林 浩,李 豪,孙浩堯,陈庆彩（陕西科技大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710021）

环境持久性自由基（EPFRs）是一种新型环境风险物质,它广泛存在于各种环境,已被环境领域学者们所关注.它是一种相对寿命较长,具有相对较高持续性和稳定性的自由基[1].由于它能在环境中长期存在,这种特性允许它们能够通过气团运动进行远距离运输.此外,EPFRs还具备潜在的环境毒理学理效应,所以受到了很多环境健康研究学者的重视.早在20世纪,Pryor等[2]就在香烟焦油中发现了具有稳定性的自由基,并将其考虑为健康风险因子,随后对于 EPFRs的研究逐渐增多.近些年的研究表明,EPFRs存在于各种环境介质中,比如生物炭[3-5]、土壤[6-7]、大气颗粒物[8-10]等.由于 EPFRs可以长期存在于环境中,因此会对环境中包括人类在内的生命体造成一些不利的长期影响.

EPFRs会与氧分子发生反应,诱导形成活性氧（ROS）,这是 EPFRs对生物体产生危害的重要机理.过量的 ROS可能会增强肺组织和细胞中的氧化应激,从而引起疾病发生[11].EPFRs不仅可以在体外产生ROS,也可以进入体内产生ROS,体外产生的ROS可以使人体处于一种氧化胁迫状态,而体内产生ROS则会直接造成机体损伤[12].EPFRs还会降低心脏功能并增加肺动脉压[13],并且据相关研究表明通过呼吸还有直接暴露等方式,EPFRs可以引发一系列的组织损伤,同时其还会起到一定的神经毒性作用[11].

有研究发现原油中存在一种典型的沥青质EPFRs自由基（g=2.0035）,这种纯沥青质自由基在多环芳烃结构上形成一种共振稳定的 π系统,即使在暴露于环境空气中 2a后,也能稳定存在[14].而且EPFRs可以吸附在颗粒表面,与颗粒表面的相互作用可以增加其稳定性,使其能在环境中持久稳定存在[10].

郑建军等[15]对隧道沥青铺装过程中的空气的环境质量进行检测,证实了在铺装过程中会有沥青烟进入大气.另外,铺设好道路沥青必定受行驶的车辆轮胎相互摩擦,会产生含沥青的颗粒,进而携带 EPFRs一同进入大气环境.道路沥青中的EPFRs也可以吸附在道路扬尘上,随着道路扬尘进行扩散,进而会危害到人类或其它生物体造成潜在毒性危害16].最近有研究报道大气颗粒物中的化学组分在光照下可以有EPFRs的二次生成[17],因此推测道路沥青在光照条件下也可能会产生二次EPFRs,进而增加道路源EPFRs含量和来源的不确定性,有待实验验证.

电子顺磁共振波谱方法（EPR）是目前能够检测EPFRs的唯一方法[18].常用的样品处理和检测方案有直接检测法、水洗脱法、有机溶剂提取法[19].基于EPR检测得到的g因子可以对EPFRs进行分类:其中以碳原子为中心的自由基的 g因子小于 2.0030;以氧原子为中心的自由基的g因子大于2.0040;而g因子介于两者之间的是以碳原子为中心的自由基和氧原子为中心的自由基混合存在或是孤电子附近有含氧官能团的碳中心自由基[20].

鉴于道路沥青可能通过道路源大气颗粒物危害人体健康,因此本研究采用 EPR的方法对道路沥青中是否含有EPFRs,以及 EPFRs的浓度、种类等存在特征进行了探索,并探究了道路沥青光化学作用生成二次 EPFRs的潜能和特征.为进一步评估道路沥青存在的潜在风险和提前做好预防提供了重要依据.

1 材料与方法

1.1 样品制备

不同型号的沥青其四组分的含量上有所不同,导致其在物理性质上有所不同.沥青的型号不同,它们的硬度、软化点和黏度都不相同.沥青一般是标号越低,硬度越大,软化点温度越高,粘度越小.不同型号沥青在化学性质上区别不大.用电子天平称取0.01g三种不同型号的沥青（70号、30号、10号）,加入 1mL二硫化碳溶解沥青.随后将其放入超声波清洗器（MX—S,美国 SCILOGEX 公司）中 15min,使溶液混合均匀确保沥青全部溶解.使用胶头滴管将其转移至直径为 45mm 的石英滤膜上,随后将其放入旋转蒸发仪（RE100-Pro,北京大龙兴创实验仪器公司）中进行抽滤 30min,待其干燥完毕后再进行 EPR分析.每种型号的沥青需要做 3个样品,最后取所有样品的平均值做数据分析.实验中,设置空白滤膜作为对照组.

