其应用；属于环境评价及健康技术领域。

背景技术

[0002] 近年来，我国各地市雾霾天气频发，雾霾对人体健康的危害受到社会各界的广泛关注。PM2.5空气颗粒污染物是雾霾中最主要的有害成分，具有比表面积大，穿透力强，并易携带大量有害物质等特点。除此之外，负载于雾霾颗粒上的各种重金属污染物通过呼吸进入人体，并在体内富集，危害人体健康。PM2.5中还含有多环芳烃等致癌物质，其中具有代表性的致癌物是BaP。研究表明，长期暴露于被污染的大气环境中更容易导致呼吸道感染、中风、慢性阻塞性肺病、心脏病等疾病的发生。

[0003] PM2.5空气颗粒污染物随地区、季节及其周围环境的不同而复杂多变。PM2.5主要由水溶和水不溶两部分组成，申请人课题组已有的研究表明，水不溶组分是PM2.5的主要致毒组分。通过对课题组已有的PM2.5颗粒进行分析表明，水不溶组分中很大一部分为碳元素。检索发现，通过检测真实PM2.5的组分及其含量，设计制备一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型，如以碳纳米颗粒为核，以PM2.5中的Cr(VI)、Pb(II)、As(III)以及代表多环芳烃化合物的BaP为污染物的典型代表，构建一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型，并以其作为模拟或替代真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物进行生物细胞毒性分析或用于系统评估PM2.5肺部细胞毒性的文献及专利还未见报道。

发明内容

[0004] 针对现有PM2.5空气颗粒污染物复杂多变且不易系统研究的问题，本发明旨提供一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型及其应用。

[0005] 本发明所述的基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型，是以碳纳米颗粒为核，采用物理混合吸附原理将Cr(VI)、Pb(II)、As(III)和多环芳烃化合物的代表BaP或者其中的三种或两种或一种吸附并负载于碳纳米颗粒的表面制成；其特征在于：所述碳纳米颗粒的直径为40±3nm，所述空气颗粒污染物模型中Cr(VI)的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00106-0.00142，Pb(II)的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00597-0.00662，As(III)的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00073-0.00134，BaP的上载量与碳纳米颗粒的质量比为
0.00101；所述空气颗粒污染物模型在水溶液中的动态水合粒径为300-350nm，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径为270-320nm；所述空气颗粒污染物模型在水溶液中的Zeta电位为-30mV±3mV，在含有10％血清蛋白的培养基中的Zeta电位为-10mV±2mV；所述纯的碳纳米颗粒命名为C0，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为364nm和-0.53mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为340nm和-10.08mV。

[0006] 上述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)、Pb(II)、As(III)和BaP共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C15，其组成为C-BaP-Cr-Pb-As，其中BaP、Cr(VI)、Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00136，0.00597，0.00110，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为329nm和-32.13mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为308nm和-11.15mV。

[0007] 或者，上述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型中：

[0008] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP、Cr(VI)和Pb(II)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C11,其组成为C-BaP-Cr-Pb，其中BaP、Cr(VI)和Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00142，0.00647，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为370nm和-31.80mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为334nm和-11.80mV；

[0009] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP、Cr(VI)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C12,其组成为C-BaP-Cr-As，其中BaP、Cr(VI)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.001128，0.00102，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为367nm和-32.07mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为333nm和-11.75mV；

[0010] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP、Pb(II)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C13,其组成为C-BaP-Pb-As，其中BaP、Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00622，0.00116，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为352nm和-30.33mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为325nm和-10.37mV；

[0011] 所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)、Pb(II)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C14,其组成为C-Cr-Pb-As，其中Cr(VI)、Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00140，0.00646，0.00126，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为336nm和-32.40mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为310nm和-10.50mV。

[0012] 或者，上述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型中：

[0013] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP和Cr(VI)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C5,其组成为C-BaP-Cr，其中BaP和Cr(VI)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00112，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为346nm和-30.37mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为319nm和-11.00mV；

[0014] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP和Pb(II)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C6,其组成为C-BaP-Pb，其中BaP和Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00633，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为349nm和-31.43mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为323nm和-9.58mV；

