以植物脂质为基础的仿生被动采样膜、采样装置及应用

摘要

一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜、采样装置及应用，该以植物脂质为基础的仿生被动采样膜的制备方法，包括将植物脂质以及成膜剂溶解于溶剂中得到混合溶液；其中，植物脂质包括棕榈油酸、亚油酸和油酸；向混合溶液中加入醋酸纤维溶液，得到所述仿生被动采样膜。本发明采用一定比例的植物脂肪榈油酸、油酸、亚油酸替代动物脂肪做成仿植物吸收的采样膜(POLCAM膜)，与现有的含有动物脂肪的TECAM膜相比，从组成和结构上与植物根更加接近，能够很好地模拟植物对土壤中亲脂性有机污染物的吸收。

权利要求

1.一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜的制备方法，包括：将植物脂质以及成膜剂溶解于溶剂中得到混合溶液；其中，植物脂质包括棕榈油酸、亚油酸和油酸，所述棕榈油酸、亚油酸和油酸的质量比为1：(1至5)：(5至10)；

向混合溶液中加入醋酸纤维溶液，得到所述仿生被动采样膜，其中，所述植物脂质、成膜剂和醋酸纤维的质量比为1：(7至9)：(10至15)；

所述棕榈油酸、亚油酸和油酸的总质量为仿生被动采样膜干重的1至20wt.％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括正己烷、丙酮中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成膜剂包括1，4－二氧六环和无水高氯酸镁；

其中，所述1，4－二氧六环和无水高氯酸镁的质量比为(4至6):1。

4.如权利要求1至3任一项所述的制备方法获得的仿生被动采样膜。

5.一种采样装置，包括如权利要求4所述的仿生被动采样膜。

6.根据权利要求5所述的采样装置，其特征在于，所述采样装置还包括玻璃砂芯，所述仿生被动采样膜设置在玻璃砂芯内；

其中，所述玻璃砂芯的孔径大小为0.1至10毫米。

7.根据权利要求5所述的采样装置，其特征在于，所述采样装置还包括外壳，所述外壳采用的材料包括铝合金或不锈钢材料。

8.如权利要求4所述的仿生被动采样膜在模拟土壤中亲脂性有机污染物植物吸收中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将所述仿生被动采样膜埋入待检测污染土壤中，仿生被动采样膜吸附待检测污染土壤中的多环芳烃，检测仿生被动采样膜上吸附的多环芳烃量。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述采样待检测污染土壤的湿度不小于田间持水量的40至80％。

说明书

以植物脂质为基础的仿生被动采样膜、采样装置及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及采样膜领域，具体涉及一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜、采样装置及应用。

背景技术

[0002] 有机污染物在土壤中广泛存在。它们可从土壤中释放进入孔隙水并随着降水、水土流失等进入地下水或江河湖泊，还可被土壤中的动物、植物、微生物等吸收、富集并通过
食物链传输、放大，给人体健康带来危害。

[0003] 土壤中污染物的生物有效性不但决定其生物毒理效应，而且是污染物环境健康和生态风险评估的重要依据。建立准确的评价方法是研究持久性有机污染物生物有效性的关
键。由于土壤对有机污染物的吸附作用，基于污染物总量的评价方法往往导致过高估计污
染物的生物有效性。基于化学提取法的土壤中有机污染物不同试剂的提取态分析，例如温
和的化学提取法，包括环糊精等表面活性剂的提取、低分子量有机酸的提取、甲醇或正丁醇
的提取等，虽然在一定程度上与污染物的生物吸收具有一致性，但不同的提取方法，如固液
比、温度、提取条件等的不同，导致不同研究者结果的差异。土壤有机质的组成、含量是控制
机污染物生物有效性的主要因素，化学提取法很难表征不同有机质导致的生物有效性的差
异。

