沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法及其裝置的制作方法

專利名稱：沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對湖泊富營養(yǎng)化水體中磷污染的評價分析，特別是一種沉積物間隙水中磷 的高精度原位采集和分析方法及其裝置。
技術背景在淡水系統(tǒng)中，磷是構成初級生產(chǎn)力和食物鏈最重要的生源要素，同時是湖泊富營養(yǎng) 化的限制性因子，沉積物磷污染被認為是造成水體富營養(yǎng)化的主要內(nèi)因。間隙水中磷的分 布是指示沉積物磷污染特征的敏感指標，通過間隙水磷的垂向分布，可以計算得到磷在沉 積物與上覆水體之間的交換通量，為評價沉積物磷污染水平提供依據(jù)。對間隙水磷信息的獲取關鍵在于沉積物間隙水的獲得。對間隙水磷分布信息的獲取一 般需要兩步完成1)獲取間隙水；2)分析磷含量。獲取間隙水有破壞性與原位采集兩種 方法，前者通過破壞沉積物原有的結構獲取間隙水，如將沉積物分層切取，通過將每層沉 積物樣品離心或壓榨的方法獲得間隙水。該方法在應用時技術要求低，但結構破壞后沉積 物性質(zhì)容易發(fā)生變化，導致數(shù)據(jù)有一定的不確定性；原位采集方法是不破壞沉積物結構直 接在原位采集間隙水的方法。該方法避免了采集間隙水時沉積物性質(zhì)的變化，獲得的數(shù)據(jù) 更為可靠，目前在技術上有兩種類型1) 平衡式間隙水采樣技術(Pe印er技術)該技術是1976年Hesslein基于滲透平衡 原理發(fā)明的，將兩個離子濃度不等的溶液通過滲透膜接觸時，離子會從濃度高的溶液擴散 到低的溶液，最終達到平衡，此時兩者的離子濃度相同。根據(jù)該技術研制的裝置由數(shù)量不 等的小室并排組成，小室由塑料或有機玻璃制成，相鄰小室之間有間隔。將去離子水填滿 小室后，用孔徑為0.45)am的滲透膜封口，垂直插入沉積物中，間隙水中的離子通過自由 擴散與小室內(nèi)的溶液達到平衡后，取出裝置，去掉滲透膜，通過分析小室內(nèi)溶液中的離子 含量，可獲得間隙水的離子信息。Pe印er在沉積物中的平衡時間需要20天以上，獲得的 離子信息其垂直分辨率達到厘米級。2) 薄膜擴散平衡技術(DET技術)由Davison發(fā)明，其基本原理與Pe印er技術類似， 但小室內(nèi)的水被含水率極高(〉98%)的凝膠薄膜代替，間隙水中的磷可自由擴散到凝膠 中，達到平衡后，取出凝膠薄膜，切片分層，將凝膠切片中的離子提取出來后，分析離子 含量，獲得間隙水中離子的垂向分布信息。與Pe印er技術相比，DET技術具有兩個非常 顯著的優(yōu)勢。首先，裝置在沉積物中的平衡時間大大縮短。對于常用的0.8mm厚度凝膠， 平衡時間一般不超過24h;其次，如配套采用高精度的分析方法，DET技術獲得的離子信 息的垂直分辨率可提高到毫米級。DET技術的應用難點在于如何將擴散進入凝膠薄膜中的離子提取出來用于分析。對于常規(guī)的低價(一價或二價)陰離子cr、 S042—、 N03—等，采用去離子水作為提取劑可完全將其提取出來，但是該提取劑對高價的PO廣的提取率不足90%， 因此在分析間隙水磷時，DET技術的應用受到限制。磷含量的分析一般采用鉬藍比色法或孔雀綠比色法，比色分析時使用分光廣度計。該 儀器一次性只能分析5個左右的樣品，所需要的溶液體積在2ml以上。通過Pe印er技術 采集得到的溶液體積可足夠用于磷含量的分析。DET技術得到的溶液體積一般在50(VL以下，不能通過分光光度計進行分析。