使用溶剂萃取法对沥青样品进行预处理,利用溶剂萃取法不仅能萃取出不同极性的组分,还可以对残留的不可提取的沥青物质进行研究.采用的萃取装置由不锈钢制成,装置内部使用特氟龙滤膜过滤萃取溶液,上接正压空气泵,底部使用三脚架悬挂干净的玻璃瓶.萃取溶剂选用不同极性且极性指数覆盖范围广的多种溶剂进行萃取,溶剂按照极性大小从大到小,以水,甲醇（色谱纯,美国 Fisher公司）,二氯甲烷（色谱纯,美国 Fisher公司）,正己烷（色谱纯,美国 Fisher公司）的顺序进行萃取.并在干净的玻璃容器中分别收集水溶性物质和非水溶性组分（每 1次萃取时,以5mL为一个单位进行萃取,每种萃取剂萃取 3次）.最后使用旋转蒸发仪萃取后的溶液浓缩至约 0.1mL,将其转移至 5×28mm 条形石英膜上,并在旋转蒸发仪上进行抽滤30min,等待溶剂完全挥发后进行EPR分析.

1.2 环境持久性自由基的检测

道路沥青中 EPFRs运用电子顺磁共振波谱仪（MS5000,德国FREIBERG公司）进行检测.将准备好的附着有沥青的石英滤膜放入 EPR谐振腔内进行分析,试验前后用Cr标样和Mn标样进行样品信号强度和 g因子的校准,用空白的石英滤膜作为空白样.EPR测量参数设置如下:磁场330～345mT;扫描时间180s;调制幅度0.2mT;微波功率为8mW[21].

1.3 光化学反应实验

本研究还分析了沥青及其各种组分在光化学作用下二次生成EPFRs的能力.将5 × 28mm条形石英膜放置在可见光光源-滨松灯（E1502-04,日本Hamamatsu公司）下进行光照 15min,光照结束后立即再一次进行EPR分析[21].

2 结果与讨论

2.1 道路沥青中EPFRs的种类

图1为非光照条件下沥青样品在萃取前后的平均EPR谱图.对比图中的特征光谱可以发现,70号、30号、10号沥青在萃取前后的光谱特征相似,除了信号强度有所不同外,其他特征类似.不同型号的沥青在萃取前后的g因子值为2.0030～2.0040,并且3种不同型号沥青萃取前后的线宽 ΔHp-p接近为 5～6Gs,说明三种不同型号的沥青中含有的EPFRs具有相同类型的自由基.Kiruri等[14]研究了一种凝固的纯沥青质材料中的EPFRs,发现其g因子为2.0035,线宽ΔHp-p为 5.1Gs,存在的自由基类似半醌型自由基.他们的研究结果与本研究相比较,其g因子和线宽ΔHp-p都十分的相近.

图1 三种不同型号沥青萃取前后的平均EPR谱Fig.1 Average EPR spectrum of three different types of asphalt before and after extraction

利用高斯混合模型计算出不同型号沥青的EPR谱图中不同类型的 EPFRs的含量并分析其占比.可以发现沥青中的EPFRs可分成两种类型,其中一种 g=2.0023～2.0025,另一种 g ≈ 2.0040.其中 g=2.0023～2.0025代表的是以碳原子为中心的自由基,例如芳烃类自由基.另一种g ≈ 2.0040代表的是以氧原子为中心的自由基,例如半醌自由基.研究结果显示不同型号沥青中两种类型的 EPFRs的平均占比分别为88.8%和11.2%.不同型号沥青中EPFRs是以碳原子为中心的自由基主导,以氧原子为中心的自由基混合存在的.

