为了满足自然水体、农业灌溉用水、娱乐用水以及饮用水的需求，需要严格控制引起自然水体富营养化的硝酸盐[1]、磷酸盐污染物[2]以及引起胃肠疾病的病原微生物和致病菌污染[3],而这些污染物的主要来源是生活污水。因此，准确定位及跟踪生活污染源，从源头控制污染物的扩散，保护水源地，保证生产、生活及农业用水的安全，是一项具有实际应用价值的研究。
目前，用于追踪及定位生活污染源的指标主要有指示生物和化学示踪剂2类。指示生物包括粪大肠菌群、大肠杆菌及肠道球菌。流行病学的研究表明，胃肠疾病与大肠杆菌及肠道球菌有关。因此，1986年美国国家环保局（USEPA）颁布导则将同时检测大肠杆菌及肠道球菌代替单独检测粪大肠菌群[4]作为水质监测标准，以确保饮用水及娱乐用水的安全。我国饮用水及废水常规水质标准中亦有大肠菌群项目。化学示踪剂分为3类，即人体产生的物质、通过人体代谢后排出的物质、污水处理厂中的物质[4].
20世纪60年代后期，Murtaugh等利用人体内脏细菌分解胆固醇的生成物粪（甾）醇指示粪便的污染[5,6];其他一些人类消耗和排泄的天然及合成化学物质也可用来指示粪便的污染，其中最受关注的是咖啡因[1,3,6-9],另外人类活动排放的医药品污染物也可作为生活污染源的示踪剂[10-12];英国的一项研究结果表明，16%的生活污水来源于洗衣机[3],其中含有清洁剂、表面活性剂[13,14]、荧光增白剂[15]及香水[16]等主要成分，因此此类物质也可以作为生活污染源的化学示踪剂。
1 咖啡因介绍
CAS:58-08-02,分 子 式 :C8H10N4O2,分 子 量 :194.19,中文名称：咖啡因、3,7-二氢-1,3,7三甲基-1H-嘌呤-2,6-二酮、咖啡碱、无水咖啡因、1,3,7-三甲基黄嘌呤、茶索、无水咖啡碱，英文名称：Coffeine、3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-Purine-2,6-dione、Guaranine、Theine、1,3,7-trimethyl-2,6-dioxopurine、1,3,7-trimethylxanthine、coffein、coffeinum[17].咖啡因分子结构，如图1所示。咖啡因属于甲基黄嘌呤的生物碱，纯的咖啡因是白色的、强烈苦味的粉状物。它是一种天然物质，存在于世界上超过60种植物的叶瓣、种子或果实中。由这些成分制成的许多食物和饮料产品就自然含有咖啡因了。此外，在制造过程中有时在食品和饮料中加入咖啡因改善口味，或是在药物中加入咖啡因，以增加药效。
作为易挥发物，咖啡因在其生产和使用时被排入环境中，包括污水处理厂、垃圾填埋浸析液或焚化炉飞灰等。如果排入到土壤中，咖啡因将呈现非常高的不稳定性，但咖啡因不会从湿润或干燥的土壤中挥发到大气中，可能会进行生物递降分解；如果排放到水体中，咖啡因不会从水中挥发到大气中，不会在鱼类体内生物积聚，也不会吸附在沉淀物上，可能会进行生物递降分解；如果排放到大气中，咖啡因可能会与光化学反应产生的羟基自由基发生气相反应。但是，大气中的咖啡因绝大多数被微粒物质吸附，因此可能会减弱此过程的速率。对咖啡因的职业性接触可能发生在其生产、配方和使用时，有尘土吸入或皮肤接触。一般人通过摄取食物、药品或消耗含有咖啡因的产品而与咖啡因接触。
