荧光光谱法快速检测土壤中荧光烃类污染物

1、王新伟等：荧光光谱法快速检测土壤中荧光烃类污染物 1187荧光光谱法快速检测土壤中荧光烃类污染物王新伟1，钟宁宁1，吕文海2，朱 雷1 杨 策1，张枝焕11. 中国石油大学（北京）石油天然气成藏机理教育部重点实验室，北京 102249；2. 北京市中石石油技术公司技术开发部，北京 100083摘要：探讨了正己烷、石油醚及二氯甲烷正己烷（12，体积比）混和液三种溶剂浸泡或超声波萃取与荧光光谱相结合测定土壤中荧光烃类污染物的方法，并为了验证方法有效性，对典型煤矿区93个土壤样品中的荧光烃类进行了快速检测。结果表明，采用二氯甲烷正己烷（12，体积比）混和液超声波萃取土壤中荧光烃类，耗时短，萃取能力较

2、强。对于具有大量土壤样品的研究区域，超声波萃取与荧光光谱法相结合可大大缩短土壤样品中总荧光烃类污染物的检测时间，进而可快速获知某一研究区内土壤环境中荧光烃类污染物的空间分异规律及相对污染程度，具有一定的应用价值。关键词：荧光光谱法；超声波萃取；荧光烃；土壤；空间分异特征 中图分类号：S152 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）04-1184-05表1 土壤荧光烃类萃取性能试验Table 1 Experiment on extraction capability of fluorescence hydrocarbon in soil萃取剂用量(mL)萃取方法萃取平衡时间相对

3、荧光强度（INT, 荧光峰面积）正己烷45浸泡3 d8530石油醚45浸泡3 d5259二氯甲烷正己烷（12, 体积比）45浸泡3 d52910二氯甲烷正己烷（12, 体积比）45超声20 min70200非均一性与连续变化性决定了土壤特性在不同空间尺度上均存在差异1-4，那么基于此空间异质性的外源污染物的分布特征就变得更为复杂；快速、便捷地掌握某一区域重点污染物的总量及其分布格局无疑将为进一步深入研究奠定坚实的基础。荧光光谱法在天然有机物结构特征研究方面具有操作简便、灵敏度高、所需样品量少等优点，因而在地质、生物、环境等诸多领域得以广泛应用。在环境科学研究中，荧光光谱法多用于水环境样品中单一

4、或两种污染物的直接测定5-8，如用于酚类、十二烷基磺酸钠、农药类等9-11，对于多环芳烃类污染物多采用间接荧光分析法或同步荧光光谱法测定11-13，而对于样品中混和有机物的直接测定却因其光谱特征难于定性判断而较少应用。已有研究表明，土壤、地表水体及海水中天然有机物的荧光光谱特征对其来源、类型以及宏观结构具有较好的指示作用，土壤中水溶性有机物也可指示出一些有机物的地域分异特征14。本研究采用超声波萃取土壤中荧光烃类污染物与荧光光谱法测定相结合来探讨土壤中总荧光烃类污染物的空间分异特征，不仅缩短了检测时间，而且节省了大量经费，具有较好的适用性。1实验方法1.1仪器及试剂仪器：OFA石油荧光分析仪（

5、中国石油勘探开发研究院）；Finnigan SSQ710型色谱质谱仪（GC-MS，美国）；超声波发生器（上海超声波仪器厂）。试剂：二氯甲烷（分析纯，经重蒸）；正己烷（分析纯，经重蒸）；石油醚（分析纯，经重蒸）。GC-MS检测条件：采用Finnigan SSQ710型气相色谱-质谱联用仪。色谱测试条件：载气为99.999%氦气；进样口温度300 ，传输线温度280 ；色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱（60 m×0.25 mm×0.25 mm）；50 保持1 min，15 °C/min升至120 °C，再以3 °C/min升至300 ，保持30

