Jump to content

Диффузионные градиенты в тонких пленках

Метод диффузионных градиентов в тонких пленках (ДГТ) представляет собой метод химии окружающей среды для обнаружения элементов и соединений в водных средах , включая природные воды . [1] отложения [2] и почвы . [3] Он хорошо подходит для на месте обнаружения биодоступных токсичных примесей металлов . [4] [5] [6] Этот метод предполагает использование специально разработанного пассивного пробоотборника , в котором находится связующий гель , диффузионный гель и мембранный фильтр . Элемент или соединение проходит через мембранный фильтр и диффузионный гель и усваивается связывающим гелем с контролируемой скоростью. Анализ связующего геля после нанесения можно использовать для определения средневзвешенной по времени концентрации элемента или соединения в объемном растворе с помощью простого уравнения.

Согласно теории DGT, концентрация аналита [C] стремится к 0 (мкг/л, нг/л и т. д.) по мере приближения аналита к связующему слою, проходя через диффузионный пограничный слой (DBL, ẟ) и диффузионный гель аппарата ДГТ (толщина Δg). Предполагается, что обратной диффузии аналита обратно в раствор не происходит.

Методика DGT была разработана в 1994 году Хао Чжаном и Уильямом Дэвисоном в Ланкастерском центре окружающей среды Ланкастерского университета в Великобритании . Этот метод был впервые использован для обнаружения металлов катионов в морской среде с использованием Chelex 100 в качестве связующего агента. Дальнейшая характеристика DGT, включая результаты полевых развертываний в проливе Менай и северной части Атлантического океана , была опубликована в 1995 году. [7] Этот метод был впервые опробован на почвах в 1998 году, и результаты показали, что кинетика диссоциации лабильных частиц в поровой воде (почвенном растворе) может быть определена с помощью ДГТ. [8] С тех пор метод ДГТ был модифицирован и расширен за счет включения значительного количества элементов и соединений, включая катионные металлы, [7] нитрат, [9] фосфат и другие оксианионы ( V , Cr МЫ , As , Se , Mo , Sb , W ), [2] [10] [11] [12] [13] [14] антибиотики , [15] бисфенолы , [16] и наночастицы , [17] и даже был модифицирован для геохимической разведки золота . [18] ДГТ также был разработан и откалиброван для измерения радионуклидов , в том числе для анализа актинидов, таких как U , Pu , Am и Cm , как в окружающей среде, так и в окружающей среде. [19] и даже в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива. [20]

Компания DGT Research Ltd. была основана в июле 1997 года первоначальными разработчиками метода проф. Дэвисон и Чжан, а также продает готовые устройства DGT® для использования в воде, почве и отложениях для измерения различных аналитов, а также комплектующие для самостоятельной сборки. Компания владеет оригинальными патентами на устройство, а DGT® является торговой маркой, зарегистрированной во всем мире. конкурирующую компанию EasySensor и поставляет устройства, которые, по утверждению компании, аналогичны оригинальным продуктам DGT®. В 2014 году профессор Шиминг Дин основал [21]

Устройство ДГТ

[ редактировать ]
Фотография устройства ДГТ в разобранном виде, на которой показаны поршень и крышка. Устройство на этом снимке оснащено активированным углем для ассимиляции золота и/или бисфенолов .

Наиболее часто используемое устройство ДГТ представляет собой пластиковый зонд «поршневого типа», который состоит из цилиндрического основания из поликарбоната и плотно прилегающей круглой крышки с отверстием (окном ДГТ). Связующий гель, диффузионный гель и фильтрующая мембрана накладываются на основу, а колпачок используется для герметизации слоев геля и фильтра внутри. [4] : 4.2.3  Размеры слоев геля варьируются в зависимости от особенностей окружающей среды, таких как скорость потока отбираемой воды; [4] : 4.2.1  примером является устройство диаметром примерно 2 см, содержащее слой геля толщиной 1 мм. [22] Другие часто используемые конфигурации зондов включают в себя конфигурации для размещения в отложениях (для измерения мобилизации растворенных веществ с глубиной). [23] и в планарной форме для измерения динамики растворенных веществ в ризосфере растений. [24]

Принципы работы

[ редактировать ]

Развертывание

[ редактировать ]
Устройства DGT погружаются в грунтовые воды в пустыне Танами , Австралия.

