一维NMR谱图通常用于分析样品中的氢原子或碳原子, 为确定其化学结构提供重要信息。实验中观察到原子核的共振频率ν ₀取决于分子环境（周围电子的性质）以及磁旋比γ 和外加磁场, 氢原子或碳原子的核磁共振谱是由邻近原子的电子电负性决定的。氢谱中另外一个重要特征是原子核与不同磁环境相互作用的方式。多维核磁共振实验的综合分析使NMR成为判定纯化合物和固体、液体、凝胶或气体混合物最直接通用的工具, 这类信息可以判断分子结构中含有何种原子或官能团, 因此很多研究文章报道了通过氢谱分析污泥、污泥提取物和污水中的官能团和目标物质^{[21, 22, 23, 24, 25]}。

环境样品的性质不尽相同, 例如土壤中固态原子的硬度较高, 导致相邻的¹³C原子之间出现强偶极耦合, 因此出现了宽谱峰, 可以通过样品以相对于外磁场以特定倾角（magic angle, 54.74° ）作高速旋转实现^{[26, 27, 28]}, 而且由于使用交叉极化（cross-polarization, CP）机制, 一些原子核的低丰度同位素（例如¹³C）可以忽略不计。CP技术使用偶极-偶极相互作用来确定大量的（¹H）和少量的（¹³C）之间的能隙, 以实现磁化转移, 从而有助于观察稀薄自旋^[29]。表1列举了在污水、污泥和流出物样品中发现的一些典型¹³C化学位移。

为了验证化合物分子量和NMR谱图信号之间的相关性是否受到连接HPLC仪器单元的影响, 可以将质谱仪单元(MS)接入系统。图2是理想状态和完全联用的LC-UV/MS-SPE自动采样存储(automatic sampling storage, ASS)-NMR系统和ASS以及低温探头在离线模式下的运行图。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 环境样品中一些典型物质的13C化学位移 Table 1 Typical 13C shift for chemical segments from sludge and waste water 残留类型 化学位移/mg/L 参考文献 生物大分子、脂类、蛋白质中的烷烃链 0.0~55.0 [30-34] 脂肪酸长链中的亚甲基基团 20.0~32.0 [30, 33, 35] 软木脂链中的亚甲基基团 约30.0和33.0 [36] 腐殖酸支链脂肪族亚甲基基团 约32.5 [33-35] 木质素、半纤维素、软木脂中的甲氧基基团 45.0~72.0 [32, 36] 木质素中的甲氧基基团 约56.0 [37, 39] 甾醇中的甲氧基基团 41.0~60.0 [38] 氨基酸和多肽中的碳 60.0~75.0 [30, 35] 碳水化合物、糖脂、木质素和木栓质中及有氧、氮原子取代的脂肪族碳 50.0~110.0 [31, 33, 35-37, 39] 碳水化合物链端异构的碳 100.0~115.0 [34, 35] 纤维素 约65.0、73.0、75.0、 83.0、 88.0和105.0 [38, 39] 多糖、纤维素、木聚糖、木质素和多酚链端异构的碳 90.0~118.0 [30, 32, 35] 甾醇中的碳 106.0~150.0 [38] 含双键的碳, 未被取代的芳香环上的碳 110.0~130.0 [31] 苯环的碳, 芳醚和n-取代的芳香族化合物中的碳 约151.9 [35] 芳香族的取代碳, 有氮或氧原子取代的木质素, 酚类、芳香醚、芳香胺的碳 105.0~160.0 [30-32, 35-37] 愈创木基木质素和紫丁香基木质素的碳 约132.0、150.0和154.0 [38] 苯甲酸类化合物的碳 120.0~140.0 [30] 酯或酰胺中的羧基碳, 酰胺基团中的碳 160.0~205.0 [31-34, 37] 糖醛酸中的羧基碳 约170.0 [38] 软木脂、半纤维素中的酯基碳, 软木脂、木质素、糖醛酸中的羧基碳 约173.0 [36]

表1 环境样品中一些典型物质的13C化学位移 Table 1 Typical 13C shift for chemical segments from sludge and waste water

图2

Fig.2

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	图2 LC-UV/MS-SPE-ASS-NMR系统运行图Fig.2 Complete hyphenated LC-(UV/MS)-SPE-ASS-NMR system under off-line mode

在该系统中, 样品进入色谱柱, 经色谱分离后, 分离阀将高达98%的分离组分发送到UV检测器, 仅2%发送到MS。将目标物运至固相萃取室进行浓缩, 运行1D和2D NMR方法, 然后使用氘代溶剂将该峰从萃取室中洗脱到自动进样器, 开始NMR研究。