[0015] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C7,其组成为C-BaP-As，其中BaP和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00101，0.00095，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为345nm和-30.90mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为320nm和-11.55mV；

[0016] 所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)和Pb(II)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C8,组成为C-Cr-Pb，其中Cr(VI)和Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00142，0.00662，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为332nm和-29.73mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为308nm和-11.53mV；

[0017] 所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C9,其组成为C-Cr-As，其中Cr(VI)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00126，0.00134，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为365nm和-29.10mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为326nm和-9.32mV；

[0018] 所述空气颗粒污染物模型中若是Pb(II)和As(III)共同负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C10,其组成为C-Pb-As，其中Pb(II)和As(III)的上载量与碳颗粒的质量比分别为0.00644，0.00110，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为343nm和-30.80mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为314nm和-10.45mV。

[0019] 或者，上述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型中：

[0020] 所述空气颗粒污染物模型中若是Cr(VI)负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C1,其组成为C-Cr，其中Cr(VI)的上载量与碳颗粒的质量比为0.00106，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为358nm和-30.75mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为347nm和-10.67mV；

[0021] 所述空气颗粒污染物模型中若是Pb(II)负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C2,其组成为C-Pb，其中Pb(II)的上载量与碳颗粒的质量比为0.00606，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为335nm和-33.07mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为322nm和-9.29mV；

[0022] 所述空气颗粒污染物模型中若是As(III)负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C3,其组成为C-As，其中As(III)的上载量与碳颗粒的质量比为0.00073，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为351nm和-31.03mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为332nm和-10.47mV；

[0023] 所述空气颗粒污染物模型中若是BaP负载于碳纳米颗粒表面的空气颗粒污染物模型命名为C4,其组成为C-BaP，其中BaP的上载量与碳颗粒的质量比为0.00101，其在水溶液中的水合粒径和Zate电位为363nm和-30.73mV，在含10％血清蛋白的培养基中的粒径和Zate电位为327nm和-10.03mV。

[0024] 上述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型共由C0-C15共16种材料组成。

[0025] 其中所述各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型命名及相应负载污染物总结列表如表1所示。

[0026] 表1：各种空气颗粒污染物模型命名及相应负载污染物总结列表

[0027]

[0028] 本发明公开的基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型是利用碳纳米颗粒的高吸附性能，采用物理混合吸附的原理将污染物Cr(VI)、Pb(II)、As(III)和BaP吸附于碳纳米颗粒的表面，该碳纳米颗粒的表面结合的四种或者其中的三种、两种、一种污染物使其具有多样性吸附的特性，从而得到能够确定不同组分差异的基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型。

[0029] 基于上述的空气颗粒污染物模型，本发明通过如下实验进行了理化性质表征，结果如下：

[0030] 1、对本发明所述各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型(C0-C15)中污染物含量进行定量表征和分析

[0031] 将冻干后得到的C0-C15颗粒物用王水消解24h，再静置24h，待样品溶液中的碳颗粒沉降到底部后，取上清液用高纯水稀释后送样检测，其中元素Cr和Pb用ICP-MS定量检测其浓度，使用原子荧光光谱仪检测元素As的含量。用HPLC对上清液中BaP含量进行定量测定。定量结果显示，C0-C15中Cr(VI)的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00106-0.00142，Pb(II)的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00597-0.00662，As(III)的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00073-0.00134，BaP的上载量与碳纳米颗粒的质量比为0.00101。

[0032] 2、对本发明所述各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型(C0-C15)在水和培养基中的粒径表征

[0033] 将所述C0-C15进行动态光散射粒径分析的结果表明：在水溶液中，C0-C15的动态水合粒径约为300-350nm；在具有血清蛋白的细胞培养基中，模拟血液或器官的微环境，C0-C15形成较好的悬浮体，其大小约为270-320nm，具有更好地分散性。

[0034] 3、对本发明所述各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型(C0-C15)在水和培养基中的Zeta电位表征

