可吸入性超细石英粉尘在模拟人体体液中溶解特性

耿迎雪，董发勤，孙仕勇，唐 俊，李伟民，霍婷婷，赵玉连（.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 6200；2.固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 6200；.中国工程物理研究院，四川 绵阳6200）

可吸入性超细石英粉尘在模拟人体体液中溶解特性

耿迎雪1，2，董发勤2*，孙仕勇1，2，唐 俊1，李伟民3，霍婷婷3，赵玉连1（1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010；2.固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010；3.中国工程物理研究院，四川 绵阳621010）

为研究石英颗粒被吸入人体后在体内的溶解行为，以Gamble溶液模拟人体体液环境，研究了粒径中值d50为2.8μm的石英粉尘在3个酸度的Gamble溶液中溶解特性.结果表明，石英颗粒中Si的溶出量随溶解时间的延长，不断增大，但在较强的酸性环境下，存在一定程度的溶解抑制.SEM观察发现，超细石英颗粒在Gamble溶液中表面被溶蚀，表面和边壁均出现了不同程度的凹蚀、脱皮现象，但颗粒内部溶蚀现象不明显.FTIR结果表明，超细石英颗粒表面经Gamble溶液溶蚀后其Si-O-Si反对称伸缩振动发生一定程度的改变.XRD物相表征显示超细石英颗粒溶蚀前后物相特征无明显变化，但Rietveld结构精修结果表明溶解后超细石英颗粒晶胞参数和晶胞体积均有压缩，可见颗粒表面硅可能由结晶的有序结构转化为无定形结构，后溶解于体液中.超细石英颗粒在模拟人体体液中溶蚀现象显著，但未引起整个颗粒晶体结构的崩塌，颗粒表面溶解于体液中，引起pH值增大并趋于稳定于偏碱性环境，可吸入性超细石英颗粒溶蚀后暴露出的新鲜表面以及溶解于体液中的硅对人体健康造成潜在的严重威胁.

矿物降尘；PM2.5；石英超细颗粒；Gamble溶液；溶解特性

大气与人类的生存息息相关，它直接参与人体的气体代谢、物质代谢和体温调节的过程.可吸入性大气超微颗粒物PM2.5能够进入到呼吸系统的腔区，引起炎性应答，对人的呼吸系统及健康造成严重威胁［1-2］.研究表明不同粒径的颗粒物毒性机理不同，直径为0.2～5μm的尘粒对人体健康构成危害较大，肺泡保留量最多的是直径1～2μm的颗粒［3-5］.因此，超细颗粒成分、颗粒大小、粒径分布和在人体体液中的溶解特性是对人体健康造成影响的关键参数.

矿物颗粒物为大气颗粒物的主要组成物质之一［6-8］.近年来，一些学者利用XRD结合SEM/EDAX技术来识别大气中的多种矿物颗粒物［9-10］.众多学者分析了不同地区大气自然降尘的矿物组成特征，研究表明大气降尘中主要矿物颗粒物为石英、方解石、石膏、白云石、长石、伊利石等［11-13］.石英是地表最常见、最基本的硅酸盐矿物，又因为石英在成分和结构上的特性，它的溶解机理在很多方面完全不同于硅酸盐矿物，研究石英的溶解特性是目前国内外关注的热点之一［14］.

矿物粉尘进入人体后，肌体内部会以各种方式处理和清除这些尘粒，如运移、沉淀、溶解、包埋和吞噬等等.矿物尘粒特别是含Si的矿物粉尘进入人体后，通过生物作用发生转化，不仅影响人体代谢而且影响人体正常菌群［15］.硅肺病，是由于长期过量吸入含结晶型游离SiO2的岩尘所引起的尘肺病.硅肺形成后，血清中可溶性SiO2含量显著升高，α-石英在硅肺发病过程中发生溶解.有研究表明微量的离子硅不会引起细胞损伤［16-17］，而小鼠的死亡率与玻璃中溶出的离子硅的含量成正比.溶解于体内的SiO2（Si4+）有很强的毒性，材料中的SiO2溶解于人体时具有潜在的毒性效应［18］.

