土壤粒徑大小對蒽熒光特性的影響及校正

楊仁杰，董桂梅，楊延榮，周長宏，劉海學，張偉玉*

(1.天津農(nóng)學院 工程技術(shù)學院，天津 300384；2.天津農(nóng)學院 農(nóng)業(yè)分析測試中心，天津 300384)

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土壤粒徑大小對蒽熒光特性的影響及校正

楊仁杰1，董桂梅1，楊延榮1，周長宏1，劉海學2，張偉玉1*

(1.天津農(nóng)學院 工程技術(shù)學院，天津 300384；2.天津農(nóng)學院 農(nóng)業(yè)分析測試中心，天津 300384)

為了準確檢測土壤中的多環(huán)芳烴，以土壤中典型多環(huán)芳烴污染物蒽為檢測對象，研究了土壤粒徑大小對其熒光特性的影響，并提出了一種校正土壤粒徑大小對多環(huán)芳烴標準曲線影響的方法。研究了蒽在土壤中的熒光特性，指出蒽在421 nm、442 nm和470 nm處出現(xiàn)較強的熒光峰。接著，制備7種不同粒徑大小的蒽土壤樣品，并以土壤粒徑大小為外擾，構(gòu)建了同步和異步二維相關(guān)熒光譜，研究了蒽熒光強度和304 nm處瑞利散射光強隨土壤粒徑大小的變化。結(jié)果顯示，隨著土壤粒徑增大，蒽熒光強度和304 nm處瑞利散射光強度都有增強。最后，分別建立了80目和160目土壤粒徑下定量分析土壤蒽濃度的標準曲線，并通過304 nm處瑞利散射光對蒽熒光進行校正。結(jié)果表明：該方法有效降低了土壤粒徑大小對蒽標準曲線的影響。

多環(huán)芳烴；土壤；粒徑大小；蒽；二維相關(guān)熒光譜；校正方法

1 引 言

多環(huán)芳烴(PAHs)在環(huán)境中無處不在，許多PAHs具有致癌性、致畸性、致突變性、并且具有生物累積性，能長期留存在環(huán)境中，因此許多國家已將多環(huán)芳烴作為空氣和土壤污染檢測的對象。土壤作為一種重要的環(huán)境介質(zhì)，承擔著90%以上的PAHs環(huán)境負荷，所以PAHs對土壤的污染問題尤為突出。近年來，國內(nèi)學者對土壤中的PAHs污染進行了大量的現(xiàn)場調(diào)查研究，結(jié)果表明，美國環(huán)保局規(guī)定的16種優(yōu)先控制的PAHs在我國土壤中都有不同程度的檢出，且檢出率非常高[1]。土壤中的多數(shù)多環(huán)芳烴(雙環(huán)和三環(huán))可通過生物降解的方法進行修復，但修復之前需要明確土壤中多環(huán)芳烴污染物的種類和含量。因此，尋求一種便捷、快速、可現(xiàn)場分析土壤中PAHs污染物的檢測方法已成為環(huán)保和農(nóng)業(yè)部門亟需解決的重大問題之一。

目前，土壤中多環(huán)芳烴的檢測方法有很多，如氣相色譜法、高效液相色譜法、氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)等，但這些方法都需要復雜的預處理，無法實現(xiàn)快速、現(xiàn)場檢測。熒光光譜技術(shù)由于具有選擇性高、快速、可實現(xiàn)現(xiàn)場檢測等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于土壤中多環(huán)芳烴的檢測[2-5]。Boas[3]和Lee[4]等采用激光誘導熒光技術(shù)研究了PAHs在土壤中的熒光特性，指出土壤屬性會對PAHs的熒光產(chǎn)生影響[6-8]。Schultze[5]等研究了土壤屬性對激光誘導熒光的影響，并建立三維數(shù)據(jù)庫對PAHs污染物進行分類和定量。Eun等[6-7]基于激光誘導熒光技術(shù)對土壤中的石油污染物進行了檢測，取得了很好的效果。Reuben等[8]對土壤中多環(huán)芳烴的檢測方法進行了綜述，并從經(jīng)濟性、便攜性、操作時間、準確性等角度進行比較，指出相對于其它檢測方法，熒光光譜更有優(yōu)勢。我國對于土壤中PAHs的直接檢測還處于起步階段。尚麗平課題組[9-11]采用激光誘導熒光直接測量土壤中的PAHs，指出該方法對直接檢測土壤中的PAHs是可行的，并搭建了相應的檢測系統(tǒng)。本課題組在研究過程中發(fā)現(xiàn)：土壤粒徑嚴重影響著PAHs的熒光特性，這一問題嚴重制約了熒光光譜技術(shù)在土壤PAHs檢測中的應用。因此，本論文以土壤中典型的蒽污染物為對象，研究了土壤粒徑對蒽熒光特性和標準曲線的影響，并提出了一種減小土壤粒徑對PAHs熒光影響的校正方法。

