鄱阳湖湿地香根草富集重金属的拉曼光谱快速检测方法

重金属污染导致生态环境恶化，严重危害生态系统良性循环并通过食物链威胁人体健康。开展重金属污染物快速检测和定量评判研究已成为国内外学者研究的热点。本项目以鄱阳湖湿地优势植物香根草为研究对象, 以香根草富集土壤中Cu、Zn、Cd、Pb等四种重金属离子为分析指标, 结合共焦显微拉曼光谱和化学计量学解析方法, 研究香根草对四种重金属富集特性与分布规律基础上, 寻找香根草拉曼光谱快速检测的理想部位；研究不同程度重金属胁迫下的香根草拉曼光谱特征, 确立四种重金属离子检测的最佳特征谱峰；研究高荧光及随机噪声背景下香根草拉曼光谱信号获取方法, 解决系统参数与环境条件变化对测量光谱的影响；针对低浓度和微量多组份特点,探索香根草拉曼光谱与土壤重金属的相关性,建立鄱阳湖湿地土壤重金属含量拉曼光谱快速定量反演模式与数学模型, 实现未知组份重金属多元素测量, 为鄱阳湖湿地重金属污染物快速诊断提供基础方法。

土壤和水体中重金属检测的常规方法存在样品前处理复杂、费时且易产生二次污染等缺点，急需探索一种简便、快速、绿色的重金属检测方法。拉曼和近红外光谱分析技术具有高效、快速、低成本等特点，在环境监测领域广泛应用。项目采用拉曼和近红外光谱分析技术对富集了土壤重金属的香根草、吸附了水体和香根草消煮液中低浓度重金属的树脂和络合了水体中低浓度重金属离子的沉淀进行光谱采集，研究由于背景噪声、系统参数与环境条件变化对测量光谱的影响与去除方案，解决由于共存组份干扰而引起的精确定量化难题，结合化学计量学方法对重金属离子含量进行定量分析，具体研究内容和重要结果如下：（1）以富集了重金属铜和铅的香根草为研究对象，采用拉曼和近红外光谱分析方法，对香根草的根部进行光谱采集和分析。结果表明：富集了铜和铅的香根草拉曼光谱经平滑和二阶导数预处理后，采用SPA-PLS方法都得到了较好的分析模型，预测相关系数分别为0.561和0.607；富集了铜和铅的香根草近红外光谱经一阶和二阶导数预处理后，采用GA-PLS方法都得到了较好的分析模型，预测相关系数分别为0.932和0.636。（2）基于拉曼光谱-树脂吸附的植物中重金属铜、铅含量检测。以富集了重金属的香根草为研究对象，对其进行消煮，将植物中化合态的重金属转化为离子态。分别采用D401、D113、D301和LSC-200树脂对消煮后的溶液进行吸附。实验结果表明：D113树脂对铜离子的吸附效果最好；D401树脂对铅离子的吸附效果最好；吸附了铜和铅离子的D113和D401树脂的拉曼光谱经1st-derivative预处理后其PLS模型都得到了较好的预测结果，预测相关系数分别为0.78和0.727。（3）水体中重金属铜和镉离子经Mn2+-Dipy-SCN三元体系络合后形成沉淀，沉淀的拉曼光谱经2nd-Derivative-PLS建模分析，模型的预测相关系数分别为0.914和0.915。（4）水体中铜、锌、镉和铅重金属离子经Mn2+-phen-SCN三元体系络合后形成沉淀，沉淀的拉曼光谱经一阶导数、基线校正和去趋势预处理建立PLS模型，4种金属离子模型预测相关系数分别为0.979、0.964、0.956和0.972。通过项目实施，建立了重金属含量的拉曼光谱快速定量分析方法，为土壤重金属污染的多元素快速检测提供科学依据和方法指导。