人体体液是粉尘主要的运移、沉淀和溶解介质，但人体体液与粉尘的作用是一个非常缓慢和长久的过程，而且，人体不同部位的组织体液的组成和特性是有差异的，这给研究体液的上述作用带来困难.目前常用模拟人体体液（Gamble溶液）的体外研究方式，来直接和快速地研究体液与粉尘的作用机制，并用粉尘在Gamble溶液中的溶解行为来评估其在体内的生物持久性.前人也对矿物颗粒在Gamble溶液中的溶解做了大量的研究，还有研究证明肺液中存在有机配位体对溶解有催化作用［19］.本研究以Gamble溶液模拟人体体液环境，通过超细石英颗粒物的溶解特性，以及颗粒物溶解前后的表面形貌、官能团及物相变化，探讨超细石英粉体暴露在人体体液中的溶解行为，以及对人类身体健康造成的影响.

1 材料与方法

1.1 超细石英颗粒制备

实验使用的石英购于成都市科龙化工试剂厂.为达到实验所需的粒径，采用卧式行星球磨机将购买的石英砂进行湿法球磨.磨好后，将一定浓度的石英粉/超纯水悬液超声分散10min，采用贝克曼 LS13320激光衍射粒度分析仪对矿粉进行粒度分析.图1为经球磨机磨出的石英矿粉的粒度分布，其中粒径主要分布在0.7～5.6μm的矿粉所占比例为80%.

图1 超细石英粉尘的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of ultrafine quartz dusts

1.2 Gamble溶液

实验用模拟人体体液为Gamble溶液，Gamble溶液的配方是依据人体心脏外膜区（肺部中心部位）体液的组成选定的，与血清的主要组成相似.本实验通过缓冲对控制体系pH值，相比于CO2体系来说，pH值更易维持稳定.缓冲体系中仅含有K+、Na+、PO43-离子，与真实体液相同，基本不影响Gamble 溶液的组成［20］.实验所用的水均为超纯水，优普超纯水制备系统制备，所有的试剂都是分析纯的级别.Gamble溶液（1000mL）的配方如下:

表1 Gamble溶液配方（1000mL）Table 1 Gamble solution receipt （1000mL）

1.3 实验步骤

设定悬液浓度为6mg/mL，称取磨好的超细石英粉体1.2g，分别装入含有200mL的Gamble溶液中，于水浴恒温震荡培养箱中进行溶解实验.设置2组实验，1组用于溶液pH值变化分析，另1组用于Si的溶出分析，每组设置3个平行实验，结果取平均值.水温设定在（37±1）℃，转速170/min，实验周期为8d，时间采样点为0、1、2、4、6、8、10、12、24、48、96、144和192h.

在设定的采样点取5mL粉体悬液在6000/min条件下离心10min，取上清液，过0.22μm的滤膜.将滤液稀释，稀释倍数为10.取10mL稀释液，利用ICP-AES进行Si含量的测定，按照稀释倍数计算出相应的实验结果.

连续作用8d后，将反应溶液在6000/min条件下离心10min，去离子水清洗离心管3次，取少量溶解剩余固体用超纯水稀释至适宜浓度，用于SEM分析，其余的溶解剩余固体放入60℃的烘箱中烘干至恒重、保存，并进行矿粉溶解后的FTIR 和XRD分析.

1.4 样品表征

超细粉体粒度采用贝克曼 LS13320激光衍射粒度分析仪测定；采用上海精科雷磁PHSJ-3F 型pH计测采样点溶液的pH值；测定反应液中Si元素的含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）进行测定；超细粉体形貌采用固废实验室扫描电子显微镜（SEM，S440，英国LEO）观察；样品的红外光谱是在红外光谱仪（Nicolet-5700，美国尼高力）测得，测量范围为1400～400cm-1，测量精度为4cm-1，采用KBr压片法；物相检测利用X射线衍射分析仪（XRD，荷兰帕纳科公司，X’Pert PRO），测试条件:扫描角度3～80°，Cu靶，扫描步宽0.02°/min.

2 结果与讨论

2.1 Gamble溶液pH值变化及溶液稳定性特征

图2为石英溶解在初始pH值分别为3、5、7的Gamble溶液中溶液pH值变化情况.从pH值变化曲线可以看出，3组实验的pH值变化趋势基本一致.在前4h溶液pH值变化最快，迅速增大，t=14h，3种溶液的pH值均达到最大值，溶解24h后pH值变化不大，溶解速率缓慢，pH值基本趋于稳定在8.5左右.随着溶解时间的延长，后续反应液的pH值呈微略下降趋势.

