光譜法結(jié)合化學計量學對土壤中多環(huán)芳烴的定量檢測技術(shù)研究進展

安端陽，劉向前，張卓昆

（西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710065）

土壤由巖石風化而成的礦物質(zhì)、動植物、微生物殘體腐解產(chǎn)生的有機質(zhì)、土壤生物（固相物質(zhì)）以及水分（液相物質(zhì)）、空氣（氣相物質(zhì)）、氧化的腐殖質(zhì)等組成，土壤中固、液、氣相這三類物質(zhì)構(gòu)成了一個矛盾的統(tǒng)一體，其互相聯(lián)系、互相制約，為作物提供必需的生活條件，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)。21 世紀以來，土壤與人類健康之間的關(guān)系受到了越來越多的關(guān)注,土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對人類健康至關(guān)重要[1-2]。土壤可以直接或間接地影響人類健康，直接影響包括為人類食用的作物生長提供足夠數(shù)量的營養(yǎng)；間接影響包括從土壤中發(fā)現(xiàn)和開發(fā)抗生素和其他藥物等[3]。研究表明，世界近一半的土地受到自然或人為污染的影響，不利的土壤條件是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力面臨的最嚴重威脅之一[4]。

多環(huán)芳烴（PAHS）是指含有兩個或兩個以上苯環(huán)通過直線狀、角狀或簇狀3 種形式排列構(gòu)成的一類稠環(huán)化合物，主要由人為來源產(chǎn)生，例如化石燃料的燃燒、車輛尾氣的排放、石油泄漏、工業(yè)加工等[5-7]。經(jīng)濟的不斷發(fā)展導致能源消耗日益劇增，從而多環(huán)芳烴的排放量不斷增加。多環(huán)芳烴具有毒性、致癌性、致畸性，研究表明，2～3 個環(huán)的低分子量多環(huán)芳烴化合物具有急性毒性，由4～7 個環(huán)組成的高分子量多環(huán)芳烴具有致癌、致畸、致突變的特性[8-10]。美國環(huán)境保護署（U.S.Environmental Protection Agency）將16 種多環(huán)芳烴列為優(yōu)先控制污染物[11-12]。多環(huán)芳烴可以通過大氣和水進行遷移，蔬菜、糧食、水體中均含有多環(huán)芳烴，其可以通過食物鏈在人體內(nèi)富集，對人類健康構(gòu)成極大威脅[13-16]。多環(huán)芳烴的疏水性使其容易與土壤中的有機物相互作用從而吸附在土壤里，在室外人們接觸多環(huán)芳烴的途徑大多也是土壤，因此對土壤中多環(huán)芳烴的定量研究十分必要[17-18]。表1 列出了美國環(huán)境保護署提出的需要優(yōu)先控制污染的16 種多環(huán)芳烴，從表中可以看出，2～6 個環(huán)的多環(huán)芳烴是目前需要控制污染的主要部分。

表1 16 種需要優(yōu)先控制污染的多環(huán)芳烴

1 多環(huán)芳烴分析技術(shù)及化學計量學介紹

多年來，分析多環(huán)芳烴的技術(shù)大致可以分為光譜技術(shù)和非光譜技術(shù)兩類，其中非光譜技術(shù)包括氣相色譜法（GC）[19]、質(zhì)譜法（MS）[20]、氣質(zhì)聯(lián)用法（GC-MS）[21]、高效液相色譜法（HPLC）[22]等；光譜技術(shù)包括紅外光譜法（IR）、拉曼光譜法（Raman）、熒光光譜法（FS）。非光譜技術(shù)雖然有著高準確度和高靈敏度，但是樣品的前處理過程十分復雜，而且所用儀器和日常維護價格高，這些都不利于多環(huán)芳烴的快速檢測[23]。光譜分析技術(shù)精度高、對樣本無污染、分析速度快，比非光譜技術(shù)更加省時有效。

光譜法得到的結(jié)果包含大量冗雜無關(guān)的信息，經(jīng)常會與化學計量學方法結(jié)合以進行目標信息的提取?；瘜W計量學又稱化學統(tǒng)計學，是數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學與化學結(jié)合而形成的化學分支學科，研究對象是有關(guān)化學測量的基礎(chǔ)理論和方法學。化學計量學與分析化學密不可分，作為分析化學的一個重要分支，旨在從化學測量數(shù)據(jù)中最大限度獲取有用的化學信息，通過化學計量學方法中的多元校正方法可以達到定量分析的目的。