2 材料與方法

2.1 儀器與分析條件

實驗所用儀器為美國PE公司生產(chǎn)的LS-55熒光分光光度計。光源為脈沖氙燈，樣品池使用儀器自帶的固體附件(彈簧壓片底座)。激發(fā)波長為304 nm，發(fā)射波長為220～700 nm，激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度分別為5 nm和3 nm，掃描速率為1 000 nm/min。

2.2 試劑和樣品處理

實驗所用的土壤采自天津農(nóng)學院校園，高溫烘烤后用于實驗。實驗所用的蒽為分析純，由天津希恩思生化科技有限公司提供。首先將實驗土壤置于瑪瑙研缽進行研磨，并分別過40目、60目、80目、100目、120目、140 目和160目的標準篩，得到7種粒徑的土壤。接著，對分析純蒽進行研磨，并準確稱取7份研磨均勻的0.005 g蒽粉末。最后，準確稱取7份不同粒度土壤1 g，并分別與上述制備的7份0.005 g蒽粉末混合均勻，得到7個不同粒徑蒽濃度均為0.005 g/g的土壤樣品。采用同樣的方法，分別配置了80目和160目土壤粒徑下，10個不同濃度的蒽土壤樣品(濃度為0.001～0.01 g/g)。

2.3 二維相關(guān)熒光譜

對采集的隨土壤粒徑變化的動態(tài)熒光譜矩陣A進行式相關(guān)計算[12-14]，即：

(1)

(2)

其中N為Hilbert-Noda矩陣。通過式(1)和式(2)的相關(guān)計算，得到土壤粒徑外擾下的同步和異步二維相關(guān)熒光譜。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒽在土壤中的熒光特性

為了排除實驗所采用的土壤本底對蒽熒光分析的影響，所以首先采集了實驗所用的土壤的三維熒光譜(激發(fā)波長為220～350 nm，發(fā)射波長為220～700 nm)。研究發(fā)現(xiàn)，實驗所用的土壤本底未見明顯的熒光。

圖1 0.005 g/g蒽土壤的熒光光譜

根據(jù)濃度為0.005 g/g的蒽土壤激發(fā)譜，選擇最佳激發(fā)波長304 nm來進行激發(fā)。圖1是0.005 g/g蒽土壤在304 nm波長光激發(fā)下的常規(guī)一維熒光譜。從圖上可以看出，蒽在土壤中存在3個明顯的特征熒光峰，其位置分別在421，442和470 nm處。文獻[15]指出，蒽在無水乙醇溶液中379，400和424 nm處存在3個熒光峰。與蒽在無水乙醇中相比，蒽在土壤中的熒光峰位置均發(fā)生了紅移，這可能是蒽熒光分子團所處的微環(huán)境不同所引起的(當處于土壤中時，蒽固體粉末之間是空氣填充，而且還存在π-π堆積；而當處于無水乙醇中時，蒽熒光分子間的空隙被溶劑填充)。值得注意的是，在圖1中304 nm和608 nm出現(xiàn)較強的峰，分別來自光源激發(fā)光的一級和二級瑞利散射光。

3.2 土壤粒徑對蒽熒光特性的影響

為了研究土壤粒徑對蒽熒光特性的影響，對于濃度為0.005 g/g的蒽土壤，設計并配置了7種粒度的土壤，并在304 nm波長光激發(fā)下，分別采集了7種不同粒徑的蒽土壤在220～700 nm的熒光譜。為了便于觀察土壤中蒽熒光強度隨土壤粒徑的變化，圖2僅給出了在350～550 nm內(nèi)，蒽熒光強度隨土壤粒徑的變化。在圖2中，沿著箭頭的方向(從下往上)土壤粒徑從小到大變化，可以觀察到，隨著土壤粒徑的不斷增大，蒽在土壤中熒光峰的強度也在不斷增大。需要說明的是，蒽在土壤中3個熒光峰所處的波長位置并未隨土壤粒徑的變化而改變。

圖2 不同粒徑蒽土壤的熒光譜

Fig.2 Fluorescent spectra of anthracene-contaminated soil with different soil particle sizes (0.005 g/g)

