薄膜擴散梯度（DGT）——技術進展及展望

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近年來，薄膜擴散梯度（DGT）技術取得快速的發展，成為最常用的被動采樣技術之一。本文詳細闡述瞭DGT 在技術方面的研究進展，包括DGT 裝置構型、固定相和擴散相材料發展、環境樣品的前處理與DGT 裝置放置、DGT 樣品處理與測定等，針對該技術前期發展存在的不足，提供瞭有利於DGT 操作和功能提升的系統解決方案，同時對未來的發展進行瞭展望。前 言薄膜擴散梯度（Diffusive Gradients in Thin-films，DGT）技術主要利用自由擴散原理（Fick 第一定律），通過對目標物在擴散層的梯度擴散及其緩沖動力學過程的研究，獲得目標物在環境介質中的（生物）有效態含量與空間分佈、離子態-絡合態結合動力學、以及固-液之間交換動力學的信息。DGT 裝置由固定層（即固定膜）和擴散層（擴散膜和濾膜）疊加組成，目標離子以擴散方式穿過擴散層，隨即被固定膜捕獲，並在擴散層形成線性梯度分佈（圖1）。DGT 裝置對目標物的擴散通量（FDGT）可用公式（1）和公式（2）計算：式中：t 為DGT 裝置放置時間，s；M 為DGT 裝置放置時間段固定膜對目標離子的積累量，μg；A 為DGT 裝置暴露窗口面積，cm2；Δg 為擴散層厚度，cm；D 為目標離子在擴散層中的擴散系數，cm2·s-1；CDGT 為擴散層線性梯度靠近環境介質一端的濃度，mg·L-1。將公式（1）和公式（2）結合，得到CDGT的計算公式（3）：固定膜中目標離子積累量（M）一般采用溶劑提取的方法，根據公式（4）計算得到：式中：Ce 為提取液濃度；Ve 為提取劑體積；Vg 為固定膜體積；fe 為提取劑對固定膜上目標離子的提取率。當DGT 裝置測定水體時，DGT 吸收目標物中的自由離子態組分，將促使弱結合絡合物的解離，因此FDGT/CDGT 反映水體目標物自由離子態組分的含量及弱結合絡合物對該形態的解離和緩沖能力。當DGT裝置測定土壤、沉積物時，DGT 吸收造成孔隙水中目標物溶解態組分降低，導致固相弱結合態組分通過解吸或溶解對溶解態組分進行緩沖，因此FDGT/CDGT反映土壤、沉積物中溶解態的含量及固相弱結合態對其溶解態的緩沖能力。DGT 技術首先應用於檢測水環境中的金屬陽離子，並在1995 年獲取瞭DGT 野外測量結果。1997年，Davison 等將DGT 應用到沉積物中，獲得瞭重金屬離子的高分辨分佈信息。1998 年，Zhang 等利用DGT 測定瞭土壤中重金屬的生物有效性，將DGT 技術拓展到土壤領域。此後經過大量研究人員的改進和擴展，DGT 技術可測定的目標物已從常規的金屬陽離子拓展到貴金屬、有機金屬、氧化性陰離子、放射性物質、營養鹽、有機物以及稀土元素等。DGT 技術自1994 年發明以來，已有二十多年的發展歷史，並發表瞭多篇DGT 技術原理和應用的綜述。其中，有關DGT 技術材料、裝置和測定流程的論述還較為缺乏。盡管該技術的發展速度較快，但在裝置構型和測定流程等方面還存在一定的不足，造成測定結果常出現偏差，又難以被研究者註意。本綜述將集中探討DGT 技術在裝置構型、固定相和擴散相材料制備、樣品測定流程等方面的研究進展，並對未來的發展進行展望。1 DGT 裝置的發展目前，DGT 裝置主要有四種類型，分別是活塞式（Piston type）、雙模式（Double mode）、平板式（Flattype）和液體固定相裝置，前兩種裝置用於土壤和水體的測定，第三種裝置用於沉積物、濕地土壤的測定，最後一種裝置主要用於水體的測定。1.1活塞式DGT 裝置如圖2a 所示，活塞式DGT 裝置由底座和蓋帽兩部分組成，底座上依次放置固定膜、擴散膜和濾膜，並用蓋帽固定3 層膜。活塞式DGT 裝置的暴露窗口直徑為20 mm，面積為3.14 cm2，暴露窗口直接與環境介質（土壤、水體等）接觸，目標物通過該窗口擴散通過擴散層，被結合相固定。該裝置可以通過尼龍線、塑料網條、有機玻璃板等方式進行固定後放置在天然水體中，用於水體的測定。同時，可以通過用手按壓的方式將裝置與土壤（調節水分後）接觸，用於土壤的測定。然而，使用按壓的方式接觸土壤樣品時，可能因為操作者使用力度的不同會改變土壤層的緊實度，從而改變目標離子在土壤層（靠近DGT 裝置暴露面）的擴散速率，造成測定誤差。Ding 等利用人工污染土壤測試時，使用活塞式DGT 裝置獲得磷、砷、鎘、鉛DGT 濃度的平均誤差（相對標準差）為5.57%。考慮到人工污染土壤降低瞭儀器的分析誤差，對自然土壤的測定誤差可能會增加。1.2雙模式DGT 裝置Ding 等對傳統的活塞式DGT 進行瞭改進，以降低人為按壓造成的測定誤差。