土壤石油烃污染检测的红外光谱定性与定量分析方法

土壤石油烃污染是工业、交通及油气开采活动带来的典型环境问题，其成分复杂（含烷烃、芳烃、胶质等），不仅抑制土壤微生物活性、破坏植被生长，还可能通过渗滤进入地下水或累积于农作物，威胁人类健康。红外光谱技术凭借快速、非破坏性、成本较低且无需复杂试剂的优势，成为土壤石油烃检测的核心手段之一——定性分析聚焦于识别污染物的特征官能团，定量分析则实现含量精准测定，二者结合为污染程度评估、修复方案制定提供直接数据支撑。

红外光谱定性分析：基于官能团的特征识别

红外光谱的核心逻辑是“官能团-吸收峰”的一一对应——不同化学键的振动模式（伸缩、弯曲、扭转）会在特定波数（cm⁻¹）处产生吸收，就像物质的“光谱指纹”。对于土壤中的石油烃，其主要成分可分为三类：饱和烷烃（占石油烃的50%-80%）、芳烃（10%-30%）、胶质与沥青质（5%-20%），每类成分都有独特的特征峰。

饱和烷烃的特征峰源于C-H键的振动：CH₂基团的不对称伸缩振动对应2920cm⁻¹，对称伸缩对应2850cm⁻¹——这两个峰通常是石油烃中最强的吸收峰，因为烷烃含量最高；CH₂的弯曲振动对应1460cm⁻¹，CH₃的弯曲振动对应1380cm⁻¹——若1380cm⁻¹峰分裂为两个峰（如1385cm⁻¹与1375cm⁻¹），说明存在支链烷烃（如异辛烷）。

芳烃的特征峰则与芳环结构相关：C=C骨架的伸缩振动会在1600cm⁻¹和1500cm⁻¹处产生吸收（因芳环的共轭效应，峰形较宽）；而C-H面外弯曲振动的峰位置更具诊断性——单取代芳烃（如苯）对应750cm⁻¹和700cm⁻¹（两个峰），邻位取代对应740cm⁻¹，间位取代对应810cm⁻¹，对位取代对应820cm⁻¹。这些峰虽然强度较弱，但能精准识别芳烃的取代类型。

胶质与沥青质的特征峰相对复杂，因为它们含有更多极性官能团：如C=O伸缩振动对应1700cm⁻¹（来自羧酸或酮），S=O伸缩振动对应1300-1100cm⁻¹（来自 sulfoxide），N-H弯曲振动对应1550cm⁻¹（来自胺类）。这些峰通常强度较弱，仅在高浓度污染时才会显现。

定性分析的实际操作需分三步：首先采集未污染土壤的光谱作为背景——土壤本身含有的粘土、腐殖质会产生背景信号，必须扣除；其次采集污染土壤的光谱，通过软件自动扣除背景；最后对比特征峰的位置与相对强度——若2920cm⁻¹和2850cm⁻¹处有强吸收，说明存在烷烃；若1600cm⁻¹伴随750cm⁻¹峰，说明有单取代芳烃；若1700cm⁻¹有弱峰，提示胶质存在。

需注意的是，土壤基质的干扰可能掩盖弱峰。比如，低浓度芳烃（<50mg/kg）的1600cm⁻¹峰可能被土壤中腐殖质的1630cm⁻¹峰掩盖，此时需用导数光谱处理——一阶导数能消除基线漂移，二阶导数能分解重叠峰，让芳烃的特征峰更清晰。

定量分析的基础：朗伯-比尔定律的应用逻辑

红外定量分析的理论基石是朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law），其数学表达式为A=εbc。其中，A是吸光度（无单位），ε是摩尔吸光系数（L/(mol·cm)），b是光程（cm），c是物质的量浓度（mol/L）。这个定律的核心是“吸光度与浓度成正比”——只要光程固定、ε值已知，就能通过吸光度计算浓度。

对于土壤石油烃，应用朗伯-比尔定律的第一个关键是“特征峰选择”。石油烃的峰很多，但并非所有峰都适合定量：需挑选“含量稳定、干扰小、线性好”的峰。比如，烷烃的2920cm⁻¹峰（CH₂不对称伸缩）是首选——因为烷烃占石油烃的大部分，含量稳定；且这个峰的位置远离土壤中常见的干扰峰（如水分的3400cm⁻¹、粘土的1000cm⁻¹）。

第二个关键是“ε值的确定”。ε值与物质的结构、溶剂、温度有关——不同来源的石油烃（如原油、柴油、汽油）组成不同，ε值差异很大。比如，原油的2920cm⁻¹峰ε值约为1000L/(mol·cm)，而柴油的ε值约为800L/(mol·cm)。因此，必须用与实际污染类型一致的标样来测定ε值。