[0004] 以脂质作为富集溶剂的半渗透膜采样技术(SPMDs)作为新兴的被动式生物模拟采样技术已成为目前环境领域的研究热点。研究表明，脂质对多种亲脂性有机污染物具有很
强的吸附能力，以脂质为基础的被动采样膜、被动采样袋等已经用于水体中多种亲脂性有
机污染物的采集。例如，Xu等以及Gao等人将三油酸甘油酯均匀嵌于醋酸纤维素膜中，制成
复合膜(TECAM膜)，并研发相应的水体中有机污染物的采样装置。他们发现这种TECAM膜可
以快速吸附水体中的多环芳烃、溴代阻燃剂等多种亲脂性有机污染物。同时，研究表明，亲
脂性有机污染物的生物吸收主要是一个被动扩散的亲脂过程，污染物在在生物体内主要与
脂质结合，据此以脂质为基础的SPMDs被应用于模拟水生动物对疏水性化合物的吸收和累
积。例如：Ke等人应用TECAM膜，模拟了鱼体对有机污染物的吸收。Tao等人尝试了在实验室
条件下，应用TECAM膜模拟污染土壤中多环芳烃的蚯蚓吸收。他们发现了包埋在污染土壤中
的TECAM膜对土壤中的有机污染物的吸附同蚯蚓的吸收有良好的相关性。

[0005] 三油酸甘油酯由三分子脂肪酸与一分子甘油结合而成，是最常见的动物脂肪的一种。与动物相比，植物具有丰富的不饱和脂肪酸脱氢酶系，能合成多不饱和脂肪酸，例如油
酸、亚油酸等，以16‑18个碳的多不饱和脂肪酸为主。与动物脂肪相比，植物脂肪的不饱和度
更高。植物脂肪中富含的碳碳双键(C＝C)能够与一些亲脂性有机污染物中的苯环的以π‑π
共轭相互作用，因而亲脂性有机污染物同植物脂肪的作用有别于动物脂肪。可见，使用动物
脂肪做成的被动采样器并不适合于模拟疏水性污染物的植物吸收。另外，应用于水体中有
机污染物的采样装置，并不适合在土壤中污染物的采样。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜、采样装置及应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

[0007] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜，包括：

[0008] 将植物脂质以及成膜剂溶解于溶剂中得到混合溶液；其中，植物脂质包括棕榈油酸、亚油酸和油酸；

[0009] 向混合溶液中加入醋酸纤维溶液，得到所述仿生被动采样膜。

[0010] 作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的制备方法获得的仿生被动采样膜。

[0011] 作为本发明的又一个方面，还提供了一种采样装置，包括如上所述的仿生被动采样膜。

[0012] 作为本发明的又一个方面，还提供了如上所述的仿生被动采样膜在模拟土壤中亲脂性有机污染物植物吸收中的应用。

[0013] 基于上述技术方案可知，本发明的以植物脂质为基础的仿生被动采样膜、采样装置及应用相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：

[0014] 1、本发明采用一定比例的植物脂肪榈油酸、油酸、亚油酸替代动物脂肪做成仿植物吸收的采样膜(POLCAM)，与现有的含有动物脂肪的TECAM膜相比，从组成和结构上与植物
根更加接近，能够很好地模拟植物对土壤中亲脂性有机污染物的吸收；

[0015] 2、将膜至于耐腐蚀的铝合金或不锈钢卡套内，卡套内装有玻璃砂芯，既保护了采样膜，又不影响土壤中的有机污染物随土壤水溶液扩散到膜内，防止采样过程中土壤动物
等因素对膜的破坏，实现了土壤中污染物的现场采样。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例1中保存在蒸馏水中的植物脂质为基础的仿生被动采样膜的实物图；

