土壤中機(jī)油激光誘導(dǎo)熒光信號(hào)隨激發(fā)光能量變化的特性研究

左兆陸，趙南京，孟德碩，黃 堯，殷高方，馬明俊，劉建國(guó)

1. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026 3. 安徽省環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031

引 言

激光誘導(dǎo)熒光光譜(laser induced fluorescence, LIF)是由經(jīng)典光譜技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種有機(jī)物檢測(cè)技術(shù)[1]。石油的勘探開(kāi)發(fā)遍布我國(guó)各地區(qū), 其產(chǎn)品的應(yīng)用與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活密不可分。石油及石油制品在使用過(guò)程中會(huì)泄漏到土壤中不斷累積，破壞生態(tài)環(huán)境[2-3]。油膜覆蓋農(nóng)田還會(huì)使水溫和地溫升高, 影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)[3-5]。因此, 研究快速檢測(cè)場(chǎng)地石油烴的方法，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

相對(duì)于傳統(tǒng)有機(jī)物檢測(cè)分析技術(shù)，如高效液相色譜、紫外-可見(jiàn)光分光光度法、重量法等，LIF技術(shù)具有快速、靈敏、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、食品安全、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、及航空探測(cè)等不同領(lǐng)域[6-7]。Bublitz等應(yīng)用LIF技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)土壤中固態(tài)多環(huán)芳烴和石油類污染物進(jìn)行了定量測(cè)量，驗(yàn)證了基于LIF技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤中多環(huán)芳烴定量檢測(cè)的可行性。L?hmannsr?ben等利用LIF技術(shù)對(duì)土壤表層中的有機(jī)污染物進(jìn)行了原位定量測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，測(cè)量效果良好[8]。天津農(nóng)學(xué)院的楊仁杰等研究了土壤顆粒大小對(duì)蒽熒光特性的影響及校正驗(yàn)證了LIF技術(shù)快速檢測(cè)土壤中蒽、芘、菲等多環(huán)芳烴的可行性[9]。吳維興等應(yīng)用LIF，采集了各地14處土壤，對(duì)各土壤樣品中的多環(huán)芳烴進(jìn)行快速定量檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)出了多環(huán)芳烴在部分區(qū)域的分布狀況[10]。綜上，LIF已經(jīng)應(yīng)用在土壤有機(jī)物的檢測(cè)中, 對(duì)其測(cè)量的條件也有相關(guān)研究，但對(duì)于石油烴的激光誘導(dǎo)熒光信號(hào)隨激發(fā)光能量變化的特性研究沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

我們?cè)诩す夤庠床ㄩL(zhǎng)不變的情況下，改變直射到土壤樣品上的激光脈沖能量(即改變土壤樣品表面接受激光的能量密度)，研究了土壤中機(jī)油熒光信號(hào)隨激發(fā)光能量改變而變化的特性，為L(zhǎng)IF應(yīng)用于土壤石油烴有機(jī)物檢測(cè)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)所采用的激光器為法國(guó)Quantel公司的Q850型Nd∶YAG激光器，波長(zhǎng)為266 nm，最佳工作頻率為10 Hz，單脈沖初始能量為86.21 mJ。光譜儀選用的是美國(guó)Ocean Optics公司的Maya-2000pro型光纖光譜儀，光譜探測(cè)范圍是200～1 000 nm，分辨率是1.5 nm。制備樣品時(shí)，所用土壤采自合肥市科學(xué)島董鋪水庫(kù)附近，經(jīng)烘干、100目過(guò)篩、研磨等步驟后，去除了土壤中大顆粒石子，使土質(zhì)干燥細(xì)膩。機(jī)油選取嘉實(shí)VNP多發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油。土壤經(jīng)天平稱重，與機(jī)油混合，攪拌，搖勻，成為機(jī)油濃度為0.5%～6%的土壤樣品。改變照射到土壤樣品表面的能量，會(huì)改變土壤樣品表面受激發(fā)的能量密度。計(jì)算照射到土壤表面的光斑面積約為4.72 cm2。實(shí)驗(yàn)中激光脈沖能量和土壤表面接受激光能量密度如表1所示。激光脈沖頻率為10 Hz，光譜儀積分時(shí)間1 s。

表1 激光脈沖能量和能量密度Table 1 Laser pulse energy and energy density

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤熒光隨266 nm激光脈沖能量變化的特性研究

因?yàn)長(zhǎng)IF實(shí)驗(yàn)中純土壤背景也會(huì)產(chǎn)生熒光，影響土壤中機(jī)油的定量分析。因此首先分析了266 nm激光脈沖能量的變化對(duì)土壤熒光的影響。分別在9種不同能量的激光脈沖激發(fā)下得到純土壤的熒光光譜，如圖1所示。

從圖1可以看出，純土壤的主峰位置在370 nm附近，在不同激光脈沖能量下，熒光強(qiáng)度差別較大，熒光強(qiáng)度隨激光脈沖能量的增加而增強(qiáng)，但在9種激光能量下，純土壤的熒光光譜的主峰位置沒(méi)有變化。為探求激光脈沖能量變化對(duì)土壤熒光強(qiáng)度變化的影響，對(duì)脈沖能量與370 nm處的熒光強(qiáng)度進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖1 純土壤樣的熒光光譜

