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【技术指南】智感环境DGT高分辨(二维亚毫米)分析方法详解

更新时间:2024-06-21   点击次数:118次

近年来,以薄膜扩散梯度(DGT)为代表的高分辨分析技术发展迅速,逐步成为表征土壤/沉积物生化异质性的有效方法。将微尺度采样技术与高分辨化学分析手段相结合,可在毫米-亚毫米分辨率下进行二维化学/生物成像,能够准确地理解土壤/沉积物生物地球化学过程和污染特性。本文将结合一些应用案例为大家介绍该技术在环境微尺度研究中的使用方法。

案例一:STE:强化的机理和性能优化:使用硝酸盐剂量策略控制下水道中的甲烷和硫化物

研究内容

近80年来,硝酸盐一直被用作是控制下水道系统中有问题气体的化学品。然而,很少有研究探索使用不同策略同时控制下水道的生物膜和沉积物。本研究介绍了一种硝酸盐剂量控制方法,包括初始高冲击,然后是低水平剂量,在实验室规模的下水道反应器中以两种不同的频率进行测试<110天。长期研究表明,当应用相同的每小时剂量30 mg N/L时,更频繁的间隔20分钟给药略优于间隔1小时给药方法(硫化物对照:98.3%±1.7% vs 97.9%±1.5%;甲烷控制:89.8±4.5% vs 83.4±6.7%)。


在第82天,在R1(对照组)、R2(每小时1次投加)和R3(每小时3次投加)中,薄膜(DGT)扩散梯度法测定的硫化物二维剖面通量(g S m−2 d−1) 。


Chen et al.,Science of The Total Environment.,2024

高分辨DGT技术应用

在本研究中,使用ZrO-Ag DGT测量沉积物中的硫化物通量。具体应用如下:将DGT垂直插入沉积物中,经过35分钟的等待后取出,然后使用平板扫描仪扫描干燥的结合凝胶,并使用ImageJ软件分析图像的灰度强度。通过校准后的公式计算硫化物通量。通过比较不同亚硝酸盐投加策略下,沉积物中硫化物通量的变化,评估硫化物控制效果,以确定不同硫化物控制策略的经济可行性。


案例二:WR:海岸退化调控磷在沉积物-水界面的可利用性和扩散动力学机制及环境影响

研究内容

沿海湿地在全球范围内经历了相当大的损失和退化。然而,在亚热带沿海生态系统中,海岸退化如何调节沉积物磷(P)转化及其潜在机制在很大程度上尚不清楚。本研究使用高分辨率薄膜扩散梯度(HR -DGT)和扩散平衡(HR-Peeper)技术以及基于DGT计算的沉积物通量(DIFS)模型进行了季节性现场监测,评估了P从原始湿地到中度和重度退化场地的退化梯度。



DGT测定的海岸退化后沉积物-水剖面中有效态P的二维分布。虚线表示沉积物和水之间的界面。




Hu et al.,Water Research.,2024

高分辨DGT技术应用

在本研究中,使用DGT技术对沉积物和水样中的活性磷和可溶性反应性磷浓度进行高分辨率的原位测量。结合高分辨率薄膜扩散梯度(HR -DGT)和扩散平衡(HR-Peeper),以及DGT诱导的沉积物通量(DGT-Induced Fluxes in Sediments, DIFS)模型,评估从原始湿地到中度和重度退化地点的退化梯度上磷的动员和扩散。



案例三:STE:氧化还原敏感金属在河口沉积物-水界面和孔隙水中的原位二维高分辨率分布

研究内容

受污染沉积物中的金属可能对底栖生物构成高环境风险和生态威胁。具有不同氧化态的氧化还原敏感元素的溶解度随沉积物水环境的氧化还原状态而变化。本研究利用新型高分辨薄膜扩散梯度(HR-ZCA DGT)技术原位获取了河口沉积物中DGT有效态S(-II)、P(V) 和六种氧化还原敏感金属(Fe、Mn、V、Cu、Ni 和Zn)在沉积物-水界面中的亚毫米二维分布信息,发现其受人为活动的影响较大。我们使用V转向值(V/Fe 比约为 0.03)来准确识别实际的SWI 界面。Ni,Cu和Zn的扩散边界层(DBL)厚度与溶解氧微电极法测定的一致,在SWI上方3-6 mm。


采用HR-ZCA DGT结合LA-ICP-MS法测定的DGT有效态V、Ni、Cu、Zn(μg L−1)的二维分布和一维垂直剖面



三个点位的V/Fe比率的高分辨率二维分布和沉积物孔隙水和覆盖水一维垂直垂向分布




Liu, et al., STE, 2022

高分辨DGT的应用

在本研究中,使用高分辨率的ZrO-Chelex-AgI DGT(HR-ZCA DGT)技术对沉积物中的金属元素进行了原位映射,这包括了对沉积物孔隙水和水体中的S(-II)、P(V)以及六种氧化还原敏感金属(Fe、Mn、V、Cu、Ni和Zn)的二维分布进行研究。并通过DGT技术确定Ni、Cu和Zn的DBL厚度,这些金属的DBL与溶解氧微电极方法确定的一致,位于SWI上方3-6毫米处。DGT技术揭示了沉积物中金属的再活化行为和DBL与SWI之间的转移过程,这对于理解沉积物中金属的生物地球化学行为至关重要。


高分辨DGT技术简介

智感环境经过10余年的技术积累与沉淀,研发出多项高分辨DGT技术。将DGT与电脑密度成像计量技术(CID)相结合,测定磷和硫的二维高分辨信息(42.3*42.3μm);通过DGT固定相的改进,研制出高分辨DGT,与激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)相结合,测定重金属二维高分辨信息。


磷二维高分辨分析 • 着色法

该方法是将Zr-oxide DGT膜着色与CID相结合,对有效磷进行二维高分辨测定的技术。该方法着色原理与溶液中磷与钼酸铵反应原理一致,在Zr-oxide膜表面生成蓝色络合物,利用软件将扫描获得的灰度值与单位膜面积磷的累积量建立校正曲线,从而实现沉积物有效磷亚毫米分布信息的大批量获取。


硫二维高分辨分析

还原态硫 S(II)的检测采用Agl/ZrO-Agl/ ZrO-CA DGT膜, 膜吸收硫后呈黑色(AgI与S形成AgS),用去离子水轻轻冲洗,滤纸擦干膜表面,扫描固定膜的正面,并拍摄彩色照片。通过Image J软件将扫描获得的图像转成灰度,利用校正曲线将灰度转换成 S(-II)积累量,最后利用公式将累计量转化成浓度值后导入origin生成二维浓度分布图。


HR DGT与LA-ICP-MS技术联用

高分辨薄膜扩散梯度技术(DGT)与激光剥蚀-等离子体质谱技术(LA-ICP-MS)联用在水土高分辨分析上有巨大优势,一次性测定的元素多,且分辨率高,操作简单,检测效率高,可广泛用于重金属微观尺度的分析。