[0017] 图2A为本发明实施例1中仿生被动采样膜的扫描电镜图；

[0018] 图2B为醋酸纤维素膜扫描电镜图；

[0019] 图3为本发明实施例2中采样装置的爆炸结构示意图；

[0020] 图4为本发明实施例3中POLCAM膜对江苏污染土壤中多环芳烃的吸附量随时间变化图；

[0021] 图5为本发明实施例4中POLCAM膜对多环芳烃的吸附浓度随采样时间的变化图；

[0022] 图6为本发明实施例5中脂含量归一化处理后污染土壤中POLCAM膜吸附与植物根中PAHs浓度关系变化图；

[0023] 图7为本发明实施例6中水一土比对TECAM膜富集土壤中PAHs的影响变化图。

[0024] 附图标记说明：

[0025] 1‑外壳；2‑玻璃砂芯；3‑调节螺栓；4‑POLCAM膜。

具体实施方式

[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0027] 本发明公开了一种以植物脂质为主要材料的仿生被动采样膜、采样装置的制备及其应用于模拟土壤中有机污染物的植物吸收中的方法。该方法将植物脂的主要成份棕榈油
酸、亚油酸、油酸以一定比例混合，将混合溶液与丙酮、1，4‑二氧六环、无水高氯酸镁混合，
向混合溶液中加入醋酸纤维溶液；用沉浸凝胶法得到所述仿生被动采样膜。亲脂性的有机
污染物通过被动扩散的方式进入采样膜，并在膜中与植物脂质相结合，这一过程与植物吸
收并富集亲脂性有机污染物一致。为了防止仿生膜遭到破坏，采用膜的保护装置：将膜放置
于具有两层玻璃砂芯过滤板的卡套内，卡套外壳采用耐腐蚀的铝合金制备，卡套易于拆卸，
便于膜的放置与取出。将卡套置于一定湿度的污染土壤中进行采样。该膜可以模拟植物根
对土壤中亲脂性有机污染物的富集。应用该仿生被动采样膜可以实现污染土壤中亲脂性有
机污染物植物吸收的预测。为方便起见，将这种以榈油酸、亚油酸、油酸为主要材料的仿生
被动采样膜，命名为POLCAM。

[0028] 本发明公开了一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜的制备方法，包括：

[0029] 将植物脂质以及成膜剂溶解于溶剂中得到混合溶液；其中，植物脂质包括棕榈油酸、亚油酸和油酸；

[0030] 向混合溶液中加入醋酸纤维溶液，得到所述仿生被动采样膜。

[0031] 在本发明的一些实施例中，所述植物脂质、成膜剂和醋酸纤维的质量比为1∶(7至9)∶(10至15)，例如为1∶(7至9)∶10、1∶(7至9)∶11、1∶(7至9)∶12、1∶(7至9)∶13、1∶(7至9)∶
14、1∶(7至9)∶15、1∶7∶(10至15)、1∶8∶(10至15)、1∶9∶(10至15)；

[0032] 在本发明的一些实施例中，所述棕榈油酸、亚油酸和油酸的质量比为1∶(1至5)∶(5至10)，例如可以为1∶1∶(5至10)、1∶2∶(5至10)、1∶3∶(5至10)、1∶4∶(5至10)、1∶5∶(5至10)、1∶(1至5)∶5、1∶(1至5)∶6、1∶(1至5)∶7、1∶(1至5)∶8、1∶(1至5)∶9、1∶(1至5)∶10，具体例如为1∶1∶5、1∶2∶5、1∶3∶5、1∶4∶5、1∶5∶5、1∶1∶6、1∶2∶6、1∶3∶5、6∶4∶6、1∶5∶6、1∶1∶7、1∶2∶7、1∶3∶7、
1∶4∶6、1∶5∶7、1∶1∶8、1∶2∶8、1∶3∶8、1∶4∶8、1∶5∶8、1∶1∶9、1∶2∶9、1∶3∶9、1∶4∶9、1∶5∶9、1∶1∶
10、1∶2∶10、1∶3∶10、1∶4∶10、1∶5∶10。

[0033] 在本发明的一些实施例中，所述棕榈油酸、亚油酸和油酸的总质量为仿生被动采样膜干重的1至20wt.％，例如可以为1wt.％、2wt.％、3wt.％、4wt.％、5wt.％、8wt.％、
10wt.％、13wt.％、15wt.％、18wt.％、20wt.％；