Устройства DGT могут быть непосредственно развернуты в водных средах окружающей среды, включая природные воды, отложения и почвы. [1] В водах с быстрым течением лицевая сторона устройства DGT должна быть перпендикулярна направлению потока, чтобы гарантировать, что на диффузионный пограничный слой (DBL) не влияет ламинарный поток . В медленно текущих или стоячих водах, таких как пруды или грунтовые воды , использование устройств DGT с различной толщиной диффузионного геля может позволить определить DBL и более точное определение объемной концентрации. [4] : 4.2.1  [25] [9] Модификации диффузионного геля (например, увеличение или уменьшение толщины) также могут быть предприняты для обеспечения низких пределов обнаружения. [26]

Анализ связывающих гелей и химическая визуализация

[ редактировать ]

После извлечения устройств/зондов DGT связывающие гели можно элюировать с использованием методов, которые зависят от целевого аналита и геля, связывающего DGT (например, азотную кислоту ). для элюирования большинства катионов металлов из гелей Chelex-100 можно использовать [4] : 4.2.1  NaOH можно использовать для элюирования большинства оксианионов из оксида Zr (Ding et al., 2010, 2011, 2016; Sun et al., 2014). Затем элюент можно количественно проанализировать с помощью ряда аналитических методов, включая, помимо прочего, в: ИСП-МС , GFAAS [4] : 4.2.1  ИСП-ОЭС , ААС , [22] УФ-Вид-спектроскопия или компьютерная денситометрия . [27] Для получения химической визуализации и получения двумерного (2D) распределения аналитов с высоким разрешением субмиллиметрового разрешения в гетерогенных средах, таких как отложения и ризосфера , извлеченные гелевые полоски можно анализировать с помощью PIXE или LA-ICP-MS после высыхания геля. [12] [28] [29] [30] [31]

Уравнение ДГТ

[ редактировать ]

ДГТ основан на применении закона Фика . [22] После определения массы аналита рассчитывается усредненная по времени концентрация аналита в объеме, , можно определить, применив следующее уравнение:

где - масса аналита на смоле, - толщина диффузионного слоя и фильтрующей мембраны вместе, - коэффициент диффузии аналита, время развертывания, и — площадь окна DGT. [4] : уравнение 2 Более сложные методы анализа могут потребоваться в тех случаях, когда ионная сила воды низкая и значительное количество органических веществ . присутствует [32]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Чаудхари М., Куанц М., Уильямс Дж., Молтби Э., Оукс К., Спунер И., Уокер Т.Р. (сентябрь 2020 г.). «Оценка концентраций металлов (лоидов) с использованием тонких пленок диффузионного градиента (DGT) в морских, пресноводных и водно-болотных водных экосистемах, подвергшихся воздействию промышленных сточных вод» . Тематические исследования в области химической и экологической инженерии . 2 : 100041. doi : 10.1016/j.cscee.2020.100041 .
  2. ^ Перейти обратно: а б Чжан Х., Дэвисон В., Гади Р., Кобаяши Т. (август 1998 г.). «Измерение растворенного фосфора в природных водах на месте с использованием ДГТ». Аналитика Химика Акта . 370 (1): 29–38. дои : 10.1016/S0003-2670(98)00250-5 .
  3. ^ Уилкинс CL (октябрь 1983 г.). «Дефисные методы анализа сложных органических смесей». Наука . 222 (4621): 291–6. Бибкод : 1983Sci...222..291W . дои : 10.1126/science.6353577 . ПМИД   6353577 .
  4. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г «Диффузионные градиенты в тонких пленках (ДГТ): метод определения концентрации биодоступных металлов» (PDF) . Международная сеть по предотвращению кислотной деятельности. Март 2002 г. Архивировано из оригинала (PDF) 28 февраля 2015 г. . Проверено 23 апреля 2015 г.
  5. ^ Стривенс Дж., Хейман Н., Джонстон Р., Розен Дж. (май 2019 г.). «Влияние растворенного органического углерода на токсичность меди для эмбрионов Mytilus Galloprovincialis, измеренная с помощью диффузионного градиента в тонких пленках». Экологическая токсикология и химия . 38 (5): 1029–1034. дои : 10.1002/etc.4404 . ПМИД   30840314 . S2CID   73466599 .
  6. ^ Стривенс Дж., Хейман Н., Розен Дж., Майерс-Пигг А. (апрель 2020 г.). «К проверке токсикологической интерпретации диффузионных градиентов в тонких пленках морских вод, подвергшихся воздействию меди». Экологическая токсикология и химия . 39 (4): 873–881. дои : 10.1002/etc.4673 . ПМИД   32004383 .
  7. ^ Перейти обратно: а б Чжан Х., Дэвисон В. (октябрь 1995 г.). «Рабочие характеристики градиентов диффузии в тонких пленках для измерения in situ следов металлов в водном растворе». Аналитическая химия . 67 (19): 3391–3400. дои : 10.1021/ac00115a005 .
  8. ^ Харпер, член парламента, Дэвисон В., Чжан Х., Тич В. (август 1998 г.). «Кинетика обмена металлов между твердыми веществами и растворами в отложениях и почвах, интерпретированная на основе измеренных потоков DGT». Geochimica et Cosmochimica Acta . 62 (16): 2757–2770. Бибкод : 1998GeCoA..62.2757H . дои : 10.1016/S0016-7037(98)00186-0 .
  9. ^ Перейти обратно: а б Корбетт, Томас Д.В.; Догерти, Ханна; Максвелл, Брайан; Хартленд, Адам; Хендерсон, Уильям; Рис, Джеральд Дж.; Шиппер, Луи А. (20 мая 2020 г.). «Применение« диффузионных градиентов в тонких пленках »для измерения эффективности удаления нитратов в денитрифицирующих биореакторах» . Наука об общей окружающей среде . 718 : 135267. doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.135267 . ISSN   0048-9697 . ПМИД   31859060 . S2CID   209425982 .