[0035] 将所述C0-C15进行Zeta电位分析的结果表明：在水溶液中，纯碳纳米颗粒C0的Zeta电位-0.53mV，C1-C15的Zeta电位约为-30mV左右；在含有10％血清蛋白的培养基中，C0-C15的Zeta电位约为-10mV左右，每种材料的表面环境均处于较稳定的状态。

[0036] 4、对本发明所述各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型(C0-C15)进行肺部细胞毒性的测定

[0037] 选取人支气管上皮细胞16HBE作为细胞模型进行研究。将处于对数生长期的16HBE细胞接入96孔板中孵育24h后，加入浓度为400μg/mL、200μg/mL、100μg/mL、50μg/mL、20μg/mL、10μg/mL的C0-C15培养基溶液，继续培养24h，然后通过CellTiter-Glo的方法，测定细胞活力，计算得到C0-C15材料的EC50值分别为575μg/mL，315μg/mL，432μg/mL，394μg/mL，440μg/mL，229μg/mL，381μg/mL，430μg/mL，223μg/mL，249μg/mL，470μg/mL，226μg/mL，283μg/mL，450μg/mL，323μg/mL，281μg/mL。结果显示，C0-C15随着污染物负载种类的不同及负载数目的增加表现出了逐渐增大的细胞毒性，且其中含有Cr(VI)材料展现出了更为明显的细胞毒性。

[0038] 为了更好地理解本发明的实质和它的利用价值，下面用基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型的物理性质表征结果来说明本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型的应用。

[0039] 本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在模拟或替代真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物中的应用。

[0040] 本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型作为模拟或替代真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物在进行生物细胞毒性分析中的应用。

[0041] 本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型作为模拟或替代真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物在动物肺部细胞毒性测定实验中的应用。

[0042] 本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在系统评价雾霾中PM2.5空气颗粒污染物对肺部细胞毒性效应中的应用。

[0043] 本发明所述真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物是在广州、济南、保定等地使用TH-1000环境微粒采样器(中国武汉的天虹仪器)、Whatman石英膜收集的，流量为1050L/min，采样后的滤膜-18℃避光保存。根据收集地点，在广州所收集的真实PM2.5样品命名为GZ，在济南所收集的真实PM2.5样品命名为JN，在保定所收集的真实PM2.5样品命名为BD。

[0044] 为了进一步验证本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型的合理性，下面用在广州、济南、保定等地真实采集的PM2.5空气颗粒污染物样品(GZ、JN、BD的PM2.5颗粒)的物理表征与肺部细胞毒性实验结果来比较验证。其结果如下：

[0045] 1、所述真实PM2.5的污染物含量表征以及与空气颗粒污染物模型的比较。

[0046] GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的水溶性离子采用离子色谱分析；无机金属元素采用电感耦合等离子体质谱分析；OC/EC采用热/光学碳分析仪分析；PAHs采用气相色谱-质谱分析等方法进行分析。定量结果如图1所示，PM2.5中Cr(VI)的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.003466，0.000150，0.000610；PM2.5中Pb(II)的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.016436，0.002705，0.005899；PM2.5中As(III)的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.003243，0.000302，0.001170；PM2.5中BaP的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.003079，0.000535，0.000584；实验结果显示本发明的C0-C15中各个污染物的上载量都在GZ、JN、BD的PM2.5颗粒污染物含量范围区间内，说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在污染物含量上符合真实的PM2.5空气颗粒污染物。

[0047] 2、所述真实PM2.5空气颗粒污染物在水和培养基中的粒径表征以及与空气颗粒污染物模型的比较。

[0048] 将所述GZ、JN、BD的PM2.5颗粒进行动态光散射粒径分析。测量结果如图2所示，在水溶液中，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的水合粒径分别为312nm，308nm，300nm，C0-C15的动态水合粒径约为300-350nm；在具有10％血清蛋白的培养基中，模拟血液或器官的微环境，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的水合粒径分别为284nm，277nm，274nm，C0-C15的动态水合粒径约为270-320nm。结果显示无论在水溶液中还是含有10％血清蛋白的培养基中，C0-C15的水合粒径均与真实PM2.5大小相似，说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在水合粒径上符合真实的PM2.5空气颗粒污染物。