如圖2b 所示，雙模式DGT 主要由放置3 層膜的DGT 核心模塊（DGT Core）、支撐核心的底座（Base）組成（參考www.easysensor.net）。雙模式DGT 有兩種組裝方式：一種是將DGT 核心模塊置於底座之上，形成傳統的活塞式DGT，適用於水體和溶液中溶質的測定；另一種是將DGT 核心模塊鑲嵌在底座下方的凹槽內，形成開放式內腔（Open Cavity）；內腔的直徑為20 mm，與活塞式裝置暴露窗口的直徑一致，高度為10 mm。土壤調節水分後，按其重力自然填滿到內腔中。采用內腔式放置土壤的方式克服瞭活塞按壓式的缺陷，包括：（1）土壤僅憑借其重力與DGT 暴露面自然接觸，避免按壓產生的人為誤差；（2）土壤層的厚度統一為10 mm，避免瞭土壤層厚度不統一產生的誤差；（3）土壤與DGT 暴露面的接觸面積嚴格控制在3.14 cm2，避免土壤層側向擴散對測定的幹擾。Ding 等對比發現，采用內腔式方式放置土壤時，測定獲得的磷、砷、鎘、鉛DGT 濃度的平均誤差僅為3.37%，比活塞式放置的誤差降低42%。1.3平板式DGT 裝置對於沉積物、濕地土壤等空間異質性大的環境介質，需采用平板型DGT 裝置獲取目標物的垂向或者二維剖面的信息。如圖3a 所示，傳統的平板式DGT裝置由底板和蓋板組成，固定膜、擴散膜和濾膜依次放置在底座上，並用蓋板固定，形成暴露窗口的面積為150 mm×18 mm（長×寬）。該裝置可以插入沉積物（柱樣）中進行采樣，也可以通過潛水員或者DGT投放裝置在野外進行原位投放。傳統的平板式DGT 裝置暴露面低於蓋板形成的外圍，這種結構使得底部形成橫向凸起（圖3a）。當DGT 裝置垂向插入時，會不同程度地造成沉積物剖面結構的變形，並且有可能造成：（1）沉積物界面固相顆粒物被帶到下層。由於界面附近固相顆粒物的有機質含量高，界面顆粒物被帶到下層後，將會造成生物地球化學過程與強度的變化；（2）上覆水通過縫隙向下引灌。當上覆水體含有氧氣等電子受體時，其引灌將會氧化下層的沉積物，改變沉積物生物地球化學性質和營養鹽、重金屬的遷移活性；（3）由於剖面結構的變形，通過DGT 獲得的剖面信息存在不同程度的空間錯位。如獲取的空間分辨率要求很高時（如亞毫米級），這種錯位造成的信息失真將會非常嚴重。為克服傳統平板式DGT 裝置的缺陷，Ding 等發展瞭新型平板式裝置（圖3b；參考www.easysensor.net），主要改進措施包括：（1）去掉瞭底部凸起結構，使暴露面至裝置底部完全處於同一平面上；（2）裝置底部的背面呈30 度楔形結構，當裝置插入時，這種結構可產生對暴露面的擠壓力，確保裝置暴露面與沉積物的緊密接觸。此外，為便於和活塞式、雙模式裝置的參數進行統一（直徑20 mm），改進後的DGT 裝置暴露窗口的寬度增加到20 mm。進一步對比發現，新型平板裝置插入沉積物時，界面上溶解態和顆粒態硫化物（負載在沙粒上）在沉積物中的滲透深度僅是傳統裝置的33%和20%。當使用傳統裝置時，沉積物界面以下5 mm 范圍內出現硫的富集層，可能是沉積物界面上富含硫的動物糞便在裝置插入時帶到沉積物界面以下，糞便通過快速降解釋放硫化物造成的。當使用新型平板裝置時，硫的富集現象消失，說明傳統裝置插入造成的測定誤差需要引起高度重視，同時凸顯出新裝置使用的優越性。除上述兩種研究者使用較多的平板型裝置外，Docekal 等基於DET 設計原理設計瞭限制型DGT 探針裝置，主要將DGT 結合凝膠註入密集的細條型凹槽中，該設計主要是為瞭對DGT 固定膜進行分割，以便準確獲取沉積物剖面目標物的垂向分佈信息。裝置回收後，需要將每一凹槽中固定膜（凝膠）進行回收，操作較為繁瑣，同時回收過程中凝膠可能存在一定程度的損失，產生分析誤差。1.4液體結合相DGT 裝置活塞式、雙模式、平板式DGT 裝置的固定相均是凝膠。Li 等在2003 年發展瞭一種以聚4-苯乙烯磺酸鹽（PSS）溶液作為固定相的新型液體結合相DGT技術。如圖 4 所示，液體固定相DGT 裝置由容納固定相溶液的基底、矽膠墊片、滲析膜以及密封蓋帽組成。固定相液體填充到基底中，依次蓋上矽膠墊片和滲析膜（該膜作為擴散層），將蓋帽與基底固定，固定相溶液被密封於基底中。液體結合相DGT 裝置提供瞭聚合物溶液和擴散層之間的良好接觸，克服瞭凝膠的易碎性和溶脹問題，並且固定相溶液可直接用於分析目標物含量，不需要洗脫步驟，簡化瞭分析流程。但是，由於液體的流動性，液體固定相DGT局限於水體的測定，目前難以獲取沉積物/濕地土壤的剖面信息。此外，目標離子在透析膜中耐受的環境條件（如pH、離子強度）有限，限制瞭這類技術的應用范圍。2 DGT 固定相和擴散相材料的發展DGT 由固定相和擴散相（擴散膜和濾膜）組成，固定相一般是由吸附材料嵌入凝膠中制成，其對目標離子的測定依賴於固定材料的類型。