氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在土壤污染檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，土壤污染問題日益嚴(yán)峻，威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）技術(shù)作為一種靈敏、準(zhǔn)確的分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于土壤污染檢測(cè)。為了保護(hù)土壤資源，提高土壤資源利率，綜述了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在土壤污染物檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了該技術(shù)在重金屬、有機(jī)污染物檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)和局限性，并展望了未來應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)；土壤污染；環(huán)境檢測(cè)

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）03-00-03

Application of Gas Chromatography-Mass Spectrometry Technology in Soil Pollution Detection

ZHU Dandan

（Jiangsu Qiuhong Environmental Testing Co.， Ltd.， Changzhou 213000， China）

Abstract： With the rapid development of industrialization and urbanization， soil pollution is becoming increasingly severe， threatening the ecological environment and human health. Gas Chromatography-Mass Spectrometry （GC-MS） technology， as a sensitive and accurate analytical technique， is widely used in soil pollution detection. This article summarizes the current application status of gas chromatography-mass spectrometry technology in soil pollutant detection， focusing on protecting soil resources and enhancing soil resource efficiency. The advantages and limitations of this technology in heavy metal and organic pollutant detection are discussed， and the future application prospects are also discussed.

Keywords： Gas Chromatography-Mass Spectrometry （GC-MS） technology; soil pollution; environmental detection

土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅為植物提供營(yíng)養(yǎng)和棲息地，還對(duì)全球水、氣循環(huán)和生物多樣性起到調(diào)節(jié)作用。然而，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及城市化進(jìn)程的加速，土壤受到越來越多的污染。重金屬、揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）、農(nóng)藥殘留以及持久性有機(jī)污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs）等有害物質(zhì)積累在土壤中，嚴(yán)重影響了土壤的生態(tài)功能，降低土地資源的多重應(yīng)用功能，并通過食物鏈影響人類健康[1]。

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的土壤污染問題，環(huán)境檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展。在眾多分析技術(shù)中，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）技術(shù)憑借其高靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確性，成為檢測(cè)土壤中有機(jī)污染物和部分重金屬的主要手段。討論GC-MS技術(shù)在土壤污染檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，評(píng)估其在土壤資源利用中的潛力，有益于未來技術(shù)發(fā)展方向。

1 GC-MS技術(shù)的基本原理與特征

1.1 氣相色譜與質(zhì)譜的基本原理

氣相色譜（Gas Chromatography，GC）是一種通過樣品中各組分在固定相和流動(dòng)相之間的分配系數(shù)不同而實(shí)現(xiàn)分離的技術(shù)。在GC中，固定相通常為填充或涂覆在色譜柱內(nèi)的惰性材料，流動(dòng)相為惰性氣體，如氮?dú)狻⒑狻錃狻．?dāng)氣態(tài)樣品通過色譜柱時(shí)，不同化合物因與固定相的相互作用不同而在不同時(shí)間內(nèi)被分離，并以特定順序流出檢測(cè)器。GC尤其適用于揮發(fā)性或半揮發(fā)性化合物的分離與檢測(cè)。在土壤污染檢測(cè)中，GC常用于分析VOCs和半揮發(fā)性有機(jī)物（Semi-Volatile Organic Compounds，SVOCs）。

質(zhì)譜（Mass Spectrometry，MS）是一種根據(jù)樣品中離子的質(zhì)荷比進(jìn)行分離和檢測(cè)的分析技術(shù)。通過電離源將樣品電離，生成帶電的分子或分子碎片。這些離子根據(jù)它們的質(zhì)荷比在MS分析器中被分離，并被檢測(cè)器記錄下來。MS圖中的峰值位置和強(qiáng)度分別代表離子的質(zhì)荷比及其相對(duì)豐度。MS具有高靈敏度和定性能力，能夠?yàn)闃悠分械幕衔锾峁┓肿恿考捌浣Y(jié)構(gòu)信息，從而能夠精確識(shí)別未知物質(zhì)。

1.2 GC-MS技術(shù)的特征

GC-MS技術(shù)是將GC的高效分離能力與MS的定性、定量檢測(cè)能力相結(jié)合的強(qiáng)大分析工具[2]。GC-MS技術(shù)憑借高靈敏度、高選擇性、多組分分析能力以及高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，成為土壤污染檢測(cè)中的重要工具。它不僅能夠提供準(zhǔn)確、可靠的污染物檢測(cè)數(shù)據(jù)，還能顯著提高分析效率，為環(huán)境保護(hù)和污染治理提供有力支持。

