专利名称：沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对湖泊富营养化水体中磷污染的评价分析，特别是一种沉积物间隙水中磷 的高精度原位采集和分析方法及其装置。
技术背景在淡水系统中，磷是构成初级生产力和食物链最重要的生源要素，同时是湖泊富营养 化的限制性因子，沉积物磷污染被认为是造成水体富营养化的主要内因。间隙水中磷的分 布是指示沉积物磷污染特征的敏感指标，通过间隙水磷的垂向分布，可以计算得到磷在沉 积物与上覆水体之间的交换通量，为评价沉积物磷污染水平提供依据。对间隙水磷信息的获取关键在于沉积物间隙水的获得。对间隙水磷分布信息的获取一 般需要两步完成1)获取间隙水；2)分析磷含量。获取间隙水有破坏性与原位采集两种 方法，前者通过破坏沉积物原有的结构获取间隙水，如将沉积物分层切取，通过将每层沉 积物样品离心或压榨的方法获得间隙水。该方法在应用时技术要求低，但结构破坏后沉积 物性质容易发生变化，导致数据有一定的不确定性；原位采集方法是不破坏沉积物结构直 接在原位采集间隙水的方法。该方法避免了采集间隙水时沉积物性质的变化，获得的数据 更为可靠，目前在技术上有两种类型1) 平衡式间隙水采样技术(Pe印er技术)该技术是1976年Hesslein基于渗透平衡 原理发明的，将两个离子浓度不等的溶液通过渗透膜接触时，离子会从浓度高的溶液扩散 到低的溶液，最终达到平衡，此时两者的离子浓度相同。根据该技术研制的装置由数量不 等的小室并排组成，小室由塑料或有机玻璃制成，相邻小室之间有间隔。将去离子水填满 小室后，用孔径为0.45)am的渗透膜封口，垂直插入沉积物中，间隙水中的离子通过自由 扩散与小室内的溶液达到平衡后，取出装置，去掉渗透膜，通过分析小室内溶液中的离子 含量，可获得间隙水的离子信息。Pe印er在沉积物中的平衡时间需要20天以上，获得的 离子信息其垂直分辨率达到厘米级。2) 薄膜扩散平衡技术(DET技术)由Davison发明，其基本原理与Pe印er技术类似， 但小室内的水被含水率极高(〉98%)的凝胶薄膜代替，间隙水中的磷可自由扩散到凝胶 中，达到平衡后，取出凝胶薄膜，切片分层，将凝胶切片中的离子提取出来后，分析离子 含量，获得间隙水中离子的垂向分布信息。与Pe印er技术相比，DET技术具有两个非常 显著的优势。首先，装置在沉积物中的平衡时间大大縮短。对于常用的0.8mm厚度凝胶， 平衡时间一般不超过24h;其次，如配套采用高精度的分析方法，DET技术获得的离子信 息的垂直分辨率可提高到毫米级。DET技术的应用难点在于如何将扩散进入凝胶薄膜中的离子提取出来用于分析。对于常规的低价(一价或二价)阴离子cr、 S042—、 N03—等，采用去离子水作为提取剂可完全将其提取出来，但是该提取剂对高价的PO广的提取率不足90%， 因此在分析间隙水磷时，DET技术的应用受到限制。磷含量的分析一般采用钼蓝比色法或孔雀绿比色法，比色分析时使用分光广度计。该 仪器一次性只能分析5个左右的样品，所需要的溶液体积在2ml以上。通过Pe印er技术 采集得到的溶液体积可足够用于磷含量的分析。DET技术得到的溶液体积一般在50(VL以下，不能通过分光光度计进行分析。 发明内容本发明专利的目的是提供一种沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法及其装 置，基于扩散平衡原理对沉积物间隙水磷进行原位快速采集，通过分析薄膜中磷的含量， 高分辨率获取间隙水磷的垂向分布信息，通过间隙水磷的垂向分布，计算得到磷在沉积物与上覆水体之间的交换通量，然后用仪器进行测定。本发明的上述目的通过如下技术方案实现沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分 析方法，基于扩散平衡原理对沉积物间隙水磷进行原位快速萃取，通过分析薄膜中磷的分 布，获取间隙水磷的垂向分布信息，通过间隙水磷的垂向分布，计算得到磷在沉积物与上 覆水体之间的交换通量，然后用仪器进行测定，包括采集沉积物、将薄膜组件插入沉积物 收集间隙水、取出薄膜切片分层然后提取磷并测定磷含量的过程，其特征是以琼脂粉为 原材料，经加热溶解、冷却成型、浸泡后，制成高含水率的薄膜，薄膜萃取溶液磷后，使 用硝酸作为薄膜磷的提取剂，最后采用孔雀绿比色法，使用酶标仪分析硝酸提取液中的磷。