目前，多種類型的固定相應用於DGT 的測定，包括單一固定材料（表1）、復合固定材料（表 2）以及液相吸附材料（表 3）。2.1單一固定材料Chelex-100 樹脂是發展最為成熟的金屬陽離子吸附材料，能夠用於十幾種金屬陽離子的測定，例如Zn、Cd、Co、Ni、Cu、Al、Pb、Cr、Mn、Fe、As 和Hg等。Yuan 等通過比較多種吸附材料，發現Chelex-100 DGT 對15 種稀土元素具有很高的吸收效率和環境抗幹擾能力（pH 3~9，離子強度3~100mmol·L-1）。以活性炭作為固定相的DGT 可以測定Au、As 和Sb，並且對環境具有很強的耐受性（pH 2~9）。此外，懸浮顆粒試劑—— 亞氨基二乙酸鹽（SPR-IDA）可用於金屬陽離子Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Mn 和Fe 等的測量。相比於粒徑約為100 μm 的Chelex-100 樹脂，SPR-IDA 的粒徑約為0.2 μm，可結合激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜聯用技術（LA-ICP-MS）獲取土壤或者沉積物中金屬離子的亞毫米級二維分佈信息。除瞭金屬陽離子之外，一些特異性吸附氧化性陰離子材料被應用於DGT 的固定相。以水鐵礦（Ferrihydrite）作為固定劑的DGT（Fe-oxide DGT）技術最早被用於測定磷（PO43–P），並被拓展到As、Mo、Sb、V、W和Se 的測定。在20 世紀90 年代末至2010 年期間，Fe-oxide DGT 作為測定陰離子的經典技術，在拓展DGT 應用功能方面發揮瞭重要作用。然而，該技術有3 個方面的不足：（1）容量較低，對P的DGT 測定容量僅有2~7 μg·cm-2（包括沉淀型Fe-oxide DGT，簡稱為PF DGT），以常規的放置時間24 h 計算，理論上Fe-oxide DGT 隻能滿足最高濃度1.4 mg P·L-1 的測定。在實際環境中，由於溶解態有機碳和競爭性離子的幹擾，實際的DGT 測定容量會進一步降低，因此該技術在應用到高磷含量的環境介質（如富營養化水體、施肥的土壤等）時，很可能因為超出DGT 容量造成測定結果出現較大的偏差。通過在合成淡水和海水中的測試發現，Fe-oxide DGT 不能有效測定Sb（Ⅴ）、Mo（Ⅵ）和W（Ⅵ）。（2）非晶型的水鐵礦壽命較短（小於40 d），在存放時間內將逐漸向針鐵礦和赤鐵礦轉變，降低DGT 的測定容量；（3）Fe-oxide DGT 與還原性的環境介質（如沉積物）接觸後，固定膜中的水鐵礦有可能被還原，從而影響沉積物的生物地球化學過程，幹擾鐵和其他目標物（如氧化性陰離子）的測定。另外一種發展較成熟的技術是Metsorb DGT（Metsorb是二氧化鈦的商品名）。該技術可測定As、Mo、Sb、V、W、Se 和P 等多種氧化性陰離子。Panther 等和Price 等詳細比較瞭Fe-oxide DGT 和Metsorb DGT 的性能，發現兩者DGT 測定容量的差異不大（Metsorb DGT 對P 的測定容量是12 μg·cm-2），但Metsorb 對某些陰離子（如Sb）的親和力比水鐵礦強，因而適用的陰離子種類比Fe-oxide DGT 多。在高pH值和高離子強度的海水中，競爭性陰離子對MetsorbDGT 的幹擾程度有所降低，僅發現Metsorb DGT 不能測定Mo（Ⅴ）。當使用Metsorb DGT 測定多種陰離子時（如P 和Sb），需要使用1 mol·L-1 NaOH 和1 mol·L-1 NaOH-1mol·L-1 H2O2分別提取24 h（總計48 h），耗費時間較長，同時提取溶液中Na+的含量高，要對提取溶液稀釋很大倍數才能避免Na+對ICP-MS 測定的幹擾。Ding 等首次利用水合氫氧化鋯（Zr-oxide）固定劑開發瞭Zr-oxide DGT，用於多種氧化性陰離子的測定。作為Fe-oxide DGT、Metsorb DGT 的相同類型技術，Zr-oxide DGT 具有明顯的優勢：（1）Zr-oxideDGT 對P 具有高的測定容量，在pH 4.2、pH 7.1 和pH9.2 條件下測定容量分別為>330、130 μg·cm-2 和95μg·cm-2，在pH 中性條件下分別是泥漿型和沉淀型Fe-oxide DGT 的65 倍和19 倍，是Metsorb DGT 的11倍。當同步測定As、Cr、Mo、Sb、Se、V、W 和P 等8 種陰離子時，Zr-oxide DGT 的容量分別是Mestorb DGT和Fe-oxide DGT的29~2397倍和7.5~232倍。