图3是石英矿Zeta电位与pH值的关系.利用英国Malvern公司Zetasizer Nano ZS90型Zeta电位分析仪在室温下（25±2）℃对矿样在纯水溶液中的Zeta电位进行测定.从图3可以看出石英Zeta电位值随溶液的pH值增加而增加（绝对值）.可以看出溶液pH值在8.1～8.9与其对应的Zeta电位范围是-37～-41mV，可见3个反应体系在1d后均达到了较好的稳定性.

图2 石英溶解在Gamble溶液中溶液pH值变化情况Fig.2 Variations of pH values of ultrafine quartz dusts in Gamble solution

图3 石英矿Zeta电位与pH值的关系Fig.3 The characteristics of Zeta potential vs pH of ultrafine quartz dusts in Gamble solution

2.2 Si溶出特征

图4 石英溶解在Gamble溶液中Si质量浓度变化情况Fig.4 Variations of silicon concentrations of ultrafine quartz dusts in Gamble Solution

图4为超细石英粉体在初始pH值分别为3、5、7的Gamble溶液和超纯水中溶解时，Si质量浓度变化曲线.可以看出，随浸泡时间的延长，溶液中Si质量浓度不断增加，在溶解前10h浓度变化最快，反应96h后Si的净溶出量降低.在设定酸度不同的三溶液中，随着溶液酸度的增加，Si的溶出量减少.石英在Gamble溶液中溶解8d后，溶液中Si的质量浓度仅为10～50μg/mL左右，这说明石英在模拟人体体液环境下溶解是非常缓慢的.石英溶解在超纯水中，Si质量浓度变化和在Gamble溶液中反应出现类似的趋势.反应8d后，Si溶出量大约为22μg/mL，高于初始pH值为3 的Gamble溶液中的溶出量.表2［21］给出了25℃下石英表面物种反应及相关酸性常数，可以看出当pH≥6.8时，Si-O在溶液中的浓度渐增，会促进Si-O的增多.而随着溶液初始pH值的降低，溶解量减少，可能是H+首先形成Si-O（H2+），并使Si-O-Si变短，键强增加，水解反应能垒增大，水解速率变小［14］.结合图2Gamble溶液pH值变化情况，在14h内溶液pH值快速增加，t=14h，3种溶液的pH值均达到最大值，pH值基本稳定在8.5左右.石英的溶解受pH值影响很大，而3溶液pH值变化趋势一致，pH值差别主要产生在t=14h之前，可见这一阶段是造成Si溶出量差别的主要原因.在超纯水中Si的溶出量高于初始pH值为3的Gamble溶液中的溶出量，可能和超纯水的pH值有关.所用超纯水初始pH值为7.18，而中性环境可促进石英的溶解.而超纯水中Si溶出量小于初始pH值为5和7的Gamble溶液中的溶出量，可能是盐效应发挥了主要作用.

表2 25℃石英表面物种反应及相关酸性常数Table 2 Reaction species on quartz surface and their acidity constant at 25℃

除了Gamble溶液中OH-离子的浓度外，溶液中原有的阳离子（Ca、Na等）对石英粉体的溶解也有很大的影响.石英族晶体属于架状结构，通式为SiO2，架状结构中每一个氧都是桥氧，［SiO4］4-之间直接有桥氧相连，整个结构就是由［SiO4］4-连接成的三维骨架.在碱性溶液中，石英颗粒物表面带负电，溶液中的阳离子有束缚周围OH-离子的作用，因此颗粒物表面的OH-离子浓度相应增高，起着攻击和断裂Si-O键的作用，致使颗粒物逐渐溶解.而在较强的酸性pH值下，碱金属离子的加入特别是半径较小的离子使Si-O-Si键稳定性增加，从而抑制了颗粒物的溶解.

