有機分析儀器在土壤污染檢測中的應用

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：俞新培（1991—），女，江蘇南京人，工程師，主要從事環境監測和儀器分析工作。

摘 要：作為土壤污染檢測的一種關鍵工具，有機分析儀器發揮著重要作用，其能分析和鑒定土壤樣品中的有機物，有助于確定污染物的種類、濃度和分布情況，為制定土壤污染治理策略提供科學依據。然而，有機分析儀器在土壤污染檢測中也面臨著一些挑戰。土壤基質的復雜性會使得樣品的分析結果受到干擾，樣品前處理的復雜性和難度均會影響數據的準確性。此外，數據的解析和驗證也具有挑戰。基于此，圍繞有機分析儀器的工作原理和技術特點，及其在農藥殘留檢測和持久性有機污染物監測中的具體應用案例，總結存在的問題，并提出相應的建議，以期推動土壤污染檢測工作的開展。

關鍵詞：有機分析儀器；土壤污染；檢測；農藥殘留

中圖分類號：X833 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）04–0-03

有機分析儀器在土壤污染檢測中起著關鍵作用，可用于農藥殘留檢測和持久性有機污染物監測等，以此評估農田的農藥使用情況和土壤的污染程度。然而，有機分析儀器在土壤污染檢測中面臨復雜土壤基質的干擾、樣品前處理難題和數據解析與驗證的挑戰。基于此，改進和優化有機分析儀器的技術和方法，是提高土壤污染檢測有效性和數據準確性的關鍵。

1 土壤污染的現狀及危害

土壤污染是一個嚴重的環境問題，對人類社會和自然環境都帶來嚴重危害[1]。首先，污染物會改變土壤的顆粒結構，導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。其次，污染物會改變土壤的pH值，使其變得過酸或過堿，從而對植物生長產生負面影響。此外，污染物會破壞土壤中的有機物質，由此導致土壤肥力降低。最重要的是，污染物會滅殺土壤中的微生物和其他生物，破壞土壤生態系統的穩定性。

不僅如此，土壤污染還不利于農作物的生長和產量。污染物可直接進入農作物的根系，被植物根莖和葉子吸收，從而阻礙植物的生長和發育。同時，污染物還會影響土壤中的菌根共生菌根，破壞植物與土壤的共生關系，削弱植物的養分吸收能力。更為嚴重的是，土壤污染對人類健康構成潛在威脅。有些污染物會蓄積在作物中，人們通過種植和攝入污染的農作物和飲食鏈傳遞可能造成慢性和急性毒性作用，一些有毒物質可引發臟器損害、免疫系統紊亂，甚至誘發癌癥等健康問題。此外，一些污染物還會通過土壤顆粒懸浮在空氣中，通過呼吸道進入人體，對人體的呼吸系統和皮膚造成危害。

2 有機分析儀器概述

2.1 氣相色譜—質譜聯用儀（GC-MS）

氣相色譜—質譜聯用儀（GC-MS）是一種常用的有機分析儀器，其結合氣相色譜（GC）和質譜（MS）的優勢，具有高分辨率、高靈敏度的特點，在土壤污染檢測中得到廣泛應用。GC-MS的工作原理是先通過氣相色譜分離樣品中的有機污染物，再通過質譜進行準確的結構鑒定和定量分析。GC-MS可同時分析多種有機污染物，包括揮發性有機物（VOCs）、半插損性有機物（SVOCs）和揮發性代謝產物等。在土壤污染檢測中，GC-MS可用于檢測土壤中的農藥殘留、揮發性有機物、多環芳烴等。通過多種提取技術（如固相微萃取、液—液萃取等），將樣品中的有機污染物轉移至氣相色譜柱上進行分離，通過質譜對物質進行鑒定和定量。

GC-MS在土壤污染檢測中的優勢主要體現在以下3個方面：

第一，高分辨率和高靈敏度，可對復雜樣品中的數百種有機污染物進行分離和檢測，具有很高的分辨率和靈敏度，能夠檢測到微量的污染物，對土壤污染的定量和定性分析提供可靠的數據支持。

第二，結構鑒定能力強。GC-MS結合氣相色譜和質譜技術的優勢，可通過質譜的碎裂圖譜對有機污染物進行準確的結構鑒定，確定其分子式和結構，對復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可分析多種有機污染物，包括揮發性有機物、半插損性有機物和揮發性代謝產物等，這使得其在土壤污染檢測中具有較大的應用潛力[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分析儀器，廣泛應用于土壤污染檢測和有機污染物分析。HPLC將樣品溶解在液相中，通過固相柱將不同成分分離并測量其濃度。HPLC具有高分辨率、高選擇性、高靈敏度的特點，可用于分析多種有機污染物，如農藥、藥物殘留、多環芳烴等。在土壤污染檢測中，HPLC主要應用于以下3個方面。