這一優勢使得Zr-oxide DGT 可以應用到目標物含量很高的環境介質中（如污染或富營養化的土壤和沉積物）；（2）Zr-oxide 固定劑對氧化性陰離子的親和力強，因此對競爭性陰離子的抗幹擾能力強，如測定P 時對SO42-的耐受濃度高於16.2 mg·L-1，而Metsorb DGT 和Fe-oxide DGT（沉淀型）僅有5.4 mg·L-1 和0.6 mg·L-1，因此Zr-oxide DGT 顯著提升瞭對海水中氧化性陰離子的監測能力。（3）當同步測定As等8種陰離子時，Ding 等開發瞭0.2 mol·L-1 NaOH-0.5 mol·L-1 H2O2一步提取方法，提取時間僅用3~5 h（Metsorb DGT 需要48 h），且提取溶液中Na+ 含量大幅度降低（僅為Metsorb DGT的1/5），有利於ICP-MS 對金屬目標物的檢出；（4）Zr-oxide 對陰離子的吸附性能非常穩定，存放2 a 後沒有發現DGT 測定容量有顯著的降低，因此與Fe-oxide DGT 相比優勢明顯。此外，Teasdale 等在早期（1999 年）利用AgI 作為固定劑開發瞭DGT 測定還原態硫S（Ⅱ）的技術。S（Ⅱ）與淡黃色的AgI 發生特異性的沉淀反應，形成黑色的Ag2S 物質，其積累量與固定膜表面的光密度（顏色）可以建立定量關系，因此可以結合計算機成像密度法（CID）獲取S（Ⅱ）在環境中的二維分佈信息。Ding 等將磷鉬藍比色法與CID 技術結合，將Zr-oxide DGT 功能拓展到可以二維、高分辨（亞毫米分辨率）測定P。Yao 等基於Zr-oxide DGT，結合二苯基卡巴肼染色技術與CID 技術進一步開發瞭Cr（Ⅵ）的二維高分辨率測定。2012 年以來，DGT 技術開始拓展到有機污染物的測定。XAD-18 樹脂和XAD-1 樹脂是應用最廣泛的吸附材料。Chen 等使用XAD-18 樹脂作為DGT固定相測量水中的磺胺甲惡唑抗生素，與高效液相色譜的測量結果具有很好的一致性。目前，XAD-18 固定相的目標分析物已經拓展到幾十種抗生素以及違禁藥品等有機污染物。XAD-18 樹脂在較高離子強度下（>0.5 mol·L-1）具有較弱的吸附能力，難以應用於海水等高離子強度環境中。Xie 等進一步將XAD-1 樹脂作為DGT 的固定相，利用DGT在海水中測定瞭多種抗生素以及內分泌幹擾物質。活性炭（Activated charcoal，AC）作為固定相除瞭能夠測定Au、As 以及Sb 外，Zheng 等和Guan 等進一步將活性炭拓展到測定水體和土壤中的苯酚類有機物，對BPA、BPB 和BPF 的吸附容量分別能達到192、140、194 μg·凝膠盤-1。Guibal 等使用Oasis HLB和Oasis MAX作為DGT 固定相測定水環境中的4 種陰離子農藥，經實驗驗證在pH 3~8 以及0.01~1 mol·L-1的離子強度下具有較高的測量精度。2.2復合固定材料當測定不同類型目標物時，需要同時使用幾種單一固定材料的DGT 裝置。對於沉積物、根際土壤等空間異質性大的環境介質，通過幾種DGT 裝置測定不同類型目標物時存在空間錯位，從而在對研究多種目標物的耦合關系時形成較大的障礙。因此，采用多種固定材料配制復合型DGT 固定相，利用復合DGT在同一時空位置和尺度上同步獲取多種目標物的信息，是DGT 技術發展的重要方向。2005 年，Mason 等首次使用Fe-oxide和Chelex-100 樹脂作為DGT 吸附材料制備復合固定膜，用於同時測定5 種痕量金屬（Cd、Cu、Mn、Mo 和Zn）和P。Huynh 等將其拓展到As、Cd、Cu、Pb 和Zn 的同步測定，並成功應用到水體和土壤中。Panther 等以Chelex-100 和Metsorb 為吸附材料制備瞭Chelex-Metsorb復合固定相，開發瞭能夠同步測定6 種痕量金屬（Mn、Co、Ni、Cu、Cd 和Pb）和6 種氧化性陰離子（V、As、Mo、Sb、W 和P）的DGT 技術。並且Chelex-Metsorb DGT在pH 5.03~8.05 和離子強度0.001~0.7 mol·L-1 下能夠保持良好的性能。相比於Fe-oxide 和Chelex-100 復合固定相，Chelex-Metsorb 復合固定相具有明顯的優勢，首先Metsorb 和Chelex-100 可通過商業途徑獲取，不需要單獨制備；其次，Chelex-Metsorb 能夠測定Fe，同時對淡水和海水中一些氧化性陰離子的測定擁有更高的精度。然而，包括Chelex-Metsorb DGT 在內，能夠測定的目標物元素最多隻有12 種，且由於使用瞭Ferrihydrite、Metsorb 等固定劑，存在DGT 容量低、測定時間過長等不足。