污泥是含有多种微生物、抗磁性和顺磁重金属的非常复杂的固体。因此为了降低成分复杂程度并提高NMR的分辨率, 可以使用萃取、转化和超滤等几种方法。图3是来自巴西圣保罗州圣卡洛斯市的一份典型污泥, 用甲醇提取后采集到的氢谱。谱图非常复杂, 可以分为三个不同的共振区域：1）脂肪族化合物：例如烷烃氢, 酯和烯丙基残基, 范围为0.2~3.0 mg/L; 2）与氮原子或氧原子键合的¹H亚甲基和3.0~6.0 mg/L的烯属氢; 3）6.0~9.0 mg/L的芳香族区域。尽管谱图十分复杂, 但是利用2D实验（例如correlatedspectroscopy, COSY和heteronuclear singular quantum correlation, HSQC）, 再综合相关报道文献和已有NMR数据库, 完全有可能表征更多更复杂物质。

图3

Fig.3

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	图3 来自巴西圣保罗州圣卡洛斯市的一份典型污泥, 用甲醇提取后采集到的氢谱Fig.3 1H NMR spectra of several characterized compounds methanol-extracted out of the sludge from Sao Carlos, Brazil

污泥中的腐殖酸和富里酸是由有机物降解产生的, 富里酸可溶于任何酸碱度的溶液, 而腐殖酸只可溶于pH值大于2的溶液。腐殖酸是由烷基/芳香族官能团组成, 这些官能团包括羧基、酮基、酚基、醇羟基和醌等^{[40, 41, 42, 43]}。而富里酸则由大量脂类和少量的芳香族化合物组成^{[44, 45, 46, 47]}。污泥中有机物的组成和降解研究对于有机物废料的安全回收和处置非常重要。Jouraiphy等^[48]通过¹³C NMR谱信号, 对从活性污泥中萃取出的富里酸成分进行了研究, 并观察到在腐殖化过程中多糖含量降低, 更多芳香族化合物、脂类聚酯和醚由烷基键连接而形成了长链化合物。

Amir等^[31]通过整合不同的含碳有机物和相对定量法对不同成熟度的活性污泥堆肥中腐殖酸的变化进行了研究。最终产物的烷基碳数量是初始值的两倍, 而芳香碳则略有降低。结果表明在堆肥过程中, 木质素、纤维素、半纤维素和蛋白质等复合有机物发生了明显降解, 形成了各种各样的简单有机化合物, 如碳水化合物、氨基酸、结构简单的肽和酚类。

Schmidt等^[49]通过LC-SPE-NMR / MS对直链烷基苯磺酸盐（linear alkylbenzene sulfonate, LAS）这种最重要的阴离子表面活性剂进行了研究, 污水处理厂在厌氧环境下并没有降解LAS, 使其在污泥中富集^[34]。Schmidt首先通过上述提到的联用方法获得了14个分离的LAS同系物和另外6个混合的LAS的1D（¹H）和2D（¹H-¹HCOSY）谱图, 这些数据将用于LAS同系物的色谱保留时间与烷基链长度以及NMR谱图相关研究。

污水的定量分析主要根据¹³C NMR共振积分面积来衡量污泥中有机物的降解情况^{[50, 51, 52]}。Lewis等^[37]使用高效尺寸排阻色谱和固体核磁共振碳谱, 研究了一个亚硫酸盐纸浆和造纸厂污水处理厂中, 经过凝结处理和曝气稳定池处理的样本。结果显示在凝结过程中芳香族氢和烷基基团被选择性地除去, 而芳香族碳则在曝气稳定池处理期间被除去。

Bartoszek等^[53]从污水处理厂处理污水的步骤着手研究腐殖酸, 图4总结了不同共振区的信号强度以及污水净化过程中不同采样点的变化。

图4

Fig.4

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	图4 污水处理厂不同采样位置样品的特定共振区的信号强度变化规律Fig.4 Changing 1H and 13C NMR signal intensity of the extracted humic acid along with the different sludge-sampling sites in one sewage-disposing plant

在污水处理过程中, 腐殖酸中含氧官能团和芳环数量增加, 与脂肪族相关的信号强度降低, 表明了腐殖过程的发生。值得注意的是, 芳香族化合物中氢原子数低于芳香族化合物中碳原子的个数, 表明形成了稠合的芳环。芳香度由公式（2）计算得出, 如果芳香度增大, 则说明发生了腐殖过程, 公式中, C(aromatic carbon) 为分布在化学位移106~165 mg/L范围内的芳香族碳原子个数, C(aliphatic carbon) 为分布在化学位移0~105 mg/L范围内的脂肪族碳原子个数。

