有机分析仪器在土壤污染检测中的应用

收稿日期：2023-11-08

作者简介：俞新培（1991—），女，江苏南京人，工程师，主要从事环境监测和仪器分析工作。

摘 要：作为土壤污染检测的一种关键工具，有机分析仪器发挥着重要作用，其能分析和鉴定土壤样品中的有机物，有助于确定污染物的种类、浓度和分布情况，为制定土壤污染治理策略提供科学依据。然而，有机分析仪器在土壤污染检测中也面临着一些挑战。土壤基质的复杂性会使得样品的分析结果受到干扰，样品前处理的复杂性和难度均会影响数据的准确性。此外，数据的解析和验证也具有挑战。基于此，围绕有机分析仪器的工作原理和技术特点，及其在农药残留检测和持久性有机污染物监测中的具体应用案例，总结存在的问题，并提出相应的建议，以期推动土壤污染检测工作的开展。

关键词：有机分析仪器；土壤污染；检测；农药残留

中图分类号：X833 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03

有机分析仪器在土壤污染检测中起着关键作用，可用于农药残留检测和持久性有机污染物监测等，以此评估农田的农药使用情况和土壤的污染程度。然而，有机分析仪器在土壤污染检测中面临复杂土壤基质的干扰、样品前处理难题和数据解析与验证的挑战。基于此，改进和优化有机分析仪器的技术和方法，是提高土壤污染检测有效性和数据准确性的关键。

1 土壤污染的现状及危害

土壤污染是一个严重的环境问题，对人类社会和自然环境都带来严重危害[1]。首先，污染物会改变土壤的颗粒结构，导致土壤密度增加或减少，从而影响土壤的透气性、水分保持能力和根系的生长。其次，污染物会改变土壤的pH值，使其变得过酸或过碱，从而对植物生长产生负面影响。此外，污染物会破坏土壤中的有机物质，由此导致土壤肥力降低。最重要的是，污染物会灭杀土壤中的微生物和其他生物，破坏土壤生态系统的稳定性。

不仅如此，土壤污染还不利于农作物的生长和产量。污染物可直接进入农作物的根系，被植物根茎和叶子吸收，从而阻碍植物的生长和发育。同时，污染物还会影响土壤中的菌根共生菌根，破坏植物与土壤的共生关系，削弱植物的养分吸收能力。更为严重的是，土壤污染对人类健康构成潜在威胁。有些污染物会蓄积在作物中，人们通过种植和摄入污染的农作物和饮食链传递可能造成慢性和急性毒性作用，一些有毒物质可引发脏器损害、免疫系统紊乱，甚至诱发癌症等健康问题。此外，一些污染物还会通过土壤颗粒悬浮在空气中，通过呼吸道进入人体，对人体的呼吸系统和皮肤造成危害。

2 有机分析仪器概述

2.1 气相色谱—质谱联用仪（GC-MS）

气相色谱—质谱联用仪（GC-MS）是一种常用的有机分析仪器，其结合气相色谱（GC）和质谱（MS）的优势，具有高分辨率、高灵敏度的特点，在土壤污染检测中得到广泛应用。GC-MS的工作原理是先通过气相色谱分离样品中的有机污染物，再通过质谱进行准确的结构鉴定和定量分析。GC-MS可同时分析多种有机污染物，包括挥发性有机物（VOCs）、半插损性有机物（SVOCs）和挥发性代谢产物等。在土壤污染检测中，GC-MS可用于检测土壤中的农药残留、挥发性有机物、多环芳烃等。通过多种提取技术（如固相微萃取、液—液萃取等），将样品中的有机污染物转移至气相色谱柱上进行分离，通过质谱对物质进行鉴定和定量。

GC-MS在土壤污染检测中的优势主要体现在以下3个方面：

第一，高分辨率和高灵敏度，可对复杂样品中的数百种有机污染物进行分离和检测，具有很高的分辨率和灵敏度，能够检测到微量的污染物，对土壤污染的定量和定性分析提供可靠的数据支持。