Xu 等使用Zr-oxide 和Chelex-100 樹脂制備瞭ZrO-Chelex 復合固定膜，實現瞭P 和Fe（Ⅱ）的同步測定。該技術對P和Fe（Ⅱ）的測定容量分別是90 μg·cm-2 和75 μg·cm-2。在此基礎上，Wang 等將ZrOChelexDGT 拓展到同步測定8 種金屬陽離子（Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Pb 和Cd）和8 種氧化性陰離子（P、As、Cr、Mo、Sb、Se、V 和W）。通過優化配制方法，增加Zroxide和Chelex-100 的配制量，最終定型的ZrO-Chelex DGT 對P 的測定容量達到130 μg·cm-2，遠高於其他類型的單一和復合DGT（≤12 μg·cm-2）；對Fe（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的測定容量達到100 μg·cm-2 和301 μg·cm-2，是經典型Chelex DGT（45 μg Fe·cm-2；DGT Research Ltd.提供）的2.2 倍和1.2 倍。由於容量的提高，ZrO-Chelex DGT 對環境條件的耐受能力顯著優於其他復合DGT。此外，采用兩步提取方法，即分別用1.0 mol·L-1 HNO3 和0.2 mol·L-1 NaOH-0.5 mol·L-1H2O2溶液提取陽離子和陰離子，所用時間控制在24 h內，少於Chelex-Metsorb DGT 方法的48 h（不包括Sb分析）和60 h（包括Sb 分析）。Wang 等進一步以Zr-oxide、Chelex-100 樹脂和AgI 為吸附材料制備瞭ZrO-CA DGT, 用於同時測定S（Ⅱ）、8 種金屬陽離子以及8 種氧化性陰離子。相比於ZrO-Chelex DGT，ZrO-CA DGT 對氧化性陰離子表現出更快的吸收速率，並且當ZrO-CA DGT 對S（Ⅱ）吸附飽和時，對金屬陽離子表現出更快的吸收速率。與此同時，Ding 等利用Zr-oxide 和AgI 作為固定劑，開發瞭ZrO-AgI DGT復合技術，用於同步測定P 和S（Ⅱ）。將該技術與二維切片-微量比色方法、CID 結合，可以用於獲取沉積物等環境介質中P 和S（Ⅱ）的二維分佈信息。利用該技術測定瞭太湖沉積物剖面P 和S（Ⅱ）的分佈，首次觀察到兩者同步釋放的新現象。Xu 等使用ZrO-AgI DGT 研究瞭As 和S（Ⅱ）在沉積物中的釋放規律，也觀察到兩者同步釋放的現象。Kreuzeder 等利用Zr-oxide 和SPR-IDA作為固定劑，研發瞭一種復合型DGT。將該技術與LA-ICP-MS 結合，可用於高分辨、二維獲取P、As、Co、Cu、Mn 和Zn 的分佈信息。2.3液相固定材料液體結合相DGT 的固定相是聚合物溶液，將吸附劑或具有吸附性能的納米顆粒物溶於水溶液中制備而成。Li 等第一次將聚4-苯乙烯磺酸鹽[Poly（4-styrenesulfonate），PSS] 溶液作為DGT 的固定相，用於測定水體中的Cu 和Cd。Chen 等將PSS DGT 的目標物擴展到同步測定4 種金屬離子（Cu、Cd、Co 和Ni）。Fan 等使用聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）溶液作為液體結合相測量環境中的Cu；使用聚丙烯酸鈉（Sodium polyacrylate，PA）溶液測量水中的Cu 和Cd，與火焰原子吸收光譜法（FAAS）測定的結果具有很好的一致性。Sui 等使用聚乙烯亞胺[Poly（ethyleneimine），PEI）]溶液作為固定相測定瞭水中Cu、Cd 和Pb。Fan 等進一步通過將2-吡啶甲醛（2-pyridinecarboxaldehyde，Py）和聚乙烯亞胺縮合制備聚合物結合的席夫堿（Py-PEI）來測定有效態的Cu、Cd 和Pb，並且經測試，Py-PEI的吸附容量均高於PA DGT、PSSDGT 以及PEI DGT。近幾年，納米顆粒材料也已經應用於液體固定相。相比聚合物溶液，均勻懸浮溶液中的納米顆粒材料具有大的表面積、豐富的官能團以及高的移動性，非常適用於DGT 的液體固定相。Fe3O4 納米顆粒（Fe3O4NPs）懸浮溶液已經用於測定As 和P，穩定性（>24個月）、對P的吸附容量（15.4 mgP·cm-2）以及抗幹擾能力（pH 3~10）均高於Ferrihydrite 和Metsorb 固定相。Wu 等研發瞭巰基修飾的碳納米顆粒物（SH-CNP）懸浮溶液作為DGT的液體固定相吸附Hg離子，並且該固定相不受Cd、Cr、Cu 和Pb 等潛在幹擾離子的影響，具有高的特異性。