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明專利的目的是提供一種沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法及其裝 置，基于擴散平衡原理對沉積物間隙水磷進行原位快速采集，通過分析薄膜中磷的含量， 高分辨率獲取間隙水磷的垂向分布信息，通過間隙水磷的垂向分布，計算得到磷在沉積物與上覆水體之間的交換通量，然后用儀器進行測定。本發(fā)明的上述目的通過如下技術方案實現(xiàn)沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分 析方法，基于擴散平衡原理對沉積物間隙水磷進行原位快速萃取，通過分析薄膜中磷的分 布，獲取間隙水磷的垂向分布信息，通過間隙水磷的垂向分布，計算得到磷在沉積物與上 覆水體之間的交換通量，然后用儀器進行測定，包括采集沉積物、將薄膜組件插入沉積物 收集間隙水、取出薄膜切片分層然后提取磷并測定磷含量的過程，其特征是以瓊脂粉為 原材料，經(jīng)加熱溶解、冷卻成型、浸泡后，制成高含水率的薄膜，薄膜萃取溶液磷后，使 用硝酸作為薄膜磷的提取劑，最后采用孔雀綠比色法，使用酶標儀分析硝酸提取液中的磷。具體步驟如下1) 沉積物的采集采用柱狀采樣器采集沉積物，薄膜裝置的寬度和長度分別為4cm 和20cm，為使裝置能自由插入到沉積物，收集的柱狀沉積物直徑應在7cm以上，沉積物 深度在20cm以上。為避免沉積物采集上來后性質(zhì)發(fā)生變化，采集時沉積物界面以上應保 留10cm左右的上覆水。柱狀沉積物應及時運回實驗室，避免時間過長發(fā)生變化。2) 間隙水的收集將組裝好的薄膜裝置垂直插入柱狀沉積物，插入速度應比較緩慢， 避免沉積物剖面受到破壞。裝置插入沉積物的深度根據(jù)需要研究的沉積物深度確定， 一般 在12cm以上，同時應至少保留裝置頂部2-3cm與上覆水體接觸。裝置放置12h，使得間隙水與凝膠薄膜的交換達到平衡。3) 取膜12h后取出裝置，根據(jù)濾膜上有泥和無泥分界線判定水土界面的位置，作為 衡量間隙水深度的基準。用刀片沿插板兩側將濾膜劃開，小心揭開濾膜，將薄膜轉移至干 凈玻璃板。取膜時注意避免薄膜受到污染。4) 切膜沿水土界面將薄膜分成兩部分，依次切成約3cm寬的長條，再將各長條切成 約3mm的片段。切膜時應依次進行，切忌弄錯片段位置。操作步驟3)和4)應在5分鐘 內(nèi)完成，避免時間過長造成磷在薄膜的側向擴散。5) 用鑷子依次將各薄膜片段按順序轉移到離心管U.5ml)中，離心管事先己編號和 稱重，加入片段后，離心管再次稱重，計算前后重量差值，得到各片段的重量，按照l : 5(質(zhì)量體積比)的比例加入0.25M的HN03， 10000rpm離心IO分鐘，放置24h，重新離心 一次，依次取200^1離心液至96孔酶標板。6) 磷測定向酶標板樣品孔加入20)al孔雀綠顯色劑，25C顯色30分鐘后利用酶標 儀在620nm處測定吸光度。事先配制一定濃度梯度的磷標液，按以上操作繪制磷標準曲線， 根據(jù)標準曲線和樣品吸光度計算樣品濃度。