二維相關(guān)熒光譜呈現(xiàn)的是隨特定外部擾動變化的信息，因此二維相關(guān)熒光譜特別適合研究某一因素對體系光譜特征的影響[13-18]。本文以土壤粒徑為外擾，根據(jù)式(1)對圖2的動態(tài)一維熒光譜進行同步二維相關(guān)熒光譜計算。在理想情況下，二維相關(guān)熒光譜僅呈現(xiàn)的是隨土壤粒徑變化的特征信息，不呈現(xiàn)不變的信息。由于土壤中蒽的濃度保持不變，所以若蒽的熒光強度不隨外擾(土壤粒徑)變化的話，在同步相關(guān)譜圖中不會出現(xiàn)蒽的3個特征熒光峰。

圖3(a)和3(b)分別是濃度為0.005 g/g蒽土壤在土壤粒徑外擾下的同步二維相關(guān)熒光譜和自相關(guān)譜。由圖3可知，在主對角線上出現(xiàn)較強的自相關(guān)峰，其位置分別在421，442和470 nm處，表明隨著土壤粒徑的變化，這些波長處熒光強度變化較為敏感。同時，在同步譜主對角線外側(cè)，(421，442) nm、(421，442) nm和(442，470) nm處存在正的交叉峰，這表明421，442和470 nm處熒光強度與外擾(土壤粒徑)變化的方向相同，這與圖2的分析結(jié)果一致，即隨著土壤粒徑的增加，這3個波長處的熒光強度都在增加。同時還研究了在土壤粒徑外擾下蒽土壤的異步二維相關(guān)熒光譜特性，在(421，442) nm、(442，421) nm和(421，470) nm處并未出現(xiàn)交叉峰，這表明421，442和470 nm處熒光強度隨土壤粒徑變化的速率相同，差異性較小。

(a)同步二維相關(guān)譜

(b)自相關(guān)譜

(a)同步二維相關(guān)譜

(b)異步二維相關(guān)譜

為了研究光源的瑞利散射光強度、蒽熒光強度以及土壤粒徑之間的關(guān)系，在280～340 nm與400～480 nm區(qū)間進行同步和異步二維相關(guān)熒光譜計算，結(jié)果如圖4所示。在同步譜中，(421，304) nm、(442，304) nm和(470，304) nm處都存在正的交叉峰，這表明304 nm處瑞利散射光強度與421，442和470 nm處蒽熒光強度都與外擾(土壤粒徑)的變化方向相同，即隨著土壤粒徑的增大而增大。在異步譜中，(421，304) nm、(442，304) nm和(470，304) nm處都存在負的交叉峰，這表明304 nm 處瑞利散射光強度與蒽熒光強度隨外擾(土壤粒徑)變化的速率不同。依據(jù)Noda所提的二維相關(guān)譜理論[14]，即Φ(λ1，λ2)*Ψ(λ1，λ2)<0，說明高波長λ1處峰強度的變化速率慢于波長λ2處峰強度的變化速率。根據(jù)上述分析結(jié)果可知：土壤中蒽在421，442和470 nm 處熒光強度隨土壤粒徑變化的速率要慢于304 nm處瑞利散射光強度的變化速率。上述研究結(jié)果表明，以304 nm處瑞利散射光為橋梁，有可能實現(xiàn)土壤粒徑對蒽熒光特性影響的校正。

3.3 土壤粒徑對蒽標準曲線的影響及校正

在研究7個粒徑下蒽土壤熒光特性的基礎上，選擇80目和160目兩個土壤粒徑，分別配置了蒽濃度為0.001～0.01 g/g的10種土壤樣品，并分別采集了這些樣品在304 nm波長激發(fā)下的熒光光譜。

(a)80目

(b)160目

為了研究土壤粒徑對定量分析蒽濃度的影響，分別在土壤粒徑為80目和160目下，建立了定量分析土壤中蒽濃度的標準曲線。圖5(a)和5(b)分別是在80和160目下，10個濃度蒽土壤在421 nm處熒光強度F與蒽濃度C之間的線性擬合，擬合關(guān)系分別為：

F1=-24+17 792C，

(3)

F2=-21+15 047C，

(4)

其中：相關(guān)系數(shù)R分別為0.986和0.990。

對比擬合關(guān)系式(3)和式(4)，發(fā)現(xiàn)對于同樣10個濃度的蒽土壤，所建立的定量分析土壤中蒽濃度的標準曲線斜率差別很大，這說明土壤粒徑對定量分析土壤中蒽濃度產(chǎn)生了較大的影響。