2.4擴散相材料的發展與固定相類似，擴散相是DGT 技術的基本構成部分。由公式（3）可知，擴散層的厚度和目標離子在擴散層中的擴散系數是DGT 定量計算的基礎。因此，擴散層厚度和擴散性能參數是否穩定，對於控制DGT 的測定誤差至關重要。目前，通過凝膠制備的DGT 擴散膜已被廣泛應用，主要有兩種類型：一是瓊脂糖交聯的聚丙烯酰胺（APA）水凝膠；二是瓊脂糖凝膠（濃度一般為1.5%）。APA 凝膠是一種經典的DGT 擴散膜，由丙烯酰胺和瓊脂糖交聯劑制備成水凝膠，然後加入過硫酸銨引發劑和TEMED 催化劑制備而成；該凝膠具有>5 nm 的孔徑，水合後膨脹3.2 倍，含水率>95%，並在pH 2~9范圍內保持厚度穩定。APA 適用於環境中多種陰陽離子的測定，且已被廣泛應用。APA 對痕量金屬離子（尤其是Cu）及其富裡酸絡合物有特異性、低容量的吸附，同時存在靜電作用。當溶液離子強度低於1 mmol·L-1 時，這些作用會幹擾DGT 的吸收，延遲擴散梯度的建立。因此，APA 擴散膜組裝的DGT裝置要求在離子強度高於1 mmol·L-1的環境中使用。由於APA 凝膠中的酰胺等基團會與一些目標離子結合，因此APA 凝膠不能用於汞、銨以及有機污染物（抗生素、內分泌幹擾物等）的測定。值得註意的是，同一目標物在APA 擴散膜中的擴散系數報道有比較大的差異，通過擴散杯測定的誤差（相對標準偏差）在6.49%~20.71%之間（表 4），通過DGT 法測定得到的誤差在6.23%~16.36%（表 5）。考慮到其他誤差（如操作差異性以及擴散層厚度、提取率、目標物分析誤差等），DGT 的整體分析誤差將會被進一步放大。瓊脂糖凝膠是將瓊脂糖溶於熱水中制備而成，制作步驟簡單，水合後不發生膨脹。相比於APA 凝膠，瓊脂糖凝膠具有更大的孔徑（>20 nm），較低的彎曲度以及更高的含水率（>99%），有利於目標離子的擴散。瓊脂糖分子中帶有巰基基團，與痕量金屬離子會發生微弱的絡合作用；瓊脂糖分子中主要的結合位點來自帶負電荷的pyruvate 基團，通過形成Donnan 勢與陰離子和陽離子分別產生排斥和吸附作用。當離子強度升高時，特異性和靜電結合的作用會減弱消失。Wang 等系統研究瞭瓊脂糖擴散膜厚度的穩定性和對陰陽離子的擴散性能，發現在pH 2~11，離子強度0~1.0 mol·L-1，溫度4~40 ℃以及儲存300 d 等條件下，瓊脂糖的厚度變化均控制在0.7%以內（RSD%），因此厚度非常穩定；當溶液中離子強度高於1 mmol·L-1和2~3 mmol·L-1 時，瓊脂糖對陽離子和陰離子的特異性或靜電作用消失，因此瓊脂糖擴散膜對陰離子和陽離子的測定需要在離子強度高於1 mmol·L-1 和2~3mmol·L-1 的條件下進行，與APA 擴散膜的適用條件（1 mmol·L-1）基本一致。利用改進型Chelex DGT 和Zr-oxide DGT 獲得16 種陰陽離子在瓊脂糖擴散膜中的擴散系數（表 6），其平均值是APA 擴散膜的1.10倍，說明陰陽離子在瓊脂糖擴散膜中的擴散系數略高於APA 擴散膜中的擴散系數。值得一提的是，利用Chelex DGT 獲得的擴散系數適用於ZrO-Chelex DGT的測定，說明瓊脂糖擴散膜的擴散性能穩定。Wang等發現，將不同類型濾膜與瓊脂糖擴散膜組合，利用DGT 測定得到Cu、Cd、As 的擴散系數存在顯著差異，說明在應用層面，DGT 裝置使用的濾膜類型和型號應該固定和統一。目前，DGT 主要使用的濾膜包括Durapore聚偏氟乙烯（PVDF）濾膜（孔徑0.45 μm，厚度100 μm，Millipore）、PES（孔徑0.45 μm，厚度140μm，Supor 450）和硝酸纖維素膜（孔徑0.45 μm，厚度130 μm）。利用瓊脂糖擴散膜組裝的DGT 已被用於測定多種陰離子和陽離子、有機物金屬離子、NH4+、汞以及多種有機污染物，已經成為除APA 外另一種被廣泛用於DGT 測試和應用的標準擴散膜。DGT 獲取空間信息的分辨率與擴散層厚度有關。當目標離子通過擴散層時，離子不僅向固定相方向發生垂直擴散，同時發生側向擴散，造成空間分辨率的降低。當使用標準的DGT 裝置時，擴散層的厚度約為0.90 mm，所獲得的目標物空間分辨率在1.0 mm左右。因此，為瞭獲得亞毫米（0.1~0.5 mm）信息，需要將擴散層厚度降低到0.5 mm 以內，由此促進瞭超薄擴散相在DGT 技術領域的應用。Lehto 等使用0.01 mm 厚度的Nuclepore 膜組裝DGT，用於獲取金屬離子在土壤和沉積物中的二維分佈；Ding 等直接使用0.10 mm厚度的DuraporePVDF 膜獲取瞭Fe 和P在沉積物中的二維分佈信息。