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土壤环境中有害化学物质的检测与分析方法研究

2023-09-01 34 上传者：管理员

摘要：土壤是地球生态系统中至关重要的组成部分，对于维持生态平衡和人类社会的可持续发展具有重要作用。然而，随着工业化和农业生产的不断发展，土壤环境质量面临着日益严峻的挑战。本文主要探讨土壤环境质量监测中有害化学物残留及含量检测与分析的方法和技术，分析了各种检测手段的优缺点，旨在保障有效地检测土壤中有害化学物的残留及含量。

关键词：
化学物质
含量检测
土壤环境
数据分析
有害化学物质
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随着人类经济和社会的发展，大量的化学物质被广泛应用于农业、工业、医疗、家庭等领域，这些化学物质对于人类社会的发展起到了积极的推动作用。然而，这些化学物质也可能对人类健康和环境造成负面影响，例如，土壤中的有害化学物质残留可能会影响植物生长和产量、土壤质量和生态环境，甚至会对人类健康造成威胁。因此，对于土壤环境中有害化学物质的监测和检测显得尤为重要。

1. 样品采集

(1)样品数量

在土壤环境质量监测中，选择合适的样品数量非常重要。样品数量的确定需要综合考虑监测的范围和目的，以确保监测结果具有可靠性和准确性。过少的样品数量会导致监测结果的偏差，无法全面反映土壤环境质量状况。因此，在样品数量的确定过程中，需要进行科学的评估和规划。例如，对于一个常规土壤环境质量监测项目，如果监测面积为1公顷（约10,000m2），通常建议至少设置5～10个采样点。这样可以较好地覆盖监测区域的异质性和空间变异性。为了更全面地了解土壤环境质量情况，取样点的密度应根据土壤的异质性进行调整。一般来说，对于较均质的土壤，可以考虑每0.5公顷设置1个采样点；而对于异质性较高的土壤，建议每0.1～0.25公顷设置1个采样点。

(2)样品位置

样品位置的选择是影响土壤环境质量监测结果准确性的重要因素。样品位置应该根据监测的目的和要求选择合适的地点，具有代表性且易于采集的样品位置应该优先选择，例如，在可能受到污染的区域、污染源周围、农业生产区等。为保证监测结果的可靠性，采样时应注意避免选择过于平坦或过于陡峭的地区，以及有障碍物和建筑物等影响采样的地点。此外，还需要注意采集不同土层的样品，土壤剖面中的不同土层可能存在着不同的性质和特征，通过采集不同土层的样品，可以获得更全面的信息，进一步了解土壤环境质量的情况。样品位置的选择需要充分考虑监测的目的和范围，样品应从不同的位置采集，以代表性地反映监测区域的土壤环境质量。可以选择具有不同土壤类型、植被覆盖、地形等特征的地点进行采集，以获得更多样性的数据。

2. 前处理

(1)样品干燥

样品干燥是一种将土壤样品中的水分除去的处理方式，这对于土壤有害化学物残留的检测非常关键。因为土壤中的水分含量较高，如果不进行干燥处理，会导致样品中化学物质的分布和含量不均匀，进而影响检测结果的准确性。干燥温度和时间是关键的参数，需要根据样品的性质和检测方法的要求进行调整。例如，对于一般的土壤理化性质分析，如土壤质地、含水量等指标的测定，常用的干燥温度为60～80℃，干燥时间通常在24h左右。而在进行土壤养分分析时，干燥温度和时间也需要根据具体的检测方法进行调整。例如，测定土壤中的全氮、全磷、全钾含量时，干燥温度一般为60～80℃，干燥时间通常在24h左右。对于土壤中有机物污染物的分析，干燥温度和时间的要求可能会更高。例如，苯并[a]芘等多环芳烃的分析，常用的干燥温度为105～110℃，干燥时间可能需要48h以上。