由于萃取溶剂的不同,例如多环芳烃类物质可以被二氯甲烷萃取[22],酚类组分可以被甲醇萃取23],不同萃取剂从沥青中萃取出来的组分也有所不同,导致不同组分中的EPFRs中以碳原子为中心和以氧原子为中心的自由基的占比也不同.如图 2所示,萃取后的沥青中EPFRs的g因子有略微的增大的现象,这正是由于经过溶剂萃取后沥青中的EPFRs类型以氧原子为中心的自由基的占比增加的缘故.不同型号道路沥青中的不同组分中EPFRs的g因子也有细微的差异,这正说明了不同溶剂萃取沥青组分的化学组成不同其 g因子都有一定的差异性.

图2 不同型号沥青及其不同组分萃取前后g因子值Fig.2 g-factor values before and after extraction of different types of asphalt and its different components

关于道路沥青中EPFRs形成机制,在沥青生产过程中会产生多环芳烃[24],沥青中的多环芳烃含有丰富的离域 π电子,可以通过“阳离子-π”的相互作用与缺乏电子或带正电的物种（如金属离子）发生强烈的相互作用诱导了芳烃类自由基和以碳原子为中心的 EPFRs的形成[7].最近,有研究支持大气颗粒物中的EPFRs可能来源于类氧化石墨烯的缺陷结构[21],沥青中的 EPFRs可能具有类似的形成机制.另一方面,沥青的氧化也是生成道路沥青的重要途径之一,该过程中会使沥青所含的芳香族化合物与氧发生氧化.氧化的芳烃会与金属离子中心相互作用生成环境持久性自由基,类似半醌自由基[25].EPFRs在沥青的生产过程中就会产生,随后吸附在沥青颗粒物上稳定存在.与金属离子相互作用生成EPFRs的机理已经被一些研究证实,其不仅仅发生在燃烧的高温下,同样也发生在自然环境条件下,例如污染的超级基地土壤中生成的EPFRs[26].

道路沥青中的 EPRFs主要是以碳原子为中心的自由基和以氧原子为中心的自由基混合存在,并推测其主要为半醌自由基或芳烃类自由基,而不同溶剂可以从沥青中萃取出不同类型的 EPFRs,它们可能来自于不同的生成机制.

2.2 道路沥青不同组分对EPFRs的贡献

如图3和图4所示,被二氯甲烷萃取的沥青组分 EPFRs的含量最高,其他组分中 EPFRs的含量与被二氯化碳萃取的组分中EPFRs的含量相比较少,其中二氯甲烷的萃取效率最高可达91.5%.由此可以说明道路沥青中可萃取的EPFRs主要是由被二氯化碳萃取的组分所贡献的.郑祥民等[27]和卢超等[28]对比了多种有机溶剂萃取颗粒物表面半醌自由基的能力,发现二氯甲烷对半醌自由基的萃取效率最高.由此还可以推测沥青可萃取组分中的EPFRs可能含有大量半醌自由基.

图3 不同型号沥青及其不同组分萃取后的EPFRs的信号强度Fig.3 The signal intensity of EPFRs after extraction of different types of asphalt and its different components

图4 不同型号沥青及其不同组分萃取后的EPFRs的信号强度百分比占比Fig.4 The pie chart of the signal intensity percentage of EPFRs after extraction of different types of asphalt and its different components

研究中发现萃取后EPFRs各组分的总和已经超过了原始沥青,尤其在被二氯甲烷萃取后,溶于二氯甲烷溶剂的组分中的EPFRs的信号强度明显过高,这可能由于原始沥青中存在抑制部分EPFRs的物质,在被二氯甲烷萃取后,这种物质被去除,并且溶于二氯甲烷组分的生成 EPFRs比较多,进而导致溶于二氯甲烷的组分中的 EPFRs的信号得到增强.Chen等[21]的研究中发现铁离子和铜离子会抑制氧化石墨烯中 EPFRs含量,这表明金属离子会抑制 EPFRs的生成,这一结果可以解释了上述的现象.此外,Alili等[29]在研究沥青与1,2-二氢萘反应发现,在一定的稀释浓度条件下沥青生成的自由基的含量会达到最大,由此可以一定程度上理解沥青在萃取过程中可能改变总EPFRs的总含量.

