土壤中PAHs 熒光光譜檢測技術(shù)研究進(jìn)展

雷濤，張漢，楊仁杰，董桂梅，楊延榮

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300392）

多環(huán)芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一大類廣泛存在于環(huán)境中的有機(jī)污染物，也是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的化學(xué)致癌物之一[1]。由于其毒性、生物蓄積性和半揮發(fā)性，并能在環(huán)境中持久存在，被列入典型持久性有機(jī)污染物，受到人們的廣泛關(guān)注[2]。隨著化工業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，石油、煤炭等化石燃料以及農(nóng)藥化肥、殺蟲劑的大規(guī)模使用，使得多種有機(jī)污染物被排放到環(huán)境中。土壤作為一種重要的環(huán)境介質(zhì)，承擔(dān)著90%以上的PAHs 環(huán)境負(fù)荷，所以PAHs 對土壤的污染問題尤為突出[3]。由于土壤中PAHs 含量的微量化甚至痕量化，再加上土壤未知干擾成分較多，這為定性和定量檢測分析土壤中的PAHs 帶來重大挑戰(zhàn)[4]。

熒光光譜分析法具有靈敏度高、選擇性好、樣品處理簡單的優(yōu)點(diǎn)，符合目前快速、靈敏、可靠、高效檢測要求的發(fā)展趨勢[5]。將熒光光譜技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法相結(jié)合，以“數(shù)學(xué)分離”代替“化學(xué)分離”，是近十幾年來熒光光譜分析研究的熱點(diǎn)課題之一[6]。該方法在土壤PAHs 檢測中具有無需樣品預(yù)處理、快速、多組分同時分析的優(yōu)勢，且可實(shí)現(xiàn)土壤PAHs 的現(xiàn)場檢測。本文綜述了熒光光譜技術(shù)直接檢測土壤中PAHs 的應(yīng)用研究進(jìn)展，分析其存在的問題并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 土壤中PAHs 熒光檢測方法

1.1 常規(guī)熒光光譜技術(shù)

在常規(guī)的熒光分析中，通常是固定激發(fā)或發(fā)射波長，掃描另一種與熒光強(qiáng)度構(gòu)成的光譜圖，獲得兩種基本類型的光譜，即熒光激發(fā)譜（圖1）和熒光發(fā)射譜（圖2）。激發(fā)光譜即熒光物質(zhì)在不同波長的激發(fā)光作用下測得的某一波長處熒光強(qiáng)度的變化情況；發(fā)射光譜即在某一固定波長的激發(fā)光作用下熒光強(qiáng)度在不同波長處的分布情況。在熒光定量分析時，它們可作為選擇最佳激發(fā)波長和發(fā)射波長的依據(jù)。常規(guī)熒光光譜法適用于測定土壤中單一PAHs 樣品，靈敏度和重復(fù)性較好，但對于多組分PAHs，熒光峰十分接近，彼此嚴(yán)重重疊、不易分辨。

圖1 熒光激發(fā)譜

圖2 熒光發(fā)射譜

1.2 三維熒光光譜技術(shù)

三維熒光光譜描述熒光強(qiáng)度隨激發(fā)和發(fā)射波長變化的關(guān)系，待測物質(zhì)在多種波長激發(fā)光照射下發(fā)射出多組熒光信號，即每一種波長的激發(fā)光對應(yīng)一組熒光信號，將不同波長的激發(fā)光與其對應(yīng)的熒光信號匯集在一起，以等高線或等角三維投影圖（圖3）表現(xiàn)出來。三維熒光光譜是多個二維熒光光譜的匯集，比常規(guī)熒光光譜的信息量更為豐富，更能具體反映出多組分被測物質(zhì)的特征。

圖3 基于激發(fā)-發(fā)射矩陣的三維熒光譜圖

三維熒光光譜技術(shù)具有選擇性和靈敏度較好，能夠較完整地反映出被測物質(zhì)的光譜信息等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境中PAHs 的定性、定量分析。但由于土壤體系的復(fù)雜性、PAHs 污染物的多樣化和微量化，三維熒光光譜技術(shù)無法有效提取土壤中多組分PAHs 相互重疊的特征信息。李愛民等[7]分析了蒽、菲混合樣品的三維熒光光譜，指出菲的熒光特征信息幾乎完全被蒽的熒光強(qiáng)度所覆蓋。黃堯等[8]僅能從混合蒽、芘、菲土壤的三維熒光光譜中識別出芘，很難區(qū)分出蒽和菲。

1.3 二維相關(guān)譜技術(shù)