2 咖啡因作为示踪剂的原理
理想的示踪剂需要具有在环境中普遍存在、持久性、良好的迁移特性等特点[3],能够追踪及定位污染源并对人口进行定量[1].追踪生活污染源的传统方法是利用粪大肠菌群、大肠杆菌等指示微生物，然而利用大肠杆菌作为指示生物存在一些问题：大肠杆菌在环境中的存活时间较短；迁移性差难以对污染源进行定位[1];并且是一项比较耗时的工作，在实验室对其进行分析时一般需要培养18~48 h[4],虽然聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction,PCR）等新型分析技术能够缩短分析时间，但是这些方法可操作性差且不适合大范围推广使用[17];另外粪大肠菌群等细菌不能区别人类污染源与动物污染源[4];在区别经处理排放废水与未经处理排放废水方面也有较大难度。因此，指示微生物用作追踪生活污染源的指标，受到许多限制。
一些只有人类活动才能产生的化学物质，如人类使用的医药品、个人护理用品等作为示踪剂追踪生活污染源更具有确定性。但是，示踪剂在环境中的存在量应该保持相对稳定，也就是人类使用示踪剂物质的生活习惯不会轻易改变，并且这种物质在短时间内不会被淘汰，更重要的是示踪剂物质在环境中经过稀释、扩散后能够达到检测水平。由于人类很少长期服用某种医药品或使用个人护理用品，因此这2类物质在环境中的含量稳定性差，并且不可预测。相比之下，咖啡因虽然在污水处理厂的去除率可以达到81%~99.9%[1],但是在自然水体中的检出浓度仍较高。
咖啡因是咖啡、茶、软饮料及巧克力、甜点等食物的主要成分。虽然各个国家消耗咖啡因的情况有所不同，但世界人均每天消耗咖啡因70 mg.水体中的咖啡因除以上来源外，还来源于一些治疗咳嗽、感冒以及止痛的药物。人类大量使用咖啡因，使得其在水体中的浓度较医药品和个人护理用品高得多。研究结果表明，咖啡因的浓度与人口密度成正比，因此可以比较好地反映生活污染源[1].Buerge等[2]利用质量守恒原理，计算自然水体中来源于经处理污水与未经处理污水的咖啡因比例，从而计算河流中经处理污水与未经处理污水中总磷的贡献率，明确总磷的输入源，以采取相应的措施控制河流中总磷的输入。
Buerge、Seiler、Glassmeyer等[1-4]对咖啡因作为生活污染源示踪剂的可行性进行了研究，结果显示利用咖啡因可以分别追踪经处理污水与未经处理污水排入自然水体的磷酸盐污染物的总量，从而有效地对污染源进行监督和管理；同时，咖啡因还可区分人类污染源及动物污染源，美国地质调查局分析中心的Dana Kolpin就开展了通过追踪废水中咖啡因来监测家庭废弃物含量的试验。尽管如此，目前国内外对于咖啡因作为生活污染源示踪剂的研究仍不多见[18,19],这主要是由于咖啡因作为示踪剂的可行性仍有待于进一步验证，国内关于示踪剂追踪生活污染源的研究也尚未见报道。
3 国外水体咖啡因含量状况
各国污水处理厂及自然水体中咖啡因的检出浓度，见表1.咖啡因存在于市政污水中，达到300 ppb标准。1980年，美国伊利诺斯州污水处理厂的10条二级排水道中有1条检测出了咖啡因；新泽西州的3个不同的公有污水处理厂的6个排水样本中全部检测出了咖啡因，浓度为3~20 ppb.
