光谱分析法在土壤污染监测中的应用研究进展

光谱分析法在土壤污染监测中的应用研究进展

薛士博

天津市滨海新区生态环境监测中心 天津市 300000

摘要：土壤是人们正常生活的重要根本，土壤污染会破坏土内部结构和质量的巨大变化，威胁人们居住环境的稳定性。而光谱分析法在土壤污染监测中的应用是现代环境监测方法的一个重要发展方向。

关键词：光谱分析法；土壤污染监测；应用

随着我国经济与社会的发展，土壤污染日益严重。光谱分析法作为一种有效的土壤污染监测方法，已得到国内外许多学者的认可和应用。光谱分析法开创了化学分析的新时代，是最灵敏、快速、准确的仪器分析方法之一。近年来，光谱分析在土壤污染物成分分析中的应用越来越广泛。在土壤污染分析监测中，运用光谱分析法对重金属和有机污染物的分析已成为一种快速的例行分析方法。

一、光谱分析法概述

采用光谱学的基本原理与实验方法来确定物质的基本结构与化学的组成成分的这一种分析方法称之为光谱分析法。具有各种各样结构的物质都具有自身的特征性光谱，光谱分析法是采用特征光谱来研究物质结构或测定化学主要组成成分的一种方法。该方法开创了化学与分析化学的新纪元，很多化学元素类型是凭借光谱分析的方法才被人们所发现。该方法已广泛用于地质、冶金、石油、化工、农业、医药、生物化学、环保等方面。光谱分析法也是近年来发展较迅速的一种痕量分析方法，具有操作简单、快速、灵敏度高、精密度与准确度好的特点，而且线形的有效范围宽，检出限低。光谱分析法属于一种经常被采用的具有灵敏、快速、准确优质特点的近代仪器分析法。它与其他分析方法相比有很多优点，分析速度快，操作简单，有些样品都不用经任何类型化学性的处理，就能直接对其进行光谱分析，若结合采用计算机技术，有时只需简单按一下键盘就可自动进行相关的分析、数据性处理、打印出分析的精确结果。在大气污染相关检测等方面，运用分子光谱法遥测，无需采集样品，在短短几秒钟时间内，就能发出警报或检测出污染严重程度；无需纯样品，只需利用已知谱图，就能定性分析光谱。这是光谱分析法的一个突出特点；能同时测定出多种元素或化合物，省去复杂的分离性操作过程；选择性好，能测定出化学性质相似的元素与化合物。

二、光谱分析法在土壤污染监测中的应用

1、用于分析监测土壤中的有机污染物。作为土壤污染物的重要组成部分，有机污染物的实时监测越来越受到人们的重视。近年来，随着光谱分析技术的提高和一些联用技术的不断成熟进步，光谱分析法在土壤有机污染物分析监测中的应用研究将大幅扩展，许多科研人员做了相关的研究并取得了一定成果。

有学者利用太赫兹时域光谱法对滴滴涕等土壤中有机污染物进行光谱分析，得到了样品在0.2～1.8THz波段的吸收谱、折射率谱。理论计算与太赫兹技术测量的吸收峰位置吻合良好。为监测土壤中石油污染物的含量，采用荧光光谱测量分析法研究原油、柴油、机油的荧光特性。结果表明，它们在水中、土壤中受紫外光激发时能发出强烈荧光。实验证明，用荧光光谱法监测分析土壤中的石油污染物可行。油田区的土壤将受到石油类物质的污染，全面了解土壤中石油类物质的含量是评价土壤中石油污染的前提。传统的土壤石油污染监测方法是在野外采集大量土样，然后在实验室分析石油类物质含量。与传统方法不同，有学者提出了一种新的分析土壤中石油类物质方法，即用少量野外土壤石油类物质样品，并结合野外光谱测量方法，该方法具有快速、省钱、省时、省力的特点，可用于土壤中石油类物质含量的宏观分析，能满足油田开发对土壤和环境污染评价的需要，为制定油田开发管理保护对策提供辅助信息。另有学者选择EPA规定的16种优先控制多环芳烃(PAHs)作为研究对象，以土壤为检测基质，采用紫外和荧光串联检测的方法对16种PAHs进行分析，克服了单一紫外或荧光检测器的检测缺陷，提高了检测方法的灵敏度，具有良好的准确度、精密度、线性范围、检出限，能满足土壤中PAHs多残痕量检测的实际要求。

