一种原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法与流程

本发明属于土壤微量元素监测领域，涉及一种以薄膜梯度扩散技术(dgt，diffusivegradientsinthinfilms)原理为基础，配合简单的前处理方式，实现土壤微量元素原位监测的技术，尤其是一种原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法。

背景技术：

土-水界面是在稻田等淹水土壤环境中常见的环境界面。由于土壤中氧化还原物质的存在，往往存在着剧烈的氧化还原梯度，从而影响着土壤微量元素在垂向的运移分布。常规化学提取手段如一步化学提取法如0.01m氯化钙、柠檬酸、0.01m硝酸镁、5mmdtpa、3mmedta等，多步化学提取法如bcr提取和五步提取法等难以指征土壤微量元素在界面内部的微观变化，以及阐明活性变化的机理。目前，基于itrax设备的精密检测仪器可对土壤微量元素的迁移运移等开展一定的研究，但价格昂贵，成本过高。并且过程中都是破坏性采样方法，对土壤扰动大。

近年来，以薄膜梯度扩散原理为基础的dgt技术(diffusivegradientsinthinfilms)在土壤、水、沉积物中重金属活性态监测中得到广泛的应用。dgt装置由一个明确定义的扩散相凝胶(扩散膜和滤膜)和一个具有强络合能力的结合相凝胶组成。根据fick’s扩散定律，当dgt装置在环境介质中时，待测分析物穿过滤膜和扩散膜凝胶，被结合相俘获，从而在扩散层形成稳定的线性浓度梯度。dgt技术中结合相材料可在复杂的自然环境中络合ca、fe、cu、zn、pb、cd、ni等30多种元素，可充分满足对土壤微量元素同步监测的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于梯度扩散薄膜(dgt)技术原位跟踪监测淹水土壤中微量元素变化的方法，利用扩散膜和结合膜对土壤中的微量元素进行检测，并对不同土壤类型分别进行标定，可充分满足对土壤微量元素同步监测的要求的原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法。

一种原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法，方法步骤如下：

(1)自密封袋中取出监测装置，用超纯水冲洗装置表面的残余溶液，手持装置手柄，将设备垂直插入待测样中，待测土壤湿度应达到100％含水量或淹水环境，对于无根系试验土壤可直接插入装置，若试验环境为根系区间或原生土壤环境，在使用前应先用装置预留出孔隙，在孔隙中再插入装置；

(2)24小时后取出监测装置，手持手柄处沿装置垂直方向适当前后移动，待土壤疏松后垂直抽取装置，用去离子水冲洗装置表面土壤，冲洗时应使用倾斜水流以避免监测装置的窗口表面进入装置内，再用吸水纸擦干表面多余水分；

(3)用陶瓷刀片沿装置窗口边框切割，用碳素纤维镊子移去表面的扩散膜后于-18℃条件下冷冻5min，至结合膜表面水分凝结后取出，用陶瓷刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜放置于10ml塑料试管中；

(4)洗脱监测装置的结合膜：加入8mlph为2的hno3洗脱20min，用斡旋仪混匀洗脱液后倒出洗脱液于aa/afs/icp-ms测定，当装置在有效态浓度较低或添加高效土壤调理剂的土壤中应用时，若洗脱液中待测元素检测量低于仪器检出限时，可调整装置提取时间至2天。

而且，所述原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法中使用的监测装置，包括外套和内部核心组件，外套由支撑板和封胶盖片组成，内部核心组件由保护膜、扩散膜和结合膜组成，所述的封胶盖片覆盖在支撑板上，在封胶盖片上开设有窗口，所述的保护膜、扩散膜及结合膜封装在支撑板和封胶盖板中，由内向外依次封装有结合膜、扩散膜及保护膜，保护膜暴露在窗口外。

而且，所述支撑板为环氧树脂玻璃纤维板，即fr-4，或亚克力中的一种硬质透光材料制成。

而且，所述封胶盖片为回字透光硬质环氧树脂玻璃纤维板或亚克力板。

而且，所述保护膜为孔径为0.45μm硝酸纤维素膜、亲水pvdf膜、聚砜膜或排阻分子量＜7000的透析膜中的一种。

而且，所述扩散膜为琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶膜。

而且，所述结合膜材料的选择由待测元素决定。

而且，当目标元素为fe²⁺、cd²⁺、cu²⁺、ni²⁺、co²⁺和zn²⁺阳离子时，结合相材料为dtpa修饰mg-al-ldh；若目标元素为s^2-、po4^3-、seo4^2-或seo3^2-阴离子，结合相材料为mg-al-ldh；若共同提取fe²⁺、cd²⁺、cu²⁺、ni²⁺、zn²⁺、co²⁺、s^2-、po4^3-多元素时，结合相材料为质量比为1：1的mg-al-ldh和dtpa修饰mg-al-ldh混合材料。