[0049] 3、所述真实PM2.5空气颗粒污染物在水和培养基中的Zeta电位表征以及与空气颗粒污染物模型的比较。

[0050] 将所述GZ、JN、BD的PM2.5颗粒进行Zeta电位分析。测量结果如图3所示，在水溶液中，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的Zeta电位值分别为-24.20mV，-28.33mV，-23.64mV，C0-C15的Zeta电位值约为-30mV；在具有10％血清蛋白的培养基中，模拟血液或器官的微环境，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的Zeta电位值分别为-15.32mV，-10.80mV，-14.07mV，C0-C15的Zeta电位值约为-10mV。结果显示无论在水溶液中还是含有10％血清蛋白的培养基中，C0-C15的Zeta电位值均与真实PM2.5相似，说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在Zeta电位上符合真实的PM2.5空气颗粒污染物。

[0051] 4、所述真实PM2.5空气颗粒污染物肺部细胞毒性的测定以及与空气颗粒污染物模型的比较。

[0052] 将所述GZ、JN、BD的PM2.5进行细胞毒性分析：选取人支气管上皮细胞16HBE作为细胞模型进行研究。将处于对数生长期的16HBE细胞接入96孔板中孵育24h后，加入浓度为400μg/mL、200μg/mL、100μg/mL、50μg/mL、20μg/mL、10μg/mL的GZ、JN、BD培养基溶液，继续培养24h，然后通过CellTiter-Glo的方法，测定细胞活力，计算得到GZ、JN、BD的PM2.5材料的EC50值分别为251μg/mL，190μg/mL，125μg/mL。结果如图4所示，显示C15空气颗粒污染物模型的肺部细胞毒性与PM2.5的毒性相似，且C0-C14空气颗粒污染物模型的存在能够帮助我们鉴别PM2.5的关键致毒组分。说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型能够用于系统评价PM2.5的肺部细胞毒性效应，鉴别PM2.5的关键致毒组分。

[0053] 5、对本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型和真实PM2.5空气颗粒污染物进行主成分分析(PCA)。

[0054] 综合上述的各种表征数据，将所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5进行主成分分析，结果如图5所示，C0-C15随着污染物负载数目的增加更接近GZ、JN、BD的PM2.5空气颗粒污染物性质特征，其中负载Cr(VI)、Pb(II)、As(III)以及BaP四种污染物的C15空气颗粒污染物模型表现出了与GZ、JN、BD的PM2.5相似的性质，有望作为模拟或替代真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物在进行生物细胞毒性分析中发挥作用。

[0055] 本发明公开的一种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型，由16种碳纳米颗粒组成，实验结果显示，本发明的空气颗粒污染物模型与真实提取的PM2.5颗粒在组分含量、粒径、Zeta电位、肺部细胞毒性及PCA分析等方面均具有很好的一致性。由于这些空气颗粒污染物模型负载污染物的种类和数目不同且与真实PM2.5空气颗粒污染物具有相似的性质，为进一步研究PM2.5颗粒与生物系统间的作用提供了模型和方法，对研究PM2.5各个组分与生物效应之间的关系及其与多种疾病形成的联系具有重要参考意义。

附图说明

[0056] 图1：本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型的污染物Cr(VI)、Pb(II)、As(III)以及BaP的定量分析图。

[0057] 结果显示：污染物的含量在真实PM2.5的区间范围内。

[0058] 图2：本发明所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5的在水和具有血清蛋白的细胞培养基中的动态光散射粒径分布。

[0059] 结果显示：在水溶液中材料的动态水合粒径约为300-350nm；在具有血清蛋白的细胞培养基中，其大小约为270-320nm，具有更好地分散性。

[0060] 图3：本发明所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5的在水和具有血清蛋白的细胞培养基中的表面Zeta电位分布。

