有機(jī)分析儀器在土壤污染檢測(cè)中的應(yīng)用

收稿日期：2023-11-08

作者簡(jiǎn)介：俞新培（1991—），女，江蘇南京人，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)和儀器分析工作。

摘 要：作為土壤污染檢測(cè)的一種關(guān)鍵工具，有機(jī)分析儀器發(fā)揮著重要作用，其能分析和鑒定土壤樣品中的有機(jī)物，有助于確定污染物的種類(lèi)、濃度和分布情況，為制定土壤污染治理策略提供科學(xué)依據(jù)。然而，有機(jī)分析儀器在土壤污染檢測(cè)中也面臨著一些挑戰(zhàn)。土壤基質(zhì)的復(fù)雜性會(huì)使得樣品的分析結(jié)果受到干擾，樣品前處理的復(fù)雜性和難度均會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，數(shù)據(jù)的解析和驗(yàn)證也具有挑戰(zhàn)?；诖?，圍繞有機(jī)分析儀器的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，及其在農(nóng)藥殘留檢測(cè)和持久性有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用案例，總結(jié)存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的建議，以期推動(dòng)土壤污染檢測(cè)工作的開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：有機(jī)分析儀器；土壤污染；檢測(cè)；農(nóng)藥殘留

中圖分類(lèi)號(hào)：X833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）04–0-03

有機(jī)分析儀器在土壤污染檢測(cè)中起著關(guān)鍵作用，可用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)和持久性有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)等，以此評(píng)估農(nóng)田的農(nóng)藥使用情況和土壤的污染程度。然而，有機(jī)分析儀器在土壤污染檢測(cè)中面臨復(fù)雜土壤基質(zhì)的干擾、樣品前處理難題和數(shù)據(jù)解析與驗(yàn)證的挑戰(zhàn)?；诖?，改進(jìn)和優(yōu)化有機(jī)分析儀器的技術(shù)和方法，是提高土壤污染檢測(cè)有效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

1 土壤污染的現(xiàn)狀及危害

土壤污染是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)社會(huì)和自然環(huán)境都帶來(lái)嚴(yán)重危害[1]。首先，污染物會(huì)改變土壤的顆粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤密度增加或減少，從而影響土壤的透氣性、水分保持能力和根系的生長(zhǎng)。其次，污染物會(huì)改變土壤的pH值，使其變得過(guò)酸或過(guò)堿，從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，污染物會(huì)破壞土壤中的有機(jī)物質(zhì)，由此導(dǎo)致土壤肥力降低。最重要的是，污染物會(huì)滅殺土壤中的微生物和其他生物，破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

不僅如此，土壤污染還不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。污染物可直接進(jìn)入農(nóng)作物的根系，被植物根莖和葉子吸收，從而阻礙植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。同時(shí)，污染物還會(huì)影響土壤中的菌根共生菌根，破壞植物與土壤的共生關(guān)系，削弱植物的養(yǎng)分吸收能力。更為嚴(yán)重的是，土壤污染對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成潛在威脅。有些污染物會(huì)蓄積在作物中，人們通過(guò)種植和攝入污染的農(nóng)作物和飲食鏈傳遞可能造成慢性和急性毒性作用，一些有毒物質(zhì)可引發(fā)臟器損害、免疫系統(tǒng)紊亂，甚至誘發(fā)癌癥等健康問(wèn)題。此外，一些污染物還會(huì)通過(guò)土壤顆粒懸浮在空氣中，通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體，對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)和皮膚造成危害。