2.3 SEM显微形态特征

超细石英粉体在Gamble溶液中溶解8d后的表面形貌图如图5所示.可以看出，溶解前的石英颗粒表面分布均匀，结构致密，边缘尖锐，表面没有大尺度的起伏等表面结构.石英在Gamble溶液中溶解后表面和边壁出现了不同程度的凹蚀、脱皮现象，但仍有大面积没有被腐蚀的区域存在，且占主要部分.主要呈现平整的上下解理面和颗粒边缘、薄片终端的不规则形态.开始溶解多发生在边壁，以单层方式推进，层层推进.表面凹坑现象不是十分明显.图5d可以明显看出，石英经初始pH值为7的Gamble溶液作用后表面脱皮现象明显，表面形成鳞剥状，较图5b、图5c腐蚀更严重.可见石英的溶解在一定程度上与体系酸度呈负相关，酸性环境不利于石英的溶解，这与之前探讨的Si元素的析出与体系pH的关系是一致的.

图5 石英在Gamble溶液中溶解8d后的表面形貌Fig.5 SEM images of morphology of ultrafine quartz dusts dissolved in Gamble solution after 8 days

2.4 FTIR特征

石英红外光谱吸收主要集中在900～1200、798、779、695、514、461cm-1，研究表明， 1200～400cm-1之间的谱段正是反映石英成分和结构变化的指纹区，而3400～2000cm-1之间具有反映挥发分（H2O和CO2）含量变化的指纹波谱［22-23］.

石英经不同pH值下的Gamble溶液作用8d后，石英表面官能团发生了一定程度的变化，特别是在900～1200、779、695、514cm-1范围内的Si-O振动（图6）.1879cm-1处的吸收峰消失，即C=O振动减弱，表明CO2这一挥发分的含量减少，1621cm-1处的特征峰往高波数移动，即H-O-H的弯曲振动发生改变.为了更好地观察石英红外光谱主要吸收区谱带的变化，对800～1500cm-1处的特征峰做了分峰处理（图7）.

800～1500 cm-1范围内的吸收峰经过分峰处理后（拟合度均高达97%以上）.1080cm-1处的特征峰由高波数向低波数移动，尤其是石英溶解在初始pH=3的溶液.在1177cm-1处的特征峰Q2由低波数向高波数移动，Q1和Q3都是向低波数移动.1080与1177cm-1处吸收峰的相对峰强发生了明显的变化.红外吸收峰的位置（频率）主要取决于键能，同一个键键能改变通常反应键长的变化.这可能主要是由H+首先形成Si-O（H2+），并使Si-O-Si变短，键强增加引起的［14］.从反应液pH值变化趋势图上可以看出，在前14h溶液pH值快速增加，t=14h，3种溶液的pH值均达到最大值，pH值基本稳定在8.5左右，溶解也主要发生在24h之内，可见这一阶段是影响石英红外光谱变化的主要阶段.

图6 石英经不同pH值的Gamble溶液作用8d后的红外图谱Fig.6 FTIR spectra of ultrafine quartz dusts dissolved in Gamble solution after 8days

图7 石英局部红外吸收峰分峰处理结果Fig.7 Results of treatments for selected regions of quartz FTIR spectra

2.5 物相特征

为了进一步探索溶解对石英产生的影响，对溶解后的矿粉做了X射线衍射分析.从图8可以看出，石英经不同pH值的Gamble溶液作用后，在XRD谱上未发现其他相的衍射峰.其XRD图谱与对照相比，其特征吸收峰所处位置以及峰与峰之间的相对峰强均未发生明显变化.这表明石英与Gamble溶液作用8d后，石英的物相并无改变，可见颗粒表面硅可能由结晶的有序结构转化为无定形结构，后溶解于体液中，但未引起整个颗粒晶体结构的崩塌，颗粒结构保持完整.

图8 石英经不同pH值的Gamble溶液作用8d后的XRD图Fig.8 XRD patterns of ultrafine quartz dusts dissolved in Gamble solution after 8 days

利用Rietveld结构精修方法对不同石英样品的物相进行晶体结构精修，结果列于表3和图9.图9是以石英晶体结构为基本模型得到的石英XRD衍射测量值（十字线）、计算值（实线）和二者差值的谱图.将Q和Q1样品中各衍射线的理论衍射强度按衍射角度叠加起来形成理论衍射谱图，然后与实验衍射谱图进行比较，通过逐步调整结构和非结构参数，采用最小二乘法，使理论峰形与实验峰形相符，从而解析了该样品的晶体结构.结构晶修结果表明，石英各样品的X射线衍射Rietveld结构精修理论衍射图与实验衍射图吻合得很好，Rp=9.64% ，R-wp=12.14%，所得精修结果可信.

