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一种沉积物中活性磷和铁的同步获取方法

阅读：680发布：2021-02-23

IPRDB可以提供一种沉积物中活性磷和铁的同步获取方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种沉积物活性磷和铁的同步获取方法，利用薄膜扩散梯度原理，以能进行磷铁同步富集的固定膜与扩散膜组成DGT获取装置，将其放入沉积物中2－6天，沉积物中活性磷和铁离子以自由扩散方式穿过扩散膜，随即被固定膜同步捕获。将装置取出后，利用切片－两步提取－微量比色方法分别分析固定膜上磷和铁的积累量，根据Fick第一扩散定律计算得到沉积物中活性磷和铁的含量。，下面是一种沉积物中活性磷和铁的同步获取方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，利用薄膜扩散梯度原理，采用磷-铁同步富集固定膜与扩散膜组成DGT装置，将其放入沉积物中提取沉积物剖面中的活性磷和亚铁离子，沉积物中活性磷和亚铁离子以自由扩散方式穿过扩散膜，被固定膜同步捕获；将固定膜取出后，利用切片-两步提取-微量比色方法分别分析固定膜上磷和铁的积累量，根据Fick第一扩散定律计算得到沉积物中活性磷和铁的含量；

所述的磷-铁同步富集固定膜，是由包含水合氢氧化锆、Chelex-100阳离子交换树脂和聚丙烯酰胺的成膜液胶凝制成的凝胶薄膜，表面沉积氢氧化锆和Chelex-100阳离子交换树脂。

2.根据权利要求1所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述的磷-铁同步富集固定膜中，水合氢氧化锆与Chelex-100阳离子交换树脂的重量比为1∶0.6～1。

3.根据权利要求1或2所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述的磷-铁同步富集固定膜采用以下方法制作：将水合氢氧化锆粉末和Chelex-100阳离子交换树脂及聚丙烯酰胺水溶液充分混合，制成均匀的成膜液，加入适量四甲基二乙胺和过硫酸铵后，将该膜液注入玻璃模具中，在2～4℃低温下水平放置，使得氢氧化锆和Chelex-100阳离子交换树脂自由沉降后，再升温至45±5℃放置，直到成膜液胶凝成膜。

4.根据权利要求1所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述的扩散膜是由含水率95％的聚丙烯酰胺凝胶构成，厚度在0.4～1.2毫米之间。

5.根据权利要求1所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述DGT装置在沉积物中的放置时间为2～6天。

6.根据权利要求1所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述的切片-两步提取-微量比色的方法，是将固定膜按一维或二维方向切成条状或块状的切片，先用HNO3溶液提取每块固定膜切片上的铁，用去氧水洗涤后再用NaOH溶液提取每块固定膜切片上的磷；提取液中铁的测定采用邻菲罗啉显色法，磷测定采用钼蓝比色法，用微孔板分光光度计进行比色分析。

7.根据权利要求1所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)磷-铁同步富集固定膜的制备：将1g含水率50±5%的水合氢氧化锆粉末和3～

5mL30%聚丙烯酰胺水溶液混合均匀，研磨，加入0.6～1g Chelex-100阳离子交换树脂搅拌均匀，得到成膜液；加入12～16μL10wt%过硫酸铵和4～8μL四甲基二乙胺，混匀后注入玻璃模具的两片玻璃板间厚度均匀的空隙中，将气泡赶尽；玻璃模具在2～4℃低温下水平放置半小时以上，使水合氢氧化锆和Chelex-100颗粒自由沉降到底部，然后升温至45±5℃，放置半小时以上，直至成膜液胶凝成膜；取出凝胶薄膜后，放入去离子水中浸泡24小时以上，制得所述的磷-铁同步富集固定膜；