圖2 土壤熒光強(qiáng)度與能量密度的擬合曲線

Fig.2Thefittingcurveofthesoilcharacteristicpeakfluorescenceintensitywiththelaserpulseenergy

在圖2中，從土壤熒光強(qiáng)度與能量密度的擬合曲線可以看出，土壤熒光強(qiáng)度隨激光能量密度的增大而增強(qiáng)。但當(dāng)激光能量密度增大到一定程度后，土壤的熒光強(qiáng)度雖然還在增強(qiáng)，但是增幅減弱，即當(dāng)激光能量密度從0.82 mJ·cm-2增加到1.54 mJ·cm-2，土壤的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)了91.89%。當(dāng)激光能量密度從4.39 mJ·cm-2增加到6.96 mJ·cm-2，土壤的熒光強(qiáng)度增幅僅為1.79%，這是因?yàn)橥寥乐袉挝幻娣e的有機(jī)物含量有限，部分有機(jī)質(zhì)已經(jīng)被光解。激光能量密度在2.0～3.5 mJ·cm-2區(qū)間，土壤熒光與激光能量密度具有良好的線性關(guān)系。

2.2 土壤中機(jī)油熒光隨266 nm激光脈沖能量變化對(duì)的特性研究

分析土壤中機(jī)油的光譜時(shí)需要將土壤背景去除。采集所有含有不同濃度機(jī)油的土壤樣品熒光光譜，去除純土壤背景的光光譜得到土壤中純油的熒光光譜。在2.40 mJ·cm-2激光能量密度下，濃度為0.5%的機(jī)油在去除背景熒光前后的對(duì)比如圖3所示。

圖3 純機(jī)油光譜和沒(méi)有祛除土壤背景的熒光光譜

圖3顯示純機(jī)油的主要光譜特征信息在300～500 nm波段，在此波段內(nèi)土壤熒光與純機(jī)油的熒光光譜疊加在一起改變了光譜的形狀。在379.3 nm的主峰處純機(jī)油的熒光強(qiáng)度為928.33，疊加土壤熒光光譜后，熒光強(qiáng)度增加為1 986.64，增幅為114.53%，說(shuō)明純土壤熒光較強(qiáng)。分別在9種激光能量密度下采集濃度為0.5%的機(jī)油樣品的光譜，并減去對(duì)應(yīng)的純土壤熒光光譜，得到9種激光能量密度下的熒光光譜，如圖4所示。

圖4 土壤中機(jī)油在不同激光能量密度下的光譜

從圖4中可以看出，在不同能量密度的激光脈沖激發(fā)下，純機(jī)油主峰的峰形與位置均沒(méi)有改變。機(jī)油在土壤中的濃度越高，熒光強(qiáng)度越強(qiáng)，特征峰也更清晰。在9種激光脈沖能量條件下，對(duì)同一機(jī)油濃度而言，熒光強(qiáng)度隨激光脈沖能量的增強(qiáng)而增強(qiáng)，但是熒光強(qiáng)度增加的幅度卻是由大變小，以機(jī)油濃度為0.5%的土壤樣品為例，在9種激光脈沖能量條件下, 將主峰熒光強(qiáng)度與激光能量擬合，擬合曲線結(jié)果如圖5所示。

圖5中，從純機(jī)油熒光強(qiáng)度與能量密度的擬合曲線的變化趨勢(shì)可以看出，純機(jī)油熒光強(qiáng)度隨激光能量密度的增大而增強(qiáng)。當(dāng)激光能量密度從0.82 mJ·cm-2增加到1.54 mJ·cm-2, 機(jī)油熒光強(qiáng)度增幅約為89.8%。當(dāng)激光能量密度從4.39 mJ·cm-2增加到6.96 mJ·cm-2，純機(jī)油的熒光強(qiáng)度增幅僅為1.64%。分析原因是土壤中部分機(jī)油已經(jīng)被光解，被激發(fā)出的熒光趨于飽和。這一點(diǎn)同2.2土壤熒光強(qiáng)度隨能量密度增強(qiáng)的變化趨勢(shì)是一致的。因此，可以說(shuō)明在不改變LIF系統(tǒng)中其他實(shí)驗(yàn)條件的前提下，在一定范圍內(nèi)提升激光脈沖能量會(huì)使土壤中有機(jī)質(zhì)熒光提升，當(dāng)超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，對(duì)提升土壤樣品熒光強(qiáng)度并不顯著。當(dāng)激光能量密度在2.0～4.0 mJ·cm-2區(qū)間，機(jī)油熒光與激光能量密度也具有良好的線性關(guān)系，在此激光能量密度范圍內(nèi)，機(jī)油中的熒光物質(zhì)被有效激發(fā)，測(cè)量分析土壤中機(jī)油較為適宜。

圖5 純機(jī)油熒光光譜的主峰熒光強(qiáng)度與激光能量擬合曲線

用394.2 nm主峰的熒光強(qiáng)度與樣品中實(shí)際的機(jī)油濃度做擬合線性函數(shù)，以0.82和6.96 mJ·cm-2為例擬合直線圖如圖6所示。