根據(jù)樣品濃度和稀釋倍數(shù)計算每一片段代表的 間隙水磷濃度，計算公式C = Csx(『s + R)/rsC為間隙水磷濃度，單位mg/L G為樣品濃度，單位mg/L 《為膜片段重量，單位g K為加酸體積，單位ml7) 膜片段深度確定首先根據(jù)以下公式計算得到每一膜片段的寬度，s 『厶為膜片段寬度，單位cm 伊力膜的總重量，單位g A為膜的總長度，單位cm以水土界面為基準，根據(jù)膜片段寬度和每一片段的位置，計算得到每一膜片段所代表 的沉積物剖面垂向深度& = § + ^(水土界面以上)Hn=—H^u)-^1 (水土界面以下)"為水土界面以上第m個片段代表的上覆水深度，單位為cm "為水土界面以下第n個片段代表的間隙水深度，單位為cm 厶(i)為水土界面以上第i個片段的寬度，單位為cm為水土界面以下第j個片段的寬度，單位為cm 厶w為水土界面以上第m個片段的寬度，單位為cm 厶w為水土界面以下第n個片段的寬度，單位為cm8) 間隙水磷分布將水土界面以下每一膜片段代表的沉積物剖面深度和濃度數(shù)據(jù)一 一對應，得到沉積物間隙水磷的垂向分布數(shù)據(jù)。通過Excel等軟件作圖，可直觀看出間隙 水磷的垂向分布特征。上述沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法所使用的裝置，包括沉積物柱狀 釆樣器及其薄膜組件，其特征是薄膜組件為平板型，包括凝膠薄膜、塑料插板、濾膜及膠 帶，塑料插板上部有手柄，底部呈V形，組裝時，將薄膜切成長條平鋪于塑料插板上，邊 沿留空隙，將濾膜覆蓋于薄膜上，通過膠帶將濾膜固定于插板上，保持插板正面濾膜的平 整，上下再用膠帶封口。凝膠薄膜的配制取適量去離子水至100ml燒杯，按1.5%加入瓊脂粉，用鋁紙將燒杯 封口，燒杯放到可調(diào)式電爐上加熱。控制燒杯溫度在9(TC左右，避免溶液沸騰。待瓊脂粉完全溶解后，趁熱用注射器吸取，注入由兩塊玻璃(尺寸22cmX18cm)疊加形成的夾 層中，玻璃夾層間的距離由厚度為0.5mm的塑料墊片控制。注入完成后，玻璃板冷卻至室 溫，取下塑料墊片，將玻璃板浸入去離子水中，放置l 2d，將薄膜與玻璃板剝離，薄膜 浸入去離子水中繼續(xù)浸泡24小時，每隔8小時換水一次，最后將薄膜換入0. 1M的NaN03 溶液中浸泡備用。薄膜組裝薄膜組件由薄膜、塑料插板、濾膜、膠帶組成。塑料插板尺寸為20cm (長) X4cm (寬)X0.5cm(厚)，上部有長為5cm的手柄，底部呈V形，以便插入沉積物時避 免水土界面破壞。濾膜孔徑為0. 45pm，具有生物惰性。組裝時，將薄膜切成18cm (長) X3.5cm (寬)尺寸，平鋪于插板上，邊沿保留相同空隙，將濾膜覆蓋于薄膜上，通過膠 帶將濾膜固定于插板背面，保持插板正面濾膜的平整，上下再用膠帶封口。磷分析試劑的配制提取劑使用0.25M HN03溶液。磷含量的分析采用孔雀綠比色法， 所需試劑配制方法如下(l)鉬酸銨(分析純)溶液溶解176. 5g鉬酸銨((肌)勘7024 4H20)于1000ml去離子水中；(2)濃硫酸(分析純)；(3)孔雀綠(分析純)溶液加熱溶解1. 12g孔雀綠于適量水中，并稀釋至100ml; (4)顯色劑在40ml鉬酸銨溶液中依次加入12ml 濃硫酸及36ml孔雀綠溶液，混勻，靜置30min后，0.45pm濾膜過濾。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果本發(fā)明借鑒了DET技術的原理，但對其進行了改進，并簡 化了裝置和操作步驟，使之能夠方便地用于間隙水磷的分析。本技術的特點主要為(l)僅使用常規(guī)的瓊脂粉作為制作凝膠薄膜的原材料。在DET技術中，制作薄膜需要 丙烯酰胺作為單體外，同時需要專用的交聯(lián)劑和催化劑，制作成本高；(2)制膜過程更為 簡單，僅需要將瓊脂粉加熱溶解、冷卻成型、浸泡三個步驟。在DET技術中，還需要添加 交聯(lián)劑和催化劑進行催化聚合；(3)薄膜厚度為0.5mm，含水率高達99%，離子擴散達到 平衡的時間可縮短至12h。 