Difúzní přechody v tenkých vrstvách - Diffusive gradients in thin films

Technika difuzních přechodů v tenkých vrstvách (DGT) je chemie životního prostředí technika detekce elementy a sloučeniny ve vodném prostředí, počítaje v to přírodní vody,[1] sedimenty[2] a půdy.[3] Je to velmi vhodné in situ detekce biologicky dostupné toxický stopový kov kontaminanty.[4][5][6] Tato technika zahrnuje použití speciálně navrženého pasivní vzorkovač která obsahuje vazbu gel, difuzní gel a membránový filtr. Prvek nebo sloučenina prochází membránovým filtrem a difuzním gelem a je asimilován vazebným gelem způsobem řízeným rychlostí. Analýzu vazebného gelu po nasazení lze použít ke stanovení časově váženého průměru hromadného řešení koncentrace prvku nebo sloučeniny pomocí jednoduché rovnice.

Podle teorie DGT má koncentrace analytu [C] sklon k 0 (µg / L, ng / L atd.), Když se analyt blíží k vazebné vrstvě a prochází difuzní mezní vrstvou (DBL, ẟ) a difuzní gel zařízení DGT (tloušťka Δg). Předpokládá se, že nedojde k zpětné difúzi analytu zpět do roztoku.

Dějiny

Techniku ​​DGT vyvinuli v roce 1994 Hao Zhang a William Davison v Centrum životního prostředí Lancaster z Lancaster University v Spojené království. Tato technika byla poprvé použita k detekci kov kationty v námořní prostředí pomocí Chelex 100 jako pojivo. Další charakterizace DGT, včetně výsledků nasazení v terénu v EU Menaijský průliv a sever Atlantický oceán, byla zveřejněna v roce 1995.[7] Tato technika byla poprvé testována na půdách v roce 1998, přičemž výsledky prokázaly, že kinetiku disociace labilních druhů v porewater (půdní roztok) lze určit pomocí DGT.[8] Od té doby byla technika DGT upravena a rozšířena tak, aby zahrnovala významný počet prvků a sloučenin, včetně kationtových kovů,[7] fosfát a další oxyanionty (PROTI, CrVI, Tak jako, Se, Mo, Sb, Ž ),[2][9][10][11][12][13] antibiotika,[14] bisfenoly,[15] a nanočástice,[16] a byl dokonce upraven pro geochemický průzkum zlato.[17] V roce 2010 vyvinul EasySensor DGT prof. Shiming Ding a spolupracovníky. Vzhledem k jejich vysoké kapacitě, širokému rozsahu tolerance. dlouhé doby skladování a jednoduchá obsluha, produkty EasySensor DGT mohou být široce používány na komplexním prostředí s vysokým znečištěním, vysokou výživou a vysokým pH, které splňuje požadavky na monitorování většiny půd, vodních útvarů a sedimentů. (www.global-easysensor.com)

Zařízení DGT

Fotografie demontovaného zařízení DGT s pístem a víčkem. Zařízení na tomto obrázku je vybaveno aktivní uhlí pro asimilaci zlata a / nebo bisfenoly.

Zařízení DGT je vyrobeno z plastu a obsahuje píst a těsně přiléhající kruhový uzávěr s otvorem (okno DGT). Na píst se naskládá vazebný gel, difuzní gel a filtrační membrána a na sestavu se nasadí víčko. Rozměry zařízení obvykle zajišťují, aby byly dva gely a filtrační membrána po nasazení víčka dobře utěsněny.[4]:4.2.3 Rozměry vrstev se liší v závislosti na vlastnostech prostředí, jako je průtok vody ze vzorku;[4]:4.2.1 příkladem je přibližně 2 cm průměr zařízení obsahující 1 mm gelovou vrstvu.[18] Liší se od DGTresearch. zařízení EasySensor DGT využívá dvě nové konfigurace držáků, dvojitý režim a ploché typy. (link: chrome-extension: // ibllepbpahcoppkjjllbabhnigcbffpi / https: //hal.archives-ouvertes.fr/hal-02142638/document).