二維相關(guān)光譜技術(shù)最早于1986 年由NODA提出[9]，NAKASHIMA 等在2000 年率先將二維相關(guān)技術(shù)與熒光光譜法結(jié)合[10]。隨著二維相關(guān)分析技術(shù)的發(fā)展，將二維相關(guān)分析技術(shù)與傳統(tǒng)熒光分析技術(shù)相結(jié)合——二維熒光相關(guān)光譜技術(shù)，可以提高熒光光譜的分辨率，增強(qiáng)譜圖的識別能力，并在一定程度上揭示分子內(nèi)和分子間熒光團(tuán)的相互作用關(guān)系（圖4）。該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的三維熒光譜，前者體現(xiàn)了復(fù)雜體系中不同熒光峰之間的相互作用，而后者只是簡單地將激發(fā)波長和發(fā)射波長作為兩個維度，體現(xiàn)了熒光強(qiáng)度與激發(fā)波長間的依賴關(guān)系[11]。因此二維熒光相關(guān)光譜可提取更多待測物質(zhì)分子熒光團(tuán)的相關(guān)信息，可提供更好的分析結(jié)果，同時適合傳統(tǒng)熒光光譜方法難以滿足的復(fù)雜體系樣品的定性、定量分析[12]。

圖4 同步二維熒光相關(guān)譜

二維熒光相關(guān)光譜屬于正在發(fā)展的一種新技術(shù)，將同步和異步譜結(jié)合，可以明確研究體系中各分子基團(tuán)變化的順序，特別適合研究PAHs 污染物分子在環(huán)境中的演化和遷移規(guī)律、污染物修復(fù)過程中分子之間相互作用機(jī)理等。但二維相關(guān)分析是建立在原始光譜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，原始光譜采集過程中受測量條件、光譜儀器狀態(tài)和周圍溫度等影響，導(dǎo)致原始光譜可能存在不同的噪聲。這些噪聲和儀器所產(chǎn)生的一些虛假的信息嚴(yán)重制約并限制了二維相關(guān)光譜法分析的有效性，甚至分析結(jié)果會出現(xiàn)錯誤。盡管如此，二維熒光相關(guān)光譜技術(shù)在土壤PAHs 特征信息提取和檢測方面仍具有巨大的潛力和廣闊的前景。

1.4 激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)

激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)（Laser induced fluorescence，LIF）是一種基于激光照射樣品，從而激發(fā)出熒光，并根據(jù)其熒光光譜特征和強(qiáng)度進(jìn)行定性、定量分析的方法[13]。與使用傳統(tǒng)激發(fā)光源相比，激光光源亮度高、單色性好、沒有雜散光，因此LIF 技術(shù)具有檢測限低、靈敏度高、樣品處理簡單等優(yōu)點(diǎn)[14]，目前已被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于對土壤、水、大氣等環(huán)境介質(zhì)中多環(huán)芳烴污染物的檢測。LIF 試驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光光源、檢測光路（光譜儀）、光電檢測器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖5 所示。

圖5 LIF 系統(tǒng)示意圖

激光誘導(dǎo)熒光光譜技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)土壤中PAHs 原位在線監(jiān)測快速定性和定量分析的最佳檢測手段之一。該技術(shù)可應(yīng)用于檢測土壤中PAHs含量和空間分布特征，使土壤PAHs 檢測方法達(dá)到規(guī)模化、精準(zhǔn)化、廣泛化的要求，可為各地區(qū)未來城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境整治提供相關(guān)數(shù)據(jù)作為支撐。

2 熒光光譜技術(shù)在直接檢測土壤PAHs 中的應(yīng)用

2.1 土壤中PAHs 特征信息提取

傳統(tǒng)的熒光光譜技術(shù)無法有效提取復(fù)雜土壤體系中相互重疊的PAHs 特征信息，常用的多次采樣求均值法容易使PAHs 光譜存在明顯的測量誤差，導(dǎo)致檢測精度下降。為克服這些局限性，許多學(xué)者提出將熒光光譜技術(shù)與數(shù)學(xué)模型結(jié)合來提取PAHs 的特征光譜信息，進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的定量測定。

黃堯等[15]通過群優(yōu)化參數(shù)尋優(yōu)算法和差分進(jìn)化法對支持向量回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，利用該模型提取了土壤中多組分的蒽和菲特征信息，有效地提高了土壤多組分PAHs 激光誘導(dǎo)熒光定量分析的準(zhǔn)確性。黃堯等[8]將三維熒光光譜與非平滑非負(fù)矩陣分解算法結(jié)合，從混疊光譜中提取出單一PAHs 的熒光光譜信息，實(shí)現(xiàn)對PAHs 多組分的快速識別。

