基于二维相关荧光谱土壤中PAHs检测方法研究

作     者：杨仁杰 王斌 董桂梅 杨延荣 吴楠 孙国红 张伟玉 刘海学 YANG Ren-jie;WANG Bin;DONG Gui-mei;YANG Yan-rong;WU Nan;SUN Guo-hong;ZHANG Wei-yu;LIU Hai-xue

作者机构：天津农学院工程技术学院天津300384 南开大学物理学院光子学中心天津300071 天津农学院农业分析测试中心天津300384 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2019年第39卷第3期

页      面：818-822页

核心收录：

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

基　　金：国家自然科学基金项目(41771357 21607114 81471698) 天津市自然科学基金项目(14JCYBJC30400 16JCQNJC08200) 天津科技计划项目(17ZXYENC00080) 天津农学院科学研究基金项目(2017-D-03)资助 

主　　题：土壤 多环芳烃 二维相关荧光谱 蒽 菲 

摘      要：传统荧光光谱技术已被用于土壤中多环芳烃(PAHs)的检测,但由于土壤体系的复杂性、 PAHs污染物的多样化和微量化,传统的荧光光谱技术无法有效提取土壤中PAHs的特征信息。为了解决上述问题,提出并建立一种基于二维相关荧光谱土壤中多环芳烃的检测方法。以土壤中典型的多环芳烃蒽和菲为研究对象,配置38个蒽菲混合标准土壤样品(蒽和菲的浓度范围均为0.000 5～0.01 g·g^(-1)),在激发波长265～340 nm,发射波长350～500 nm范围内采集了所有样品的三维荧光谱。以激发波长为外扰,对外扰变化的动态一维荧光谱进行相关计算,得到每一样品的同步二维相关荧光谱。研究了浓度均为0.005 g·g^(-1)蒽菲混合土壤样品的三维荧光谱和同步二维相关荧光谱特性,在同步谱主对角线398, 419, 444和484 nm处存在自相关峰,其中, 398和484 nm荧光峰来自土壤中的菲, 419和444 nm荧光峰来自土壤中的蒽;在主对角线外侧,蒽和菲两组荧光峰之间存在负的交叉峰,进一步验证了其来源不同;同时,在(408, 434) nm和(434, 467) nm处出现交叉峰,其中408和434 nm荧光峰来自土壤中的菲, 467 nm荧光峰来自土壤中的蒽。指出与三维荧光谱表征的信息相比,二维相关荧光谱不仅能提取更多的特征信息(408和467 nm的特征峰在三维荧光谱中未被表征),而且还能提供荧光峰之间的相互关系,对其来源进行有效解析。在上述研究二维相关荧光谱特性的基础上,基于同步相关谱矩阵(38×151×151)建立了定量分析土壤中蒽和菲污染物浓度的多维偏最小二乘(N-PLS)模型,对蒽的校正和预测相关系数分别为0.986和0.985,校正均方根误差(RMSEC)和预测均方根误差(RMSEP)分别为4.33×10^(-4)和5.55×10^(-4) g·g^(-1);对菲的校正和预测相关系数分别为0.981和0.984, RMSEC和RMSEP分别为5.20×10^(-4)和4.80×10^(-4) g·g^(-1)。为了比较,基于三维荧光光谱矩阵(38×16×151)建立了定量了分析土壤中蒽和菲的N-PLS模型,对蒽的校正和预测相关系数分别为0.981和0.972, RMSEC和RMSEP分别为5.09×10^(-4)和6.74×10^(-4) g·g^(-1);对菲的校正和预测相关系数分别为0.957和0.956, RMSEC和RMSEP分别为7.36×10^(-4)和7.77×10^(-4) g·g^(-1)。指出,对于土壤中的蒽和菲检测,基于二维相关荧光谱的N-PLS模型的相关系数r, RMSEC和RMSEP都要优于基于三维荧光谱的N-PLS模型。研究结果表明:所提出和建立的方法—二维相关荧光谱直接检测土壤中PAHs污染物不仅可行,而且能提供更好的分析结果。该研究为激光诱导荧光结合相关谱技术现场直接检测土壤中多环芳烃污染物提供了理论和实验基础,具有较好的应用前景。