在使用超薄擴散膜時，利用公式（3）計算得到的目標物DGT 濃度要遠小於孔隙水中的溶解態濃度。這是因為擴散層變薄後，DGT 的吸收通量會大幅加快，造成DGT 裝置表面目標離子的溶解態濃度快速衰減。由於DGT 濃度與孔隙水溶解態濃度兩者之間缺乏可比性，使用超薄擴散膜時DGT 測定結果通常用擴散通量表示[公式（1）]。3 DGT 的測定3.1DGT 在旱作土壤中的測定DGT 在旱作土壤中的測定流程主要包括7 個步驟（圖 5）：（1）土壤研磨過2 mm 篩；（2）測定土壤最大田間持水量；（3）根據最大田間持水量加入去離子水，調節土壤含水率；（4）手工或者機械攪拌土壤樣品；（5）DGT 裝置與土壤樣品接觸，通常放置24 h；（6）取出DGT 裝置的固定膜，提取並測定固定膜上的目標物積累量；（7）根據DGT 方程計算目標物的含量（具體操作及測定流程參考www.easysensor.net）。根據DGT 裝置構型的不同，DGT 裝置與土壤樣品接觸的方式有兩種：一種是將土壤加去離子水濕潤後，將活塞式DGT暴露面按壓在土壤表面進行測定；另一種是將土壤濕潤後，將濕潤的土壤填充至雙模式DGT 裝置的內腔中（內腔式）進行測定。目前，DGT 測定使用的土壤含水率還沒有統一的標準。Zhang等用去離子水調節土壤的最大田間持水量至100%，並在室溫下平衡24 h後進行測量；Luo 等和Guan 等分別將幹燥土壤的最大田間持水量調節至60%和50%培養48 h 後，再將土壤含水率調節至80%和90%，平衡24 h 後進行測量。Kalkhajeh 等將土壤的最大田間持水量調節至50% 培養48 h 後，再調節至100%，平衡24 h後進行測定。值得註意的是，土壤含水率過高，可能導致土壤缺氧，影響目標離子的形態和移動性，造成DGT 測定結果與實際情況有差異。Zhang 等為使得DGT 測量結果與實際情況接近，將土壤含水率調節到最大田間持水量的70%，采用“內腔式”方式放置土壤，可使得多數土壤樣品能夠與DGT 膜心的暴露面緊密接觸，裝置在恒溫下放置48 h 後進行測定，所用時間比其他研究者縮短24 h。在加入去離子水後，傳統上使用玻璃棒來調節土壤含水率，這種方式耗費人力，同時效率低，不適用大批量樣品的處理；建議使用電動非金屬攪拌器進行混勻（參考www.easysensor.net），可以極大地節省人力，提高處理樣品的效率。3.2DGT 在沉積物/濕地土壤中的測定對沉積物、濕地土壤的測定，主要使用平板式DGT 裝置，主要流程（圖 6）包括：（1）DGT 裝置組裝、充氮去氧後，放置在0.01 mol·L-1 NaCl 溶液中；（2）將DGT 裝置手工插入或者現場投放到沉積物中，暴露面保留2~4 cm 在上覆水體中，放置一段時間（一般24h）；（3）取出DGT 裝置，清洗裝置表面，將固定膜取出後，密封保存；（4）對固定膜進行切片，測定固定膜切片上目標物的積累量；（5）根據DGT 方程計算目標物的含量或者通量（參考www.easysensor.net）。目前，有兩點原因限制瞭DGT 在現場的應用：一是DGT 裝置現場投放缺乏可靠的方法，人工潛水成本高，同時不適合大范圍的應用；二是現場識別沉積物-水界面的難度非常大，在裝置回收的過程中，水流會沖刷附著在DGT 裝置濾膜上的沉積物顆粒，使對沉積物-水界面位置的判斷十分困難。為克服這些困難，Ding 等開發瞭一種重力投放裝置，適合水深在10 m 以內的DGT 裝置的投放。同時，為解決沉積物-水界面精確識別的問題，Ding 等開發瞭一種沉積物-水界面標識裝置，通過後蓋板將海綿固定在DGT 平板裝置的背面，同時加載可以覆蓋DGT 裝置的塑料膜。將DGT 裝置插入沉積物時，沉積物顆粒將滲透進入海綿孔洞中，從而保留沉積物的深度信息；當DGT 裝置從沉積物中取出時，塑料薄膜立即覆蓋裝置的暴露面和背面，保護滲入海綿孔洞中的沉積物顆粒不被水流沖刷，從而使得沉積物-水界面位置得到保存。與土壤測定相比，對沉積物/濕地土壤DGT 測定的操作更為復雜，不僅體現在DGT 裝置的投放環節，同時在DGT 樣品的處理環節也存在很大的難度。通常使用平板型DGT 裝置的目的是為瞭獲取目標物在沉積物中的垂向分佈信息，當空間分辨率提高到毫米級時，一是對固定膜的切片要求非常高，二是將產生大量的切片樣品（當分辨率為1 mm 時，單個DGT 裝置將產生150 個樣品），且通常每個切片產生的提取溶液體積很少（數百微升），因此如何實現微量體積樣品的大批量測定，是面臨的技術難題。對於固定膜的切片，一般使用單個特氟龍塗層剃刀對固定膜垂向方向依次進行切割，必要情況下需要通過稱重標定固定膜切片的寬度。該方法處理樣品的效率低，且使用金屬剃須刀片時，容易造成鐵等金屬對固定膜樣品的污染。此外，Gao 等使用有機玻璃凝膠切割機對固定膜進行切割，切片寬度精確但費用較高。