YANG 等[16]利用二維熒光相關(guān)譜技術(shù)，根據(jù)同步譜和異步譜交叉峰的正負(fù)和有無對土壤中菲、蒽相互重疊的熒光信息進(jìn)行了有效解析。圖6a 和6b 分別是其對應(yīng)的同步和異步譜。對于同步譜，依據(jù)未被覆蓋的菲在389 nm 處的熒光與367、409、432、463 nm 處熒光存在正交叉峰，這些峰可能都來自土壤中的菲；與421 nm 處熒光存在負(fù)交叉峰，指出該峰可能來自土壤中的蒽。對于異步譜，可以看到菲在389 nm 處熒光與367、409、432、463 nm 處熒光不存在交叉峰，進(jìn)一步驗(yàn)證了這些峰來自菲；同時上述5 個峰與421 nm 處都存在交叉峰，進(jìn)一步證明了421 nm 峰來自蒽。結(jié)果表明，采用二維熒光相關(guān)譜技術(shù)可以分析提取土壤中菲、蒽混合物熒光特征信息。

圖6 同步（a）和異步（b）二維熒光相關(guān)譜

2.2 土壤中PAHs 定量分析

目前對土壤中PAHs 定量分析常用的方法有氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法等，雖然這些方法需要繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作和復(fù)雜的預(yù)處理，但也無法保證完全提取出土壤中PAHs，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。熒光光譜分析法進(jìn)行定量分析，具有靈敏度高、選擇性好、樣品處理簡單的優(yōu)點(diǎn)，已被直接用于土壤中PAHs 檢測。

BUBLITZ 等[17]采用337 nm 波長的紫外激光，將激光誘導(dǎo)熒光光譜和光纖技術(shù)結(jié)合對土壤中石油類多環(huán)芳烴污染物進(jìn)行檢測，檢測限為5 mg/kg。LEE 等[18]建立了偏最小二乘回歸模型，分析了土壤中菲、芘LIF 熒光強(qiáng)度與土壤基質(zhì)和含水量之間潛在的相關(guān)性，指出LIF 技術(shù)可應(yīng)用于土壤中PAHs 的識別和定量分析。楊仁杰等[19]利用激發(fā)波長為355 nm 的脈沖Nd∶YAG 激光器直接測量了土壤中的蒽，結(jié)果表明波長390 nm 處的LIF 熒光強(qiáng)度與濃度線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.929，指出LIF技術(shù)可用于快速直接對土壤中PAHs 污染物進(jìn)行定量分析。何俊等[20]以芘、蒽、菲的土壤混合樣本為研究對象，以250 nm 為最佳激發(fā)波長，發(fā)現(xiàn)同一物質(zhì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣品熒光強(qiáng)度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.97 以上。李愛民等[7]將三維熒光光譜技術(shù)與多維偏最小二乘（N-PLS）模型結(jié)合對土壤中蒽、菲混合樣品進(jìn)行定量分析，其預(yù)測均方根誤差（RMSEP）分別為8.04× 10-4g/g和5.15×10-4g/g。

楊仁杰等[21]將二維熒光相關(guān)譜與N-PLS 相結(jié)合，建立了直接定量分析土壤中蒽和菲的N-PLS模型，并與三維熒光的分析結(jié)果進(jìn)行對比分析。其結(jié)果如表1 所示，相關(guān)系數(shù)R、校正均方根誤差（RMSEC）和RMSEP都要優(yōu)于三維熒光譜的N-PLS 模型，說明所建立的二維熒光相關(guān)譜的N-PLS 模型能提供更好的預(yù)測結(jié)果。

表1 二維熒光相關(guān)譜與三維熒光N-PLS模型的預(yù)測結(jié)果

2.3 土壤理化性質(zhì)對PAHs 熒光光譜檢測影響

由于土壤理化參數(shù)對PAHs 熒光強(qiáng)度存在嚴(yán)重的影響，這就制約了熒光光譜技術(shù)在檢測土壤PAHs 中的應(yīng)用。圖7a～7d 給出了土壤中PAHs含量一定時，PAHs 熒光強(qiáng)度隨土壤理化參數(shù)的變化?？梢钥吹剑寥赖暮?、類型、粒徑和腐殖酸含量都會影響PAHs 的強(qiáng)度。為了提高熒光光譜技術(shù)檢測土壤中PAHs 的有效性、檢出限和線性相關(guān)性，國內(nèi)外的研究人員開展了相關(guān)的研究，提出各種校正方法，以減小土壤理化參數(shù)對PAHs 熒光強(qiáng)度的影響。

