熒光光譜法快速檢測(cè)土壤中菲濃度

張漢，雷濤，楊仁杰，董桂梅

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

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類(lèi)由兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)稠合而成的典型持久性有機(jī)化合物。由于PAHs具有毒性、遺傳毒性、突變性和致癌性[1]，可對(duì)人體造成多種危害，如對(duì)呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)損傷，對(duì)肝臟、腎臟造成損害[2]，因此被認(rèn)為是影響人類(lèi)健康的主要有機(jī)污染物。由于近些年來(lái)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)增多，破壞了其在環(huán)境中的動(dòng)態(tài)平衡，使環(huán)境中的PAHs大量增加。PAHs進(jìn)入大氣后，可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、降塵、降雨和降雪等過(guò)程進(jìn)入土壤中，能夠在土壤中長(zhǎng)期存留，進(jìn)而對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生危害。因此，需要對(duì)土壤中的 PAHs進(jìn)行檢測(cè)，為其修復(fù)提供理論支持。

對(duì)于土壤中 PAHs有多種檢測(cè)方法且都取得了一定成果，如氣相色譜法[3-4]、高效液相色譜法[5-6]、氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)[7-8]等。但這些方法對(duì)樣品的預(yù)處理步驟繁瑣、成本高，且不能保證 PAHs完全從土壤中萃取出來(lái)，因此并不適用于土壤中 PAHs的快速檢測(cè)。熒光檢測(cè)法因靈敏度高，操作簡(jiǎn)單快速，已被廣泛運(yùn)用于土壤中 PAHs的檢測(cè)[9-11]。REUBEN等綜述了土壤中PAHs的檢測(cè)方法，認(rèn)為：相對(duì)于其他檢測(cè)方法，熒光光譜方法在便捷性和經(jīng)濟(jì)性方面更有優(yōu)勢(shì)[12]。在國(guó)內(nèi)，對(duì)于土壤中 PAHs熒光直接快速檢測(cè)研究較少。何俊等搭建了激光誘導(dǎo)熒光光學(xué)系統(tǒng)，直接對(duì)土壤中蒽進(jìn)行激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蒽與熒光強(qiáng)度具有線(xiàn)性關(guān)系[13]。李?lèi)?ài)民等采用三維熒光光譜技術(shù)同時(shí)定量土壤中的蒽和菲，指出三維熒光結(jié)合多維化學(xué)計(jì)量學(xué)快速評(píng)估土壤中 PAHs是可行的[14]。本課題組也開(kāi)展了相關(guān)的研究，以土壤粒徑大小和含水率為外擾，構(gòu)建了二維相關(guān)熒光譜，研究了土壤粒徑和含水率對(duì) PAHs熒光特性的影響，提出了一種基于近紅外漫反射光譜對(duì)熒光光譜進(jìn)行校正的方法，以減小土壤理化屬性對(duì)PAHs熒光強(qiáng)度的影響[15-17]。本研究以土壤中菲為研究對(duì)象，直接采集其熒光光譜，建立了直接定量分析土壤中菲濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。該研究為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)熒光現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)土壤中PAHs提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)于土壤中有機(jī)污染物監(jiān)控和修復(fù)，以及土壤的可持續(xù)發(fā)展都有重要意義。

1 材料與方法

1.1 儀器和分析條件

試驗(yàn)所用的設(shè)備為美國(guó) Perkin Elmer公司生產(chǎn)的熒光分光光度計(jì)，型號(hào)為 LS-55。對(duì)于樣品的熒光光譜掃描參數(shù)是：激發(fā)波長(zhǎng)325 nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為375～493 nm，入射狹縫寬度14 nm，出射狹縫寬度13 nm，掃描速度1 200 nm/min，電壓650 V。

1.2 試劑和樣品處理

試驗(yàn)所用土壤皆采自天津農(nóng)學(xué)院校園，處理方法包括烘干、研磨和過(guò)120目篩網(wǎng)。所用多環(huán)芳烴菲（分析純）由Accu Standard公司提供。首先稱(chēng)取一定量的菲，然后按預(yù)設(shè)濃度稱(chēng)取所需的土壤，利用研缽充分研磨使其均勻混合。配制10個(gè)菲土壤樣品，其濃度范圍為 3.0～7.5 mg/g，梯度為0.5 mg/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 菲土壤一維熒光光譜特性

首先對(duì)濃度為5.0 mg/g的菲土壤樣品進(jìn)行熒光掃描。圖1為最佳激發(fā)波長(zhǎng)325 nm激發(fā)下，菲土壤樣品在375～493 nm范圍的熒光光譜?？梢杂^察到在409 nm處存在一個(gè)很強(qiáng)的特征熒光峰，該峰來(lái)自土壤中的菲；在485 nm處存在一個(gè)中強(qiáng)度峰；在430 nm處存在一個(gè)肩峰。圖2給出了土壤中菲熒光強(qiáng)度隨其濃度變化的一維動(dòng)態(tài)熒光譜。可以觀察到，隨著土壤中菲濃度的增加，其熒光光譜在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都向上偏移，表明隨著菲濃度的增加其熒光強(qiáng)度也在增加。

