荧光光谱法快速检测土壤中菲浓度

张汉，雷涛，杨仁杰，董桂梅

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

多环芳烃（PAHs）是一类由两个或两个以上苯环稠合而成的典型持久性有机化合物。由于PAHs具有毒性、遗传毒性、突变性和致癌性[1]，可对人体造成多种危害，如对呼吸系统、神经系统损伤，对肝脏、肾脏造成损害[2]，因此被认为是影响人类健康的主要有机污染物。由于近些年来人类生产活动增多，破坏了其在环境中的动态平衡，使环境中的PAHs大量增加。PAHs进入大气后，可通过化学反应、降尘、降雨和降雪等过程进入土壤中，能够在土壤中长期存留，进而对人类健康产生危害。因此，需要对土壤中的 PAHs进行检测，为其修复提供理论支持。

对于土壤中 PAHs有多种检测方法且都取得了一定成果，如气相色谱法[3-4]、高效液相色谱法[5-6]、气质联用技术[7-8]等。但这些方法对样品的预处理步骤繁琐、成本高，且不能保证 PAHs完全从土壤中萃取出来，因此并不适用于土壤中 PAHs的快速检测。荧光检测法因灵敏度高，操作简单快速，已被广泛运用于土壤中 PAHs的检测[9-11]。REUBEN等综述了土壤中PAHs的检测方法，认为：相对于其他检测方法，荧光光谱方法在便捷性和经济性方面更有优势[12]。在国内，对于土壤中 PAHs荧光直接快速检测研究较少。何俊等搭建了激光诱导荧光光学系统，直接对土壤中蒽进行激光诱导荧光检测，发现不同质量分数蒽与荧光强度具有线性关系[13]。李爱民等采用三维荧光光谱技术同时定量土壤中的蒽和菲，指出三维荧光结合多维化学计量学快速评估土壤中 PAHs是可行的[14]。本课题组也开展了相关的研究，以土壤粒径大小和含水率为外扰，构建了二维相关荧光谱，研究了土壤粒径和含水率对 PAHs荧光特性的影响，提出了一种基于近红外漫反射光谱对荧光光谱进行校正的方法，以减小土壤理化属性对PAHs荧光强度的影响[15-17]。本研究以土壤中菲为研究对象，直接采集其荧光光谱，建立了直接定量分析土壤中菲浓度的标准曲线。该研究为进一步实现激光诱导荧光现场实时快速检测土壤中PAHs提供理论和试验基础，对于土壤中有机污染物监控和修复，以及土壤的可持续发展都有重要意义。

1 材料与方法

1.1 仪器和分析条件

试验所用的设备为美国 Perkin Elmer公司生产的荧光分光光度计，型号为 LS-55。对于样品的荧光光谱扫描参数是：激发波长325 nm，发射波长范围为375～493 nm，入射狭缝宽度14 nm，出射狭缝宽度13 nm，扫描速度1 200 nm/min，电压650 V。

1.2 试剂和样品处理

试验所用土壤皆采自天津农学院校园，处理方法包括烘干、研磨和过120目筛网。所用多环芳烃菲（分析纯）由Accu Standard公司提供。首先称取一定量的菲，然后按预设浓度称取所需的土壤，利用研钵充分研磨使其均匀混合。配制10个菲土壤样品，其浓度范围为 3.0～7.5 mg/g，梯度为0.5 mg/g。

2 结果与分析

2.1 菲土壤一维荧光光谱特性

首先对浓度为5.0 mg/g的菲土壤样品进行荧光扫描。图1为最佳激发波长325 nm激发下，菲土壤样品在375～493 nm范围的荧光光谱。可以观察到在409 nm处存在一个很强的特征荧光峰，该峰来自土壤中的菲；在485 nm处存在一个中强度峰；在430 nm处存在一个肩峰。图2给出了土壤中菲荧光强度随其浓度变化的一维动态荧光谱。可以观察到，随着土壤中菲浓度的增加，其荧光光谱在整个波长范围内都向上偏移，表明随着菲浓度的增加其荧光强度也在增加。