GC-MS技術(shù)具有極高的靈敏度，能夠檢測(cè)微克甚至納克級(jí)別的污染物，在土壤污染檢測(cè)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。這種高靈敏度使其特別適用于痕量污染物的檢測(cè)，能夠在環(huán)境樣品中檢測(cè)出極低濃度的有害物質(zhì)，從而為環(huán)境保護(hù)和污染治理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，GC-MS技術(shù)能夠提供化合物的結(jié)構(gòu)信息和分子量，從而顯著增強(qiáng)了化合物的識(shí)別能力，即使在復(fù)雜基質(zhì)中，GC-MS也能實(shí)現(xiàn)精確的定性分析。這種高選擇性使得GC-MS在面對(duì)復(fù)雜樣品時(shí)仍能準(zhǔn)確識(shí)別和量化目標(biāo)污染物，避免受到其他干擾物的影響。

GC-MS技術(shù)能夠在一次分析中同時(shí)檢測(cè)多種不同的污染物，極大提高了檢測(cè)效率。通過一次進(jìn)樣，GC-MS技術(shù)可以分離并檢測(cè)出樣品中的多種成分，縮短了分析時(shí)間并降低成本。這種多組分分析能力使得GC-MS技術(shù)在環(huán)境檢測(cè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值，能夠快速且全面地評(píng)估土壤污染狀況。現(xiàn)代GC-MS系統(tǒng)大多具備高度自動(dòng)化的功能，從樣品注入、分離到檢測(cè)的整個(gè)過程可以在計(jì)算機(jī)控制下完成。這種高度自動(dòng)化不僅提高了分析的效率，還減少了人工操作帶來的誤差，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，自動(dòng)化系統(tǒng)可以進(jìn)行批量樣品的連續(xù)分析，進(jìn)一步提高了工作效率。

2 GC-MS技術(shù)在土壤有機(jī)污染檢測(cè)中的應(yīng)用

土壤中的有機(jī)污染物主要包括VOCs、SVOCs及POPs，通常來源于工業(yè)廢棄物、化工產(chǎn)品及農(nóng)藥殘留[3]。

2.1 有機(jī)污染物檢測(cè)

由于有機(jī)污染物在環(huán)境中具有持久性和生物累積性，長(zhǎng)期暴露會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成威脅。其中，最突出的是多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）和多氯聯(lián)苯（Polychlorinated Biphenyls，PCBs）。

PAHs是一類由兩個(gè)或多個(gè)稠合苯環(huán)組成的有機(jī)化合物，主要來自化石燃料的不完全燃燒以及某些工業(yè)活動(dòng)。PAHs不僅具有較強(qiáng)的致癌、致突變性，還會(huì)在環(huán)境中長(zhǎng)期存在并通過土壤累積進(jìn)入食物鏈。GC-MS技術(shù)具有高效的分離能力和靈敏的檢測(cè)性能，已成為PAHs檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。在GC-MS分析中，PAHs的樣品前處理包括溶劑提取、濃縮、凈化，以去除樣品中的干擾物質(zhì)，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。通過優(yōu)化色譜柱、進(jìn)樣溫度和檢測(cè)條件，可以實(shí)現(xiàn)PAHs的定量和定性分析。

PCBs是一類氯化有機(jī)化合物，因其耐熱、化學(xué)穩(wěn)定性高而被廣泛用于電氣設(shè)備、塑料制品等工業(yè)產(chǎn)品。PCBs對(duì)環(huán)境的污染及其生物毒性較高，是一種受控的持久性有機(jī)污染物。GC-MS技術(shù)可以通過GC的高效分離與MS的靈敏檢測(cè)，定量分析土壤中的PCBs。PCBs在土壤樣品中的檢測(cè)通常需要使用索氏提取或加速溶劑提取方法，將其從復(fù)雜基質(zhì)中分離出來。GC-MS技術(shù)可以對(duì)不同氯代數(shù)的PCBs進(jìn)行分離與定量，提供PCBs詳細(xì)的污染分布信息。

2.2 VOCs檢測(cè)

VOCs在環(huán)境中具有較高的揮發(fā)性，主要來源于石化工業(yè)、油漆涂料、汽車尾氣及其他工業(yè)過程。VOCs不僅對(duì)大氣環(huán)境造成污染，而且通過沉降或泄漏進(jìn)入土壤，形成嚴(yán)重的土壤污染。因?yàn)閂OCs可能揮發(fā)到空氣中或滲入地下水系統(tǒng)，造成二次污染，所以需要對(duì)土壤和地下水系統(tǒng)的VOCs污染展開檢測(cè)。

GC-MS技術(shù)具有高分離效率和定量能力，在檢測(cè)VOCs方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要檢測(cè)苯系物、甲苯、氯代烴和烷烴等常見的VOCs。由于VOCs易揮發(fā)，樣品前處理通常采用頂空分析或吹掃捕集法，以避免樣品損失。

頂空分析法是一種不破壞樣品的提取方法，適用于檢測(cè)土壤樣品中低揮發(fā)性的污染物。該方法通過加熱樣品使污染物揮發(fā)至氣相，再用GC-MS技術(shù)分析揮發(fā)物。此技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，已成為VOCs檢測(cè)的常規(guī)手段之一。吹掃捕集法通過氣體將樣品中的揮發(fā)性成分吹出，并在捕集裝置中冷凝，隨后加熱解吸并進(jìn)入GC-MS系統(tǒng)進(jìn)行分析。該方法特別適合檢測(cè)土壤中的低濃度VOCs，具有高靈敏度和準(zhǔn)確性。