标样的制备需注意“代表性”：若污染源于加油站的柴油泄漏，就用柴油作为标样；若源于原油开采，就用原油作为标样。标样需溶解于惰性溶剂（如正己烷），制备一系列浓度梯度（如0、10、20、30、40、50mg/L）——浓度范围需覆盖待测样品的可能浓度（如土壤石油烃的常见范围是0-500mg/kg）。

标准曲线的绘制步骤是：采集每个标样的红外光谱，测量特征峰的吸光度（通常用峰面积，因为峰面积比峰高更稳定）；以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制散点图；用线性回归拟合得到方程（如A=0.02c+0.005），其中斜率就是ε×b（因b固定为1cm，斜率近似ε）。

需注意的是，朗伯-比尔定律仅在“稀溶液”中成立（浓度<0.1mol/L）——若浓度过高，分子间的相互作用会导致ε值变化，线性关系破坏。因此，待测样品的浓度需稀释至线性范围内，避免“浓度过载”。

常见定量分析方法：从标准曲线到ATR技术

标准曲线法是红外定量分析中最常用的方法，适用于大部分土壤石油烃检测。其步骤可分为四步：样品前处理（提取石油烃）、标样制备（系列浓度梯度）、光谱采集（标样与样品）、结果计算（代入标准曲线）。

样品前处理是标准曲线法的关键：土壤中的石油烃需用有机溶剂提取（如索氏提取、超声提取），去除土壤基质的干扰。比如，用索氏提取法提取土壤中的石油烃——将土壤装入滤纸筒，用二氯甲烷-正己烷混合溶剂连续提取12小时，提取液经无水硫酸钠干燥、旋转蒸发浓缩至1mL，再用正己烷定容至10mL。

标样制备需保证“浓度准确”：取一定量的原油（或柴油），用正己烷溶解，制备浓度为0、10、20、30、40、50mg/L的系列溶液。每个标样需平行制备三份，确保浓度的重复性。

光谱采集时，需用相同的仪器参数（分辨率4cm⁻¹、扫描次数32次）——仪器参数的变化会导致光程或ε值改变，影响标准曲线的线性。采集标样的光谱后，测量2920cm⁻¹峰的峰面积，记录每个浓度对应的峰面积。

标准曲线的线性关系需满足R²≥0.99——若R²<0.99，说明标样制备或光谱采集存在误差，需重新实验。待测样品的浓度计算很简单：采集样品的光谱，测量2920cm⁻¹峰的峰面积，代入标准曲线的线性方程即可。

内标法是标准曲线法的改进版，适用于前处理有损失的情况。内标物需满足三个条件：与待测物结构相似、无干扰峰、前处理中无损失。常用的内标物是正十七烷——它与石油烃中的烷烃结构相似，且在2920cm⁻¹附近无干扰峰。

内标法的步骤是：在标样与样品中加入固定浓度的内标物（如20mg/L正十七烷）；采集光谱，测量待测物的吸光度（A_x）与内标物的吸光度（A_s）；计算吸光度比值（A_x/A_s）；以浓度为横坐标、比值为纵坐标绘制标准曲线；待测样品的浓度可通过比值代入曲线计算。

衰减全反射（ATR）技术是近年来流行的定量方法，无需前处理。ATR的原理是红外光在晶体表面发生全反射，仅与样品表面的分子作用（光程固定）。操作步骤是：将土壤样品压在ATR晶体上（如金刚石），采集光谱；用添加不同量柴油的土壤制备标样（浓度0-200mg/kg）；绘制标准曲线；待测样品直接测量即可。ATR的优势是快速（5分钟/样），但需注意样品的均匀性——土壤颗粒的大小、密度会影响光程，因此压片时需用力均匀，保证样品与晶体紧密接触。

样品前处理：去除基质干扰的关键环节

土壤基质的复杂性是红外检测的最大挑战——土壤中含有水分、粘土、腐殖质、矿物等杂质，这些杂质会产生干扰峰，掩盖石油烃的特征信号。因此，样品前处理的核心是“提取石油烃+去除杂质”。

提取方法的选择需兼顾效率与成本：索氏提取法是经典方法，用有机溶剂连续提取8-24小时，提取效率高（>90%），但耗时久；超声提取法用超声破碎土壤颗粒，加速石油烃溶出，时间仅需30-60分钟，效率接近索氏，适合批量样品；固相萃取（SPE）法则用吸附柱富集石油烃，去除极性杂质，适用于低浓度样品（<10mg/kg）。

提取溶剂的选择也很重要：需用“非极性溶剂”（如正己烷、二氯甲烷），因为石油烃是非极性物质，根据“相似相溶”原理，非极性溶剂的提取效率更高。混合溶剂（如二氯甲烷-正己烷1:1）的提取效率比单一溶剂更好，因为它能同时溶解烷烃、芳烃与胶质。

提取后的溶液需净化：用无水硫酸钠去除水分（加入后摇匀，静置30分钟），因为水分的O-H峰（3400cm⁻¹）会掩盖烷烃的2920cm⁻¹峰；用硅胶柱去除极性杂质（如有机酸、酚类），因为这些杂质的C=O峰（1720cm⁻¹）会干扰胶质的1700cm⁻¹峰。