[0034] 在本发明的一些实施例中，所述成膜剂包括1，4‑二氧六环和无水高氯酸镁；

[0035] 在本发明的一些实施例中，所述1，4‑二氧六环和无水高氯酸镁的质量比为(4至6)∶1，例如为4∶1、5∶1、6∶1；将棕榈油酸、亚油酸和油酸溶解于溶剂中得到混合溶液；

[0036] 本发明还公开了如上所述的制备方法获得的仿生被动采样膜。

[0037] 本发明还公开了一种采样装置，包括如上所述的仿生被动采样膜。

[0038] 在本发明的一些实施例中，所述采样装置还包括玻璃砂芯，所述仿生被动采样膜设置在玻璃砂芯内；

[0039] 在本发明的一些实施例中，所述玻璃砂芯的孔径大小为0.1至10毫米，例如可以为0.1毫米、0.2毫米、0.3毫米、0.5毫米、0.8毫米、1毫米、2毫米、5毫米、8毫米、10毫米。

[0040] 在本发明的一些实施例中，所述采样装置还包括外壳，所述外壳采用的材料包括铝合金或不锈钢材料。

[0041] 本发明还公开了如上所述的仿生被动采样膜在模拟土壤中亲脂性有机污染物植物吸收中的应用。

[0042] 在本发明的一些实施例中，将所述仿生被动采样膜埋入待检测污染土壤中，仿生被动采样膜吸附待检测污染土壤中的多环芳烃，检测仿生被动采样膜上吸附的多环芳烃
量。

[0043] 在本发明的一些实施例中，所述采样待检测污染土壤的湿度不小于田间持水量的40至80％，例如可以为40％、50％、60％、70％、80％。

[0044] 以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

[0045] 下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。

[0046] 实施例1制备仿生被动采样膜

[0047] 本实施例提供一种以植物脂质为基础的仿生被动采样膜(POLCAM)、采样装置的制备及其应用于模拟土壤中亲脂性有机污染物植物吸收的方法。具体包括如下步骤：

[0048] 1)将植物脂质的主要成分棕榈油酸、油酸、亚油酸溶解于正己烷溶剂，棕榈油酸、亚油酸和油酸的质量比例为1∶(1‑5)∶(5‑10)。

[0049] 2)将混合溶液与丙酮、1，4‑二氧六环、无水高氯酸镁混合，向混合溶液中加入醋酸纤维溶液。

[0050] 3)用传统的沉浸凝胶法制膜，得到仿生被动采样膜，如图1所示；其中榈油酸、油酸、亚油酸的总质量为仿生被动采样膜干重的1‑20wt.％。图2A为仿生被动采样膜的扫描电
镜图，图2B为普通醋酸纤维素膜扫描电镜图，有图2A和图2B可以看出脂滴均匀分布在膜中。

[0051] 实施例2采样装置

[0052] 将实施例1制备得到的仿生被动采样膜置入含有玻璃砂芯的采样装置内，玻璃砂芯的孔径大小为0.1‑10毫米。该采样装置的爆炸结构示意图如图3所示，包括外壳1、玻璃砂
芯2、调节螺栓3和POLCAM膜4；POLCAM膜4设置在两个玻璃砂芯2中间，两个外壳1分别套在两
个玻璃砂芯2的外侧，两个外壳1通过调节螺栓3可拆卸连接。其中，采样装置的外壳为耐腐
蚀、对亲脂性有机污染物吸附很小的铝合金或不锈钢材料。

[0053] 其中，使用时，将含有采样膜的装置埋入待检测污染土壤，待检测污染土壤的湿度需不小于田间持水量的40‑80％。使用时，污染土壤应有一定的水分含量。

[0054] 实施例3以植物脂质为基础的仿生被动采样膜对江苏污染土壤中多环芳烃的采集动力学

[0055] 污染土壤采自江苏省南京市栖霞区某化工企业生产厂土壤。土壤样品经冷冻干燥，研磨，过筛后，在20℃冰箱保存。样品中多环芳烃的总量经索氏提取，浓缩，净化等一系
列处理后，HPLC‑FLD测定。将4X4厘米仿生提取被动采样膜(0.070±0.003克)放置在5克污
染土壤中，加入5mL0.01mol/L CaCl2和200mg/L NaN3混合溶液，振荡提取。分别于1，2，3，5，
7，10，14天取出被动采样膜，用纯净水洗净后用甲醇洗脱，经过净化后，用HPLC‑FLD测定膜
上吸附的PAHs。研究复合膜对土壤中PAHs吸附的动力学，结果如图4所示。