2.3 光照对道路沥青中EPFRs的影响

以70号、30号、10号三种不同型号沥青二氯甲烷萃取组分光照前后的平均 EPR谱图为例,如图5所示,可以看出光照前后EPFRs的g因子有略微的增大,并且其峰高有显著增高.根据对比其他组分的平均EPR谱图,分析沥青中EPFRs在光化学作用下的二次生成 EPFRs的能力.在光照后生成的 EPFRs的 g因子会增加,是由于更多的以氧原子为中心的自由基的生成,进而导致g因子增大.

图5 三种不同型号的沥青的二氯甲烷萃取组分光照前后的平均EPR谱图Fig.5 The average EPR spectra of the dichloromethane extraction components of three different types of asphalt before and after illumination

如图 6所示,不同型号沥青及其不同组分生成EPFRs的g因子值在光照后都略微增大,这表明有新自由基的生成,如苯氧型自由基.但是平均 g因子为2.0030～2.0040,其中可溶于甲醇的组分生成 EPFRs的g因子值具有比较大的变化,其g因子大于2.0040.说明沥青中大部分组分在光化学作用下生成的EPFRs具有相对较大的g因子,但整体而言仍然是以碳原子为中心的自由基和以氧原子为中心的自由基混合存在的.但可溶于甲醇的组分在光化学作用下会引发 EPFRs的种类发生了显著变化,从以碳原子为中心自由基变成以氧原子为中心的自由基,预示着光化学催化产生含氧的 EPFRs.沥青中的苯酚类物质如苯酚等,其易溶于甲醇,并且在光照条件下,苯酚类有机物能够生成苯氧自由基、半醌自由基、环戊二烯基等相对稳定的自由基[30].Chen等[21]实验也证实苯酚类化合物具有较强的生成含氧的二次EPFRs潜能.因此,甲醇萃取组分具有更加显著的 g因子改变,生成了二次的含氧EPFRs.

如图 7所示,沥青及其不同组分在光照后的EPFRs尤其是沥青中被甲醇萃取组分的信号强度都有所增加,由此可见,光化学作用不仅仅会导致沥青中被甲醇萃取组分的EPFRs的种类发生变化,还会导致沥青及其不同组分生成的EPFRs的含量增加.不同组分信号增强倍数分别为 1.1,9.3,1.3和1.3,平均为3.2,这说明含酚类组分在光化学作用下生成EPFRs的潜能最强.不同萃取剂所能萃取出的组分不同,不同组分在光化学作用下生成EPFRs的潜力不同.有报道显示光照可促进沥青中的芳香化合物的氧化,从而达到促使沥青中 EPFRs的生成.沥青在光照条件下,吸收能量会引发分子键的断裂,长时间的光照会导致沥青的组分及其结构都会发生变化,进而光照激发沥青中某些含氧自由基的生成[30].例如,沥青中含有苯酚类化合物,苯酚在外加条件下能够脱氢产生苯氧自由基,苯氧自由基就是一种以碳原子为中心的自由基[32].所以沥青在光照条件下,某些组分中会生成相对较多的二次EPFRs,并且会导致沥青整体EPFRs种类比例会发生变化.

图7 不同型号沥青各组分光照前后的信号强度（请提供TIF原图不可用）Fig.7 The signal intensity of different asphalt components before and after illumination

3 结论

3.1 道路沥青存在 EPFRs,它是道路大气颗粒物中EPFRs的潜在来源途径,含有的EPFRs是典型的以碳原子为中心的自由基为主（89%）,以部分氧原子为中心的自由基混合存在.

3.2 道路沥青中不同极性组分中含有的 EPFRs的含量和种类均是不同的,其中不可溶剂萃取部分和二氯甲烷可萃取组分是 EPFRs主要的存在组分,甲醇和正己烷分别可以萃取沥青中的少部分 EPFRs,而水几乎不可以萃取EPFRs;可萃取组分的g因子要高于不可萃取组分,呈现氧原子为中心的自由基易于被溶剂萃取的趋势.

3.3 可见光照可以促进道路沥青中的 EPFRs的二次生成,生成潜能为10%～20%.不同沥青组分生成二次 EPFRs的能力是不同的,其中甲醇可萃取组分潜能最大,与组分中含有苯酚类物质有关;光照不仅可以促进二次EPFRs生成,也可以促使EPFRs的种类发生改变,光化学生成的二次 EPFRs主要是以氧原子为中心的自由基.