  10. ^ Сантнер Дж., Прохаска Т., Луо Дж., Чжан Х. (сентябрь 2010 г.). «Ферригидритсодержащий гель для химической визуализации лабильных форм фосфатов в отложениях и почвах с использованием диффузионных градиентов в тонких пленках» . Аналитическая химия . 82 (18): 7668–74. дои : 10.1021/ac101450j . ПМЦ   3432420 . ПМИД   20735010 .
  11. ^ Луо Дж., Чжан Х., Сантнер Дж., Дэвисон В. (ноябрь 2010 г.). «Рабочие характеристики диффузионных градиентов в тонких пленках, снабженных слоем связующего геля, содержащим осажденный ферригидрит, для измерения мышьяка (V), селена (VI), ванадия (V) и сурьмы (V)». Аналитическая химия . 82 (21): 8903–9. дои : 10.1021/ac101676w . ПМИД   20936784 .
  12. ^ Перейти обратно: а б Гуань Д.Х., Уильямс П.Н., Луо Дж., Чжэн Дж.Л., Сюй Х.К., Цай С., Ма LQ (март 2015 г.). «Новая технология DGT на основе осажденного диоксида циркония для получения изображений оксианионов в воде и отложениях с высоким разрешением». Экологические науки и технологии . 49 (6): 3653–61. Бибкод : 2015EnST...49.3653G . дои : 10.1021/es505424m . ПМИД   25655234 .
  13. ^ Стокдейл А., Дэвисон В., Чжан Х. (апрель 2010 г.). «2D одновременное измерение оксианионов P, V, As, Mo, Sb, W и U» (PDF) . Журнал экологического мониторинга . 12 (4): 981–4. дои : 10.1039/b925627j . ПМИД   20383381 .
  14. ^ Пан Ю, Гуань DX, Чжао Д, Луо Дж, Чжан Х, Дэвисон В, Ма LQ (декабрь 2015 г.). «Новый метод видообразования, основанный на диффузионных градиентах в тонких пленках, для измерения Cr (VI) in situ в водных системах». Экологические науки и технологии . 49 (24): 14267–73. Бибкод : 2015EnST...4914267P . дои : 10.1021/acs.est.5b03742 . ПМИД   26535488 .
  15. ^ Чен CE, Чжан Х, Джонс К.С. (май 2012 г.). «Новый пассивный пробоотборник воды для отбора проб антибиотиков на месте». Журнал экологического мониторинга . 14 (6): 1523–30. дои : 10.1039/c2em30091e . ПМИД   22538362 .
  16. ^ Чжэн Дж.Л., Гуань Д.С., Луо Дж., Чжан Х., Дэвисон В., Цуй XY и др. (январь 2015 г.). «Диффузионные градиенты на основе активированного угля в тонких пленках для мониторинга содержания бисфенолов в воде in situ». Аналитическая химия . 87 (1): 801–7. дои : 10.1021/ac503814j . ПМИД   25412473 .
  17. ^ Пуран Х.М., Мартин Ф.Л., Чжан Х. (июнь 2014 г.). «Измерение наночастиц ZnO с использованием диффузионных градиентов в тонких пленках: характеристики связывания и диффузии». Аналитическая химия . 86 (12): 5906–13. дои : 10.1021/ac500730s . hdl : 2436/621804 . ПМИД   24831848 .
  18. ^ Лукас А., Рейт А, Чжан Х., Салмон С.У., Рэдфорд Н. (август 2012 г.). «Разработка метода диффузионных градиентов в тонких пленках для измерения лабильного золота в природных водах». Аналитическая химия . 84 (16): 6994–7000. дои : 10.1021/ac301003g . ПМИД   22812590 .
  19. ^ Чаплин Дж., Уорвик П., Канди А., Бочуд Ф., Фруадево П. (25 августа 2021 г.). «Новые конфигурации DGT для оценки биодоступного плутония, америция и урана в морской и пресноводной среде» . Аналитическая химия . 93 (35): 11937–11945. дои : 10.1021/acs.analchem.1c01342 . ПМИД   34432435 . S2CID   237307309 .
  20. ^ Чаплин Дж., Кристл М., Штрауб М., Бочуд Ф., Фруадево П. (2 июня 2022 г.). «Инструмент пассивного отбора проб актинидов в бассейнах отработавшего ядерного топлива» . АСУ Омега . 7 (23): 20053–20058. дои : 10.1021/acsomega.2c01884 . hdl : 20.500.11850/554631 . ПМЦ   9202248 . ПМИД   35722008 . S2CID   249333570 .
  21. ^ «global-easysensor.com» . Архивировано из оригинала 8 августа 2020 г.