而且，支撑板外边框尺寸为20×13cm，底板厚度为2mm，距底边1.5cm处有抠嵌长15cm宽10cm的内嵌凹槽，凹槽深度为1.53mm用于铺垫扩散膜与结合膜，凹槽5mm外另开2mm深度为0.5mm的封胶槽，用于填充胶水与封胶盖片粘连，所述封胶盖片的厚度为1mm，其外尺寸为18cm×13cm，内尺寸为14cm×9cm。

而且，原位监测土壤微量元素二维平面运移的监测装置，制作方法如下：首先在在凹槽内平铺一层保护膜，喷洒超纯水完全润湿保护膜，在保护膜上依次在平铺结合膜和扩散膜，尺寸15×10cm，在最外层再铺上一层硝酸纤维素膜保护膜，尺寸16×11cm，覆盖凹槽四周的廊道，以防止渗土、渗水，在封胶沟槽中注满可固化无影胶，将设置有窗口封胶盖片对齐左右以及底部边框，盖上封胶盖片后，用紫外灯照射30秒以上，保证无影胶固化，将上述装置放入密封袋中，加入5-8ml0.1mol/l的硝酸钠溶液以保持dgt离子强度。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明装置由一个明确定义的扩散相凝胶(扩散膜和滤膜)和一个具有强络合能力的结合相凝胶组成，根据fick’s扩散定律，当dgt装置在环境介质中时，待测分析物穿过滤膜和扩散膜凝胶，被结合相俘获，从而在扩散层形成稳定的线性浓度梯度，dgt技术中结合相材料可在复杂的自然环境中络合ca、fe、cu、zn、pb、cd、ni等30多种元素，可充分满足对土壤微量元素同步监测的要求。

2、本发明无需传统常规化学提取手段如一步化学提取法如0.01m氯化钙、柠檬酸、0.01m硝酸镁、5mmdtpa、3mmedta等，或多步化学提取法如bcr提取和五步提取法，难以指征土壤微量元素在界面内部的微观变化，以及阐明活性变化的机理，费时费力且价格昂贵，外套和内部核心组件，有效保护内层膜结构；保护膜为孔径为0.45μm硝酸纤维素膜、亲水pvdf膜、聚砜膜或排阻分子量＜7000的透析膜中的一种，可以防止杂质进入扩散膜，对测量结果造成影响；扩散膜为琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶膜，可以促进金属离子的移动，且黏连性效果好；结合膜材料可选择性强，经过多次试验，获得装置尺寸，高效解决土壤微量元素原位监测。

3、本发明提供了一种原位监测土壤微量元素二维平面运移装置的使用方法，检测完成后用陶瓷刀片沿窗口边框切割，用碳素纤维镊子移去表面的扩散膜后于-18℃条件下冷冻5min，至结合膜表面水分凝结后取出，用陶瓷刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜放置于10ml塑料试管中，对结合膜进行洗脱，并利用公式进行高效快速的测定，突破了传统测量计的方法的缺点，检测准确快速，多位点定位，时间短，造价低。

4、本发明提供一种原位监测土壤微量元素二维平面运移的装置及使用方法，基于梯度扩散薄膜(dgt)技术原位跟踪监测淹水土壤中微量元素变化的方法，利用扩散膜和结合膜对土壤中的微量元素进行检测，并对不同土壤类型分别进行标定，规范了检测方法，并进行了大量的试验操作，实现了自然条件下原位测定土壤中的微量元素，对于反映自然条件下土壤的氧化还原状况具有特殊的科学意，克服了现有技术中原位检测设备价格昂贵，且携带不方便，对于一般性实验室可能难以普及使用的技术问题，结构简单、使用方便，有效对土壤微量元素变化进行评估。

附图说明

图1为本发明装置主视图；

图2为图1的侧视图(局部剖)；

图3为本发明具体实施例中土壤中各元素在二维平面上的运移变化实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法，方法步骤如下：

(5)自密封袋中取出监测装置，用超纯水冲洗装置表面的残余溶液，手持装置手柄，将设备垂直插入待测样中，待测土壤湿度应达到100％含水量或淹水环境，对于无根系试验土壤可直接插入装置，若试验环境为根系区间或原生土壤环境，在使用前应先用装置预留出孔隙，在孔隙中再插入装置；