DET技術中薄膜的厚度一般為0.8mm，含水率為96%，離子擴散 達到平衡的時間一般為24h，獲取間隙水需要的時間更長；(4)采樣裝置更為簡單。僅需 要一塊長方形塑料板作為支撐，用膠帶將薄膜固定上即可。由于裝置表面平整，避免了在 插入沉積物時對沉積物剖面的破壞。在應用DET技術時，需要購置專用的DET裝置。該裝 置為凹型，外沿部分比中間置膜部分厚，導致插入沉積物時對沉積物剖面有破壞；(5)使 用硝酸提取擴散進入凝膠薄膜中的磷，凝膠中的磷可被完全提取出來。在DET技術中，使 用去離子水提取薄膜中的陰離子，但提取劑對磷的提取率不足90%; (6)采用孔雀綠比色 法分析磷含量，使用酶標儀進行比色分析，與分光廣度計相比，酶標儀的使用可使得方法 檢測限提高一個數(shù)量級，分析需要的溶液體積可降低至200ial，同時可在l分鐘內(nèi)一次性 完成96個樣品的分析，大大加快分析速度；


圖l是太湖梅梁灣污染湖區(qū)沉積物間隙水磷含量分布圖； 圖2是太湖湖心非污染湖區(qū)沉積物間隙水磷含量分布圖。
具體實施方式
實施例分別取太湖梅梁灣污染湖區(qū)和湖心非污染湖區(qū)柱狀沉積物，作為高濃度和低濃 度間隙水磷的測試樣品。按本發(fā)明方法得到兩者的間隙水磷含量分布。同時將沉積物按lcm切層，4000rmp離心得到間隙水，分析間隙水中的磷含量。從圖1、 2中可看出，污染 沉積物剖面中磷濃度出現(xiàn)明顯的梯度變化，沿剖面向下出現(xiàn)濃度逐漸增高的趨勢。未污染沉積物剖面中磷濃度比污染沉積物顯著要低，且在表層2cm處出現(xiàn)峰值。無論是污染還是 未污染沉積物剖面，通過薄膜擴散技術得到的磷分布與傳統(tǒng)的離心法比較均比較吻合，發(fā) 現(xiàn)二者的磷含量分布基本一致，說明使用本方法達到了預期效果。通過間隙水磷的垂向分 布，計算可進一步得到磷在沉積物與上覆水體之間的交換通量。
總體而言，與現(xiàn)有技術相比，本方法所需要的成本低，操作要求不高，但得到的間隙 水磷信息的垂直分辨率可提高到mm級，比現(xiàn)有方法提高一個數(shù)量級，由于使用酶標儀作為 比色分析的儀器，在樣品分析數(shù)量很大的情況下，分析樣品需要的時間與現(xiàn)有方法相比并 沒有延長。
權利要求
1、沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法，基于擴散平衡原理對沉積物間隙水磷進行原位快速萃取，通過分析薄膜中磷的分布，獲取間隙水磷的垂向分布信息，包括采集沉積物、將薄膜組件插入沉積物收集間隙水、取出薄膜和切片分層，然后提取磷并用儀器測定磷含量的過程，其特征是以瓊脂粉為原材料，制成高含水率的薄膜，薄膜萃取間隙水磷后，使用硝酸作為薄膜磷的提取劑，最后采用孔雀綠比色法，使用酶標儀分析硝酸提取液中的磷。
2、 根據(jù)權利要求1所述沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法，其特征是具 體步驟如下1) 沉積物的采集采用柱狀采樣器采集沉積物，收集的柱狀沉積物直徑及沉積物深 度應大于薄膜組件的相應尺寸，采集時沉積物界面以上應保留上覆水，柱狀沉積物應及時 運回實驗室；2) 間隙水的收集將薄膜組件垂直插入柱狀沉積物，插入沉積物的深度根據(jù)需要研 究的沉積物深度確定，同時應至少保留薄膜組件頂部與上覆水體接觸，放置》12h，使得 間隙水與凝膠薄膜的交換達到平衡；3) 取膜12h后取出薄膜，根據(jù)濾膜上有泥和無泥分界線判定水土界面的位置，作 為衡量間隙水深度的基準，揭開濾膜，將薄膜轉移至干凈玻璃板；4) 