(2)DGT装置组装：将磷-铁同步富集固定膜、扩散膜、硝酸纤维素膜依次叠加后组装成DGT装置；

(3)充氮：将DGT装置放入盛有去离子水的容器中，向水中充入纯氮气去除DGT装置中含有的氧；

(4)DGT装置放置：将DGT装置垂直插入沉积物中，保留3～5cm暴露于上覆水中，放置2～

6天后，取出磷-铁同步富集固定膜并标记沉积物-上覆水界面；

(5)固定膜切片：将固定膜从装置中取出固定，对固定膜沉积物-水界面以下部分，用切片刀按一维或二维方向切成条状或块状的切片；

(6)铁提取：切片后将所有固定膜切片依次挑入离心管中，然后向每个离心管加入适量

1M HNO3溶液，静置16小时；

(7)磷提取：将已提取过铁的固定膜切片挑出，用去氧水洗涤2h，再重新放入新的离心管中，加入适量1M NaOH溶液，静置16小时；

(8)亚铁比色分析：从步骤(6)的每个离心管中吸取适量的解吸液至96孔酶标板微孔中，确定合适的稀释倍数，依次加入邻菲罗啉法显色液和还原剂，再35℃恒温显色30min，然后通过微孔板分光光度计在520nm波长下读取每个微孔的吸光值，扣除该微孔的空白吸光值后得到每个微孔中解吸液的吸光度；

(9)磷比色分析：从步骤(7)的每个离心管中吸取适量的解吸液至新的96孔酶标板微孔中，确定合适的稀释倍数，依次加入2M H2SO4中和NaOH，然后加入钼蓝比色法显色液，将显色后的微孔板放入离心机中离心除去气泡后，再5℃恒温显色1h，然后通过微孔板分光光度计在700nm波长下读取每个微孔的吸光值，扣除该微孔的空白吸光值后得到每个微孔中解吸液的吸光度；

(10)数据处理：

根据铁和磷显色标准曲线分别将解吸液的吸光度换算成解吸液中铁和磷的浓度，根据下面公式将浓度换算成每块固定膜切片中铁或磷的积累量： M=CV×10-6

上式中，C为每个解吸液中铁或磷的浓度，单位为μg/L；V为解吸液的体积，单位为μL；M为每块固定膜切片中铁或磷的积累量，单位为μg；

再根据Fick第一定律将铁或磷的积累量换算成对应剖面上沉积物中铁或活性磷的含量：

上式中，Δg为扩散膜厚度，单位为cm；Dg为亚铁离子或磷酸根离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm2/s；A为固定膜切片的面积，单位为cm2；t为放置时间，单位为秒，CDGT为活性磷或铁的浓度，单位为μg/L。

8.根据权利要求7所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，所述的方法中，步骤(10)还包括根据每个固定膜切片在沉积物剖面中的位置，作出CDGT的一维或二维分布图。

说明书全文

一种沉积物中活性磷和铁的同步获取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种对土壤、沉积物等环境介质中活性磷和铁的同步获取方法，可用于环境介质中活性磷和铁的迁移活性、生物有效性、污染风险以及二者的迁移转化关系等的分析与评价。

背景技术

[0002] 薄膜扩散梯度(Diffusive Gradients in Thin Films，DGT)技术是一种新的形态分析技术，主要由英国Lancaster大学Davison和Zhang等在上世纪90年代中期发展起来。该技术基于离子扩散原理，通过目标离子在定义扩散层的梯度扩散以及关联过程研究，获得离子在介质中的活性信息。DGT测定技术的装置由固定层和扩散层叠加组成，离子以扩散方式穿过扩散层，随即被固定层捕获，并在扩散层上形成线性梯度分布，其靠近固定膜一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的浓度(CDGT)为：

[0003]

[0004] 上式中M为固定膜上离子的积累量(mol cm-2)，Δg为扩散层厚度(cm)，Dg为离子在扩散膜中的扩散速率(cm2s-1)，t为扩散时间(s)。CDGT是放置时间段通过DGT分析得到的平均浓度(mol L-1)。

[0005] DGT扩散过程与实际环境中的离子迁移及生物吸收过程具有可比性，该技术已经作为一种新的形态分析手段，逐渐应用到水体、上壤和沉积物中，研究对象已从常规的金属元素扩展到稀有金属元素以及非金属元素等。

[0006] 目前，薄膜扩散梯度技术(DGT)已被应用于获取沉积物中的活性磷或铁含量，还没有发展为同步获取磷和铁的方法。由于沉积物具有非常显著的空间异质性，分别获取磷和铁含量，不仅存在获取效率低、成本高等不足，同时由于存在空间错位，给两者关系的考察带来困难。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种沉积物中活性磷和铁的同步获取方法，该方法基于薄膜扩散梯度(DGT)技术原理，利用能够同步吸收磷和铁的固定膜，同步获取沉积物中的活性磷和铁的含量和空间分布信息。