為了減小土壤粒徑的影響，基于304 nm處散射光強對421 nm處熒光強度進行校正。校正后421 nm處的熒光強度為：

其中：F421和I304分別為樣品在421 nm處的熒光強度和304 nm處的瑞利散射光強度。

圖6(a)和6(b)分別是80目和160目下，校正后421 nm處熒光強度Fs與土壤蒽濃度C的線性擬合，其擬合關(guān)系分別為：

Fs1=-4.41+3 367C，

(5)

Fs2=-4.74+3 304C，

(6)

其中相關(guān)系數(shù)分別為0.991和0.992。

(a)80目

(b)160目

與校正前的擬合關(guān)系式(3)和式(4)相比，校正后的擬合關(guān)系式(5)和式(6)的斜率比較接近，相關(guān)性更好，由此說明所提的校正方法可有效降低土壤粒徑對蒽標準曲線的影響。

4 結(jié) 論

本文在研究土壤中蒽熒光特性的基礎上，以土壤粒徑為外擾，構(gòu)建了含蒽土壤的同步二維相關(guān)熒光光譜。結(jié)果表明：隨著土壤粒徑的增大，蒽的熒光強度和瑞利散射光強度都在增大。然后分別建立了80目和160目土壤粒徑下定量分析蒽濃度的標準曲線，分析了土壤粒徑對蒽濃度標準曲線的影響，并采用瑞利散射光對蒽熒光曲線進行了校正，得到了很好的校正效果。該研究為基于二維相關(guān)熒光譜直接檢測土壤中的多環(huán)芳烴提供了理論和實驗基礎。

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張偉玉(1963-)，男，甘肅秦安人，教授，碩士生導師，1982年于甘肅農(nóng)業(yè)大學獲得學士學位，1987年于西南農(nóng)業(yè)大學獲得碩士學位，2013年于天津大學獲得博士學位，主要研究方向為測試與控制技術(shù)。E-mail：zhangweiyu@tjau.edu.cn

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Effect of soil particle size on fluorescence characteristics of anthracene and its correction

YANG Ren-jie1， DONG Gui-mei1， YANG Yan-rong1， ZHOU Chang-hong1， LIU Hai-xue2， ZHANG Wei-yu1*

(1. College of Engineering and Technology， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China；2.LaboratoryofAgriculturalAnalysis，TianjinAgriculturalUniversity，Tianjin300384，China)

To detect the polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in soils accurately， the typical PAH pollutants of anthracene in soils was used as research targets， and the effect of soil particle size on the fluorescence characteristics was researched. Then， a correction method was established to reduce the influence of soil particle size on the standard curve of PAH. The fluorescence characteristics of anthracene in soils were studied and three fluorescence peaks were shown at 421 nm， 442 nm and 470 nm. Seven soil samples with different particle sizes contaminated with anthracene were prepared. On the basis of the perturbation of soil particle sizes， the synchronous and asynchronous two-dimensional(2D) correlation fluorescence spectra were calculated and the variations of the fluorescence intensity of anthracene and Rayleigh scattering intensity at 304 nm with soil particle sizes were studied. It was found that the fluorescence intensity of anthracene and Rayleigh scattering intensity enhance with the increase of soil particle sizes. Finally， the standard curves were established to determine the concentration of anthracene in 80 mesh and 160 mesh soils， respectively， and the fluorescence of anthracene was corrected by the Rayleigh scattering at 304 nm. The results show that the proposed corrected method effectively reduces the effect of soil particle size on the standard curve of anthracene.

polycyclic aromatic hydrocarbons； soil； particle size； anthracene； two-dimensional (2D) correlation fluorescence spectroscopy； correction method

2016-07-25；

2016-09-04.

天津市自然科學基金資助項目(No.14JCYBJC30400，No.14JCYBJC43700)；國家自然科學基金資助項目(No.312901359，No.81471698)；天津市教委科技發(fā)展基金資助項目(No.20140621)

1004-924X(2016)11-2665-07

O657.33

A

10.3788/OPE.20162411.2665

楊仁杰(1978-)，男，山西運城人，副教授，碩士生導師，2005年于南開大學獲得碩士學位，2013年于天津大學獲得博士學位，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境和食品安全檢測方面的研究工作。E-mail： rjyang1978@163.com

*Correspondingauthor，E-mail：zhangweiyu@tjau.edu.cn