Godejohann等^[54]在2011年发表了关于瑞士的两个污水处理厂在喷洒农药期间, 两种不同再生水提取物样品的研究。他们采用LC-SPE-NMR / MS联用技术, 并采用时段法记录出峰时间。实验数据能够确定含有以下农药：木兰酮、甲草胺、甜菜呋、异丙隆、苯嗪草酮、扑灭津、杀草敏和去氨基苯嗪草酮（一种苯嗪草酮的转化产物）。而且还发现了八碳、十碳、十二碳长度的脂肪酸, 甘油单酯和甘油二酯, 3-羧基甲芬那酸（药物代谢物）, 塞来曲唑, 恩索利唑（一种防晒剂）, 苯并三唑和N-苄基-吲哚（工业化学品）。

Scheurer等 ^[55]研究了污水、地表水、河堤渗水和土壤含水层处理系统中六种化合物（乙酰磺胺酸、三氯蔗糖、卡马西平、二氧化萘、1H-苯并三唑及其4-甲基同系物）含量的相关性, 以评估其作为污水标志物的可靠性, 同时还进行了土壤含水层处理系统中几种化合物持久性的研究。

Michel等^[56]在2012年开发了一种用于在水相环境中对三硅氧烷表面活性剂进行痕量分析的LC-MS方法, 这类化合物可以促进液体在疏水表面的快速扩散, 加入到农药中可以提高农药活性和耐雨性。使用LC-SPE-NMR /MS测量以确定单一同系物的质量浓度。通过泊松分布对表面活性剂的低聚分布进行模拟, 并通过MS和LC-SPE-NMR / MS证实了该假设, 从而表明这两项技术适用于验证该理论。然而, LC-SPE-NMR的回收率低于预期, 可能是固相萃取室内有少量残留的缘故。

Scheurer等^[57]对自来水厂在短时间臭氧处理时产生的人造甜味剂甜蜜素和安赛蜜的主要臭氧化产物进行了结构阐述。在污水和饮用水处理厂中检测到这些化合物, 用LC-亲水作用色谱（HILIC）-NMR / MS技术进行分离和检测。在该项实验中, HILIC起到了改善色谱分离效果的作用。

Preiss^[58]在一处被污染的垃圾场的地下水中检测到异常的极性代谢物, 如氨基甲苯、硝基苯甲酸和三种未知的二氢或四氢取代的2-氧代-喹啉-3-基乙酸, 这种化合物的发现说明可以通过LC-MS、LC-NMR以及NMR和MS技术对单硝基甲苯转化的新路径进行研究。然而, Preiss^[59]使用GC-MS、LC-MS和LC-NMR联用技术, 在德国柏林附近的城市固体废物堆填区的下坡检测出极性外源性有机物并对此进行了说明, 除了几种极性外源性有机物和染料工业的产品外, 还发现了聚乙二醇和一些杂环化合物的降解产物。

违禁管制药物滥用已经成为当今日益严重的社会问题。当人类吸食违禁药物后, 由于代谢不完全, 会有部分药物母体或代谢物随粪便或者尿液排入污水中, 最终进入河流或湖泊等公共水域, 大量文献指出, 在污水、地表水甚至饮用水中已检测到此类物质的存在^{[60, 61, 62, 63]}。环境科学界发展了污水流行病学方法, 旨在通过测定某个地区污水中违禁药物的残留浓度水平反算该地区违禁药物的用量。

Gao等^[64]通过改变污水前处理的酸度环境, 冲洗、酸化及复溶过程, 确定了调整水样的pH值为2时, 无需除杂质的冲洗和氮吹过程的酸化步骤, 即可直接进入仪器分析。将该方法应用于当地十二家污水处理厂的进水口、出水口水样, 结果表明, 水样中甲基苯丙胺、吗啡、可待因等违禁药物含量较高, 达到数百ng/L量级。证明该方法可以作为实际污水样的理想测定方法。

Iria等^[65]首次利用超高效临界流体色谱-核磁共振谱仪联用技术, 检测挪威特隆赫姆市三份污水中大麻素及合成大麻素类物质。该方法检测Δ 9-四氢大麻酚及其三种主要代谢物（单羟基Δ 9-四氢大麻酚、脱羟基Δ 9-四氢大麻酚、羧基Δ 9-四氢大麻酚）和四种合成大麻素的代谢产物(JWH-018-OH、JWH-018-COOH、JWH-073-OH、JWH-122-OH), 含量在ng/L量级。用该方法可以检测污水中极性较低的物质。

Fernando等^[66]在2014巴西世界杯期间, 随机检测了运动员住宿区的八份尿样, 结果十六个目标化合物中检测出五种, 其中可卡因的主要代谢物— — 苯甲酰芽子碱浓度为（1.9± 0.3）至（4.2± 0.2）μ g/L, 超过正常值的三百倍。该检测结果已被报告给国际足联等有关组织, 以期利用污水流行病学方法检测运动员在比赛期间服用禁药的违规行为。