安端陽，劉向前，張卓昆

（西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065）

土壤由巖石風(fēng)化而成的礦物質(zhì)、動(dòng)植物、微生物殘?bào)w腐解產(chǎn)生的有機(jī)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(gè)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(jì)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(duì)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(yán)重威脅之一[4]。

多環(huán)芳烴（PAHS）是指含有兩個(gè)或兩個(gè)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(jì)的不斷發(fā)展導(dǎo)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(gè)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(gè)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(hù)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(jìn)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(duì)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(jī)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(duì)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(hù)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(gè)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(xué)計(jì)量學(xué)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(zhǔn)確度和高靈敏度，但是樣品的前處理過程十分復(fù)雜，而且所用儀器和日常維護(hù)價(jià)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(duì)樣本無污染、分析速度快，比非光譜技術(shù)更加省時(shí)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(huì)與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法結(jié)合以進(jìn)行目標(biāo)信息的提取。化學(xué)計(jì)量學(xué)又稱化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)，是數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)結(jié)合而形成的化學(xué)分支學(xué)科，研究對(duì)象是有關(guān)化學(xué)測量的基礎(chǔ)理論和方法學(xué)。化學(xué)計(jì)量學(xué)與分析化學(xué)密不可分，作為分析化學(xué)的一個(gè)重要分支，旨在從化學(xué)測量數(shù)據(jù)中最大限度獲取有用的化學(xué)信息，通過化學(xué)計(jì)量學(xué)方法中的多元校正方法可以達(dá)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(xué)計(jì)量學(xué)方法，其中包括定量分析方法（建模方法）、預(yù)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(biāo)值之間建立預(yù)測模型，然后可通過未知樣本的光譜數(shù)據(jù)和預(yù)測模型準(zhǔn)確預(yù)測出未知樣本的目標(biāo)值；預(yù)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(duì)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(biāo)值最相關(guān)的特征變量。

表2 光譜分析中的化學(xué)計(jì)量學(xué)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(duì)該物質(zhì)進(jìn)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷所需的能量較低，幾乎所有的有機(jī)化合物在紅外光區(qū)均有吸收。分子中不同官能團(tuán)在發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)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(tuán)特征的依據(jù)，其吸收強(qiáng)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(duì)土壤中的蒽和熒蒽進(jìn)行了定量分析，首先使用協(xié)同區(qū)間偏最小二乘法（siPLS）進(jìn)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(jìn)行“精選”。外部驗(yàn)證結(jié)果表明，使用siPLS-GA 算法構(gòu)建的模型預(yù)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(duì)尼日利亞三角洲地區(qū)3 個(gè)受石油污染的土壤樣本進(jìn)行分析，比較了偏最小二乘回歸法（PLSR）和RF 兩種建模方法對(duì)多環(huán)芳烴的預(yù)測能力，使用主成分分析法（PCA）去除4 個(gè)異常值，使用留一法交叉驗(yàn)證（LOOCV）進(jìn)行內(nèi)部驗(yàn)證，結(jié)果表明，RF 的預(yù)測結(jié)果優(yōu)于PLSR，其R2p=0.79，RMSEp=0.83 mg/kg，預(yù)測偏差RPD=2.27。綜上所述，IR 可以準(zhǔn)確、快速預(yù)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(xué)家C.V.拉曼（Raman）所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，拉曼散射是分子對(duì)光子的一種非彈性散射效應(yīng)。當(dāng)用一定頻率的激發(fā)光照射分子時(shí)，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(duì)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(shí)才會(huì)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(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息，并應(yīng)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(yīng)用至食品、水體、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測等各個(gè)領(lǐng)域[29-32]。

由于傳統(tǒng)的拉曼技術(shù)易受熒光信號(hào)干擾，檢測強(qiáng)度較弱，一些新技術(shù)也在不斷發(fā)展，例如表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（SERS）、共振增強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于多種化學(xué)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(qiáng)拉曼光譜（SERS）進(jìn)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(qiáng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于13.7%。

李紅雙等[34]采用SERS 結(jié)合粒計(jì)算的極限學(xué)習(xí)機(jī)模型，以KSCN 作為內(nèi)標(biāo)物，使用SERS 基底分別對(duì)菲、芘、苯并熒蒽3 種多環(huán)芳烴進(jìn)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(hào)不會(huì)對(duì)多環(huán)芳烴產(chǎn)生影響并且特征峰信號(hào)強(qiáng)度有明顯提升效果。此方法運(yùn)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(jì)算苯并芘的特征峰。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(chǔ)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(qiáng)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(dāng)吸收可見光或紫外光后，價(jià)電子從低能成鍵軌道躍遷至高能反鍵軌道，當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)時(shí)，會(huì)釋放熒光。高強(qiáng)度激光能夠使吸收物質(zhì)中相當(dāng)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(biāo)物信息比較完整的特點(diǎn)[37-39]。

黃堯等[40]使用三維熒光光譜法結(jié)合非平滑非負(fù)矩陣分解（nsZMF），將多環(huán)芳烴混合物熒光光譜中恢復(fù)了單一組分蒽、芘、菲的熒光信號(hào)，表明nsNMF 法效果優(yōu)于基于交替式非負(fù)最小二乘法的標(biāo)準(zhǔn)非負(fù)矩陣分解（NMF/ANLS），在背景復(fù)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(duì)象，建立多維偏最小二乘模型（N-PLS）對(duì)兩種多環(huán)芳烴進(jìn)行定量分析，在20 個(gè)樣本中選擇12 個(gè)樣本作為校正集，剩余8 個(gè)樣本為預(yù)測集。結(jié)果表明：對(duì)土壤中的菲而言，主成分?jǐn)?shù)為5，校正集與預(yù)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(duì)土壤中的蒽而言，主成分?jǐn)?shù)為4，校正集與預(yù)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(duì)土壤中多種PAHS 可以進(jìn)行準(zhǔn)確、快速表征。

Lee 等[42]使用激光誘導(dǎo)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(qiáng)度之間存在良好相關(guān)性，對(duì)LIF 光譜進(jìn)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(duì)目前多環(huán)芳烴的檢測技術(shù)以及化學(xué)計(jì)量學(xué)方法做了簡要介紹，對(duì)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(yīng)用現(xiàn)狀作以說明，3 種方法結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)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(diǎn)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(duì)不同光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行整合優(yōu)化也是重要的發(fā)展趨勢，有望應(yīng)用于石油化工、食品、醫(yī)藥、水體等更多領(lǐng)域。