Typ dutiny je nový model pro detekci suché půdy vyvinutý Ding et al., (2016). Půda byla vložena do dutiny, dokud nebyla naplněna a vyrovnána. Před objevením typu dutiny se typ pístu běžně používal lisováním DGT na povrch vrstvy půdy. Tato metoda by mohla snadno způsobit změnu hustoty půdy a ovlivnit volnou difúzi cílových iontů do zařízení DGT, což by vedlo k chybě analýzy. Když je půda umístěna pomocí režimu dutiny, spoléhá se na gravitaci, aby se dotkla exponovaného povrchu zařízení DGT, čímž se vyhne chybám způsobeným ručním lisováním.

Principy činnosti

Rozvinutí

Zařízení DGT, která se nasazují do podzemní voda v Poušť Tanami, Austrálie.

Zařízení DGT lze přímo nasadit do vodních prostředí, včetně přírodních vod, sedimentů a půd.[1] V rychle tekoucích vodách by měl být povrch zařízení DGT kolmý ke směru toku, aby byla zajištěna difuzní mezní vrstva (DBL) není ovlivněn laminární proudění. V pomalu tekoucích nebo stojatých vodách, jako v rybnících nebo podzemní voda „Nasazení zařízení DGT s různými tloušťkami difuzního gelu může umožnit stanovení DBL a přesnější stanovení objemové koncentrace.[4]:4.2.1[19] Rovněž lze provést úpravy difuzního gelu (např. Zvětšení nebo zmenšení tloušťky), aby se zajistily nízké detekční limity.[20]

Analýza vazebných gelů a chemické zobrazování

Po načtení zařízení / sond DGT lze vazebné gely eluovat pomocí metod, které závisí na cílovém analytu a vazebném gelu DGT (například kyselina dusičná lze použít k eluci většiny kovových kationtů z gelů Chelex-100).[4]:4.2.1 NaOH lze použít k eluci většiny oxyaniontů ze Zr-oxidu (Ding et al., 2010, 2011,2016; Sun et al., 2014). Eluent lze poté kvantitativně analyzovat pomocí řady analytických technik, mimo jiné včetně na: ICP-MS, GFAAS[4]:4.2.1 ICP-OES, AAS,[18] UV-Vis spektroskopie nebo počítačové zobrazování denzitometrie.[21] Pro chemické zobrazování a pro získání dvourozměrné (2D) sub-mm distribuce analytů s vysokým rozlišením v heterogenních prostředích, jako je sedimenty a rhizosféra, získané gelové proužky lze analyzovat pomocí PIXE nebo LA-ICP-MS po gelovém sušení.[11][22][23][24][25]

Rovnice DGT

DGT je založeno na aplikaci Fickův zákon.[18] Jakmile je stanovena hmotnost analytu, časově zprůměrovaná koncentrace analytu v objemu, , lze určit použitím následující rovnice:

kde je hmotnost analytu na pryskyřici, je tloušťka difuzní vrstvy a filtrační membrány dohromady, je difúzní koeficient analytu, je čas nasazení a je oblast okna DGT.[4]:Rovnice 2 V případech, kdy: iontová síla vody je nízká a kde významná organická hmota je přítomen.[26]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Chaudhary, Meenakshi; Quanz, Meaghan; Williams, Jim; Maltby, Ella; Oakes, Ken; Spooner, Ian; Walker, Tony R. (září 2020). „Posouzení kovových (loidových) koncentrací pomocí difuzních gradientních tenkých (DGT) filmů v mořských, sladkovodních a mokřadních vodních ekosystémech ovlivněných průmyslovými odpadními vodami“. Případové studie v chemickém a environmentálním inženýrství: 100041. doi:10.1016 / j.cscee.2020.100041.
  2. ^ A b Zhang, Hao; Davison, William; Gadi, Ranu; Kobayashi, Takahiro (srpen 1998). "Měření rozpuštěného fosforu v přírodních vodách pomocí DGT na místě". Analytica Chimica Acta. 370 (1): 29–38. doi:10.1016 / S0003-2670 (98) 00250-5.
  3. ^ Wilkins, C. (21. října 1983). "Dělené techniky pro analýzu komplexních organických směsí". Věda. 222 (4621): 291–296. Bibcode:1983Sci ... 222..291W. doi:10.1126 / science.6353577. PMID  6353577.
  4. ^ A b C d E F G „Difúzní gradienty v tenkých vrstvách (DGT): Technika pro stanovení biologicky dostupných koncentrací kovů“ (PDF). Mezinárodní síť pro prevenci kyselin. Březen 2002. Citováno 23. dubna 2015.
  5. ^ Strivens, Jonathan; Hayman, Nicholas; Johnston, Robert; Rosen, Gunther (květen 2019). "Účinky rozpuštěného organického uhlíku na toxicitu mědi pro embrya Mytilus galloprovincialis, měřeno difuzním gradientem v tenkých vrstvách". Toxikologie životního prostředí a chemie. 38 (5): 1029–1034. doi:10.1002 / atd. 4404. PMID  30840314.
  6. ^ Strivens, Jonathan; Hayman, Nicholas; Rosen, Gunther; Myers ‐ Pigg, Allison (duben 2020). „Směrem k validaci toxikologické interpretace difuzních gradientů v tenkých vrstvách v mořských vodách ovlivněných mědí“. Toxikologie životního prostředí a chemie. 39 (4): 873–881. doi:10.1002 / atd. 4673. PMID  32004383.
  7. ^ A b Zhang, Hao; Davison, William (říjen 1995). "Výkonové charakteristiky difúzních gradientů v tenkých vrstvách pro in situ měření stopových kovů ve vodném roztoku". Analytická chemie. 67 (19): 3391–3400. doi:10.1021 / ac00115a005.
  8. ^ Harper, Michael P; Davison, William; Zhang, Hao; Tych, Wlodek (srpen 1998). „Kinetika výměny kovů mezi pevnými látkami a roztoky v sedimentech a půdách interpretovaná z DGT měřených toků“. Geochimica et Cosmochimica Acta. 62 (16): 2757–2770. Bibcode:1998 GeCoA..62,2757H. doi:10.1016 / S0016-7037 (98) 00186-0.
  9. ^ Santner, Jakob; Prohaska, Thomas; Luo, červen; Zhang, Hao (15. září 2010). „Ferrihydrit obsahující gel pro chemické zobrazování labilních druhů fosfátů v sedimentech a půdách pomocí difúzních gradientů v tenkých vrstvách“. Analytická chemie. 82 (18): 7668–7674. doi:10.1021 / ac101450j. PMC  3432420. PMID  20735010.
  10. ^ Luo, červen; Zhang, Hao; Santner, Jakob; Davison, William (listopad 2010). "Výkonové charakteristiky difúzních gradientů v tenkých vrstvách vybavených vazebnou gelovou vrstvou obsahující srážený ferrihydrit pro měření arsenu (V), selenu (VI), vanadu (V) a antimonu (V)". Analytická chemie. 82 (21): 8903–8909. doi:10.1021 / ac101676w. PMID  20936784.
  11. ^ A b Guan, Dong-Xing; Williams, Paul N .; Luo, červen; Zheng, Jian-Lun; Xu, Hua-Cheng; Cai, Chao; Ma, Lena Q. (17. března 2015). „Nová precipitovaná technika DGT na bázi zirkonia pro zobrazování oxyanionů ve vodách a sedimentech ve vysokém rozlišení“. Věda o životním prostředí a technologie. 49 (6): 3653–3661. Bibcode:2015EnST ... 49.3653G. doi:10,1021 / es505424m. PMID  25655234.
  12. ^ Stockdale, Anthony; Davison, William; Zhang, Hao (2010). "2D současné měření oxyaniontů P, V, As, Mo, Sb, W a U" (PDF). Journal of Environmental Monitoring. 12 (4): 981–4. doi:10.1039 / b925627j. PMID  20383381.
  13. ^ Pan, Yue; Guan, Dong-Xing; Zhao, Di; Luo, červen; Zhang, Hao; Davison, William; Ma, Lena Q. (15. prosince 2015). „Nová metoda speciace založená na difúzních gradientech v tenkých vrstvách pro in situ měření Cr VI ve vodních systémech“. Věda o životním prostředí a technologie. 49 (24): 14267–14273. Bibcode:2015EnST ... 4914267P. doi:10.1021 / acs.est.5b03742. PMID  26535488.