2.3 POPs檢測(cè)

POPs包括PCBs、PAHs、二噁英類及農(nóng)藥殘留等。這類污染物具有長(zhǎng)期存在、難降解、易遷移和生物富集等特性，通常對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。GC-MS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于POPs的檢測(cè)，特別是對(duì)土壤中難以降解的有機(jī)物的精確分析。POPs的檢測(cè)通常需要使用復(fù)雜的樣品前處理方法，如溶劑萃取、濃縮凈化等，以去除樣品中的干擾成分。

例如，二噁英類物質(zhì)，因其高毒性和難以降解的特性，被列為最危險(xiǎn)的環(huán)境污染物之一[4]。這類物質(zhì)主要來自工業(yè)排放，特別是廢物燃燒和化學(xué)品生產(chǎn)。GC-MS技術(shù)可以通過高選擇性和靈敏度對(duì)二噁英類進(jìn)行檢測(cè)，特別是在低濃度條件下。為保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，通常采用高分辨率質(zhì)譜（High-Resolution Mass Spectrometry，HRMS）技術(shù)，配合GC分離，實(shí)現(xiàn)二噁英類物質(zhì)的痕量檢測(cè)。

有機(jī)氯農(nóng)藥是POPs中的重要一類，由于在環(huán)境中難以降解，殘留時(shí)間長(zhǎng)，成為土壤污染的主要威脅之一。GC-MS技術(shù)被廣泛用于有機(jī)氯農(nóng)藥的檢測(cè)，通常通過固相萃取或液液萃取前處理樣品，確保精確的定性和定量結(jié)果。

3 MS聯(lián)用技術(shù)在土壤中污染物檢測(cè)上的優(yōu)勢(shì)分析

土壤中的重金屬具有持久性和不可降解性，通過食物鏈和水源對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。GC-MS技術(shù)主要用于有機(jī)污染物的分析，但是對(duì)于部分重金屬污染物，也顯示出良好的應(yīng)用前景。在土壤污染物檢測(cè)中，單一的分析技術(shù)有時(shí)無法全面反映污染物的特性。為提高重金屬污染檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性，GC-MS可以與其他MS技術(shù)聯(lián)用，包括電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）技術(shù)或者液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（Liquid Chro-matography-Mass Spectrometer，LC-MS）技術(shù)等。這些聯(lián)用技術(shù)能夠擴(kuò)展分析能力，涵蓋更廣泛的污染物種類，增加土壤污染檢測(cè)的全面性。ICP-MS技術(shù)主要用于無機(jī)污染物的分析，特別適用于土壤和地下水中的重金屬污染檢測(cè)[5]。同時(shí)，該技術(shù)是一種高靈敏度的元素分析技術(shù)，能夠檢測(cè)多種元素及其同位素，通過將樣品中的元素電離并檢測(cè)質(zhì)荷比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)痕量重金屬的檢測(cè)。GC-MS技術(shù)通過與ICP-MS技術(shù)聯(lián)用，能夠檢測(cè)土壤中的重金屬如鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）和砷（As）等。LC-MS技術(shù)在非揮發(fā)性和極性化合物的檢測(cè)上具備優(yōu)勢(shì)，GC-MS技術(shù)通過與LC-MS聯(lián)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤中多種污染物的全面、準(zhǔn)確分析。

未來，智能化檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)將是GC-MS技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。通過引入大數(shù)據(jù)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)污染物檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析與反饋。這種智能化系統(tǒng)可以大幅提高污染物檢測(cè)的效率，減少人為操作誤差，并為環(huán)境管理部門提供及時(shí)、精準(zhǔn)的土壤污染檢測(cè)信息。基于這種系統(tǒng)的污染預(yù)測(cè)與預(yù)警模型也將為土壤資源的可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

GC-MS技術(shù)具有高效的分離能力、卓越的靈敏度和選擇性，能夠定性和定量分析多種有機(jī)污染物，尤其是在VOCs、SVOCs及POPs等復(fù)雜污染物檢測(cè)中發(fā)揮了重要作用，在土壤污染檢測(cè)中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。此外，GC-MS技術(shù)在土壤重金屬污染物檢測(cè)中的應(yīng)用（如與ICP-MS聯(lián)用）進(jìn)一步拓寬了其檢測(cè)能力。未來，通過降低成本、提高檢測(cè)靈敏度和選擇性，推動(dòng)技術(shù)的智能化與多維度聯(lián)用，GC-MS技術(shù)有望在全球范圍內(nèi)更廣泛地應(yīng)用于土壤污染檢測(cè)和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和資源可持續(xù)利用提供有力支持。

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