[0056] 由图4可见，在仿生膜上检测到11种PAHs，分别为萘，苊，芴，菲，蒽，荧蒽，苯并(a)蒽(Benzo(a)anthracene)， 苯并(b)荧蒽(Benzo(b)fluoranthene)，苯并(a)芘(Benzo
(a)pyrene)，为二环‑五环的多环芳烃。六环的多环芳烃未检出。其中萘，苊，芴，菲，蒽，荧
蒽，苯并(a)蒽(Benzo(a)anthracene)， 在第五天达到表观平衡，而五环的并(b)荧蒽，苯
并(a)芘，二苯并(a，h)蒽在第十四天达到表观平衡。说明了环数越高的PAHs，越不容易从土
壤中进入孔隙水从而被仿生膜所吸附。

[0057] 实施例4植物脂质为基础的仿生被动采样膜对北京人工污染土壤中多环芳烃的采集动力学

[0058] 土壤样品分别采自北京农田5‑25cm土层。土壤样品经过风干后过2mm钢筛，经过γ射线辐照(10kGy，10MeVγ‑rays)灭菌后于室温下储于棕色广口瓶中待用。将含萘、菲、芘和
‑1
苯并[a]芘的丙酮溶液施加于土壤样品中，使各土壤样品中4种PAHs的添加浓度为5.0μgg 。
充分混匀后将广口瓶瓶盖开启，待丙酮挥发完后盖上瓶盖。不定期对污染土壤进行摇晃混
匀，放于暗处室温下培养90天后待实验用。

[0059] 称取10g采自北京的老化土壤(起始PAHs的添加浓度为5.0μgg‑1)于100mL烧杯中，‑2
每个烧杯放置一张2cm×3cm(干重2.5mgcm )的仿生提取膜，将其平整地埋于土壤中，逐滴、
均匀地加入3mL蒸馏水。烧杯上方用铝箔密封，防止水分挥发，培养过程中定时通过称重法
保持土壤湿度恒定，于20‑22℃下置于暗处培养1、2、4、8小时及1、2、4、7、14天后取出TECAM
膜，用纯净水洗净后用甲醇洗脱，经过净化后，用高效液相色谱‑荧光检测器(HPLC‑FLD)测
定膜上吸附的PAHs。每个采样时间设置三个平行样，结果见图5。

[0060] 如图5所示，仿生膜内萘、菲、芘及苯并[a]芘浓度随着采样时间先快速增加，然后达到最大值，在48小时后趋于平衡。POLCAM内浓度(CPOCAM，t)与采样时间(t)的关系可以用一
级动力学方程拟合，拟合结果如表1所示。

[0061] Ct＝Ce(1‑exp(‑kt))

[0062] 其中Ct为时间t时POLCAM内PAHs浓度；Ce为POLCAM内PAHs的平衡浓度；k为吸附速率2
常数；r为拟合回归系数。本研究中采用了95％平衡时间(t95％)，其计算方程如公式如下：

[0063] t95％＝ln20/k

[0064] 其中，t95％为达到95％平衡时所需的采样时间。k为吸附速率常数。拟合结果如表1所示。

[0065] 表1.仿生膜吸附土壤中PAHs的一级动力学拟合结果

[0066]