2.2.1 農藥殘留檢測

HPLC可用于分析土壤中的農藥殘留，如萃取、凈化和濃縮等方式，將目標農藥從土壤樣品中提取出來，并通過HPLC進行分離和定量分析。這對評估土壤中的農藥使用狀況和環境風險具有重要意義。

2.2.2 物質鑒定和定量

HPLC與質譜聯用（LC-MS）等技術相結合，可對土壤中的有機污染物進行準確的鑒定和定量分析。通過檢測化合物在HPLC上的保留時間和峰面積，結合質譜技術進行質量定量分析，可確定土壤中的有機污染物種類和含量[3]。

2.2.3 環境樣品監測

HPLC可應用于分析土壤中多環芳烴（PAHs）等環境樣品中的有機污染物。這些有機污染物對生態環境和人類健康均有潛在風險，因此，對其進行監測和分析具有重要意義。

2.3 其他分析儀器

除常見的氣相色譜儀和液相色譜儀外，還有許多其他的有機分析儀器可應用于土壤污染檢測。

2.3.1 質譜儀

質譜儀通過將化合物離子化并在磁場中進行分離，以確定其分子質量和分子結構。質譜儀常與氣相色譜儀或液相色譜儀結合使用，以分析土壤中的有機污染物。質譜儀可提供更為準確的質譜圖數據，對復雜混合物的分析具有較高的分辨率和靈敏度。

2.3.2 紫外—可見光譜儀（UV-Vis）

UV-Vis光譜儀通過測量物質對紫外光和可見光的吸收確定其濃度。土壤中的有機污染物通常具有特定的吸收光譜，UV-Vis光譜儀可通過與已知樣品進行比對，從而快速檢測土壤樣品中的有機污染物。

2.3.3 熒光光譜儀

熒光光譜儀通過激發樣品中的分子而使其產生熒光，并測量熒光發射光譜，以確定有機物的存在與濃度。熒光光譜儀對土壤中的有機污染物反應靈敏，可對復雜環境樣品進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光譜儀通過測量樣品中的紅外輻射吸收和反射，確定物質的分子結構和化學鍵的類型。FTIR光譜儀可用于對土壤中有機污染物進行定性分析，研究有機污染物與土壤顆粒之間的相互作用。

3 有機分析儀器在土壤污染檢測中的應用

3.1 農藥殘留檢測

有機分析儀器可用于監測和檢測土壤中的農藥殘留量，以評估對土壤和環境的影響。在農藥殘留檢測中，常用的有機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譜儀（GC-MS）結合使用，能夠提供更準確的農藥殘留分析結果，該技術通過將農藥化合物與氣相相互作用實現分離和檢測。

液相色譜儀（HPLC）通常與紫外—可見光譜儀（UV

-Vis）或熒光光譜儀結合使用，用于對土壤樣品中的農藥進行分離和定量。例如：在陽江市某農田中，運用有機分析儀器進行農藥殘留的檢測。通過采集土壤樣品并提取其中的農藥殘留物，使用氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）對樣品進行分析。結果顯示，土壤中存在2種農藥，即氨甲蝶呤和敵草快，殘留量分別為15 和10 ppb。當進行農藥殘留檢測時，有機分析儀器可提供更為詳細和準確的分析結果，以評估土壤的污染程度[4]。

3.1.1 氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）的應用

GC-MS是一種常用的有機分析儀器，可用于分析和定量農藥殘留物，將土壤樣品中的農藥化合物分離，并通過質譜儀進行準確的分子質量測定。這有助于確定土壤中農藥殘留的種類和濃度，并鑒定未知的殘留物。此外，GC-MS還可與其他技術如固相微萃取（SPME）結合使用，以提高農藥殘留物的分離效率和靈敏度。

3.1.2 液相色譜—質譜聯用儀（LC-MS）的應用

LC-MS也是常用的有機分析儀器，適用于分析土壤中的農藥殘留物。與GC-MS相比，LC-MS更適合分析極性和熱穩定性較差的化合物，可通過液相色譜對農藥進行分離，并通過質譜儀準確測定分子質量。同樣有助于確定土壤樣品中的農藥種類和濃度，并鑒定未知殘留物。

3.1.3 紫外—可見光譜儀（UV-Vis）和熒光光譜儀的應用

除質譜儀之外，還可使用UV-Vis和熒光光譜儀分析農藥殘留物。這些儀器通過測量樣品在特定波長下的吸收或熒光特性，確定農藥的濃度。在液相色譜（HPLC）分析中，通常與UV-Vis或熒光光譜儀結合使用，以實現農藥殘留物的分離和定量。