表2 列出了在光譜分析中涉及到的一些化學計量學方法，其中包括定量分析方法（建模方法）、預處理方法、變量選擇方法，建模方法目的是在光譜數(shù)據(jù)和樣本目標值之間建立預測模型，然后可通過未知樣本的光譜數(shù)據(jù)和預測模型準確預測出未知樣本的目標值；預處理方法的目的在于消除噪聲、微小光程的差異引起的光譜變化以及基線和其它背景對光譜的干擾；變量選擇方法的目的在于消除大量無關(guān)信息，提取出與待測目標值最相關(guān)的特征變量。

表2 光譜分析中的化學計量學方法

2 光譜檢測技術(shù)

2.1 紅外光譜法

紅外光譜法是通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)（紅外光區(qū)）光的吸收度從而對該物質(zhì)進行定性和定量分析的方法，也稱為紅外分子吸收光譜，簡稱紅外光譜。由于物質(zhì)分子發(fā)生振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷所需的能量較低，幾乎所有的有機化合物在紅外光區(qū)均有吸收。分子中不同官能團在發(fā)生振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷時所需的能量各不相同，產(chǎn)生的吸收譜帶中其波長位置就成為鑒定分子中官能團特征的依據(jù)，其吸收強度則是定量檢測的依據(jù)[24-26]。

Li 等[27]使用IR 結(jié)合PLS 以及混合變量選擇策略對土壤中的蒽和熒蒽進行了定量分析，首先使用協(xié)同區(qū)間偏最小二乘法（siPLS）進行特征帶的“粗選”，然后使用粒子群算法、遺傳算法、連續(xù)投影算法3 種特征變量選擇方法進行“精選”。外部驗證結(jié)果表明，使用siPLS-GA 算法構(gòu)建的模型預測性能令人滿意（蒽的R2=0.9830，RMSE=0.5897 mg/g；熒蒽的R2=0.8849，RMSE=0.4739 mg/g）；Douglas 等[28]使用手持式中紅外儀（MIR）對尼日利亞三角洲地區(qū)3 個受石油污染的土壤樣本進行分析，比較了偏最小二乘回歸法（PLSR）和RF 兩種建模方法對多環(huán)芳烴的預測能力，使用主成分分析法（PCA）去除4 個異常值，使用留一法交叉驗證（LOOCV）進行內(nèi)部驗證，結(jié)果表明，RF 的預測結(jié)果優(yōu)于PLSR，其R2p=0.79，RMSEp=0.83 mg/kg，預測偏差RPD=2.27。綜上所述，IR 可以準確、快速預測土壤中的多環(huán)芳烴含量。

2.2 拉曼光譜法

拉曼光譜（Raman spectra）是一種散射光譜，拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應，拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射效應。當用一定頻率的激發(fā)光照射分子時，一部分散射光的頻率和入射光的頻率相等，這種散射是分子對光子的一種彈性散射。只有分子和光子間的碰撞為彈性碰撞且沒有能量交換時才會出現(xiàn)這種散射，該散射稱為瑞利散射；還有一部分散射光的頻率和激發(fā)光的頻率不等，這種散射成為拉曼散射。拉曼光譜是對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息，并應用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法，拉曼光譜已經(jīng)應用至食品、水體、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測等各個領(lǐng)域[29-32]。

由于傳統(tǒng)的拉曼技術(shù)易受熒光信號干擾，檢測強度較弱，一些新技術(shù)也在不斷發(fā)展，例如表面增強拉曼光譜技術(shù)（SERS）、共振增強拉曼光譜技術(shù)和共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù)等，其中表面增強拉曼光譜技術(shù)因具有高靈敏度、不受水的干擾、檢測速度快等優(yōu)點被廣泛應用于多種化學分子分析領(lǐng)域。

溫海濱等[33]使用磁性聚亞苯基共軛微孔聚合物與PAHs 分子之間的疏水作用和π－ π 堆疊作用，富集土壤和水樣中的痕量PAHs，經(jīng)甲醇洗脫之后使用表面增強拉曼光譜（SERS）進行測定。結(jié)果表明：在0.1～10 μg/L 的范圍內(nèi)，4 種多環(huán)芳烴與SERS 的特征峰峰強呈良好的線性關(guān)系，檢出限為0.03 μg/L，回收率為71.6%～115.8%，相對標準偏差不大于13.7%。

李紅雙等[34]采用SERS 結(jié)合粒計算的極限學習機模型，以KSCN 作為內(nèi)標物，使用SERS 基底分別對菲、芘、苯并熒蒽3 種多環(huán)芳烴進行光譜定量分析。結(jié)果表明：在低濃度區(qū)域內(nèi)，基底拉曼信號不會對多環(huán)芳烴產(chǎn)生影響并且特征峰信號強度有明顯提升效果。此方法運行簡便，靈敏度高。