具体步骤如下1) 沉积物的采集采用柱状采样器采集沉积物，薄膜装置的宽度和长度分别为4cm 和20cm，为使装置能自由插入到沉积物，收集的柱状沉积物直径应在7cm以上，沉积物 深度在20cm以上。为避免沉积物采集上来后性质发生变化，采集时沉积物界面以上应保 留10cm左右的上覆水。柱状沉积物应及时运回实验室，避免时间过长发生变化。2) 间隙水的收集将组装好的薄膜装置垂直插入柱状沉积物，插入速度应比较缓慢， 避免沉积物剖面受到破坏。装置插入沉积物的深度根据需要研究的沉积物深度确定， 一般 在12cm以上，同时应至少保留装置顶部2-3cm与上覆水体接触。装置放置12h，使得间隙水与凝胶薄膜的交换达到平衡。3) 取膜12h后取出装置，根据滤膜上有泥和无泥分界线判定水土界面的位置，作为 衡量间隙水深度的基准。用刀片沿插板两侧将滤膜划开，小心揭开滤膜，将薄膜转移至干 净玻璃板。取膜时注意避免薄膜受到污染。4) 切膜沿水土界面将薄膜分成两部分，依次切成约3cm宽的长条，再将各长条切成 约3mm的片段。切膜时应依次进行，切忌弄错片段位置。操作步骤3)和4)应在5分钟 内完成，避免时间过长造成磷在薄膜的侧向扩散。5) 用镊子依次将各薄膜片段按顺序转移到离心管U.5ml)中，离心管事先己编号和 称重，加入片段后，离心管再次称重，计算前后重量差值，得到各片段的重量，按照l : 5(质量体积比)的比例加入0.25M的HN03， 10000rpm离心IO分钟，放置24h，重新离心 一次，依次取200^1离心液至96孔酶标板。6) 磷测定向酶标板样品孔加入20)al孔雀绿显色剂，25C显色30分钟后利用酶标 仪在620nm处测定吸光度。事先配制一定浓度梯度的磷标液，按以上操作绘制磷标准曲线， 根据标准曲线和样品吸光度计算样品浓度。根据样品浓度和稀释倍数计算每一片段代表的 间隙水磷浓度，计算公式C = Csx(『s + R)/rsC为间隙水磷浓度，单位mg/L G为样品浓度，单位mg/L 《为膜片段重量，单位g K为加酸体积，单位ml7) 膜片段深度确定首先根据以下公式计算得到每一膜片段的宽度，s 『厶为膜片段宽度，单位cm 伊力膜的总重量，单位g A为膜的总长度，单位cm以水土界面为基准，根据膜片段宽度和每一片段的位置，计算得到每一膜片段所代表 的沉积物剖面垂向深度& = § + ^(水土界面以上)Hn=—H^u)-^1 (水土界面以下)"为水土界面以上第m个片段代表的上覆水深度，单位为cm "为水土界面以下第n个片段代表的间隙水深度，单位为cm 厶(i)为水土界面以上第i个片段的宽度，单位为cm为水土界面以下第j个片段的宽度，单位为cm 厶w为水土界面以上第m个片段的宽度，单位为cm 厶w为水土界面以下第n个片段的宽度，单位为cm8) 间隙水磷分布将水土界面以下每一膜片段代表的沉积物剖面深度和浓度数据一 一对应，得到沉积物间隙水磷的垂向分布数据。通过Excel等软件作图，可直观看出间隙 水磷的垂向分布特征。上述沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法所使用的装置，包括沉积物柱状 釆样器及其薄膜组件，其特征是薄膜组件为平板型，包括凝胶薄膜、塑料插板、滤膜及胶 带，塑料插板上部有手柄，底部呈V形，组装时，将薄膜切成长条平铺于塑料插板上，边 沿留空隙，将滤膜覆盖于薄膜上，通过胶带将滤膜固定于插板上，保持插板正面滤膜的平 整，上下再用胶带封口。凝胶薄膜的配制取适量去离子水至100ml烧杯，按1.5%加入琼脂粉，用铝纸将烧杯 封口，烧杯放到可调式电炉上加热。控制烧杯温度在9(TC左右，避免溶液沸腾。待琼脂粉完全溶解后，趁热用注射器吸取，注入由两块玻璃(尺寸22cmX18cm)叠加形成的夹 层中，玻璃夹层间的距离由厚度为0.5mm的塑料垫片控制。注入完成后，玻璃板冷却至室 温，取下塑料垫片，将玻璃板浸入去离子水中，放置l 2d，将薄膜与玻璃板剥离，薄膜 浸入去离子水中继续浸泡24小时，每隔8小时换水一次，最后将薄膜换入0. 1M的NaN03 溶液中浸泡备用。薄膜组装薄膜组件由薄膜、塑料插板、滤膜、胶带组成。