[0008] 本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

[0009] 一种沉积物活性磷和铁的同步获取方法，其特征在于，利用薄膜扩散梯度原理，采用磷-铁同步富集固定膜与扩散膜组成DGT装置，将其放入沉积物中提取沉积物剖面中的活性磷和亚铁离子，沉积物中活性磷和亚铁离子以自由扩散方式穿过扩散膜，被固定膜同步捕获；将固定膜取出后，利用切片-两步提取-微量比色方法分别分析固定膜上磷和铁的积累量，根据Fick第一扩散定律计算得到沉积物中活性磷和铁的含量。

[0010] 所述的磷-铁同步富集固定膜，是由包含水合氢氧化锆、Chelex-100阳离子交换树脂和聚丙烯酰胺的成膜液胶凝制成的凝胶薄膜；固定膜表面沉积氢氧化锆和Chelex-100阳离子交换树脂。所述的固定膜中，水合氢氧化锆与Chelex-100阳离子交换树脂的重量比为1∶0.6～1。

[0011] 所述的磷-铁同步富集的固定膜采用以下方法制作：将水合氢氧化锆粉末和Chelex-100阳离子交换树脂及聚丙烯酰胺水溶液充分混合，制成均匀的成膜液，加入适量四甲基二乙胺和过硫酸铵后，将该成膜液注入玻璃模具中，在2-4℃低温下水平放置，使得氢氧化锆和Chelex-100阳离子交换树脂自由沉降后，再升温至45±5℃放置，直到成膜液胶凝成膜。

[0012] 所述的扩散膜，是由含水率95％的聚丙烯酰胺凝胶构成，厚度在0.4-1.2毫米之间。

[0013] 所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法中，DGT装置在沉积物中的放置时间为2-6天。

[0014] 所述的沉积物活性磷和铁的同步获取方法中，提取沉积物剖面中的活性磷和亚铁离子后，固定膜上磷和铁的积累量采用切片-两步提取-微量比色的方法获得，方法是将固定膜按一维(垂向或横向)或二维(横向×垂向)方向切成条状或块状的切片，先用HNO3溶液提取每块固定膜切片(条状或块状)上积累的铁，然后用去氧水洗涤每块固定膜切片，再用NaOH溶液提取每块固定膜切片上的积累磷。提取液中铁的测定采用邻菲罗啉显色法，磷测定采用钼蓝比色法，用微孔板分光光度计进行比色分析。

[0015] 所述的沉积物活性磷和铁获取方法，具体包括以下步骤：

[0016] (1)磷-铁同步富集固定膜的制备：将1g含水率50±5％的水合氢氧化锆粉末和3～5mL30％聚丙烯酰胺水溶液混合后研磨，加入0.6～1gChelex-100阳离子交换树脂搅拌均匀，得到成膜液；加入4～8μL四甲基二乙胺(TEMED)和12～16μL10％(wt)的过硫酸铵，混匀后注入玻璃模具的两片玻璃板间厚度均匀的空隙中，将气泡赶尽；玻璃模具在2-4℃低温下水平放置半小时以上，使水合氢氧化锆和Chelex-100颗粒自由沉降到底部(则向下一面为固定膜的正面)，然后升温至45±5℃，放置半小时以上，直至成膜液胶凝成膜；取出凝胶薄膜后，放入去离子水中浸泡24小时以上，制得所述的磷-铁同步富集固定膜；

[0017] (2)DGT装置组装：将磷-铁同步富集固定膜、扩散膜、硝酸纤维素膜依次叠加后组装成DGT装置；

[0018] (3)充氮：将DGT装置放入盛有去离子水的容器中，向水中充入纯氮气去除DGT装置中含有的氧；

[0019] (4)DGT装置放置：将DGT装置垂直插入沉积物中，保留3-5cm暴露于上覆水中，放置2-6天后，取出磷-铁同步富集固定膜并标记沉积物-上覆水界面；

[0020] (5)固定膜切片：将固定膜从装置中取出固定，对固定膜沉积物-水界面以下部分，用切片刀按一维(垂向或横向)或二维(横向×垂向)方向切成条状或块状的切片；

[0021] (6)铁提取：切片后将所有固定膜切片依次挑入离心管中，然后向每个离心管加入适量1M HNO3溶液，静置16小时；

[0022] (7)磷提取：将已提取过铁的固定膜切片挑出，用去氧水洗涤2h，再重新放入新的离心管中，加入适量1M NaOH溶液，静置16小时；

[0023] (8)亚铁比色分析：从步骤(6)的每个离心管中吸取适量的解吸液至96孔酶标板微孔中，确定合适的稀释倍数，依次加入显色液(邻菲罗啉法)和还原剂，再35℃恒温显色30min，然后通过微孔板分光光度计在520nm波长下读取每个微孔的吸光值，扣除该微孔的空白吸光值后得到每个微孔中解吸液的吸光度；