6、min；载气流速1 mL/min。质谱分析条件：EI源，70 eV；灯丝电流100 mA；倍增器电压1200 V；全扫描分析。1.2正己烷、石油醚及二氯甲烷对土壤荧光烃类萃取性能试验具体萃取方法为：称取过80目筛土壤样品10.00 g于50 mL带盖碘量瓶中，分三次分别加入正己烷、石油醚及二氯甲烷正己烷（12，体积比）混和液15 mL，立即盖上盖子，通过浸泡和超声波萃取15, 16土壤中烃类，以荧光烃萃取平衡时间和相对荧光强度判断萃取方法对土壤中荧光烃的萃取能力，具体萃取性能见表1。从表1可以看出，采用二氯甲烷：正己烷（12，体积比）混和液超声波萃取土壤中荧光烃类，萃取平衡耗时短，相对荧光强度

7、大，其荧光烃的萃取能力最强。其中每次超声波萃取时间分别为10 min, 5 min和5 min。表2 GC-MS测定土壤样品中的多环芳烃Table 2 PAHs concentration in soil by GC-MS化合物w(多环芳烃)/(g·kg-1)化合物w(多环芳烃)/(g·kg-1)化合物w(多环芳烃)/(g·kg-1)萘0.041-甲基菲15.174-甲基屈0.802-甲基萘0.05乙基菲0.926-甲基屈0.311-甲基萘0.049+2-乙基菲2.75苯并荧蒽0.522-乙基萘0.011-乙基菲2.08苯并E芘6.951-乙基0.013,5+2,

8、6-二甲基菲5.59苯并A芘0.002,6+2,7-二甲基萘0.092,7-二甲基菲4.42北0.001,3+1,7-二甲基萘0.151,3+3,9+2,10+3,10二甲基菲11.38芴1.881,6-二甲基萘0.151,6+1,9+2,5-二甲基菲7.012-甲基芴1.551,4+2,3-二甲基萘0.111,7-二甲基菲7.041-甲基芴4.941,5-二甲基萘0.052,3-二甲基菲3.17甲基芴1.121,2-二甲基萘0.061,9-二甲基菲2.70联苯0.031,3,7-三甲基萘1.291,8-二甲基菲1.432-甲基联苯0.581,3,6-三甲基萘2.701,2-二甲基菲1.644

9、+3-甲基联苯0.311,3,5+1,4,6-三甲基萘2.46惹烯0.73二苯并呋喃0.962,3,6-三甲基萘2.97荧蒽6.67二甲基联苯0.881,2,7+1,6,7-三甲基萘2.47芘8.90二甲基联苯1.872,3,5-三甲基萘2.41甲基荧蒽1.94二甲基联苯1.711,2,4-三甲基萘0.27苯并B芴4.20甲基二苯并呋喃7.241,2,5-三甲基萘5.77苯并A芴0.00甲基二苯并呋喃8.011,4,5-三甲基萘0.582-甲基芘3.35甲基二苯并呋喃4.89菲55.574-甲基芘4.69二苯并噻吩3.97蒽0.301-甲基芘2.954-甲基二苯并噻吩2.853-甲基菲21.2

10、7苯并A蒽0.593-甲基二苯并噻吩1.542-甲基菲26.58屈3.541-甲基二苯并噻吩0.36甲基蒽0.503-甲基屈2.039-甲基菲16.452-甲基屈0.521.3 土壤荧光烃类的荧光光谱特征将萃取出的样品转移到1 cm石英池中，在254 nm激发波长下，对200 600 nm波长范围进行扫描，获得荧光光谱图，以荧光光谱峰面积值大小判断荧光烃的相对荧光强度。荧光光谱峰面积愈大，荧光烃的相对荧光强度愈强。图2 土壤样品荧光烃荧光光谱Fig. 2 Fluorescent spectra of fluorescence hydrocarbon in soil 图1 二氯甲烷正己烷（12,

11、 体积比）荧光光谱Fig. 1 Fluorescent spectra of mix methane and hexane-hydrocarbon典型土壤样品中荧光烃类的荧光光谱图（图1和图2）显示，该研究区土壤荧光烃中主要以发射波长在300 400 nm的萘、菲、屈、芘、芴、联苯等荧光烃类为主，同时，将荧光待测样品进行色谱质谱（GC-MS）定性定量分析（表2），根据标样的保留时间、化合物质谱特征及NIST质谱数据库检索确定多环芳烃化合物，采用内标法计算土壤样品中多环芳烃的质量分数。结果表明，萘、菲、屈、芘、芴、联苯等多环芳烃系列化合物是土壤样品的重要组成部分。故荧光光谱一定程度上能够指示土壤