2、用于分析监测土壤中的重金属污染物。采矿产生的“三废”易造成土壤重金属污染，污染监测和生态影响评价受到人们的广泛关注。近年来，国内外学者致力于光谱分析法在土壤重金属监测中的应用研究。

有学者使用重金属光谱分析仪和原子吸收光谱测定土壤中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As。结果表明，重金属光谱分析仪对Cu、Pb、Zn、As检测结果较理想，与原子吸收光谱法检测数据接近，误差能满足现场监测要求。另有学者对钼矿区周围农田土壤重金属污染进行了详细调研。选取矿区80个污染农田土壤样本，用HNO3-HF-HClO4混酸处理，化学形态分析采用BCR三步连续提取法；采用等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定和评价土壤样品中Mo、Pb、As、Hg、Cr、Cd、Zn、Cu、Ni的全量和各种化学形态含量，并分析矿区地下水；数据分析采用SPSS软件。结果表明，矿山周围农田土壤重金属主要污染物为Cd、Hg、Cr；内梅罗综合指数6.81，综合评价结果

为该区土壤已受严重污染；Cd、As污染源基本相同，Cu、Ni、Zn污染源基本相同，Hg有独立的污染源；重金属的化学形态分布为残余态>有机结合态>氧化结合态>酸可提取态；重金属Cr、Hg有效态所占比例较大，可能影响农作物正常生长；矿山周围农田土壤的重金属污染可能是由地下污水浇灌、采矿、运输、大气降尘等过程，以及有机农药和塑料农用制品的施用过程、矿物伴生与转化等过程。此外，将一种新研制的激光烧蚀-快速冲放电等离子体光谱法用于土壤中Sn的浓度检测。与传统激光诱导击穿光谱法相比，激光烧蚀快脉冲放电等离子体光谱法产生的Sn元素辐射光谱强度大幅提高，并利用该技术获得了土壤中Sn元素的校准曲线，这将土壤中Sn元素的检测极限降到0.16μg·g-1，与各文献报道的检测极限8.2～54μg·g-1比较有很大改进，表明该技术在土壤元素的快速定量检测中具有应用价值。有学者在总结国内外学者研究成果基础上，比较了可见光-近红外(VNIR)和中红外(MIR)在预测重金属含量的效果和特点。结果表明，MIR在预测土壤重金属含量方面优于VNIR。光谱预处理方法和敏感波段的选取差异使估算模型精度存在显著差异，尽管这些方法有一定局限性，但红外光谱法的独特优势使其仍是收集土壤重金属污染信息的重要技术手段。

三、光谱分析法在土壤污染监测中的应用展望

1、当前，光谱分析法已成为地质、冶金、石油、化工、农业、医药、生物化学、环保等许多科研领域采用的重要手段与方法。就土壤污染监测而言，随着科技的飞速发展，其显著优势日益凸显。

2、在光谱分析法发展中，原子吸收光谱法作为一种成熟实用的分析方法，已广泛应用于土壤重金属元素的监测。今后，应致力于选择灵敏度高、选择性好的检测方法，以简化、提高其效率，这需广大科研人员不断探索实践。此外，固体直接进样作为一种新的现代分析技术，无需样品处理能省时省力，由于缺乏相应的标准样品，在土壤污染监测领域的实际推广应用中受到限制。

3、通过目前的研究现状和进展，可看出光谱分析法在土壤污染监测中可行，若能结合高光谱影像对污染土壤进行大范围监测，将为高光谱遥感在环保领域开拓广阔的发展空间，为政府提供快速准确的土壤信息，为国家土地资源的合理配置提供科学指导。同时，为区域污染土壤治理和农业可持续发展提供及时可靠的信息保障。光谱分析技术与遥感技术的结合有望为土壤污染监测提供一种更理想的方法。

4、光谱分析法在土壤污染监测领域的发展不仅应注重提高方法的选择性，还应加快实现仪器设备更加自动化及智能化的步伐，两者的共同进步将为未来土壤污染监测带来新的曙光。

参考文献：

[1]李民赞.光谱分析技术及其应用[M].北京：科学出版社，2016:235.

[2]高扬.重金属光谱分析仪与原子吸收光谱测定土壤中的重金属[J].中国环境监测，2016，25(01):24-25.