  14. ^ Chen, Chang-Er; Zhang, Hao; Jones, Kevin C. (2012). "Nový pasivní vzorkovač vody pro odběr vzorků antibiotik in situ". Journal of Environmental Monitoring. 14 (6): 1523–30. doi:10.1039 / c2em30091e. PMID  22538362.
  15. ^ Zheng, Jian-Lun; Guan, Dong-Xing; Luo, červen; Zhang, Hao; Davison, William; Cui, Xin-Yi; Wang, Lian-Hong; Ma, Lena Q. (6. ledna 2015). "Difúzní přechody na bázi aktivního uhlí v tenkých vrstvách pro monitorování situace bisfenolů ve vodách". Analytická chemie. 87 (1): 801–807. doi:10.1021 / ac503814j. PMID  25412473.
  16. ^ Pouran, Hamid M .; Martin, Francis L .; Zhang, Hao (17. června 2014). "Měření nanočástic ZnO pomocí difuzních gradientů v tenkých vrstvách: vazebné a difúzní charakteristiky". Analytická chemie. 86 (12): 5906–5913. doi:10.1021 / ac500730s. hdl:2436/621804. PMID  24831848.
  17. ^ Lucas, Andrew; Rate, Andrew; Zhang, Hao; Salmon, S. Ursula; Radford, Nigel (21. srpna 2012). "Vývoj difuzních gradientů v tenkých vrstvách Technika pro měření labilního zlata v přírodních vodách". Analytická chemie. 84 (16): 6994–7000. doi:10,1021 / ac301003g. PMID  22812590.
  18. ^ A b C Thomas, P. (1. července 2009). „Sledování znečištění kovy v kanalizační síti pomocí difuzních gradientů v technice tenkých vrstev“. Věda o vodě a technologie. 60 (1): 65–70. doi:10.2166 / wst.2009.287. PMID  19587403.
  19. ^ Warnken, Kent W .; Zhang, Hao; Davison, William (červen 2006). „Přesnost difúzních gradientů v tenkých vrstvách: difuzní hraniční vrstva a úvahy o efektivní oblasti vzorkování“. Analytická chemie. 78 (11): 3780–3787. doi:10.1021 / ac060139d. PMID  16737237.
  20. ^ Lucas, Andrew R .; Reid, Nathan; Salmon, S. Ursula; Rate, Andrew W. (21. října 2014). „Kvantitativní hodnocení distribuce rozpuštěných Au, As a Sb v podzemních vodách pomocí difúzních gradientů v technice tenkých vrstev“. Věda o životním prostředí a technologie. 48 (20): 12141–12149. Bibcode:2014EnST ... 4812141L. doi:10.1021 / es502468d. PMID  25252140.
  21. ^ McGifford, RW; Při pohledu, AJ; Haddad, PR (3. března 2010). „Přímá kolorimetrická detekce iontů mědi (II) při odběru vzorků pomocí difúzních gradientů v tenkých filmech“. Analytica Chimica Acta. 662 (1): 44–50. doi:10.1016 / j.aca.2009.12.041. PMID  20152264.
  22. ^ Davison, W .; Fones, G. R .; Grime, G. W. (červen 1997). „Rozpuštěné kovy v povrchovém sedimentu a mikrobiální podložce při rozlišení 100 μm“. Příroda. 387 (6636): 885–888. Bibcode:1997Natur.387..885D. doi:10.1038/43147. S2CID  4261454.
  23. ^ Warnken, Kent W .; Zhang, Hao; Davison, William (říjen 2004). „Analýza polyakrylamidových gelů pro stopové kovy pomocí difuzních gradientů v tenkých vrstvách a laserové ablace s indukčně vázanou plazmovou hmotnostní spektrometrií“. Analytická chemie. 76 (20): 6077–6084. doi:10.1021 / ac0400358. PMID  15481956.
  24. ^ Williams, Paul N .; Santner, Jakob; Larsen, Morten; Lehto, Niklas J .; Oburger, Eva; Wenzel, Walter; Glud, Ronnie N .; Davison, William; Zhang, Hao (5. srpna 2014). „Localized Flux Maxima of Arsenic, Lead, and Iron around Root Apices in Flooded Lowland Rice“. Věda o životním prostředí a technologie. 48 (15): 8498–8506. Bibcode:2014EnST ... 48,8498W. doi:10.1021 / es501127k. PMC  4124062. PMID  24967508.
  25. ^ Hoefer, Christoph; Santner, Jakob; Puschenreiter, Markus; Wenzel, Walter W. (7. dubna 2015). „Lokální solubilizace kovů v rhizosféře Salix smithiana při aplikaci síry“. Věda o životním prostředí a technologie. 49 (7): 4522–4529. Bibcode:2015EnST ... 49.4522H. doi:10.1021 / es505758j. PMC  4394708. PMID  25782052.
  26. ^ Yabuki, Lauren Nozomi Marques; Colaço, Camila Destro; Menegário, Amauri Antonio; Domingos, Roberto Naves; Kiang, Chang Hung; Pascoaloto, Domitila (únor 2014). „Hodnocení difúzních gradientů v technice tenkých vrstev (DGT) pro měření Al, Cd, Co, Cu, Mn, Ni a Zn v amazonských řekách“. Monitorování a hodnocení životního prostředí. 186 (2): 961–969. doi:10.1007 / s10661-013-3430-x. PMID  24052239. S2CID  9781883.