1980-1981年间，在洛杉矶县污水处理厂排水道样本中也检测出了咖啡因，浓度为40 ppb;加拿大温哥华的一家市政污水处理厂排水道中也曾检测出浓度为16~292 ppb的咖啡因；家庭污水咖啡因的检测浓度为10~46 ppb[12].1975-1976年间，全美排水沟站点收集的204个水体样本中，有8个检测出了咖啡因，浓度范围为1~6 ppb;密歇根湖流域的13个样本中，有4个检测出了咖啡因，浓度范围为1~4 ppb.1976年，在英国的李河和美国的特拉华河的水体样本中也检测出了痕量的咖啡因。
1976-1977年间，威斯康星州的福克斯河下游水体样本中检测出了咖啡因，但没有定量。1979年，荷兰境内的莱因河中，咖啡因浓度为0.1 ppb;日本北九州市地区的河流水体样本中也检测出了咖啡因。在波士顿港湾海水中检测出的咖啡因浓度范围为140~1 600 ng/L,麻省海湾中检测出的浓度范围为5.2~71 ng/L[20].咖啡因的来源似乎与人类活动有关，在波士顿内港海水和入港淡水水源中咖啡因的浓度较高。查尔斯河河水与鹿岛污水处理厂的排水道是进入港口的两大淡水水源，1998年分别含有370和6 700 ng/L的咖啡因。污水的流入和流出浓度似乎与波士顿地区内含咖啡因饮料的估计消耗量一致，也与去除有机碳总目标一致。咖啡因与从波士顿海港口到Stellwagen盆地断面上的盐度反相关，这意味着咖啡因可以作为人类活动向海洋系统输出的一种有用的化学示踪剂。
4 国内外咖啡因的检测方法
在我国，咖啡因的标准检测方法主要有：GB14758-1993、SN/T 0744-1999、GB/T 5009.139-2003、GB/T 19182-2003/ISO 10095:1992,但这些方法都是用于饮料、咖啡、茶叶及其制成品中咖啡因的测定，目前还没有针对水中咖啡因含量的标准检测方法。
美国环保署（EPA）553号方法可以用来测定咖啡因，这是根据萃取-高效液相色谱法进行分析的。用二氯甲烷将有机化合物、被分析物和替代物从1 L水体样本中萃取出来，或是使1 L水体样本通过C18柱或中性聚苯乙烯/聚合二乙烯基苯萃取柱进行液-固萃取。如果使用液-液萃取，被分析物将通过二氯甲烷的蒸发和甲醇的加入（交换溶剂）浓缩在甲醇中。如果使用液-固萃取，被分析物将从萃取盘（柱）中用少量甲醇洗脱出来，通过溶剂蒸发得到浓缩。
使用带有粒子束流（PB）接口的质谱仪（MS）和反相色谱柱，把一部分浓缩的甲醇溶液注入高效液相色谱中，样品的成分就能被分离出来，并且可以定性和定量。通过对测量的化合物质谱与保留时间和数据库中的参考谱图与保留时间进行比较，能够对从高效液相色谱柱中洗脱下来的化合物进行定性。
被测样品的参考质谱和保留时间是通过与测量样品相同条件下测量校准标样得到的。建立被定性的化合物产生的定量离子的质谱图与校准样品（外标）中的相同化合物产生的定量离子的质谱图，即可给这个化合物进行定量。每个样品中的替代物浓度是已知的，通过相同的外标标准曲线进行测量。含有干扰物或有拖尾峰的样品可以选择稀释同位素的方法。
SOURCE MOLECULAR公司用的方法是：所有的样品在分析前都要通过一个0.45-Am玻璃纤维过滤器（华特曼纸）过滤。将每升过滤后的水样转移到一个2 L的分离漏斗中，加入适量的内标物（阿特拉津-d5）。用0.1 M氢氧化钠溶液将样品的pH升高到8~9后，使用液-液萃取法分别用3个50 mL二氯甲烷溶液萃取样品。用水浴和Snyder柱将有机萃取物浓缩到2~5 mL,再用恒流的高纯氮进一步浓缩干燥。然后用1∶1的甲醇/水溶液将样品定容为500 mL,进行液相色谱-质谱联用分析。咖啡因的定量结果是使用高效液相色谱大气压化学电离质谱（HPLC–APCI–MS），在正离子模式下选择离子检测（SIM）得出的。一根用C18固定相（5 Am）填充的Luna液相色谱柱（150 X4.6 mm I.D.）被用来分离色谱。流动相按照程序以1 mL/min的流速从30%甲醇/70%水到100%甲醇的线性梯度中流动。整个分析需要的运行时间是10 min,咖啡因和阿特拉津-d5的洗脱时间分别为3.97和8.83 min.另外，内标物的线性标准曲线由2.5、5、10、25、50、100、200和400 ppb 8个点组成。