第二，结构鉴定能力强。GC-MS结合气相色谱和质谱技术的优势，可通过质谱的碎裂图谱对有机污染物进行准确的结构鉴定，确定其分子式和结构，对复杂土壤中的污染物鉴定具有重要意义。

第三，分析范围广。GC-MS可分析多种有机污染物，包括挥发性有机物、半插损性有机物和挥发性代谢产物等，这使得其在土壤污染检测中具有较大的应用潜力[2]。

2.2 高效液相色谱（HPLC）

高效液相色谱（HPLC）是一种基于液相色谱原理的有机分析仪器，广泛应用于土壤污染检测和有机污染物分析。HPLC将样品溶解在液相中，通过固相柱将不同成分分离并测量其浓度。HPLC具有高分辨率、高选择性、高灵敏度的特点，可用于分析多种有机污染物，如农药、药物残留、多环芳烃等。在土壤污染检测中，HPLC主要应用于以下3个方面。

2.2.1 农药残留检测

HPLC可用于分析土壤中的农药残留，如萃取、净化和浓缩等方式，将目标农药从土壤样品中提取出来，并通过HPLC进行分离和定量分析。这对评估土壤中的农药使用状况和环境风险具有重要意义。

2.2.2 物质鉴定和定量

HPLC与质谱联用（LC-MS）等技术相结合，可对土壤中的有机污染物进行准确的鉴定和定量分析。通过检测化合物在HPLC上的保留时间和峰面积，结合质谱技术进行质量定量分析，可确定土壤中的有机污染物种类和含量[3]。

2.2.3 环境样品监测

HPLC可应用于分析土壤中多环芳烃（PAHs）等环境样品中的有机污染物。这些有机污染物对生态环境和人类健康均有潜在风险，因此，对其进行监测和分析具有重要意义。

2.3 其他分析仪器

除常见的气相色谱仪和液相色谱仪外，还有许多其他的有机分析仪器可应用于土壤污染检测。

2.3.1 质谱仪

质谱仪通过将化合物离子化并在磁场中进行分离，以确定其分子质量和分子结构。质谱仪常与气相色谱仪或液相色谱仪结合使用，以分析土壤中的有机污染物。质谱仪可提供更为准确的质谱图数据，对复杂混合物的分析具有较高的分辨率和灵敏度。

2.3.2 紫外—可见光谱仪（UV-Vis）

UV-Vis光谱仪通过测量物质对紫外光和可见光的吸收确定其浓度。土壤中的有机污染物通常具有特定的吸收光谱，UV-Vis光谱仪可通过与已知样品进行比对，从而快速检测土壤样品中的有机污染物。

2.3.3 荧光光谱仪

荧光光谱仪通过激发样品中的分子而使其产生荧光，并测量荧光发射光谱，以确定有机物的存在与浓度。荧光光谱仪对土壤中的有机污染物反应灵敏，可对复杂环境样品进行有效的定性和定量分析。

2.3.4 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）

FTIR光谱仪通过测量样品中的红外辐射吸收和反射，确定物质的分子结构和化学键的类型。FTIR光谱仪可用于对土壤中有机污染物进行定性分析，研究有机污染物与土壤颗粒之间的相互作用。

3 有机分析仪器在土壤污染检测中的应用

3.1 农药残留检测

有机分析仪器可用于监测和检测土壤中的农药残留量，以评估对土壤和环境的影响。在农药残留检测中，常用的有机分析仪器包括气相色谱仪和液相色谱仪，气相色谱仪通常与质谱仪（GC-MS）结合使用，能够提供更准确的农药残留分析结果，该技术通过将农药化合物与气相相互作用实现分离和检测。

液相色谱仪（HPLC）通常与紫外—可见光谱仪（UV

-Vis）或荧光光谱仪结合使用，用于对土壤样品中的农药进行分离和定量。例如：在阳江市某农田中，运用有机分析仪器进行农药残留的检测。通过采集土壤样品并提取其中的农药残留物，使用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）对样品进行分析。结果显示，土壤中存在2种农药，即氨甲蝶呤和敌草快，残留量分别为15 和10 ppb。当进行农药残留检测时，有机分析仪器可提供更为详细和准确的分析结果，以评估土壤的污染程度[4]。