(2)样品粉碎和筛分

样品的粉碎和筛分处理是为了消除样品颗粒的不均匀性，以提高提取效率和检测精度。土壤样品中颗粒大小不均，存在一定的粗颗粒和细颗粒。因此，需要将样品进行粉碎处理，使其达到均匀状态。在样品粉碎后，需要通过筛网分选出符合要求的颗粒大小，以便后续分析。样品的粉碎和筛分处理可以通过手动或机械方式进行。手动方式包括用研钵和杵进行研磨，而机械方式则包括用球磨机或切割机等设备进行处理。在进行样品粉碎和筛分时，需要注意操作过程中的卫生和安全问题，以及样品不应被污染和损坏。

3. 仪器检测

(1)色谱法

色谱法的主要优点在于能够进行高效的化合物分离和定量分析。在色谱法中，样品通过色谱柱进行分离，色谱柱的填充物和柱长、柱径等参数都是影响分离效果的重要因素。另外，检测器的选择也十分重要，常见的检测器包括荧光检测器、紫外检测器和质谱检测器等。其中，气相色谱法（GC）通常用于挥发性有机物的分析，如苯、甲苯、二甲苯等。它的原理是利用化合物在高温下被分离和分解的特性，将挥发性有机物分离出来，并通过检测器进行检测和定量。液相色谱法（HPLC）主要用于分析极性有机物，如农药、草甘膦等。它的原理是利用化合物在不同的溶剂中具有不同的溶解度和亲和力的特性，通过液相色谱柱进行分离，再通过检测器进行检测和定量。在土壤质量监测中，色谱法是常用的分析方法之一，其结果准确可靠，具有高灵敏度和高分辨率的特点。不过，色谱法也有一定的使用缺点，例如，色谱法的分析过程相对复杂，需要一定的专业知识和技术支持。进行色谱分析需要专用的色谱仪器和设备，包括色谱柱、检测器等，其购买和维护成本较高。色谱法适用于各种不同类型的物质检测，包括有机化合物、无机离子、气体、药物、农药、环境污染物等。

(2)质谱法

质谱法是一种基于质量分析原理的分析方法，其基本原理是将分析物转化为离子，然后利用离子的质荷比（m/z）进行质量分析和鉴定。在质谱法中，通常使用质谱仪和串联质谱仪进行分析。质谱仪通过将样品中的化合物离子化，并根据离子的m/z值进行检测。而串联质谱仪则可以将分离的离子进一步分析和鉴定。时间飞行质谱法则通过利用离子在电场中飞行时间的差异来实现质量分析。质谱法在土壤质量监测中具有广泛的应用。例如，可以通过质谱法检测土壤中的有机物、重金属、农药等污染物。由于质谱法具有高灵敏度和高分辨率的优点，可以对土壤中的复杂化学物质进行定量和鉴定。但质谱法所需的仪器设备通常较为复杂且昂贵，包括质谱仪、离子源、质谱检测器等，这增加了设备的购买和维护成本，限制了其在一些实验室和场地的应用范围。而质谱法对于物质的鉴定和定量需要依赖于标准物质的对照和参考数据库的支持。如果缺乏适当的标准物质或数据库，可能会对质谱分析的结果产生一定的限制。质谱法适用于广泛的物质检测，包括一些金属元素、药物、代谢产物等。

(3)光谱法

光谱法可以应用于各种化学和环境领域，包括土壤环境质量监测。在土壤中存在着各种有机和无机化合物，通过光谱法可以快速、准确地检测这些化合物的存在和浓度。此外，光谱法还具有操作简便、不需要样品前处理、数据处理方便等优点。通过光谱法可以测量土壤中的元素含量、化合物的结构和种类、以及污染物的分布和来源等信息。紫外-可见吸收光谱法主要应用于检测土壤中的无机物质，如重金属离子的含量，荧光光谱法则适用于检测土壤中的有机物质，如多环芳烃等的含量。在实际应用时，光谱法通常需要使用标准品进行校准和定量分析。然而，获得适当的标准品可能会面临困难，尤其是对于特定化合物或新兴污染物的标准品可能不易获取。此外，标准品的制备和稳定性对于光谱法的准确性和可重复性也具有重要影响。光谱法适用于多种物质的检测，尤其是有机和无机化合物。