KO 等[22]以菲和芘為研究對象，從含水率和粒徑分布的角度研究不同土壤基質(zhì)條件下PAHs 濃度與LIF 強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，熒光強(qiáng)度隨含水率和含砂量的增加而增大，采用532 nm 波長處漫反射率對LIF 進(jìn)行校正，以減小基體效應(yīng)對PAHs 熒光強(qiáng)度的影響。此外，KO 等[23-24]研究了土壤理化參數(shù)對PAHs 熒光強(qiáng)度影響程度，指出PAHs 在不同的土壤基質(zhì)類型表現(xiàn)出不同的熒光光譜結(jié)構(gòu)。

本課題組在土壤理化性質(zhì)對PAHs 熒光特性影響及校正方法方面也做了系列研究。DONG 等[25]以384 nm 處的熒光強(qiáng)度與5 184 cm-1處的近紅外漫反射吸光度的比值作為校正因子，建立一種減小土壤水分對PAHs 熒光強(qiáng)度影響的校正方法。對校正方法驗(yàn)證結(jié)果如圖8 所示，可以觀察到，相對校正前，校正后的擬合線斜率明顯降低，表明該方法可以減小土壤含水率對PAHs 熒光強(qiáng)度的影響。為進(jìn)一步驗(yàn)證校正方法的有效性，作者對所建立的定量分析土壤中菲校正曲線進(jìn)行外部驗(yàn)證，3 個未知樣品的相對預(yù)測誤差分別由校正前的19.00%、51.00%和40.00%下降到校正后的5.00%、13.00%和0.44%。

為了減小土壤類型對PAHs 熒光強(qiáng)度的影響，LEI 等[26]采用土壤近紅外光譜4 688 cm-1處漫反射率R4688對487 nm 處熒光強(qiáng)度F487進(jìn)行校正：FC487＝F487/exp（R4688×10），圖9 為土壤中PAHs 濃度一定時，校正前后熒光強(qiáng)度與土壤類型之間關(guān)系的線性擬合?？梢钥闯?，校正后擬合線斜率比校正前大為降低。為驗(yàn)證校正方法可行性，對3 個外部苯并[ghi]苝樣品進(jìn)行預(yù)測，相對預(yù)測誤差分別由校正前的36.2%、55.8%和15.1%，下降到校正后的4.50%、18.90%和2.74%，結(jié)果表明此校正方法有效地減小了土壤類型對PAHs 熒光強(qiáng)度的影響。

楊仁杰等[27]以304 nm處散射光對421 nm處蒽熒光曲線進(jìn)行了校正，校正后相關(guān)系數(shù)為0.991和0.992，有效降低了土壤粒徑大小對蒽標(biāo)準(zhǔn)曲線的影響。李曉童等[28]基于紫外-可見漫反射光譜提出并建立一種減小土壤有機(jī)質(zhì)對多環(huán)芳烴熒光影響的校正方法。校正前后熒光強(qiáng)度與菲濃度之間線性擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.897 和0.964，表明所建立的校正方法可以減小土壤有機(jī)質(zhì)對菲熒光強(qiáng)度的影響。

3 展望

從上述國內(nèi)外研究進(jìn)展可以看出，熒光光譜檢測技術(shù)已直接用于土壤中PAHs 污染物的檢測，但仍有以下幾個方面需要完善和提高：（1）進(jìn)一步探究土壤理化參數(shù)對PAHs 熒光特性的影響機(jī)制，探尋有效扣除或校正土壤中腐殖酸、土壤類型、土壤顏色、粒徑分布和含水率等因素對PAHs熒光強(qiáng)度影響的校正方法；（2）土壤中痕量的PAHs 熒光信號微弱，不易被檢測，需開發(fā)高靈敏度的檢測系統(tǒng)，提高熒光激發(fā)效率，增強(qiáng)熒光信號強(qiáng)度；（3）結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法，研究PAHs熒光光譜和土壤基質(zhì)背景光譜分離算法，提取特征信息，實(shí)現(xiàn)土壤復(fù)雜基質(zhì)背景下的定性、定量分析；（4）基于激光誘導(dǎo)熒光光譜檢測技術(shù)可以著重于建立移動式、便攜式原位在線監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用于大規(guī)模PAHs 污染物空間分布調(diào)查，快速提供定性定量分析結(jié)果，對于土壤中PAHs 治理具有現(xiàn)實(shí)意義。