[0061] 结果显示：在水和含有10％血清蛋白中材料表面均带负电，Zeta电位约为-30mV和-10mV不等。

[0062] 图4：本发明所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5的细胞毒性图。

[0063] 图5：本发明所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5的PCA分析图。

具体实施方式

[0064] 实施例1 C15空气颗粒污染物模型的制备

[0065] 实验选取的碳纳米颗粒为粒径约40nm的球形颗粒，比表面积500m2/g，纯度99.9％，购买于北京德科岛津科技有限公司；K2Cr2O7纯度99.5％，购买于天津市大茂化学试剂厂；Pb(CH3COO)2·3H2O纯度99.5％，购买于天津博迪化工股份有限公司；As2O3由中科院景传勇老师提供；苯并芘(3,4-苯并芘)纯度96％，购买于上海麦克林生化科技有限公司。首先配制一定体积的BaP丙酮溶液(2mg/mL)，K2Cr2O7水溶液(0.46mg/mL)，Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液(10mg/mL)，As2O3水溶液(0.5mg/mL)储备待用，其中有机物BaP丙酮溶液避光低温保存。

[0066] 称取0.3g碳纳米颗粒，置于50mL低吸附的离心管中，向其中加入0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液，然后适量补加灭菌高纯水，使得离心管中溶液总体积为30mL，将盖子盖紧密封。用锡箔纸包裹离心管置于恒温摇床中，在20℃下以180r/min匀速振摇48h。振荡结束后取出，将样品转移至超滤离心管(截留分子量3000D)中，离心力5000g离心30min后取上清液待测。对于离心后沉淀颗粒物，置于冷冻干燥机中完全冻干后取出，准确称量冻干前后管子的质量，相减得到颗粒物质量。重复若干管，求出平均值。

[0067] 实施例2 C0碳纳米颗粒的制备

[0068] C0碳纳米颗粒的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mLPb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为高纯水。

[0069] 实施例3 C1空气颗粒污染物模型的制备

[0070] C1的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为5.6mL K2Cr2O7水溶液。

[0071] 实施例4 C2空气颗粒污染物模型的制备

[0072] C2的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液。

[0073] 实施例5 C3空气颗粒污染物模型的制备

[0074] C3的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为6.1mL As2O3水溶液。

[0075] 实施例6 C4空气颗粒污染物模型的制备

[0076] C4的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液。

[0077] 实施例7 C5空气颗粒污染物模型的制备

[0078] C5的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液。

[0079] 实施例8 C6空气颗粒污染物模型的制备

[0080] C6的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液。

[0081] 实施例9 C7空气颗粒污染物模型的制备

[0082] C7的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液，6.1mL As2O3水溶液。

[0083] 实施例10 C8空气颗粒污染物模型的制备

[0084] C8的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液。

[0085] 实施例11 C9空气颗粒污染物模型的制备

[0086] C9的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为5.6mL K2Cr2O7水溶液，6.1mL As2O3水溶液。

[0087] 实施例12 C10空气颗粒污染物模型的制备

[0088] C10的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液。

[0089] 实施例13 C11空气颗粒污染物模型的制备

[0090] C11的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液。

[0091] 实施例14 C12空气颗粒污染物模型的制备

[0092] C12的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，6.1mL As2O3水溶液。

[0093] 实施例15 C13空气颗粒污染物模型的制备

[0094] C13的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为0.16mL BaP丙酮溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液。

[0095] 实施例16 C14空气颗粒污染物模型的制备

[0096] C14的制备方法类似于实施例1中C15化合物的制备，其区别在于，实施例1中加入的0.16mL BaP丙酮溶液，5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液被替换为5.6mL K2Cr2O7水溶液，0.6mL Pb(CH3COO)2·3H2O水溶液，6.1mL As2O3水溶液。

[0097] 实施例17 本发明所述GZ PM2.5颗粒的制备

[0098] 首先将收集于广州地区的PM2.5的膜放入烧杯中，加入适量的高纯水(没过膜即可)，在冰水浴中超声1h，超声过程中用镊子适当翻动膜使其超声均匀。超声后将膜从捞出平铺在皿中用镊子沾水小心刮取。随后将膜放入适量的DMSO中冰水中超声30min，超声后将膜挤压干净后弃掉。将收集到的水相和DMSO相合并置于冷冻干燥机中冻干、称重。