2 有機(jī)分析儀器概述

2.1 氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）

氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）是一種常用的有機(jī)分析儀器，其結(jié)合氣相色譜（GC）和質(zhì)譜（MS）的優(yōu)勢(shì)，具有高分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)，在土壤污染檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。GC-MS的工作原理是先通過(guò)氣相色譜分離樣品中的有機(jī)污染物，再通過(guò)質(zhì)譜進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。GC-MS可同時(shí)分析多種有機(jī)污染物，包括揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）、半插損性有機(jī)物（SVOCs）和揮發(fā)性代謝產(chǎn)物等。在土壤污染檢測(cè)中，GC-MS可用于檢測(cè)土壤中的農(nóng)藥殘留、揮發(fā)性有機(jī)物、多環(huán)芳烴等。通過(guò)多種提取技術(shù)（如固相微萃取、液—液萃取等），將樣品中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)移至氣相色譜柱上進(jìn)行分離，通過(guò)質(zhì)譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行鑒定和定量。

GC-MS在土壤污染檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

第一，高分辨率和高靈敏度，可對(duì)復(fù)雜樣品中的數(shù)百種有機(jī)污染物進(jìn)行分離和檢測(cè)，具有很高的分辨率和靈敏度，能夠檢測(cè)到微量的污染物，對(duì)土壤污染的定量和定性分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

第二，結(jié)構(gòu)鑒定能力強(qiáng)。GC-MS結(jié)合氣相色譜和質(zhì)譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)質(zhì)譜的碎裂圖譜對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)鑒定，確定其分子式和結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)雜土壤中的污染物鑒定具有重要意義。

第三，分析范圍廣。GC-MS可分析多種有機(jī)污染物，包括揮發(fā)性有機(jī)物、半插損性有機(jī)物和揮發(fā)性代謝產(chǎn)物等，這使得其在土壤污染檢測(cè)中具有較大的應(yīng)用潛力[2]。

2.2 高效液相色譜（HPLC）

高效液相色譜（HPLC）是一種基于液相色譜原理的有機(jī)分析儀器，廣泛應(yīng)用于土壤污染檢測(cè)和有機(jī)污染物分析。HPLC將樣品溶解在液相中，通過(guò)固相柱將不同成分分離并測(cè)量其濃度。HPLC具有高分辨率、高選擇性、高靈敏度的特點(diǎn)，可用于分析多種有機(jī)污染物，如農(nóng)藥、藥物殘留、多環(huán)芳烴等。在土壤污染檢測(cè)中，HPLC主要應(yīng)用于以下3個(gè)方面。

2.2.1 農(nóng)藥殘留檢測(cè)

HPLC可用于分析土壤中的農(nóng)藥殘留，如萃取、凈化和濃縮等方式，將目標(biāo)農(nóng)藥從土壤樣品中提取出來(lái)，并通過(guò)HPLC進(jìn)行分離和定量分析。這對(duì)評(píng)估土壤中的農(nóng)藥使用狀況和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

2.2.2 物質(zhì)鑒定和定量

HPLC與質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）等技術(shù)相結(jié)合，可對(duì)土壤中的有機(jī)污染物進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒定和定量分析。通過(guò)檢測(cè)化合物在HPLC上的保留時(shí)間和峰面積，結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量定量分析，可確定土壤中的有機(jī)污染物種類(lèi)和含量[3]。

2.2.3 環(huán)境樣品監(jiān)測(cè)

HPLC可應(yīng)用于分析土壤中多環(huán)芳烴（PAHs）等環(huán)境樣品中的有機(jī)污染物。這些有機(jī)污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康均有潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析具有重要意義。

2.3 其他分析儀器

除常見(jiàn)的氣相色譜儀和液相色譜儀外，還有許多其他的有機(jī)分析儀器可應(yīng)用于土壤污染檢測(cè)。

2.3.1 質(zhì)譜儀

質(zhì)譜儀通過(guò)將化合物離子化并在磁場(chǎng)中進(jìn)行分離，以確定其分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)。質(zhì)譜儀常與氣相色譜儀或液相色譜儀結(jié)合使用，以分析土壤中的有機(jī)污染物。質(zhì)譜儀可提供更為準(zhǔn)確的質(zhì)譜圖數(shù)據(jù)，對(duì)復(fù)雜混合物的分析具有較高的分辨率和靈敏度。