塑料插板尺寸为20cm (长) X4cm (宽)X0.5cm(厚)，上部有长为5cm的手柄，底部呈V形，以便插入沉积物时避 免水土界面破坏。滤膜孔径为0. 45pm，具有生物惰性。组装时，将薄膜切成18cm (长) X3.5cm (宽)尺寸，平铺于插板上，边沿保留相同空隙，将滤膜覆盖于薄膜上，通过胶 带将滤膜固定于插板背面，保持插板正面滤膜的平整，上下再用胶带封口。磷分析试剂的配制提取剂使用0.25M HN03溶液。磷含量的分析采用孔雀绿比色法， 所需试剂配制方法如下(l)钼酸铵(分析纯)溶液溶解176. 5g钼酸铵((肌)勘7024 4H20)于1000ml去离子水中；(2)浓硫酸(分析纯)；(3)孔雀绿(分析纯)溶液加热溶解1. 12g孔雀绿于适量水中，并稀释至100ml; (4)显色剂在40ml钼酸铵溶液中依次加入12ml 浓硫酸及36ml孔雀绿溶液，混匀，静置30min后，0.45pm滤膜过滤。本发明的优点及有益效果本发明借鉴了DET技术的原理，但对其进行了改进，并简 化了装置和操作步骤，使之能够方便地用于间隙水磷的分析。本技术的特点主要为(l)仅使用常规的琼脂粉作为制作凝胶薄膜的原材料。在DET技术中，制作薄膜需要 丙烯酰胺作为单体外，同时需要专用的交联剂和催化剂，制作成本高；(2)制膜过程更为 简单，仅需要将琼脂粉加热溶解、冷却成型、浸泡三个步骤。在DET技术中，还需要添加 交联剂和催化剂进行催化聚合；(3)薄膜厚度为0.5mm，含水率高达99%，离子扩散达到 平衡的时间可縮短至12h。 DET技术中薄膜的厚度一般为0.8mm，含水率为96%，离子扩散 达到平衡的时间一般为24h，获取间隙水需要的时间更长；(4)采样装置更为简单。仅需 要一块长方形塑料板作为支撑，用胶带将薄膜固定上即可。由于装置表面平整，避免了在 插入沉积物时对沉积物剖面的破坏。在应用DET技术时，需要购置专用的DET装置。该装 置为凹型，外沿部分比中间置膜部分厚，导致插入沉积物时对沉积物剖面有破坏；(5)使 用硝酸提取扩散进入凝胶薄膜中的磷，凝胶中的磷可被完全提取出来。在DET技术中，使 用去离子水提取薄膜中的阴离子，但提取剂对磷的提取率不足90%; (6)采用孔雀绿比色 法分析磷含量，使用酶标仪进行比色分析，与分光广度计相比，酶标仪的使用可使得方法 检测限提高一个数量级，分析需要的溶液体积可降低至200ial，同时可在l分钟内一次性 完成96个样品的分析，大大加快分析速度；
图l是太湖梅梁湾污染湖区沉积物间隙水磷含量分布图； 图2是太湖湖心非污染湖区沉积物间隙水磷含量分布图。
具体实施方式
实施例分别取太湖梅梁湾污染湖区和湖心非污染湖区柱状沉积物，作为高浓度和低浓 度间隙水磷的测试样品。按本发明方法得到两者的间隙水磷含量分布。同时将沉积物按lcm切层，4000rmp离心得到间隙水，分析间隙水中的磷含量。从图1、 2中可看出，污染 沉积物剖面中磷浓度出现明显的梯度变化，沿剖面向下出现浓度逐渐增高的趋势。未污染沉积物剖面中磷浓度比污染沉积物显著要低，且在表层2cm处出现峰值。无论是污染还是 未污染沉积物剖面，通过薄膜扩散技术得到的磷分布与传统的离心法比较均比较吻合，发 现二者的磷含量分布基本一致，说明使用本方法达到了预期效果。通过间隙水磷的垂向分 布，计算可进一步得到磷在沉积物与上覆水体之间的交换通量。
总体而言，与现有技术相比，本方法所需要的成本低，操作要求不高，但得到的间隙 水磷信息的垂直分辨率可提高到mm级，比现有方法提高一个数量级，由于使用酶标仪作为 比色分析的仪器，在样品分析数量很大的情况下，分析样品需要的时间与现有方法相比并 没有延长。
权利要求
1、沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法，基于扩散平衡原理对沉积物间隙水磷进行原位快速萃取，通过分析薄膜中磷的分布，获取间隙水磷的垂向分布信息，包括采集沉积物、将薄膜组件插入沉积物收集间隙水、取出薄膜和切片分层，然后提取磷并用仪器测定磷含量的过程，其特征是以琼脂粉为原材料，制成高含水率的薄膜，薄膜萃取间隙水磷后，使用硝酸作为薄膜磷的提取剂，最后采用孔雀绿比色法，使用酶标仪分析硝酸提取液中的磷。