浓缩步骤需注意“避免挥发损失”：提取液的体积通常较大（如100mL），需用旋转蒸发仪浓缩至1-2mL——旋转蒸发的温度需低于溶剂的沸点（如正己烷的沸点是69℃，温度设置为40℃），避免石油烃中的轻组分（如汽油中的烷烃）挥发。

干扰消除：应对土壤基质的光谱“噪声”

即使经过前处理，土壤中的残留杂质仍可能产生干扰，需通过“光谱预处理”与“方法优化”解决。

水分是最常见的干扰源：土壤中的自由水会在3400cm⁻¹（O-H伸缩）和1640cm⁻¹（O-H弯曲）产生强吸收，掩盖烷烃的2920cm⁻¹峰。处理方法有两种：一是干燥样品——将土壤在60℃下干燥24小时，去除自由水；二是背景扣除——用干燥的空白土壤作为背景，扣除水分的影响。若仍有残留水峰，可采用“二阶导数光谱”——二阶导数能消除宽峰干扰，让烷烃的特征峰更清晰。

粘土矿物的干扰主要来自Si-O键的振动：粘土中的SiO₂会在1000cm⁻¹（Si-O伸缩）产生强峰，干扰芳烃的1600cm⁻¹峰。处理方法是“化学去除法”——用氢氟酸溶解粘土矿物（氢氟酸与SiO₂反应生成SiF₄气体），但需注意氢氟酸的腐蚀性，操作时需戴手套。

腐殖质的干扰源于其C=C与C=O键的振动：腐殖质的1630cm⁻¹峰（C=C）会掩盖芳烃的1600cm⁻¹峰，1720cm⁻¹峰（C=O）会干扰胶质的1700cm⁻¹峰。处理方法是“酸沉淀法”——用盐酸调节样品pH至2，腐殖质会沉淀析出，过滤后即可去除。

举个例子：某农田土壤污染检测中，原始光谱的3400cm⁻¹水峰很强，2920cm⁻¹峰被掩盖；经60℃干燥24小时后，水峰减弱，但仍有残留；再用二阶导数处理，水峰几乎消失，2920cm⁻¹峰的吸光度从0.12提升至0.35，定量结果从120mg/kg修正为320mg/kg，更接近实际值。

仪器参数与操作：优化检测准确性的细节

仪器参数的选择直接影响光谱质量，需根据检测需求调整：

分辨率：通常设置为4cm⁻¹——石油烃的特征峰较宽，更高分辨率（如2cm⁻¹）会增加扫描时间，且对结果无显著提升；更低分辨率（如8cm⁻¹）则会导致峰形模糊，无法区分重叠峰。

扫描次数：一般选择32次或64次——多次扫描可平均噪声，提高信噪比（SNR）。比如，64次扫描的光谱比16次更平滑，吸光度误差从±0.01降至±0.005，定量结果更准确。

检测器：常用汞镉碲（MCT）检测器——MCT检测器对中红外区（4000-400cm⁻¹）的灵敏度高，适用于低浓度样品；而热释电检测器（如DTGS）的灵敏度较低，适合高浓度样品。

操作细节同样重要：

样品均匀性：土壤需研磨过100目筛，避免大颗粒影响光程；压片时压力一致（如10吨），保证片的厚度（约1mm）与密度相同——若压片厚度不均，光程会变化，导致吸光度误差。

环境控制：实验室温度需稳定在20-25℃，湿度<60%——温度变化会影响光谱的波数准确性（每变化1℃，波数变化约0.1cm⁻¹）；湿度高会导致水分吸附到样品或仪器上，产生干扰峰。

基线校准：每天检测前需用空白溶剂（如正己烷）校准基线，确保仪器的稳定性——若基线漂移，会导致吸光度测量误差。

定性与定量的协同：案例中的应用实践

某加油站附近土壤污染检测的案例，很好地体现了定性与定量的协同作用：

1、样品采集：在加油站泄漏点周围采集0-20cm深度的土壤样品，共5个点，每个点采集3份平行样。

2、定性分析：将土壤样品干燥后压片，采集红外光谱——所有样品在2920cm⁻¹、2850cm⁻¹处有强峰，1460cm⁻¹处有峰，说明存在烷烃；1600cm⁻¹处有弱峰，750cm⁻¹处有峰，说明有单取代芳烃（如苯）；1700cm⁻¹处有弱峰，提示胶质存在。

3、定量分析：用超声提取法提取石油烃（正己烷溶剂，超声60分钟），浓缩后定容至10mL；采集红外光谱，测量2920cm⁻¹峰的峰面积；用柴油标样的标准曲线（A=0.018c+0.003，R²=0.997）计算浓度——5个点的浓度分别为320、280、250、180、150mg/kg，均超过土壤环境质量标准GB36600-2018中的筛选值（200mg/kg）。

4、验证：用