為克服上述缺陷，Ding 等開發瞭陶瓷排刀，由厚度為1.0 mm 的陶瓷刀片疊加組裝形成，通過調節相鄰陶瓷刀片的間隔，可以將切片的分辨率設在1.0~5.0 mm 之間（參考www.easysensor.net）。將固定膜整張平鋪到陶瓷排刀上，沿垂向方向依次按壓固定膜，即可將整張固定膜按照既定的分辨率快速進行切片。該方法與傳統方法相比，切片效率和準確度有瞭極大提高；由於刀片是用陶瓷材料制作而成，切片時不會產生任何金屬污染。固定膜切片後，通常需要對每個切片的目標物進行提取分析。為解決微量提取液樣品的大批量分析難題，Ding 等改進瞭微孔板分光光度法，可以一次性實現96 個或者384 個樣品的測定，測定時間僅為1min 左右，所需的樣品體積可以低至10~200 μL。該方法可以測定Fe、P，同時可以拓展硝酸根、硫化物等常規的離子。與傳統的分光光度法相比，該方法測定樣品的效率有瞭極大提高。此外，將Zr-oxide 固定膜著色與電腦密度成像計量（CID）技術結合，可以利用DGT 實現P 的二維高分辨測定。Zr-oxide 固定膜著色的原理與溶液中磷鉬藍反應原理一致，在Zr-oxide 膜表面直接生成藍色絡合物，事先將掃描獲得的灰度值與單位膜面積P的累積量建立校正曲線，利用校正曲線將Zr-oxide 固定膜表面的灰度轉換成積累量，從而實現沉積物/濕地中有效P 亞毫米分佈信息的大批量獲取。該技術已被大量應用到沉積物和濕地土壤P 的研究。3.3DGT 在水體中的測定當DGT 裝置放置在水中時，水溶液會附著在濾膜的表面形成擴散邊界層，從而影響溶質的擴散速率。一般使用不同厚度的擴散膜組裝的DGT 放置於水體中，通過公式（5）推導擴散邊界層的厚度（δ），並進一步獲得DGT 濃度：式中：M 是DGT 吸附的目標離子的總量；D 是目標離子在擴散層的擴散系數；A 是DGT 暴露窗口的面積；Δg 是擴散層的厚度；t 是DGT 的放置時間；CDGT是DGT測得的濃度。Davison 和Zhang 總結瞭不同水環境條件下擴散邊界層的厚度：在充分攪拌的溶液中約為0.2 mm，在快速流動的水體中約為0.26 mm；在緩流水體中厚度會增加，例如在湖泊中約為0.31 mm，在停滯的池塘中約為0.39 mm。Huang 等最近發現，在一些池塘和濕地水體中，擴散邊界層的厚度甚至與標準DGT擴散層的厚度（0.9 mm）相當。然而，許多研究忽視瞭擴散邊界層的存在，導致使用DGT 對水體目標物濃度的測定存在較大的不確定性。另外，DGT 裝置在水體中的放置時間一般要一周以上，當時間過長時，DGT 濾膜表面將著生生物膜，影響目標物向DGT 裝置內部的擴散。Feng 等發現磷酸根的擴散系數隨著生物膜厚度的增加而降低。有研究者采用瞭一些措施用於消除生物膜的影響，如校正擴散系數、使用聚碳酸酯膜、對濾膜進行預處理等，其實際效果需要做進一步驗證。4 展 望與傳統的測定技術相比，DGT 技術能夠在原位（原狀）條件下較為真實地反映環境介質中目標物的可移動性和生物可利用性，從而能夠更加準確地反映環境介質的營養或污染水平。DGT 的富集過程可以在一定程度上模擬目標物在環境中的固-液交換動力學與土壤-根系動力學吸收過程，分析結果更加科學可靠，而這一特點正是傳統有效態測定方法所欠缺的。DGT 測定流程較為簡單，操作環境要求低，具備較強的推廣性，未來有替代傳統分析方法的潛力。從技術發展層面，以下幾個方面將可能成為主要發展方向：（1）研發新型固定相，將DGT技術的測定功能拓展到更多類型的目標物，始終是DGT 技術發展的主要方向。目前，部分研究者的興趣已經從無機轉移到有機化合物。（2）近年來，復合固定相的發展使得對環境中多種元素耦合關系的研究成為可能。因此，使用復合固定相同步測定多種類型的目標物仍然是DGT 發展的主要方向。與單一固定相相比，新型復合固定相的發展需要克服不同固定劑之間的幹擾，同時分析流程應盡可能簡化。（3）結合分子印跡等技術，針對某一目標物發展高選擇性的DGT 測定技術。在該領域，重點是要研發有高選擇性的固定相，將該類型DGT 與普適性DGT 結合，可以實現某一目標物形態和價態的區分。（4）DGT 具有空間高分辨分析的功能，一般采用SPR-IDA 固定相和LA ICP-MS 分析得到，但高成本制約瞭其應用。CID 技術的發展極大地促進瞭DGT對磷、硫的測定應用，未來需要發展更多低成本、可替代的技術，包括固定相和高分辨分析技術。另外，DGT 高分辨分析需要采用超薄擴散層，其測定值（通量）不能反映目標物在環境介質中的實際含量，需要拓展其測定結果的物理意義。（編輯：Wendy）

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