图1 菲（5 mg·g-1）在土壤中的荧光光谱图

图2 不同浓度菲土壤样品的荧光光谱图

2.2 菲土壤二维相关荧光光谱特性

为进一步明确各峰的来源，以平均谱为参考谱，对图2随土壤菲浓度变化的一维动态荧光谱进行同步和异步二维相关荧光谱计算。图3a和3b分别是其同步二维相关谱和自相关谱。可以观察到，在主对角线409和430 nm处存在强的自相关峰，且409 nm处自相关强度远大于430 nm处自相关强度，表明409 nm处荧光强度对外扰菲浓度变化更为敏感；而在一维谱中485 nm处的荧光峰，在此处并未出现，表明该峰强度对外扰菲浓度变化不敏感。同步相关谱交叉峰表征的是研究体系随土壤中菲浓度增大变化的相似性信息，若两个荧光峰来源相同，则其峰强同方向变化，即交叉峰为正。从图3a可以观察到，在（409，430）nm处存在正交叉峰，表明两个峰强度都随着土壤中菲浓度的增大而增大，其来源可能相同，都来自土壤中的菲。

图3 土壤样品的同步二维相关荧光谱（a），自相关谱（b）

图4a和4b分别是异步二维相关荧光谱和在409 nm处的切谱。异步谱不存在自相关谱，其交叉峰表征的是研究体系随土壤中菲浓度增大变化的差异性信息。两个峰同方向变化，若变化速率不同，则两个峰位置处存在交叉峰，表明两峰来源可能不同；若变化速率相同，则不存在交叉峰，表明两峰来源相同。从图4a可以看到，在（409，430）nm处没有交叉峰出现，进一步确认2个荧光峰来源同一物质，即土壤中的菲；而在（409，485）nm处存在交叉峰，表明485和409 nm处的荧光峰来源不同，即485 nm处荧光峰来自于土壤本身。

2.3 土壤中菲浓度的定量分析

在上述分析的基础上，基于土壤中菲在 409和430 nm处荧光强度与其浓度之间的关系，建立定量分析土壤中菲浓度的标准曲线。表1是不同浓度菲土壤样品在409和430 nm处的荧光强度值。图5是409和430 nm处荧光强度与土壤中菲浓度之间的线性拟合图，从图5可以看出，荧光强度与土壤中菲浓度具有较好的线性关系，其相关系数分别为0.98和0.99，这说明通过荧光光谱技术可以实现土壤中菲的直接测量。

表1 不同浓度菲土壤样品在409和430 nm处的荧光强度

为了验证荧光光谱法直接检测土壤中菲浓度的可行性，选取10个样品中的7个（样品浓度分别为 3.0、3.5、4.0、5.0、6.0、7.0 和 7.5 mg/g），基于409 nm处荧光强度F409与菲浓度C建立定量分析标准曲线，其拟合方程为：

将剩余 3个样品的荧光强度分别带入式（1）中，得到对应的预测浓度（见表2），其预测平均相对误差为1.69%。

同理，基于430 nm处荧光强度F430与菲浓度C建立一个新的定量分析标准曲线，其拟合方程为：

将剩余 3个样品的荧光强度分别带入式（2）中，得到预测浓度（见表2）。可以看到，对于菲浓度为4.5 mg/g的土壤样品，其预测误差为14.4%，偏大，其原因是该样品在430 nm处荧光强度正偏离拟合线（图5）。基于430 nm处荧光强度所建标准曲线对3个未知土壤中菲浓度预测的平均相对误差为1.69%。

表2 409和430 nm处荧光强度标准曲线对未知土壤样品中菲浓度的预测结果

从上分析结果可以看出，基于409 nm处荧光强度的标准曲线定量分析结果要优于430 nm，这与前述409 nm处荧光强度对菲浓度变化更敏感结论相一致，因此409 nm处的荧光强度更能准确对土壤中的菲浓度进行定量分析。

3 结论

本文在研究土壤中菲一维和二维相关荧光谱特性的基础上，对菲的特征峰进行了确认。基于菲特征荧光峰强度与菲浓度建立定量分析土壤菲浓度的标准曲线，并对未知样品进行预测，取得较好的分析结果。研究结果表明：荧光光谱技术快速检测土壤中的 PAHs污染物是可行性的。本文结果为下一步开展土壤中 PAHs的激光诱导荧光检测的研究提供理论和试验基础。