[0067] 由表1可见，萘、菲、芘及苯并[a]芘95％平衡时间分别为：9.3、9.7、14.6及18.5小时。人工污染土的仿生膜提取速率明显快于实际污染土壤。

[0068] 实施例5以植物脂质为基础的仿生采样膜(POLCAM)评价土壤中多环芳烃对小麦的有效性研究

[0069] 污染土壤采自我国天津各区县农田表层土。土壤风干后过2mm钢筛，经过γ射线辐照灭菌后于室温下储于棕色广口瓶中待用。小麦种子发芽后，大小均一的小麦苗被选择并
移植到花盆中(每盆3棵，300g土)，温室下培养，白天27℃下光照14小时，夜间22℃下培养10
小时。通过每天称重保持土壤含水量在30％左右，每种土壤样品设置3盆平行样，小麦在培
养45天后收割。收割小麦时分别将根与茎叶分开，自来水冲洗后再用蒸馏水冲洗，用滤纸擦
干并快速称重，冷冻干燥72小时后再次称重。植物样品用不锈钢剪刀剪碎并用研钵粉碎均
2
匀。在每一个含有300g土壤的花盆中放入一张16cm的POLCAM，与小麦在相同的实验条件下
同时培养，通过每天称重保持土壤含水量在30％，每种土样设置3个平行样，培养45天后收
集。

[0070] 土壤和植物样品中的多环芳烃经过正己烷/二氯甲烷(1∶1)索氏提取，用Florisil固相萃取柱净化，氮吹浓缩后，用乙腈将定容。POLCAM膜从土壤中收集后用蒸馏水冲洗，用
滤纸擦干，放入20mL正己烷中于室温下解吸24小时。收集解吸液并用正己烷润洗3次，合并
有机相后先用旋转蒸发仪浓缩至1‑2mL，加入色谱纯甲醇3‑5mL，再用氮吹仪浓缩并定容至
1mL待测。样品中的用高效液相色谱‑荧光检测器测定(HPLC‑FLD)。色谱柱为C18多环芳烃专
用柱(4.6×250mm，5μm)，柱温为25℃；流动相为甲醇/水，流速为1.00mL/min，流动相梯度
为：0‑11min从80∶20到90∶10，11‑18min 90∶10，柱后运行3min；荧光检测器的激发波长为
260nm，萘(Nap)和菲(Phe)的发射波长为350nm，芘(Pyr)和苯并[a]芘(BaP)的发射波长为
420nm。污染土壤中POLCAM膜采集与植物根吸收PAHs浓度关系如图6所示。

[0071] 如图6所示，经过脂质归一化后，相同土壤中培养的POLCAM和植物根中萘(Nap)(图6中(a)图)、菲(Phe)(图6中(b)图)、芘(Pyr)(图6中(c)图)和苯并a芘(BaP)(图6中(d)图)浓
度之间存在显著的线性相关关系，且POLCAM膜和植物根中4种多环芳烃浓度相当，说明
POLCAM和植物根吸收具有相似的富集土壤中的多环芳烃的途径。此外POLCAM采集土壤中的
多环芳烃操作简单，所需土壤样品少，对土壤几乎无破坏，因此可作为一种有效的仿生采样
工具评价土壤中多环芳烃对植物的生物有效性。

[0072] 实施例7土壤含水量对POLCAM采集土壤中PAHs的影响

[0073] 称取10g采自北京的老化土壤(起始PAHs的添加浓度为5.0μtgg‑1)于100mL烧杯中，‑2
每个烧杯中放置一张4cm×4cm(干重2.5mgcm )的POLCAM膜，将其平整地埋于土壤中，逐滴、
均匀地加入蒸馏水1、2、3、5、10和20mL蒸馏水，使水土比例分别为：10％、20％、30％、50％、
100％和200％。每个土壤含水量的处理设置三个平行样，烧杯上方用铝箔密封，防止水分挥
发，每天定时通过称重法保持土壤湿度恒定，于20‑22℃下置于暗处培养21天。POLCAM采集
土壤中PAHs的示意图如图7所示，POLCAM富集的萘与菲浓度随水/土比(20％‑200％)增大而
增加，然而POLCAM富集的芘与苯并[a]芘浓度没有显著的变化。

[0074] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在
本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。