(6)24小时后取出监测装置，为方便装置取出、减少对土壤环境的破坏，可手持手柄处沿装置垂直方向适当前后移动，待土壤疏松后垂直抽取装置，用去离子水冲洗装置表面土壤，冲洗时应使用倾斜水流以避免监测装置的窗口表面进入装置内，再用吸水纸擦干表面多余水分；

(7)用陶瓷刀片沿装置窗口边框切割，用碳素纤维镊子移去表面的扩散膜后于-18℃条件下冷冻5min，至结合膜表面水分凝结后取出，用陶瓷刀片按所需尺寸切割，切割后的结合膜放置于10ml塑料试管中；

(8)洗脱监测装置的结合膜：加入8mlph为2的hno3洗脱20min，用斡旋仪混匀洗脱液后倒出洗脱液于aa/afs/icp-ms测定，当装置在有效态浓度较低或添加高效土壤调理剂的土壤中应用时，若洗脱液中待测元素检测量低于仪器检出限时，可调整装置提取时间至2天。

上述原位监测土壤微量元素二维平面运移的方法中使用的监测装置，如图1、图2所示，包括外套和内部核心组件，外套由支撑板1和封胶盖片2组成，内部核心组件由保护膜4、扩散膜6和结合膜5组成，所述的封胶盖片覆盖在支撑板上，支撑板为环氧树脂玻璃纤维板，即fr-4，或亚克力中的一种硬质透光材料制成，所述封胶盖片为回字透光硬质环氧树脂玻璃纤维板或亚克力板，在封胶盖片上开设有窗口3，所述的保护膜、扩散膜及结合膜封装在支撑板和封胶盖板中，由内向外依次封装有结合膜、扩散膜及保护膜，保护膜暴露在窗口外。

保护膜为孔径为0.45μm硝酸纤维素膜、亲水pvdf膜、聚砜膜或排阻分子量＜7000的透析膜中的一种，扩散膜为琼脂糖凝胶或聚丙烯酰胺凝胶膜，结合膜材料的选择由待测元素决定：当目标元素为fe²⁺、cd²⁺、cu²⁺、ni²⁺、co²⁺和zn²⁺阳离子时，结合相材料为dtpa修饰mg-al-ldh；若目标元素为s^2-、po4^3-、seo4^2-或seo3^2-阴离子，结合相材料为mg-al-ldh；若共同提取fe²⁺、cd²⁺、cu²⁺、ni²⁺、zn²⁺、co²⁺、s^2-、po4^3-多元素时，结合相材料为质量比为1：1的mg-al-ldh和dtpa修饰mg-al-ldh混合材料。

支撑板外边框尺寸为20×13cm，底板厚度为2mm，距底边1.5cm处有抠嵌长15cm宽10cm的内嵌凹槽，凹槽深度为1.53mm用于铺垫扩散膜与结合膜，凹槽5mm外另开2mm深度为0.5mm的封胶槽，用于填充胶水与封胶盖片粘连，所述封胶盖片的厚度为1mm，其外尺寸为18cm×13cm，内尺寸为14cm×9cm。

上述原位监测土壤微量元素二维平面运移的监测装置，制作方法如下：首先在在凹槽内平铺一层保护膜，喷洒超纯水完全润湿保护膜，在保护膜上依次在平铺结合膜和扩散膜，尺寸15×10cm，在最外层再铺上一层硝酸纤维素膜保护膜，尺寸16×11cm，覆盖凹槽四周的廊道，以防止渗土、渗水，在封胶沟槽中注满可固化无影胶，将设置有窗口封胶盖片对齐左右以及底部边框，盖上封胶盖片后，用紫外灯照射30秒以上，保证无影胶固化，将上述装置放入密封袋中，加入5-8ml0.1mol/l的硝酸钠溶液以保持dgt离子强度。

具体实施例

本研究供试土样采自四川省绵竹市的水稻土，土壤统一取自耕作层(0-20cm)，土壤自然风干后取7kg研磨过2mm筛，贮存备用。放置于带有宽度为3公分根系格栅的根系箱中，根系箱尺寸为20×20cm。淹水并维持液面水深约2cm，待土壤稳定15天后种植水稻。分别在幼苗期、分蘖期、扬花期和灌浆期用平板设备提取根系及非根系土壤的s、ca、fe、mn、cu、zn、cd等土壤元素。装置操作方法及过程如上所述，根据洗脱液的监测值来反应二维平面的变化，结果如图3所示。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。