圖1 菲（5 mg·g-1）在土壤中的熒光光譜圖

圖2 不同濃度菲土壤樣品的熒光光譜圖

2.2 菲土壤二維相關(guān)熒光光譜特性

為進(jìn)一步明確各峰的來(lái)源，以平均譜為參考譜，對(duì)圖2隨土壤菲濃度變化的一維動(dòng)態(tài)熒光譜進(jìn)行同步和異步二維相關(guān)熒光譜計(jì)算。圖3a和3b分別是其同步二維相關(guān)譜和自相關(guān)譜?？梢杂^察到，在主對(duì)角線(xiàn)409和430 nm處存在強(qiáng)的自相關(guān)峰，且409 nm處自相關(guān)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于430 nm處自相關(guān)強(qiáng)度，表明409 nm處熒光強(qiáng)度對(duì)外擾菲濃度變化更為敏感；而在一維譜中485 nm處的熒光峰，在此處并未出現(xiàn)，表明該峰強(qiáng)度對(duì)外擾菲濃度變化不敏感。同步相關(guān)譜交叉峰表征的是研究體系隨土壤中菲濃度增大變化的相似性信息，若兩個(gè)熒光峰來(lái)源相同，則其峰強(qiáng)同方向變化，即交叉峰為正。從圖3a可以觀察到，在（409，430）nm處存在正交叉峰，表明兩個(gè)峰強(qiáng)度都隨著土壤中菲濃度的增大而增大，其來(lái)源可能相同，都來(lái)自土壤中的菲。

圖3 土壤樣品的同步二維相關(guān)熒光譜（a），自相關(guān)譜（b）

圖4a和4b分別是異步二維相關(guān)熒光譜和在409 nm處的切譜。異步譜不存在自相關(guān)譜，其交叉峰表征的是研究體系隨土壤中菲濃度增大變化的差異性信息。兩個(gè)峰同方向變化，若變化速率不同，則兩個(gè)峰位置處存在交叉峰，表明兩峰來(lái)源可能不同；若變化速率相同，則不存在交叉峰，表明兩峰來(lái)源相同。從圖4a可以看到，在（409，430）nm處沒(méi)有交叉峰出現(xiàn)，進(jìn)一步確認(rèn)2個(gè)熒光峰來(lái)源同一物質(zhì)，即土壤中的菲；而在（409，485）nm處存在交叉峰，表明485和409 nm處的熒光峰來(lái)源不同，即485 nm處熒光峰來(lái)自于土壤本身。

2.3 土壤中菲濃度的定量分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，基于土壤中菲在 409和430 nm處熒光強(qiáng)度與其濃度之間的關(guān)系，建立定量分析土壤中菲濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。表1是不同濃度菲土壤樣品在409和430 nm處的熒光強(qiáng)度值。圖5是409和430 nm處熒光強(qiáng)度與土壤中菲濃度之間的線(xiàn)性擬合圖，從圖5可以看出，熒光強(qiáng)度與土壤中菲濃度具有較好的線(xiàn)性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.98和0.99，這說(shuō)明通過(guò)熒光光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)土壤中菲的直接測(cè)量。

表1 不同濃度菲土壤樣品在409和430 nm處的熒光強(qiáng)度

為了驗(yàn)證熒光光譜法直接檢測(cè)土壤中菲濃度的可行性，選取10個(gè)樣品中的7個(gè)（樣品濃度分別為 3.0、3.5、4.0、5.0、6.0、7.0 和 7.5 mg/g），基于409 nm處熒光強(qiáng)度F409與菲濃度C建立定量分析標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，其擬合方程為：

將剩余 3個(gè)樣品的熒光強(qiáng)度分別帶入式（1）中，得到對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)濃度（見(jiàn)表2），其預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差為1.69%。

同理，基于430 nm處熒光強(qiáng)度F430與菲濃度C建立一個(gè)新的定量分析標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，其擬合方程為：

將剩余 3個(gè)樣品的熒光強(qiáng)度分別帶入式（2）中，得到預(yù)測(cè)濃度（見(jiàn)表2）?？梢钥吹?，對(duì)于菲濃度為4.5 mg/g的土壤樣品，其預(yù)測(cè)誤差為14.4%，偏大，其原因是該樣品在430 nm處熒光強(qiáng)度正偏離擬合線(xiàn)（圖5）?；?30 nm處熒光強(qiáng)度所建標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)對(duì)3個(gè)未知土壤中菲濃度預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差為1.69%。

表2 409和430 nm處熒光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)對(duì)未知土壤樣品中菲濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果

從上分析結(jié)果可以看出，基于409 nm處熒光強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)定量分析結(jié)果要優(yōu)于430 nm，這與前述409 nm處熒光強(qiáng)度對(duì)菲濃度變化更敏感結(jié)論相一致，因此409 nm處的熒光強(qiáng)度更能準(zhǔn)確對(duì)土壤中的菲濃度進(jìn)行定量分析。

3 結(jié)論

本文在研究土壤中菲一維和二維相關(guān)熒光譜特性的基礎(chǔ)上，對(duì)菲的特征峰進(jìn)行了確認(rèn)?；诜铺卣鳠晒夥鍙?qiáng)度與菲濃度建立定量分析土壤菲濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，并對(duì)未知樣品進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得較好的分析結(jié)果。研究結(jié)果表明：熒光光譜技術(shù)快速檢測(cè)土壤中的 PAHs污染物是可行性的。本文結(jié)果為下一步開(kāi)展土壤中 PAHs的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)的研究提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。