3.1.1 气相色谱质谱联用仪（GC-MS）的应用

GC-MS是一种常用的有机分析仪器，可用于分析和定量农药残留物，将土壤样品中的农药化合物分离，并通过质谱仪进行准确的分子质量测定。这有助于确定土壤中农药残留的种类和浓度，并鉴定未知的残留物。此外，GC-MS还可与其他技术如固相微萃取（SPME）结合使用，以提高农药残留物的分离效率和灵敏度。

3.1.2 液相色谱—质谱联用仪（LC-MS）的应用

LC-MS也是常用的有机分析仪器，适用于分析土壤中的农药残留物。与GC-MS相比，LC-MS更适合分析极性和热稳定性较差的化合物，可通过液相色谱对农药进行分离，并通过质谱仪准确测定分子质量。同样有助于确定土壤样品中的农药种类和浓度，并鉴定未知残留物。

3.1.3 紫外—可见光谱仪（UV-Vis）和荧光光谱仪的应用

除质谱仪之外，还可使用UV-Vis和荧光光谱仪分析农药残留物。这些仪器通过测量样品在特定波长下的吸收或荧光特性，确定农药的浓度。在液相色谱（HPLC）分析中，通常与UV-Vis或荧光光谱仪结合使用，以实现农药残留物的分离和定量。

3.2 持久性有机污染物的监测

持久性有机污染物（POPs）是一类在环境中难以降解的有机化合物，具有较强的毒性和生物蓄积性。在土壤中，POPs主要来自农药、工业废物和燃烧排放气体。有机分析仪器在持久性有机污染物监测中发挥重要作用。质谱仪是一种常用的分析仪器，可对土壤样品中的POPs进行检测和定量。气相色谱质谱仪（GC-MS）和液相色谱质谱仪（LC-MS）常用于POPs的分离和定性分析。

此外，傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）也可用于POPs

的定性分析。这种仪器可通过测量POPs在红外光谱范围内的吸收谱线确定其化学键和结构特征，以实现POPs的快速鉴定。有机分析仪器的应用可对土壤中POPs的存在和浓度进行检测和监测。这有助于评估土壤的污染状况，指导土壤治理和修复措施，并减轻POPs对环境和生态系统的潜在风险。

3.3 石油烃类污染物的分析

石油烃类是一类常见的土壤污染物，主要来自石油开采、炼油、运输和储存等活动。石油烃类污染物对土壤和生态系统具有显著危害，因此对其进行及时监测和分析十分重要。有机分析仪器在石油烃类污染物分析中起着关键作用。气相色谱仪（GC）是一种常用的分析仪器，通过对样品中的石油烃类进行分离和定量，可实现对土壤中石油烃类污染物的检测和定性分析。气相色谱质谱联用仪（GC-MS）可提供对石油烃类更准确的鉴定和定量分析结果。此外，红外光谱仪（IR）和核磁共振仪（NMR）也可用于石油烃类污染物的快速鉴定和定性分析。这些仪器能够通过石油烃类的吸收谱线和分子结构特征确定其类型和浓度。通过使用这些有机分析仪器，可对土壤样品中石油烃类污染物进行定量和定性分析。这些分析结果可用于评估土壤的污染程度、潜在风险和环境影响，进而指导土壤的修复和管理措施。

4 有机分析仪器在土壤污染检测中的挑战

4.1 复杂土壤基质的干扰

土壤是一种复杂的基质，含有多种有机和无机成分，如土壤颗粒、有机质、水分和微生物等。这些成分的存在可能会干扰有机分析仪器的测量结果，从而影响对土壤污染的准确评估和监测。

首先，土壤颗粒的存在可能导致样品的准备和萃取过程变得困难。土壤颗粒的粒径大小、组成和结构不均匀，可能影响分析结果的精确性和可重复性。因此，在样品前处理过程中，需要采取适当的技术和方法减少颗粒干扰。