[0024] (9)磷比色分析：从步骤(7)的每个离心管中吸取适量的解吸液至新的96孔酶标板微孔中，确定合适的稀释倍数，依次加入2M H2SO4中和NaOH，然后加入钼蓝比色法显色液，将显色后的微孔板放入离心机中离心除去气泡后，再35℃恒温显色1h，然后通过微孔板分光光度计在700nm波长下读取每个微孔的吸光值，扣除该微孔的空白吸光值后得到每个微孔中解吸液的吸光度；

[0025] (10)数据处理：

[0026] 根据铁或磷显色标准曲线分别将解吸液的吸光度换算成解吸液中铁和磷的浓度，根据下面公式将浓度换算成每块固定膜切片中铁或磷的积累量：

[0027] M＝CV×10-6

[0028] 上式中，C为每个解吸液中铁或磷的浓度，单位为μg/L；V为解吸液的体积，单位为μL；M为每块固定膜切片中铁或磷的积累量，单位为μg；

[0029] 再根据Fick第一定律将铁或磷的积累量换算成对应剖面上沉积物中铁或活性磷的含量：

[0030]

[0031] 上式中，Δg为扩散膜厚度，单位为cm；Dg为铁离子(Fe(-II))或磷酸根离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm2/s；A为固定膜切片的面积，单位为cm2；t为放置时间，单位为秒，CDGT为活性磷或铁的浓度，单位为μg/L；

[0032] 最后，根据每个固定膜切片在沉积物剖面中的位置，可作出CDGT的一维或二维分布图。

[0033] 本发明的优点及有益效果包括：

[0034] 1.利用一个装置同时获取沉积物活性磷和铁的含量和空间分布信息。本发明DGT装置应用了能够同步吸收磷和铁的固定膜，将其放入沉积物后，可以同时获取沉积物的活性磷和铁，通过分析同一固定膜上磷和铁的固定量，同步获得沉积物活性磷和铁的含量和空间分布信息。

[0035] 2.可以现场原位、无破坏性的获取沉积物活性磷和铁。目前对沉积物活性磷和铁的获取，绝大部分采用破坏性的方法，将沉积物取出后，通过化学提取等方法获得活性磷和铁。由于沉积物长期处于还原环境，取出后不可避免被空气氧化，造成沉积物性质发生很大的变化，因而分析得到的活性磷和铁信息有很大偏差。本发明可以将DGT装置直接投放到现场，由于采用了DGT被动获取技术，获取时沉积物活性磷和铁被动扩散到装置内，不破坏沉积物原始状态，因此获得的活性磷和铁信息是真实可靠的。

[0036] 3.沉积物活性磷和铁的获取时间短，且测定程序简单高效。传统的沉积物被动获取技术，如间隙水扩散平衡装置等，对沉积物磷和铁的获取时间需要20天左右。利用本发明方法，获取时间仅需要2-6天。装置从沉积物中取出后，采用切片-两步提取-微量比色方法对固定膜上磷和铁进行分析时，一次性可以处理96个切片样品，每个样品比色测定仅需要2分钟。上述分析方法的操作程序非常简单，与传统的磷、铁比色测定方法相比，收集数据的效率高出两个数量级。

[0037] 4.由于本发明方法中DGT装置利用一张固定膜同时获取活性磷和铁，保证了磷和铁的空间信息来自同一位置，避免了当前由于元素不同步获取造成的空间错位。由于沉积物具有高度的空间异质性，磷铁空间信息一致性对于考察二者的关系是至关重要的。

[0038] 下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

[0039] 图1 DGT技术原理示意图。

[0040] 图2本发明方法对溶液中磷和铁同步获取的DGT性能测试。根据DGT原理，当DGT装置获得的目标物积累量与溶液中目标物浓度呈直线递增，且与理论值吻合时，则表明该装置符合DGT性能测试的要求。如图所示，本发明方法中，DGT装置获得的磷(图2A)和铁(图2B)积累量与它们在溶液中的浓度均呈现直线增加，且与理论值吻合，表明该装置可用于磷和铁的DGT同步获取。

