[发明专利]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

说明书

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。

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(Peeper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0.45μm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。Peeper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Peeper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Peeper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缩短。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Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-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PO₄^3-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Peeper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500μL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：