其次，土壤中的有机质和水分可能影响有机分析仪器的灵敏度和选择性。有机质含量的高低可能导致有机污染物的溶解和转移过程中出现损失或吸附。而土壤中的水分可能影响分析仪器的灵敏度和背景噪声。因此，在有机分析仪器的使用中，需要针对土壤基质的特点进行优化操作和校准，以克服这些干扰因素的影响。

最后，土壤中存在的微生物可能会降解有机污染物或产生其他代谢产物。这些代谢产物可能与目标分析物具有相似的化学性质，从而对分析结果产生干扰。因此，在有机分析仪器的使用过程中，需要考虑微生物的存在和影响，并采取相应的措施以减少干扰[5]。

4.2 样品前处理的困难

在有机分析仪器的使用中，样品前处理是一个关键的步骤。样品前处理的目的是减少样品中的干扰物质，提高分析的准确性，并增加仪器的灵敏度和选择性。然而，样品前处理通常是一个复杂且耗时的过程。对于土壤样品而言，样品前处理更加困难。土壤样品的复杂性导致样品前处理的步骤和方法较多，样品中可能存在多种污染物，以及背景矩阵中的干扰物质。因此，需要采取适当的提取、净化和浓缩方法分离目标污染物并降低干扰。某些化合物在样品前处理的过程中可能会被分解或转化为其他化合物，从而导致定量分析出现误差。此外，样品前处理还可能引入新的杂质或干扰物质，影响分析结果的准确性和可靠性[6]。在有机分析仪器的应用中需要考虑样品前处理过程中可能遇到的难题，并采取合适的方法最大限度地减少实验误差和干扰。

4.3 数据解析与验证

有机分析仪器产生的数据在土壤污染检测中起着关键作用。准确解析和验证这些数据对于评估土壤污染程度和制定相关措施具有重要意义。然而，有机分析仪器产生的数据非常复杂且庞大，其中可能包含许多峰和信号。因此，对于数据的解析和验证需要相应的计算和统计方法提取有用的信息。同时，数据的可重复性和可靠性也需要进行验证，以确保数据的准确性和正确性。此外，根据土壤样品的特殊性，数据的解析和验证可能涉及对复杂背景干扰的去除和分析结果的定量化，这需要对数据进行适当的校正和校准，以获得可靠的结果。在有机分析仪器的使用中，需要对数据进行全面的解析和验证，以准确地评估土壤的污染状况，并制定相应的管理措施。

5 结束语

有机分析仪器的使用在土壤污染检测中具有重要作用，可用于农药残留检测和持久性有机污染物监测等方面。然而，面临的挑战也不容忽视，包括复杂土壤基质的干扰、样品前处理的难题、数据解析与验证等。因此，需要不断改进和优化有机分析仪器的技术和方法，增强其在土壤污染检测中的应用效果，为环境保护和人类健康提供更可靠的数据支持。

参考文献

[1] 袁素珍，黄枝英，巢楚越，等.全自动土壤有机质分析仪在检测中的应用[J].江西化工，2022，38（3）：81-83.

[2] 汪辉，王振宇，杨紫莹，等.台州不同功能区秋季挥发性有机物污染特征及来源解析[J].环境污染与防治，2023，45 （10）：1416-1421.

[3] 仇石，杨云鹏，王友军.便携非甲烷总烃分析仪在固定污染源VOCs监测中的应用[J].中国资源综合利用，2022，40 （1）：164-167.

[4] 钟亮，王淼，李建龙，等.“源汇理论”在土壤重金属污染监测中的应用现状、问题与展望[J].江苏农业科学，2023，51（13）：34-40.

[5] 杨富斌，穆晋，马玖彤，等.荧光探针在土壤污染物检测中的应用研究进展[J].分析化学，2022，50（8）：1131-1142.

[6] 周瑶敏.气相色谱质谱法同时测定大米中有机氯、拟除虫菊酯类杀虫剂及酰胺类除草剂的研究[D].南昌：南昌大学，2008.