[0041] 图3通过本发明方法获得的太湖沉积物剖面活性磷和铁的一维分布图，空间分辨率为1mm。从图中可看出，沉积物活性磷和铁在局部位置有同步升高的现象。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和实例对本发明方法进一步说明。

[0043] 将本发明方法中的DGT装置放入太湖梅梁湾沉积物中，48小时后取出，运回实验室，对固定膜上的磷和铁进行分析，通过固定膜上磷和铁的积累量换算获得沉积物剖面中活性磷和铁的含量和空间分布。

[0044] 所述的方法具体操作包括以下步骤：

[0045] (1)磷-铁同步富集固定膜的制备：将1g含水率50±5％的水合氢氧化锆粉末和3～5mL30％聚丙烯酰胺水溶液混合均匀，研磨，加入0.6-1gChelex-100阳离子交换树脂搅拌均匀，得到成膜液；加入4-8μL四甲基二乙胺(TEMED)和12-16μL10％(wt)的过硫酸铵，混匀后注入玻璃模具的两片玻璃板间厚度均匀的空隙中，将气泡赶尽；玻璃模具在2-4℃低温下水平放置半小时以上，使水合氢氧化锆和Chelex-100颗粒自由沉降到底部(则向下一面为固定膜的正面)，然后升温至45±5℃，放置半小时以上，直至膜液胶凝成膜；取出凝胶薄膜后，放入去离子水中浸泡24小时以上，制得所述的磷-铁同步富集固定膜。

[0046] (2)DGT装置组装：将磷-铁同步富集固定膜、扩散膜、硝酸纤维素膜依次叠加后组装成DGT装置。

[0047] (3)充氮：将DGT装置放入盛有去离子水的容器中，向水中充入纯氮气去除DGT装置中含有的氧。

[0048] (4)DGT装置放置：将DGT装置垂直插入沉积物中，保留3-5cm暴露于上覆水中，放置2-6天后，取出磷-铁同步富集固定膜并标记沉积物-上覆水界面。

[0049] (5)固定膜切片：将固定膜从装置中取出固定，对固定膜沉积物-水界面以下部分，用切片刀按一维(垂向)或二维(横向×垂向)方向切成条状或块状的切片。

[0050] (6)铁提取：切片后将所有条状或方块状固定膜切片依次挑入离心管中，然后向每个离心管加入适量1M HNO3溶液，静置16小时。

[0051] (7)磷提取：将已提取过铁的切片挑出，加入去氧水洗涤2h，再重新放入新的离心管中，加入适量1M NaOH溶液，静置16小时。

[0052] (8)亚铁比色分析：从步骤(6)的每个离心管中吸取适量的解吸液至96孔酶标板微孔中，确定合适的稀释倍数，依次加入显色液(邻菲罗啉法)和还原剂，再35℃恒温显色30min，然后通过微孔板分光光度计在520nm波长下读取每个微孔的吸光值，扣除该微孔的空白吸光值后得到每个微孔中解吸液的吸光度。

[0053] (9)磷比色分析：从步骤(7)的每个离心管中吸取适量解吸液至新的96孔酶标板微孔中，确定合适的稀释倍数，依次加入2M H2SO4中和NaOH，然后加入显色液，将显色后的微孔板放入离心机中离心除去气泡后，再35℃恒温显色1h，然后通过微孔板分光光度计在700nm波长下读取每个微孔的吸光值，扣除该微孔的空白吸光值后得到每个微孔中解吸液的吸光度。

[0054] (10)数据处理：

[0055] 根据铁和磷显色标准曲线分别将解吸液的吸光度换算成解吸液中铁和磷的浓度，根据下面公式将浓度换算成每个条状或方块固定膜中铁和磷的积累量：

[0056] M＝CV×10-6

[0057] 上式中，C为每个微孔解吸液中铁或磷的浓度，单位为μg/L；V为解吸液的体积，单位为μL；M为每块切片中铁或磷的积累量，单位为μg；

[0058] 再根据Fick第一定律将铁或磷的积累量换算成对应沉积物中活性铁或磷的含量：

[0059]

[0060] 上式中，Δg为扩散膜厚度，单位为cm；Dg为铁离子(Fe(-II))或磷酸根离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm2/s；A为条状或方块的面积，单位为cm2；t为放置时间，单位为秒，CDGT为活性磷或铁的浓度，单位为μg/L。

[0061] 最后，根据每个固定膜切片在沉积物剖面中的位置，作出CDGT的一维或二维分布图。

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