[0099] 实施例18 本发明所述JN PM2.5颗粒的制备

[0100] JN PM2.5颗粒的制备方法类似于实施例16中GZ PM2.5颗粒的制备，其区别在于，实施例16中用的收集于广州地区的PM2.5的膜被替换为收集于济南地区的膜。

[0101] 实施例19 本发明所述BD PM2.5颗粒的制备

[0102] BD PM2.5颗粒的制备方法类似于实施例16中GZ PM2.5颗粒的制备，其区别在于，实施例16中用的收集于广州地区的PM2.5的膜被替换为收集于保定地区的膜。

[0103] 实施例20 对本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型和真实PM2.5的污染物定量表征

[0104] 对所述C0-C15空气颗粒污染物模型中的重金属离子Cr(VI)，Pb(II)及非金属离子As(III)进行定量分析。准确称取每种待测材料的质量，加入一定量的王水进行充分消解24h，消解完成后用高纯水稀释，去上清液进行检测。其中元素Cr和Pb用ICP-MS定量检测其含量，元素As用原子荧光光谱仪检测其含量。用HPLC对上清液中BaP含量进行定量测定，色谱柱： XB—C18，2.1x50mm，5μm。BaP分析条件为：HPLC(反相)，进样量10μL，流动相为乙腈和水，梯度淋洗，流速为0.3mL/min，柱温：30℃，紫外检测器波长：254nm。

[0105] GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的水溶性离子采用离子色谱分析；无机金属元素采用电感耦合等离子体质谱分析；OC/EC采用热/光学碳分析仪分析；PAHs采用气相色谱-质谱分析等方法进行分析。

[0106] 结果如图1所示，PM2.5中Cr(VI)的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.003466，0.000150，0.000610；PM2.5中Pb(II)的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.016436，0.002705，0.005899；PM2.5中As(III)的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.003243，0.000302，0.001170；PM2.5中BaP的含量与GZ、JN、BD的PM2.5不溶组分的质量比分别为0.003079，0.000535，0.000584；实验结果显示本发明的C0-C15中各个污染物的上载量都在GZ、JN、BD的PM2.5颗粒污染物含量范围区间内，说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在污染物含量上符合真实的PM2.5空气颗粒污染物。

[0107] 实施例21 对本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型和真实PM2.5进行水合粒径分析

[0108] 对所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5颗粒用高纯水稀释成浓度为40μg/mL的水溶液，置于超声破碎仪中超声15min，使用移液枪取1mL左右的待测样品溶液注入Malvern Nano Zetasizer仪器的Sizer样品池中，通过动态光散射(Dynamic Light Scattering，DLS)方法测量待测粒子在高纯水中的粒径分布，测量条件为25℃，平行三次取其平均值。得到C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5的动态水合粒径约为300-350nm。

[0109] 对所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5颗粒用含血清蛋白的培养基稀释成浓度为40μg/mL的溶液，置于超声破碎仪中超声15min，使用移液枪取1mL左右的待测样品溶液注入Malvern Nano Zetasizer仪器的Sizer样品池中，通过动态光散射(Dynamic Light Scattering，DLS)方法测量待测粒子在含血清蛋白的培养基中的粒径分布，测量条件为25℃，平行三次取其平均值。得到C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5的动态水合粒径约为270-320nm，具有较好的分散性。

[0110] 结果如图2所示，在水溶液中，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的水合粒径分别为312nm，308nm，300nm，C0-C15的动态水合粒径约为300-350nm；在具有10％血清蛋白的培养基中，模拟血液或器官的微环境，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的水合粒径分别为284nm，277nm，274nm，C0-C15的动态水合粒径约为270-320nm。结果显示无论在水溶液中还是含有10％血清蛋白的培养基中，C0-C15的水合粒径均与真实PM2.5大小相似，且具有较好的分散性。说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在水合粒径上符合真实的PM2.5空气颗粒污染物。

[0111] 实施例22 对本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型和真实PM2.5进行表面Zeta电位分析

