近年来,薄膜蔓延梯度(DGT)技术获得较慢的发展,沦为最常用的被动取样技术之一。本文详尽阐释了DGT 在技术方面的研究进展,还包括DGT 装置构型、相同相和蔓延互为材料发展、环境样品的前处置与DGT 装置摆放、DGT 样品处置与测量等,针对该技术前期发展不存在的严重不足,获取了不利于DGT 操作者和功能提高的系统解决方案,同时对未来的发展展开了未来发展。前言薄膜蔓延梯度(Diffusive Gradients in Thin-films,DGT)技术主要利用权利蔓延原理(Fick 第一定律),通过对目标物在蔓延层的梯度蔓延及其缓冲器动力学过程的研究,取得目标物在环境介质中的(生物)有效地态含量与空间产于、离子态-格氏试剂态融合动力学、以及固-液之间互相交换动力学的信息。DGT 装置由相同层(即相同膜)和蔓延层(蔓延膜和滤膜)变换构成,目标离子以蔓延方式穿越蔓延层,旋即被相同膜捕捉,并在蔓延层构成线性梯度产于(图1)。DGT 装置对目标物的蔓延通量(FDGT)能用公式(1)和公式(2)计算出来:式中:t 为DGT 装置摆放时间,s;M 为DGT 装置摆放时间段相同膜对目标离子的累积量,μg;A 为DGT 装置曝露窗口面积,cm2;Δg 为蔓延层厚度,cm;D 为目标离子在蔓延层中的扩散系数,cm2·s-1;CDGT 为蔓延层线性梯度附近环境介质一端的浓度,mg·L-1。将公式(1)和公式(2)融合,获得CDGT的计算公式(3):相同膜中目标离子累积量(M)一般使用溶剂萃取的方法,根据公式(4)计算出来获得:式中:Ce 为提取液浓度;Ve 为萃取剂体积;Vg 为相同膜体积;fe 为萃取剂对相同膜上目标离子的萃取亲率。当DGT 装置测量水体时,DGT 吸取目标物中的权利离子态组分,将促成很弱融合络合物的离解,因此FDGT/CDGT 体现水体目标物权利离子态组分的含量及很弱融合络合物对该形态的离解和缓冲器能力。当DGT装置测量土壤、沉积物时,DGT 吸取导致孔隙水中目标物沉淀态组分减少,造成固相弱结合态组分通过解吸或沉淀对沉淀态组分展开缓冲器,因此FDGT/CDGT体现土壤、沉积物中沉淀态的含量及固相弱结合态对其沉淀态的缓冲器能力。DGT 技术首先应用于检测水环境中的金属阳离子,并在1995 年提供了DGT 野外测量结果。1997年,Davison 等将DGT 应用于到沉积物中,取得了重金属离子的高分辨产于信息。1998 年,Zhang 等利用DGT 测量了土壤中重金属的生物有效性,将DGT 技术扩展到土壤领域。此后经过大量研究人员的改良和拓展,DGT 技术可测量的目标物已从常规的金属阳离子扩展到贵金属、有机金属、水解性阴离子、放射性物质、营养盐、有机物以及稀土元素等。DGT 技术自1994 年发明者以来,有数二十多年的发展历史,并公开发表了多篇DGT 技术原理和应用于的综述。其中,有关DGT 技术材料、装置和测量流程的阐述还更为缺少。尽管该技术的发展速度较慢,但在装置构型和测量流程等方面还不存在一定的严重不足,导致测量结果经常经常出现偏差,又无法被研究者留意。本综述将集中于探究DGT 技术在装置构型、相同相和蔓延互为材料制取、样品测量流程等方面的研究进展,并对未来的发展展开未来发展。1 DGT 装置的发展目前,DGT 装置主要有四种类型,分别是活塞式(Piston type)、双模式(Double mode)、平板式(Flattype)和液体相同互为装置,前两种装置用作土壤和水体的测量,第三种装置用作沉积物、湿地土壤的测量,最后一种装置主要用作水体的测量。1.1活塞式DGT 装置如图2a 右图,活塞式DGT 装置由底座和盖帽两部分构成,底座上依序摆放相同膜、蔓延膜和滤膜,后用盖帽相同3 层膜。活塞式DGT 装置的曝露窗口直径为20 mm,面积为3.14 cm2,曝露窗口必要与环境介质(土壤、水体等)认识,目标物通过该窗口蔓延通过蔓延层,被融合互为相同。