從圖6可以看出，各樣品中機(jī)油的熒光強(qiáng)度隨機(jī)油的濃度增加而增加。在不同的激光能量密度下，機(jī)油濃度熒光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度成正線性關(guān)系，0.82 mJ·cm-2激光能量密度下線性相關(guān)系數(shù)r值為0.989，6.96 mJ·cm-2激光能量密度下線性相關(guān)系數(shù)r值為0.991，均具有良好的線性關(guān)系。

通過(guò)計(jì)算樣品實(shí)際濃度與擬合直線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平均相對(duì)誤差和各種激光脈沖能量密度下的檢測(cè)限來(lái)進(jìn)一步求證最佳激光脈沖能量。計(jì)算不同能量密度下機(jī)油測(cè)量的平均相對(duì)誤差和檢測(cè)限如表2所示。其中，檢測(cè)限是根據(jù)《分析術(shù)語(yǔ)綱要》中給予的計(jì)算方法計(jì)算的。

從表2可以知道，隨著激光能量密度的減小，測(cè)量的平均相對(duì)誤差先減小后增大，檢測(cè)限隨激光脈沖能量密度的增加而減小，減小幅度逐漸減緩。分析其原因是，當(dāng)激光能量密度小于一定范圍時(shí)，信號(hào)的信噪比隨之減小，因此測(cè)量的平均相對(duì)誤差逐漸增大；當(dāng)激光能量密度大于一定范圍時(shí)，雖然信號(hào)的信噪比隨之增大，已經(jīng)逐漸超出系統(tǒng)最佳的測(cè)量范圍，所以測(cè)量的平均相對(duì)誤差逐漸增大。在2.41～3.81 mJ·cm-2激光能量密度范圍內(nèi)，測(cè)量土壤中機(jī)油的平均相對(duì)誤差較小，在2.5%以內(nèi)，這與所前面分析的在2.0～4.0 mJ·cm-2激光能量密度范圍內(nèi)，機(jī)油的熒光強(qiáng)度與激光能量密度線性度良好相一致。因此兼顧系統(tǒng)的平均誤差和檢測(cè)限選擇合適的激光跑量范圍。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選擇2.4～4.0 mJ·cm-2范圍激光脈沖能量條件對(duì)土壤中機(jī)油進(jìn)行定量分析合適，對(duì)應(yīng)的激光能量范圍約為11.33～18.88 mJ，檢測(cè)限范圍大約在200～300 mg·kg-1區(qū)間，能滿足機(jī)油精煉廠、部分機(jī)械修配廠等附近被機(jī)油污染的表層土壤的機(jī)油濃度的測(cè)量。也可擴(kuò)展到其他常見(jiàn)石油烴有機(jī)物，如柴油，潤(rùn)滑油等，因?yàn)檫@些常用石油制品均為石油精煉油，含有多種多環(huán)芳烴，且部分組分一致。

圖6 機(jī)油熒光強(qiáng)度與機(jī)油濃度的線性關(guān)系

Fig.6Thelinearrelationshipbetweenfluorescenceintensityandconcentrationsofmachineoil

表2不同激光能量密度下機(jī)油濃度測(cè)量的平均相對(duì)誤差和檢測(cè)限

Table2Averagerelativeerroranddetectionlimitofoilconcentrationmeasurementunderdifferentlaserenergydensities

能量密度/(mJ·cm-2)平均相對(duì)誤差/%檢測(cè)限/(mg·kg-1)6.964.79144.535.313.10148.504.392.95153.883.812.31160.543.121.92202.732.941.31232.032.411.22300.161.543.62618.750.825.011 164.71

3 結(jié) 論

基于LIF研究了隨激光脈沖能量變化，土壤中機(jī)油熒光強(qiáng)度的特性，發(fā)現(xiàn)純土壤和土壤中機(jī)油的熒光強(qiáng)度都隨激光脈沖能量密度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，增加的幅度由大變小。更強(qiáng)的激光能量激發(fā)土壤中更多的有機(jī)物產(chǎn)生熒光，導(dǎo)致更多有機(jī)質(zhì)已經(jīng)被光解，熒光飽和。在一定激光能量密度范圍內(nèi)，機(jī)油的熒光與激光能量密度具有良好的線性關(guān)系，測(cè)量的平均相對(duì)誤差也較小，此時(shí)機(jī)油中的熒光物質(zhì)被有效激發(fā)，定量分析土壤中機(jī)油較為適宜。改變激光能量密度會(huì)改變系統(tǒng)測(cè)量機(jī)油的檢測(cè)限。因此，激光脈沖能量的選擇要兼顧系統(tǒng)測(cè)量石油烴有機(jī)物的平均相對(duì)誤差和檢測(cè)限。本工作為L(zhǎng)IF系統(tǒng)測(cè)量被石油烴嚴(yán)重污染的場(chǎng)地中石油烴有機(jī)物時(shí)，較優(yōu)激光能量選擇提供了參考。