2.3.2 紫外—可見(jiàn)光譜儀（UV-Vis）

UV-Vis光譜儀通過(guò)測(cè)量物質(zhì)對(duì)紫外光和可見(jiàn)光的吸收確定其濃度。土壤中的有機(jī)污染物通常具有特定的吸收光譜，UV-Vis光譜儀可通過(guò)與已知樣品進(jìn)行比對(duì)，從而快速檢測(cè)土壤樣品中的有機(jī)污染物。

2.3.3 熒光光譜儀

熒光光譜儀通過(guò)激發(fā)樣品中的分子而使其產(chǎn)生熒光，并測(cè)量熒光發(fā)射光譜，以確定有機(jī)物的存在與濃度。熒光光譜儀對(duì)土壤中的有機(jī)污染物反應(yīng)靈敏，可對(duì)復(fù)雜環(huán)境樣品進(jìn)行有效的定性和定量分析。

2.3.4 傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）

FTIR光譜儀通過(guò)測(cè)量樣品中的紅外輻射吸收和反射，確定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的類(lèi)型。FTIR光譜儀可用于對(duì)土壤中有機(jī)污染物進(jìn)行定性分析，研究有機(jī)污染物與土壤顆粒之間的相互作用。

3 有機(jī)分析儀器在土壤污染檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 農(nóng)藥殘留檢測(cè)

有機(jī)分析儀器可用于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)土壤中的農(nóng)藥殘留量，以評(píng)估對(duì)土壤和環(huán)境的影響。在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中，常用的有機(jī)分析儀器包括氣相色譜儀和液相色譜儀，氣相色譜儀通常與質(zhì)譜儀（GC-MS）結(jié)合使用，能夠提供更準(zhǔn)確的農(nóng)藥殘留分析結(jié)果，該技術(shù)通過(guò)將農(nóng)藥化合物與氣相相互作用實(shí)現(xiàn)分離和檢測(cè)。

液相色譜儀（HPLC）通常與紫外—可見(jiàn)光譜儀（UV

-Vis）或熒光光譜儀結(jié)合使用，用于對(duì)土壤樣品中的農(nóng)藥進(jìn)行分離和定量。例如：在陽(yáng)江市某農(nóng)田中，運(yùn)用有機(jī)分析儀器進(jìn)行農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。通過(guò)采集土壤樣品并提取其中的農(nóng)藥殘留物，使用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對(duì)樣品進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，土壤中存在2種農(nóng)藥，即氨甲蝶呤和敵草快，殘留量分別為15 和10 ppb。當(dāng)進(jìn)行農(nóng)藥殘留檢測(cè)時(shí)，有機(jī)分析儀器可提供更為詳細(xì)和準(zhǔn)確的分析結(jié)果，以評(píng)估土壤的污染程度[4]。

3.1.1 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）的應(yīng)用

GC-MS是一種常用的有機(jī)分析儀器，可用于分析和定量農(nóng)藥殘留物，將土壤樣品中的農(nóng)藥化合物分離，并通過(guò)質(zhì)譜儀進(jìn)行準(zhǔn)確的分子質(zhì)量測(cè)定。這有助于確定土壤中農(nóng)藥殘留的種類(lèi)和濃度，并鑒定未知的殘留物。此外，GC-MS還可與其他技術(shù)如固相微萃?。⊿PME）結(jié)合使用，以提高農(nóng)藥殘留物的分離效率和靈敏度。

3.1.2 液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀（LC-MS）的應(yīng)用

LC-MS也是常用的有機(jī)分析儀器，適用于分析土壤中的農(nóng)藥殘留物。與GC-MS相比，LC-MS更適合分析極性和熱穩(wěn)定性較差的化合物，可通過(guò)液相色譜對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行分離，并通過(guò)質(zhì)譜儀準(zhǔn)確測(cè)定分子質(zhì)量。同樣有助于確定土壤樣品中的農(nóng)藥種類(lèi)和濃度，并鑒定未知?dú)埩粑铩?/p>