该装置可以通过尼龙线、塑料网条、有机玻璃板等方式展开相同后摆放在天然水体中,用作水体的测量。同时,可以通过用手松开的方式将装置与土壤(调节水分后)认识,用作土壤的测量。然而,用于松开的方式认识土壤样品时,有可能因为操作者用于力度的有所不同不会转变土壤层的紧实度,从而转变目标离子在土壤层(附近DGT 装置曝露面)的蔓延速率,导致测量误差。Ding 等利用人工污染土壤测试时,用于活塞式DGT 装置取得磷、砷、镉、铅DGT 浓度的平均误差(比较标准差)为5.57%。考虑到人工污染土壤减少了仪器的分析误差,对大自然土壤的测量误差可能会减少。1.2双模式DGT 装置Ding 等对传统的活塞式DGT 展开了改良,以减少人为松开导致的测量误差。如图2b 右图,双模式DGT 主要由摆放3 层膜的DGT 核心模块(DGT Core)、承托核心的底座(Base)构成(参照www.easysensor.net)。双模式DGT 有两种装配方式:一种是将DGT 核心模块置放底座之上,构成传统的活塞式DGT,限于于水体和溶液中溶质的测量;另一种是将DGT 核心模块八边形在底座下方的凹槽内,构成开放式内腔(Open Cavity);内腔的直径为20 mm,与活塞式装置曝露窗口的直径完全一致,高度为10 mm。土壤调节水分后,按其重力大自然填充到内腔中。使用内腔式摆放土壤的方式解决了活塞松开式的缺失,还包括:(1)土壤仅有凭借其重力与DGT 曝露面大自然认识,防止松开产生的人为误差;(2)土壤层的厚度统一为10 mm,防止了土壤层厚度不统一产生的误差;(3)土壤与DGT 曝露面的认识面积严格控制在3.14 cm2,防止土壤层侧向蔓延对测量的阻碍。Ding 等对比找到,使用内腔式方式摆放土壤时,测量取得的磷、砷、镉、铅DGT 浓度的平均误差仅有为3.37%,比活塞式摆放的误差减少42%。1.3平板式DGT 装置对于沉积物、湿地土壤等空间异质性大的环境介质,须要使用平板型DGT 装置提供目标物的垂向或者二维剖面的信息。如图3a 右图,传统的平板式DGT装置由底板和盖板构成,相同膜、蔓延膜和滤膜依序摆放在底座上,后用盖板相同,构成曝露窗口的面积为150 mm×18 mm(宽×长)。该装置可以放入沉积物(柱样)中展开取样,也可以通过潜水员或者DGT投入装置在野外展开原位投入。传统的平板式DGT 装置曝露面高于盖板构成的外围,这种结构使得底部构成纵向突起(图3a)。当DGT 装置垂向放入时,不会有所不同程度地导致沉积物剖面结构的变形,并且有可能导致:(1)沉积物界面固相颗粒物被带回下层。由于界面附近固相颗粒物的有机质含量低,界面颗粒物被带回下层后,将不会导致生物地球化学过程与强度的变化;(2)上覆水通过缝隙向上引灌。当上悬水体所含氧气等电子受体时,其引灌将不会水解下层的沉积物,转变沉积物生物地球化学性质和营养盐、重金属的迁入活性;(3)由于剖面结构的变形,通过DGT 取得的剖面信息不存在有所不同程度的空间错位。如提供的空间分辨率拒绝很高时(如亚毫米级),这种错位导致的信息杂讯将不会十分相当严重。为解决传统平板式DGT 装置的缺失,Ding 等发展了新型平板式装置(图3b;参照www.easysensor.net),主要改良措施还包括:(1)去除了底部突起结构,使曝露面至装置底部几乎正处于同一平面上;(2)装置底部的背面呈圆形30 度楔形结构,当装置放入时,这种结构可产生对曝露面的挤迫压力,保证装置曝露面与沉积物的密切认识。此外,为便于和活塞式、双模式装置的参数展开统一(直径20 mm),改良后的DGT 装置曝露窗口的宽度减少到20 mm。
薄膜扩散梯度(DGT)——技术进展及展望
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