4. 数据分析

(1)定量分析

定量分析是通过测量样品中化合物的含量来确定其浓度。在土壤质量监测中，定量分析是评估土壤中污染物质浓度的重要手段。在进行定量分析之前，需要进行适当的前处理步骤，如样品提取、干燥、粉碎、筛分等，以消除干扰因素，提高测量结果的准确性。同时，还需要选择适当的测量方法和仪器设备，确保测量结果的可靠性和准确性。在进行定量分析时，常用的方法包括标准曲线法和外标法。在进行定量分析时，需要注意选择合适的方法和适当的浓度范围，以获得准确的结果。本分析法具有一定的准确性和灵活性，但也有一定的缺点，例如，有时定量分析可能需要较长的分析时间，特别是对于复杂样品或低浓度污染物的测量。此外，所需的仪器设备和耗材、标准品等也可能增加分析的成本。

(2)定性分析

定性分析是一种重要的化学物质分析方法，可以通过比对样品的质谱或光谱数据和标准库或数据库中的数据，确定样品中化合物的种类和类型。在进行定性分析前，需要对样品进行适当的前处理和提取，以提高检测灵敏度和特异性。对于复杂的样品基质，还需要采用分离和纯化等技术，以避免干扰和背景信号的影响。在比对样品和标准库或数据库的数据时，需要考虑到仪器的灵敏度、准确性和特异性等因素，以避免误判和漏判。定性分析可以快速确定样品中化合物的种类和类型，并且具有较高的灵敏度。但需要注意的是，该分析法结果可能存在一定的主观性，依赖于操作人员的经验和判断。不同的操作人员可能会对同一样品得出不同的定性结论。

(3)聚类分析

聚类分析在土壤质量评价、环境监测和土壤治理等领域都有广泛的应用。聚类分析的目的是将一组数据按照其相似性分为不同的类别，并形成一个层次结构或簇。聚类分析可以帮助决策者对土壤污染情况进行更深入的了解和评估，提供有效的治理和保护措施。在聚类分析中，可以采用不同的算法和技术，如层次聚类、K均值聚类、模糊聚类等。层次聚类是将样品按照相似性分为不同的类别，并形成一个层次结构。K均值聚类则将样品分为K个不同的簇，每个簇包含具有相似属性的样品。模糊聚类则允许样品被分配到多个类别中，反映出样品的不确定性和模糊性。聚类分析可以帮助发现数据中的隐藏模式和结构。通过将相似的样品或数据点分组到同一类别或簇中，并且不需要事先对数据进行假设或制定预定义的模型。但要注意聚类分析对于异常值和噪声数据比较敏感。异常值或噪声的存在可能会影响到聚类结果的准确性和稳定性，需要进行适当的数据处理和去噪操作。

5. 结论

综上所述，土壤环境质量监测是保障人类生存环境和生态安全的重要措施之一。有害化学物残留及含量检测与分析是土壤环境质量监测中的关键环节。在采样、前处理、仪器检测和数据分析等环节中，需要注意细节、严格控制误差和提高精度及准确度。同时，不同的检测方法和技术应结合实际情况和需求进行选择和应用，如气相色谱-质谱联用技术、光谱法、聚类分析等，可以更好地反映土壤中有害化学物的来源、分布规律和对环境的影响。日后，需要继续发展高效、快速、准确的检测方法，推进土壤污染治理和土壤环境的健康和可持续发展。

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文章来源:孔小禹.土壤环境中有害化学物质的检测与分析方法研究[J].当代化工研究,2023(17):60-62.