Cao 等[35]基于SERS 技術(shù)開發(fā)了一種銀納米棒襯底（AgNR），檢測河水和土壤中的苯并芘，使用密度泛函理論（DFT）計算苯并芘的特征峰。實驗表明，此技術(shù)在土壤中的檢測限為10 mg/kg，證明了AgNR 在拉曼光譜對土壤多環(huán)芳烴定量檢測中的適用性。

2.3 熒光光譜法

物體經(jīng)過較短波長的光照，把能量儲存起來，然后緩慢放出較長波長的光，放出的這種光即熒光。熒光的能量—波長關(guān)系圖是熒光光譜，不同物質(zhì)產(chǎn)生的熒光特性不同，熒光強度與被測物質(zhì)的含量成正比關(guān)系。多環(huán)芳烴分子中存在高能反鍵軌道和低能成鍵軌道，當吸收可見光或紫外光后，價電子從低能成鍵軌道躍遷至高能反鍵軌道，當電子從激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)時，會釋放熒光。高強度激光能夠使吸收物質(zhì)中相當數(shù)量的分子提升到激發(fā)量子態(tài)，極大提高了熒光光譜的靈敏度，故以激光為光源的熒光光譜適用于超低濃度樣品的檢測。熒光技術(shù)具有低檢測限、高穩(wěn)定性、低成本以及包含目標物信息比較完整的特點[37-39]。

黃堯等[40]使用三維熒光光譜法結(jié)合非平滑非負矩陣分解（nsZMF），將多環(huán)芳烴混合物熒光光譜中恢復了單一組分蒽、芘、菲的熒光信號，表明nsNMF 法效果優(yōu)于基于交替式非負最小二乘法的標準非負矩陣分解（NMF/ANLS），在背景復雜的農(nóng)田土壤中菲和蒽的解析光譜與參考光譜的相似系數(shù)均在0.9 以上。結(jié)果證明：三維熒光光譜法結(jié)合nsNMF 是一種監(jiān)測土壤中多環(huán)芳烴的高效方法。

李愛民等[41]以菲和蒽為研究對象，建立多維偏最小二乘模型（N-PLS）對兩種多環(huán)芳烴進行定量分析，在20 個樣本中選擇12 個樣本作為校正集，剩余8 個樣本為預測集。結(jié)果表明：對土壤中的菲而言，主成分數(shù)為5，校正集與預測集的相關(guān)系數(shù)R 分別為0.981 和0.966，均方根誤差RMSEC和RMSEP分別為0.604 mg/g 和0.804 mg/g；對土壤中的蒽而言，主成分數(shù)為4，校正集與預測集的相關(guān)系數(shù)R 分別為0.989 和0.983，均方根誤差RMSEC和RMSEP分別為0.477 mg/g 和0.515 mg/g。利用該方法對土壤中多種PAHS 可以進行準確、快速表征。

Lee 等[42]使用激光誘導熒光光譜（LIF）測量人工配置土壤樣品中的菲和芘，根據(jù)PLS 回歸方法獲得的結(jié)果表明，PAHS 濃度與LIF 強度之間存在良好相關(guān)性，對LIF 光譜進行了歸一化處理，測得菲和芘的檢測限分別為73 mg/kg 和102 mg/kg，將LIF 數(shù)據(jù)與高效液相色譜（HPLC）測量得到的數(shù)據(jù)作比較，菲和芘的相關(guān)系數(shù)分別為0.96 和0.90，因此LIF 方法能夠有效測量多環(huán)芳烴。

3 結(jié)論

本文通過分析多環(huán)芳烴的危害性，對目前多環(huán)芳烴的檢測技術(shù)以及化學計量學方法做了簡要介紹，對3 種光譜檢測技術(shù)——紅外光譜、拉曼光譜和熒光光譜在土壤多環(huán)芳烴定量檢測方面的應用現(xiàn)狀作以說明，3 種方法結(jié)合化學計量學方法提供了快速有效的測定，在土壤體系定量分析中占據(jù)重要地位。近年來，光譜技術(shù)發(fā)展迅速，目前光譜技術(shù)的關(guān)注點在于儀器的小型化、便攜化和快速現(xiàn)場分析，多光譜數(shù)據(jù)融合技術(shù)對不同光譜數(shù)據(jù)進行整合優(yōu)化也是重要的發(fā)展趨勢，有望應用于石油化工、食品、醫(yī)藥、水體等更多領(lǐng)域。