3.1.3 紫外—可見(jiàn)光譜儀（UV-Vis）和熒光光譜儀的應(yīng)用

除質(zhì)譜儀之外，還可使用UV-Vis和熒光光譜儀分析農(nóng)藥殘留物。這些儀器通過(guò)測(cè)量樣品在特定波長(zhǎng)下的吸收或熒光特性，確定農(nóng)藥的濃度。在液相色譜（HPLC）分析中，通常與UV-Vis或熒光光譜儀結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留物的分離和定量。

3.2 持久性有機(jī)污染物的監(jiān)測(cè)

持久性有機(jī)污染物（POPs）是一類(lèi)在環(huán)境中難以降解的有機(jī)化合物，具有較強(qiáng)的毒性和生物蓄積性。在土壤中，POPs主要來(lái)自農(nóng)藥、工業(yè)廢物和燃燒排放氣體。有機(jī)分析儀器在持久性有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。質(zhì)譜儀是一種常用的分析儀器，可對(duì)土壤樣品中的POPs進(jìn)行檢測(cè)和定量。氣相色譜質(zhì)譜儀（GC-MS）和液相色譜質(zhì)譜儀（LC-MS）常用于POPs的分離和定性分析。

此外，傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）也可用于POPs

的定性分析。這種儀器可通過(guò)測(cè)量POPs在紅外光譜范圍內(nèi)的吸收譜線(xiàn)確定其化學(xué)鍵和結(jié)構(gòu)特征，以實(shí)現(xiàn)POPs的快速鑒定。有機(jī)分析儀器的應(yīng)用可對(duì)土壤中POPs的存在和濃度進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。這有助于評(píng)估土壤的污染狀況，指導(dǎo)土壤治理和修復(fù)措施，并減輕POPs對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 石油烴類(lèi)污染物的分析

石油烴類(lèi)是一類(lèi)常見(jiàn)的土壤污染物，主要來(lái)自石油開(kāi)采、煉油、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等活動(dòng)。石油烴類(lèi)污染物對(duì)土壤和生態(tài)系統(tǒng)具有顯著危害，因此對(duì)其進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)和分析十分重要。有機(jī)分析儀器在石油烴類(lèi)污染物分析中起著關(guān)鍵作用。氣相色譜儀（GC）是一種常用的分析儀器，通過(guò)對(duì)樣品中的石油烴類(lèi)進(jìn)行分離和定量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中石油烴類(lèi)污染物的檢測(cè)和定性分析。氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）可提供對(duì)石油烴類(lèi)更準(zhǔn)確的鑒定和定量分析結(jié)果。此外，紅外光譜儀（IR）和核磁共振儀（NMR）也可用于石油烴類(lèi)污染物的快速鑒定和定性分析。這些儀器能夠通過(guò)石油烴類(lèi)的吸收譜線(xiàn)和分子結(jié)構(gòu)特征確定其類(lèi)型和濃度。通過(guò)使用這些有機(jī)分析儀器，可對(duì)土壤樣品中石油烴類(lèi)污染物進(jìn)行定量和定性分析。這些分析結(jié)果可用于評(píng)估土壤的污染程度、潛在風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境影響，進(jìn)而指導(dǎo)土壤的修復(fù)和管理措施。

4 有機(jī)分析儀器在土壤污染檢測(cè)中的挑戰(zhàn)

4.1 復(fù)雜土壤基質(zhì)的干擾

土壤是一種復(fù)雜的基質(zhì)，含有多種有機(jī)和無(wú)機(jī)成分，如土壤顆粒、有機(jī)質(zhì)、水分和微生物等。這些成分的存在可能會(huì)干擾有機(jī)分析儀器的測(cè)量結(jié)果，從而影響對(duì)土壤污染的準(zhǔn)確評(píng)估和監(jiān)測(cè)。

首先，土壤顆粒的存在可能導(dǎo)致樣品的準(zhǔn)備和萃取過(guò)程變得困難。土壤顆粒的粒徑大小、組成和結(jié)構(gòu)不均勻，可能影響分析結(jié)果的精確性和可重復(fù)性。因此，在樣品前處理過(guò)程中，需要采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法減少顆粒干擾。