2、 根据权利要求1所述沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法，其特征是具 体步骤如下1) 沉积物的采集采用柱状采样器采集沉积物，收集的柱状沉积物直径及沉积物深 度应大于薄膜组件的相应尺寸，采集时沉积物界面以上应保留上覆水，柱状沉积物应及时 运回实验室；2) 间隙水的收集将薄膜组件垂直插入柱状沉积物，插入沉积物的深度根据需要研 究的沉积物深度确定，同时应至少保留薄膜组件顶部与上覆水体接触，放置》12h，使得 间隙水与凝胶薄膜的交换达到平衡；3) 取膜12h后取出薄膜，根据滤膜上有泥和无泥分界线判定水土界面的位置，作 为衡量间隙水深度的基准，揭开滤膜，将薄膜转移至干净玻璃板；4) 切膜沿水土界面将薄膜分成两部分，依次切成长条，再将各长条切成片段，操 作步骤3)和4)应在5分钟内完成，避免时间过长造成磷在薄膜的侧向扩散；5) 磷提取将各薄膜片段按顺序转移到离心管中，离心管事先编号和称重，加入片 段后，离心管再次称重，计算前后重量差值，得到各片段的重量，按照1:5质量体积比 的比例加入HN(k离心，放置12 24h，重新离心一次，依次取离心液至酶标板；6) 磷测定向酶标板样品孔加入孔雀绿显色剂，显色后利用酶标仪测定吸光度，事先配制一定浓度梯度的磷标液，按以上操作绘制磷标准曲线，根据标准曲线和样品吸光度 计算样品浓度，根据样品浓度和稀释倍数计算每一片段代表的间隙水磷浓度，计算公式C为间隙水磷浓度，单位mg/L G为样品浓度，单位mg/L 《为膜片段重量，单位g K为加酸体积，单位ml7) 膜片段深度确定首先根据以下公式计算得到每一膜片段的宽度，<formula>formula see original document page 2</formula>Ls为膜片段宽度，单位cmV^^膜的总重量，单位gA为膜的总长度，单位cm以水土界面为基准，根据膜片段宽度和每一片段的位置，计算得到每一膜片段所代表 的沉积物剖面垂向深度^n-^A(,)+^1 为水土界面以上l!^(j)-^为水土界面以下^为水土界面以上第m个片段代表的上覆水深度，单位为cm "为水土界面以下第n个片段代表的间隙水深度，单位为cm 厶",为水土界面以上第i个片段的宽度，单位为cm为水土界面以下第j个片段的宽度，单位为cm 厶w为水土界面以上第m个片段的宽度，单位为cm "w为水土界面以下第n个片段的宽度，单位为cm8)间隙水磷分布将水土界面以下每一膜片段代表的沉积物剖面深度和浓度数据一 一对应，得到沉积物间隙水磷的垂向分布数据，通过包括Excel软件作图，可直观看出间 隙水磷的垂向分布特征。
3、沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法所使用的装置，包括沉积物柱状 采样器及其薄膜组件，其特征是薄膜组件为平板型，包括凝胶薄膜、塑料插板、滤膜及胶 带，塑料插板上部有手柄，底部呈V形，组装时，将薄膜切成长条平铺于塑料插板上，边 沿留空隙，将滤膜覆盖于薄膜上，通过胶带将滤膜固定于插板上，保持插板正面滤膜的平 整，上下再用胶带封口。
全文摘要
沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法，基于扩散平衡原理对沉积物间隙水磷进行原位快速萃取，通过分析薄膜中磷的分布，获取间隙水磷的垂向分布信息，通过间隙水磷的垂向分布，计算得到磷在沉积物与上覆水体之间的交换通量，然后用仪器进行测定，包括采集沉积物、将薄膜组件插入沉积物收集间隙水、取出薄膜切片分层然后提取磷并测定磷含量的过程，其特征是以琼脂粉为原材料，制成高含水率的薄膜，使用硝酸作为薄膜磷的提取剂，最后采用孔雀绿比色法，使用酶标仪分析硝酸提取液中的磷。上述沉积物间隙水中磷的高精度原位采集和分析方法所使用的装置，包括沉积物柱状采样器及其薄膜组件，薄膜组件为平板型，上部有手柄，底部呈V形。
文档编号G01N21/77GK101303276SQ200810122908
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者丁士明, 丹 时, 范成新 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所