3.2 持久性有機污染物的監測

持久性有機污染物（POPs）是一類在環境中難以降解的有機化合物，具有較強的毒性和生物蓄積性。在土壤中，POPs主要來自農藥、工業廢物和燃燒排放氣體。有機分析儀器在持久性有機污染物監測中發揮重要作用。質譜儀是一種常用的分析儀器，可對土壤樣品中的POPs進行檢測和定量。氣相色譜質譜儀（GC-MS）和液相色譜質譜儀（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。這種儀器可通過測量POPs在紅外光譜范圍內的吸收譜線確定其化學鍵和結構特征，以實現POPs的快速鑒定。有機分析儀器的應用可對土壤中POPs的存在和濃度進行檢測和監測。這有助于評估土壤的污染狀況，指導土壤治理和修復措施，并減輕POPs對環境和生態系統的潛在風險。

3.3 石油烴類污染物的分析

石油烴類是一類常見的土壤污染物，主要來自石油開采、煉油、運輸和儲存等活動。石油烴類污染物對土壤和生態系統具有顯著危害，因此對其進行及時監測和分析十分重要。有機分析儀器在石油烴類污染物分析中起著關鍵作用。氣相色譜儀（GC）是一種常用的分析儀器，通過對樣品中的石油烴類進行分離和定量，可實現對土壤中石油烴類污染物的檢測和定性分析。氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）可提供對石油烴類更準確的鑒定和定量分析結果。此外，紅外光譜儀（IR）和核磁共振儀（NMR）也可用于石油烴類污染物的快速鑒定和定性分析。這些儀器能夠通過石油烴類的吸收譜線和分子結構特征確定其類型和濃度。通過使用這些有機分析儀器，可對土壤樣品中石油烴類污染物進行定量和定性分析。這些分析結果可用于評估土壤的污染程度、潛在風險和環境影響，進而指導土壤的修復和管理措施。

4 有機分析儀器在土壤污染檢測中的挑戰

4.1 復雜土壤基質的干擾

土壤是一種復雜的基質，含有多種有機和無機成分，如土壤顆粒、有機質、水分和微生物等。這些成分的存在可能會干擾有機分析儀器的測量結果，從而影響對土壤污染的準確評估和監測。

首先，土壤顆粒的存在可能導致樣品的準備和萃取過程變得困難。土壤顆粒的粒徑大小、組成和結構不均勻，可能影響分析結果的精確性和可重復性。因此，在樣品前處理過程中，需要采取適當的技術和方法減少顆粒干擾。

其次，土壤中的有機質和水分可能影響有機分析儀器的靈敏度和選擇性。有機質含量的高低可能導致有機污染物的溶解和轉移過程中出現損失或吸附。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，在有機分析儀器的使用中，需要針對土壤基質的特點進行優化操作和校準，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降解有機污染物或產生其他代謝產物。這些代謝產物可能與目標分析物具有相似的化學性質，從而對分析結果產生干擾。因此，在有機分析儀器的使用過程中，需要考慮微生物的存在和影響，并采取相應的措施以減少干擾[5]。

4.2 樣品前處理的困難

在有機分析儀器的使用中，樣品前處理是一個關鍵的步驟。樣品前處理的目的是減少樣品中的干擾物質，提高分析的準確性，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復雜且耗時的過程。對于土壤樣品而言，樣品前處理更加困難。土壤樣品的復雜性導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。因此，需要采取適當的提取、凈化和濃縮方法分離目標污染物并降低干擾。某些化合物在樣品前處理的過程中可能會被分解或轉化為其他化合物，從而導致定量分析出現誤差。此外，樣品前處理還可能引入新的雜質或干擾物質，影響分析結果的準確性和可靠性[6]。在有機分析儀器的應用中需要考慮樣品前處理過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驗誤差和干擾。

4.3 數據解析與驗證

有機分析儀器產生的數據在土壤污染檢測中起著關鍵作用。準確解析和驗證這些數據對于評估土壤污染程度和制定相關措施具有重要意義。然而，有機分析儀器產生的數據非常復雜且龐大，其中可能包含許多峰和信號。因此，對于數據的解析和驗證需要相應的計算和統計方法提取有用的信息。同時，數據的可重復性和可靠性也需要進行驗證，以確保數據的準確性和正確性。此外，根據土壤樣品的特殊性，數據的解析和驗證可能涉及對復雜背景干擾的去除和分析結果的定量化，這需要對數據進行適當的校正和校準，以獲得可靠的結果。在有機分析儀器的使用中，需要對數據進行全面的解析和驗證，以準確地評估土壤的污染狀況，并制定相應的管理措施。

5 結束語

有機分析儀器的使用在土壤污染檢測中具有重要作用，可用于農藥殘留檢測和持久性有機污染物監測等方面。然而，面臨的挑戰也不容忽視，包括復雜土壤基質的干擾、樣品前處理的難題、數據解析與驗證等。因此，需要不斷改進和優化有機分析儀器的技術和方法，增強其在土壤污染檢測中的應用效果，為環境保護和人類健康提供更可靠的數據支持。

參考文獻

[1] 袁素珍，黃枝英，巢楚越，等.全自動土壤有機質分析儀在檢測中的應用[J].江西化工，2022，38（3）：81-83.

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