其次，土壤中的有機(jī)質(zhì)和水分可能影響有機(jī)分析儀器的靈敏度和選擇性。有機(jī)質(zhì)含量的高低可能導(dǎo)致有機(jī)污染物的溶解和轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)損失或吸附。而土壤中的水分可能影響分析儀器的靈敏度和背景噪聲。因此，在有機(jī)分析儀器的使用中，需要針對(duì)土壤基質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化操作和校準(zhǔn)，以克服這些干擾因素的影響。

最后，土壤中存在的微生物可能會(huì)降解有機(jī)污染物或產(chǎn)生其他代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物可能與目標(biāo)分析物具有相似的化學(xué)性質(zhì)，從而對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生干擾。因此，在有機(jī)分析儀器的使用過(guò)程中，需要考慮微生物的存在和影響，并采取相應(yīng)的措施以減少干擾[5]。

4.2 樣品前處理的困難

在有機(jī)分析儀器的使用中，樣品前處理是一個(gè)關(guān)鍵的步驟。樣品前處理的目的是減少樣品中的干擾物質(zhì)，提高分析的準(zhǔn)確性，并增加儀器的靈敏度和選擇性。然而，樣品前處理通常是一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過(guò)程。對(duì)于土壤樣品而言，樣品前處理更加困難。土壤樣品的復(fù)雜性導(dǎo)致樣品前處理的步驟和方法較多，樣品中可能存在多種污染物，以及背景矩陣中的干擾物質(zhì)。因此，需要采取適當(dāng)?shù)奶崛?、凈化和濃縮方法分離目標(biāo)污染物并降低干擾。某些化合物在樣品前處理的過(guò)程中可能會(huì)被分解或轉(zhuǎn)化為其他化合物，從而導(dǎo)致定量分析出現(xiàn)誤差。此外，樣品前處理還可能引入新的雜質(zhì)或干擾物質(zhì)，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[6]。在有機(jī)分析儀器的應(yīng)用中需要考慮樣品前處理過(guò)程中可能遇到的難題，并采取合適的方法最大限度地減少實(shí)驗(yàn)誤差和干擾。

4.3 數(shù)據(jù)解析與驗(yàn)證

有機(jī)分析儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在土壤污染檢測(cè)中起著關(guān)鍵作用。準(zhǔn)確解析和驗(yàn)證這些數(shù)據(jù)對(duì)于評(píng)估土壤污染程度和制定相關(guān)措施具有重要意義。然而，有機(jī)分析儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜且龐大，其中可能包含許多峰和信號(hào)。因此，對(duì)于數(shù)據(jù)的解析和驗(yàn)證需要相應(yīng)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)方法提取有用的信息。同時(shí)，數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和可靠性也需要進(jìn)行驗(yàn)證，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和正確性。此外，根據(jù)土壤樣品的特殊性，數(shù)據(jù)的解析和驗(yàn)證可能涉及對(duì)復(fù)雜背景干擾的去除和分析結(jié)果的定量化，這需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ托?zhǔn)，以獲得可靠的結(jié)果。在有機(jī)分析儀器的使用中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的解析和驗(yàn)證，以準(zhǔn)確地評(píng)估土壤的污染狀況，并制定相應(yīng)的管理措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

有機(jī)分析儀器的使用在土壤污染檢測(cè)中具有重要作用，可用于農(nóng)藥殘留檢測(cè)和持久性有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)等方面。然而，面臨的挑戰(zhàn)也不容忽視，包括復(fù)雜土壤基質(zhì)的干擾、樣品前處理的難題、數(shù)據(jù)解析與驗(yàn)證等。因此，需要不斷改進(jìn)和優(yōu)化有機(jī)分析儀器的技術(shù)和方法，增強(qiáng)其在土壤污染檢測(cè)中的應(yīng)用效果，為環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。

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