[0112] 对所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5颗粒用高纯水稀释成浓度为40μg/mL的水溶液，置于超声破碎仪中超声15min，使用1mL的去针头注射器吸取将待测材料溶液，将其注入Malvern Nano Zetasizer仪器的Zeta电位样品池中，注入过程应尽可能缓慢小心，避免样品池中产生气泡影响测量。于25℃条件下依次检测粒子的Zeta电位，平行三次取其平均值。得到其表面均带负电，Zeta电位约为-30mV左右，每种材料的表面环境均处于较稳定的状态。

[0113] 对所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5颗粒用含血清蛋白的培养基稀释成浓度为40μg/mL的溶液，置于超声破碎仪中超声15min，使用1mL的去针头注射器吸取将待测材料溶液，将其注入Malvern Nano Zetasizer仪器的Zeta电位样品池中，注入过程应尽可能缓慢小心，避免样品池中产生气泡影响测量。于25℃条件下依次检测粒子的Zeta电位，平行三次取其平均值。得到其表面均带负电，Zeta电位约为-10mV左右，每种材料的表面环境均处于较稳定的状态。

[0114] 测量结果如图3所示，在水溶液中，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的Zeta电位值分别为-24.20mV，-28.33mV，-23.64mV，C0-C15的Zeta电位值约为-30mV；在具有10％血清蛋白的培养基中，模拟血液或器官的微环境，GZ、JN、BD的PM2.5颗粒的Zeta电位值分别为-15.32mV，-
10.80mV，-14.07mV，C0-C15的Zeta电位值约为-10mV。结果显示无论在水溶液中还是含有
10％血清蛋白的培养基中，C0-C15的Zeta电位值均与真实PM2.5相似，说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型在Zeta电位上符合真实的PM2.5空气颗粒污染物。

[0115] 实施例23 对本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型和真实PM2.5进行细胞毒性分析

[0116] 16HBE细胞为人正常的肺部上皮细胞，培养条件为含10％牛血清蛋白和1％双抗(青霉素(100U/mL)，链霉素(100μg/mL))的MEM培养基，贴壁培养。培养条件为37℃，5％CO2细胞培养箱中。取处于对数生长期的细胞进行实验，浓度为80-100万/mL时传代。

[0117] 取处于对数生长期的16HBE细胞接种于96孔板中，浓度为6000/孔。放于培养箱中恒温孵育24h后，弃掉上层培养基。加入不同浓度的C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5颗粒每组3个平行，添加新鲜培养基的孔为对照组。继续培养24h后吸掉培养基，加入200μl/孔的PBS清洗2次，每孔加入50μL培养基，避光每孔加入50μL CellTilter-Glo工作液。将96孔板包裹锡箔纸放入摇床上摇晃2min，静置10min。然后每孔依次取70μL上清液于白壁不透明的96孔板中，使用荧光酶标仪进行检测其吸光度。

[0118] 结果如图4所示，显示C15空气颗粒污染物模型的肺部细胞毒性与PM2.5的毒性相似，且C0-C14空气颗粒污染物模型的存在能够帮助我们鉴别PM2.5的关键致毒组分。说明本发明所述的各种基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型能够用于系统评价PM2.5的肺部细胞毒性效应，鉴别PM2.5的关键致毒组分。

[0119] 实施例24 对本发明所述基于碳纳米材料的空气颗粒污染物模型和真实PM2.5进行PCA分析

[0120] 综合上述的各种表征数据，将所述C0-C15和GZ、JN、BD的PM2.5进行主成分分析，结果如图5所示，C0-C15随着污染物负载数目的增加更接近GZ、JN、BD的PM2.5空气颗粒污染物性质特征，其中负载Cr(VI)、Pb(II)、As(III)以及BaP四种污染物的C15空气颗粒污染物模型表现出了与GZ、JN、BD的PM2.5相似的性质，表现出了很好一致性，有望作为模拟或替代真实雾霾中PM2.5空气颗粒污染物在进行生物细胞毒性分析中发挥作用。上述主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)实验结果也进一步证实，本发明的模型为进一步研究PM2.5颗粒与生物系统间的作用提供了有力的方法，对研究PM2.5各个组分与生物效应之间的关系及其与多种疾病形成的联系具有重要参考意义。