切膜沿水土界面將薄膜分成兩部分，依次切成長條，再將各長條切成片段，操 作步驟3)和4)應在5分鐘內(nèi)完成，避免時間過長造成磷在薄膜的側向擴散；5) 磷提取將各薄膜片段按順序轉移到離心管中，離心管事先編號和稱重，加入片 段后，離心管再次稱重，計算前后重量差值，得到各片段的重量，按照1:5質(zhì)量體積比 的比例加入HN(k離心，放置12 24h，重新離心一次，依次取離心液至酶標板；6) 磷測定向酶標板樣品孔加入孔雀綠顯色劑，顯色后利用酶標儀測定吸光度，事先配制一定濃度梯度的磷標液，按以上操作繪制磷標準曲線，根據(jù)標準曲線和樣品吸光度 計算樣品濃度，根據(jù)樣品濃度和稀釋倍數(shù)計算每一片段代表的間隙水磷濃度，計算公式C為間隙水磷濃度，單位mg/L G為樣品濃度，單位mg/L 《為膜片段重量，單位g K為加酸體積，單位ml7) 膜片段深度確定首先根據(jù)以下公式計算得到每一膜片段的寬度，<formula>formula see original document page 2</formula>Ls為膜片段寬度，單位cmV^^膜的總重量，單位gA為膜的總長度，單位cm以水土界面為基準，根據(jù)膜片段寬度和每一片段的位置，計算得到每一膜片段所代表 的沉積物剖面垂向深度^n-^A(,)+^1 為水土界面以上l!^(j)-^為水土界面以下^為水土界面以上第m個片段代表的上覆水深度，單位為cm "為水土界面以下第n個片段代表的間隙水深度，單位為cm 厶",為水土界面以上第i個片段的寬度，單位為cm為水土界面以下第j個片段的寬度，單位為cm 厶w為水土界面以上第m個片段的寬度，單位為cm "w為水土界面以下第n個片段的寬度，單位為cm8)間隙水磷分布將水土界面以下每一膜片段代表的沉積物剖面深度和濃度數(shù)據(jù)一 一對應，得到沉積物間隙水磷的垂向分布數(shù)據(jù)，通過包括Excel軟件作圖，可直觀看出間 隙水磷的垂向分布特征。
3、沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法所使用的裝置，包括沉積物柱狀 采樣器及其薄膜組件，其特征是薄膜組件為平板型，包括凝膠薄膜、塑料插板、濾膜及膠 帶，塑料插板上部有手柄，底部呈V形，組裝時，將薄膜切成長條平鋪于塑料插板上，邊 沿留空隙，將濾膜覆蓋于薄膜上，通過膠帶將濾膜固定于插板上，保持插板正面濾膜的平 整，上下再用膠帶封口。
全文摘要
沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法，基于擴散平衡原理對沉積物間隙水磷進行原位快速萃取，通過分析薄膜中磷的分布，獲取間隙水磷的垂向分布信息，通過間隙水磷的垂向分布，計算得到磷在沉積物與上覆水體之間的交換通量，然后用儀器進行測定，包括采集沉積物、將薄膜組件插入沉積物收集間隙水、取出薄膜切片分層然后提取磷并測定磷含量的過程，其特征是以瓊脂粉為原材料，制成高含水率的薄膜，使用硝酸作為薄膜磷的提取劑，最后采用孔雀綠比色法，使用酶標儀分析硝酸提取液中的磷。上述沉積物間隙水中磷的高精度原位采集和分析方法所使用的裝置，包括沉積物柱狀采樣器及其薄膜組件，薄膜組件為平板型，上部有手柄，底部呈V形。
文檔編號G01N21/77GK101303276SQ200810122908
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權日2008年6月20日
發(fā)明者丁士明, 丹 時, 范成新 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所