表3 石英样品的晶胞参数Table 3 Crystalline lattice parameters of ultrafine quartz dusts

图9 石英样品的X射线衍射数据处理Fig.9 X-ray diffraction patterns of treatments for ultrafine quartz dusts

所用样品为α-石英（低温石英），三方晶系，空间群P3121， ［SiO4］四面体以角顶相连，在c轴方向上呈螺旋状排列，具较低的对称程度和较紧密的结构.结果显示，经不同pH值的Gamble溶液作用后的石英晶胞参数呈现规律性变化.Q1、Q2与Q相比晶胞参数减小，而Q3恰恰相反，这可能也与在较高的酸性环境下，H+首先形成Si-O（H2+），使Si-O-Si变短有关.

3 结论

3.1 在pH值为3，5，7的体系中，溶液pH值变化趋势一致，溶液pH值变化主要发生在溶解前4h，之后pH值基本稳定在8.5左右.溶液中检出的Si溶解总量随时间增长而增加，较强的酸性环境会抑制石英粉尘的溶解.

3.2 石英在Gamble溶液中作用8d，溶解主要发生在表面和边壁，有不同程度的凹蚀、脱皮现象出现，但仍有大面积未被腐蚀的区域，且占主要部分.

3.3 石英红外吸收光谱中特征峰峰位有一定的偏移，相对峰强变化较明显，但总体而言溶解对石英表面官能团无显著影响.从XRD图谱上可以看出，Gamble溶液中作用8d后，石英物相并无改变.可见在模拟人体体液环境下，石英的溶解发生在表层，溶解是十分缓慢的过程.

3.4 研究结果表明超细石英颗粒在模拟人体体液中溶蚀现象显著，但未引起整个颗粒晶体结构的崩塌，颗粒表面溶解于体液中，引起pH值增大并趋于稳定于偏碱性环境，吸入性超细石英颗粒溶蚀后暴露出的新鲜表面以及溶解于体液中的硅对人体健康造成潜在的严重威胁.

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Dissolving characteristics of inhalable ultrafine quartz dusts in the conditions of simulated body fluid.

GENG Ying-xue1，2， DONG Fa-qin2*， SUN Shi-yong1，2， TANG Jun1， LI Wei-min3， HUO Ting-ting3， ZHAO Yu-lian1（1.School of Environment and Resources， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China；2.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle ， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China；3.China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621010， China）.China Environmental Science，2015，35（4）：1239～1246

The Ultrafine quartz dust is one of the main types of mineral particles in atmospheric PM2.5. In the presented study， the dissolving characteristics of ultrafine quartz dusts with d50of 2.8 μm in the simulated human body conditions were measured for estimating their potential health risks by using Gamble solution. The Silicon concentration in Gamble solution were increased with the dissolving time continuance， but inhabited in some certain extents at strong acidic environment. SEM obervations showed that presented concave erosion and peeling phenomenon in the surface of quartz particles， but their interior surface remained intact. FTIR spectra showed that the Si-O-Si antisymmetric stretching vibrationoccurs changed in a certain degree. The results of XRD mieral phasemeasurements showed that the characteristic peaks and intensities of ultrafine silica dusts were not significantly changed. The results by Rietveld refinement method suggested that the crystalline lattice parameters （a， b， c and volume of the unit cell） of quartz regularly decreased in acidic environment. The presented results suggest that ultrafine quartz dusts are significant eroded in simulate body fluids not keeping interact crystal structure and pH value increases and tends to be stable in alkaline environment. Our study indicates that inhalable ultrafine quartz dusts with the exposed freshly surface and combines with dissolved Silicon in body fluid has potential threat to human health.

mineral dust；PM2.5；ultrafine quartz particles；Gamble solution；dissolution characteristics

X503.1

A

1000-6923（2015）04-1239-08

耿迎雪（1987-），女，河北唐山人，西南科技大学环境与资源学院硕士研究生，主要研究方向为超细矿物颗粒与人体健康.

2014-08-15

国家自然科学基金（41130746，41102213）；西南科技大学研究生创新基金（14ycx041）

* 责任作者， 教授， fqdong@swust.edu.cn