Ding SM, Xu D, Sun Q a kol. Měření rozpuštěného reaktivního fosforu pomocí difuzních gradientů technikou tenkých vrstev s vysokokapacitní vazebnou fází. Environmental Science & Technology, 2010, 44 (21): 8169-8174. Odkaz: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es1020873

Ding SM, Jia F, Xu D a kol. Dvojrozměrné měření rozpuštěného reaktivního fosforu v sedimentech pomocí techniky difuzních gradientů v tenkých vrstvách v kombinaci s rutinním postupem. Environmental Science & Technology, 2011, 45 (22), 9680-9686. Odkaz: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es202785p

Ding S M, Sun Q, Xu D a kol. Simultánní měření rozpuštěného reaktivního fosforu a rozpuštěného sulfidu s vysokým rozlišením: první pozorování jejich současného uvolňování v sedimentech. Environmental Science & Technology, 2012, 46 (15): 8297-8304. Odkaz: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es301134h

Ding SM, Wang Y, Xu D a kol. Technika zbarvení na bázi gelu pro zobrazování labilního fosforu v sedimentech a půdách s difúzními přechody v tenkých vrstvách v měřítku submilimetru. Environmental Science & Technology, 2013, 47 (14): 7821-7829. Odkaz: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es400192j

Ding SM, Xu D, Wang YP a kol. Simultánní měření osmi oxyaniontů s použitím vysokokapacitních difuzních gradientů v tenkých vrstvách (Zr-oxid DGT) s vysoce účinným elučním postupem. Environmental Science & Technology, 2016, 50 (14): 7572-7580. Odkaz: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.6b00206

Ding SM, Wang Y, Zhang LP a kol. Nové konfigurace držáků pro použití v difúzních gradientech v tenkých vrstvách (DGT). RSC Advances, 2016, 6 (91): 88143-88156. Odkaz: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/RA/C6RA19677B#!divAbstract

Xu D, Chen Y F, Ding S M a kol. Difúzní gradienty v technice tenkých vrstev vybavené smíšeným vazebným gelem pro současné měření rozpuštěného reaktivního fosforu a rozpuštěného železa. Environmental Science & Technology, 2013, 47 (18): 10477-10484. Odkaz: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es401822x

externí odkazy