12、中同一类荧光烃的相对含量分布特征。对同一个土壤样品中的荧光烃进行6次平行测定, 表明本方法的相对标准偏差<4.5%。称取烃含量接近空白的土壤样品，超声萃取后测定得本方法荧光光谱峰面积强度的检出限为1353 INT。1.4 荧光烃峰面积与总有机物质量分数的关系称取10.00 g不同土壤样品各两份，均用二氯甲烷正己烷（12，体积比）混和液超声萃取，其中一份样品如前所述，测定其荧光光谱峰面积；另一份样品则将萃取后的上清液浓缩至干后准确称重, 以重量法计算得土壤中总有机物的质量分数，并与平行样荧光光谱峰面积值比较（见图3）。图4 平顶山市石龙区土壤中的荧光烃类荧光峰面积等值线Fig. 4 Iso

13、line of peak area of Fluorescence Hydrocarbon in soil at shilong District of pingdingshan图3中荧光烃峰面积值与总有机物质量分数的相关系数R0.9251，表明土壤样品中荧光烃的峰面积值与样品中总有机物的质量分数存在着较好的正相关关系，且总有机物的质量分数愈大，相关性愈好。因此，可通过样品中荧光烃的峰面积值间接计算出该样品中总有机物的质量分数，进而判断不同土壤样品中总有机污染物的相对污染程度，这对于大量土壤样品的有机污染特征快速测定具有一定的应用价值。图3 荧光烃峰面积与总有机物质量分数关系Fig. 3 Th

14、e relation between peak area of fluorescence hydrocarbon and total mass fraction of organic compound综上所述，对于大量土壤样品的研究区域，采用超声波萃取与荧光光谱法结合方法测定土壤中荧光烃类污染物，可以根据样品中荧光烃的峰面积值直接判断该研究区内土壤环境中荧光烃类的相对污染程度，也可通过荧光烃峰面积值间接计算该样品中总有机物的质量分数，进而对其在空间上的分布特征进行快速分析。2 方法应用为了验证该方法的有效性，现应用上述超声波萃取与荧光光谱法结合方法，对典型煤矿区河南省平顶山市石龙区93个土壤样

15、品中的荧光烃类进行了快速检测，并采用Surfer 8.0进行Kriging插值，在arcview3.0下与研究区边界叠加得到区域土壤中荧光烃的等值线图（见图4）。由于该研究区西部的青草岭海拔480 m，位于该区上风口，除受大气环境污染外，其它人为污染较弱，因此将青草岭作为该研究区的对照点，分析研究区内其它区域的有机污染状况。该区土壤环境中的荧光烃空间分异规律如下：总荧光烃类污染强度在南部与北部大型厂矿区域构成典型的点源污染格局，其污染程度远远高于中间带状无矿区和小矿区。与青草岭对照点相比，该区总荧光烃类污染强度为对照区的280倍，其中近2/3的区域总荧光烃类污染强度为对照区的210倍；但有近1

16、/3区域总荧光烃类污染强度为对照区10倍以上，最高达80倍；在棉纺厂、焦炉群、高庄矿、大庄矿矸石堆及水泥厂等主要污染物排放地段土壤总荧光烃类强度均达对照区强度的20倍以上。上述分析表明，本方法的测定结果可以较好地反映土壤总荧光烃类污染物的空间分布特征，并与该区土地利用状况及功能分区具有高度的一致性。3 结论（1）采用二氯甲烷正己烷（12，体积比）混和液超声波萃取土壤中荧光烃类，耗时短，萃取能力较强。（2）对于大量土壤样品的研究区域，荧光光谱法可以指示土壤环境中荧光烃类污染物的相对污染程度，也可通过荧光烃峰面积值间接计算该样品中总有机物的质量分数，进而对其在空间上的分布特征进行快速分析，具有一定

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