  22. ^ Перейти обратно: а б с Томас П. (1 июля 2009 г.). «Отслеживание загрязнений металлами в канализационной сети методом диффузионных градиентов в тонких пленках». Водные науки и технологии . 60 (1): 65–70. дои : 10.2166/wst.2009.287 . ПМИД   19587403 .
  23. ^ Чжан Х, Дэвисон В, Миллер С, Тич В (1 октября 1995 г.). «Измерения in situ с высоким разрешением потоков Ni, Cu, Fe и Mn, а также концентраций Zn и Cd в поровых водах с помощью DGT». Geochimica et Cosmochimica Acta . 59 (20): 4181–4192. Бибкод : 1995GeCoA..59.4181Z . дои : 10.1016/0016-7037(95)00293-9 . ISSN   0016-7037 .
  24. ^ Уильямс П.Н., Сантнер Дж., Ларсен М., Лехто Н.Дж., Обургер Э., Венцель В. и др. (5 августа 2014 г.). «Локализованные максимумы потоков мышьяка, свинца и железа вокруг вершин корней затопленного низинного риса» . Экологические науки и технологии . 48 (15): 8498–506. Бибкод : 2014EnST...48.8498W . дои : 10.1021/es501127k . ПМК   4124062 . ПМИД   24967508 .
  25. ^ Варнкен К.В., Чжан Х., Дэвисон В. (июнь 2006 г.). «Точность диффузионных градиентов в методе тонких пленок: диффузионный пограничный слой и соображения эффективной области отбора проб». Аналитическая химия . 78 (11): 3780–7. дои : 10.1021/ac060139d . ПМИД   16737237 .
  26. ^ Лукас А.Р., Рид Н., Салмон С.У., Рейт AW (октябрь 2014 г.). «Количественная оценка распределения растворенных Au, As и Sb в подземных водах с использованием метода диффузионных градиентов в тонких пленках». Экологические науки и технологии . 48 (20): 12141–9. Бибкод : 2014EnST...4812141L . дои : 10.1021/es502468d . ПМИД   25252140 .
  27. ^ МакГиффорд Р.В., Син А.Дж., Хаддад П.Р. (март 2010 г.). «Прямое колориметрическое обнаружение ионов меди (II) в пробах с использованием диффузионных градиентов в тонких пленках». Аналитика Химика Акта . 662 (1): 44–50. дои : 10.1016/j.aca.2009.12.041 . ПМИД   20152264 .
  28. ^ Дэвисон В., Фонс Г.Р., Грайм Г.В. (июнь 1997 г.). «Растворенные металлы в поверхностных осадках и микробном мате с разрешением 100 мкм» . Природа . 387 (6636): 885–888. Бибкод : 1997Natur.387..885D . дои : 10.1038/43147 . S2CID   4261454 .
  29. ^ Варнкен К.В., Чжан Х., Дэвисон В. (октябрь 2004 г.). «Анализ полиакриламидных гелей на содержание микроэлементов с использованием диффузионных градиентов в тонких пленках и лазерной абляции с индуктивно-связанной плазмой масс-спектрометрии». Аналитическая химия . 76 (20): 6077–84. дои : 10.1021/ac0400358 . ПМИД   15481956 .
  30. ^ Уильямс П.Н., Сантнер Дж., Ларсен М., Лехто Н.Дж., Обургер Э., Венцель В. и др. (5 августа 2014 г.). «Локализованные максимумы потоков мышьяка, свинца и железа вокруг вершин корней затопленного низинного риса» . Экологические науки и технологии . 48 (15): 8498–506. Бибкод : 2014EnST...48.8498W . дои : 10.1021/es501127k . ПМК   4124062 . ПМИД   24967508 .
  31. ^ Хоефер С., Сантнер Дж., Пушенрайтер М., Венцель В.В. (апрель 2015 г.). «Локальная солюбилизация металлов в ризосфере Salix smithiana при внесении серы» . Экологические науки и технологии . 49 (7): 4522–9. Бибкод : 2015EnST...49.4522H . дои : 10.1021/es505758j . ПМК   4394708 . ПМИД   25782052 .
  32. ^ Ябуки Л.Н., Коласо К.Д., Менегарио А.А., Домингос Р.Н., Кианг CH, Паскоалото Д. (февраль 2014 г.). «Оценка диффузионных градиентов в методе тонких пленок (DGT) для измерения Al, Cd, Co, Cu, Mn, Ni и Zn в реках Амазонки». Экологический мониторинг и оценка . 186 (2): 961–9. дои : 10.1007/s10661-013-3430-x . ПМИД   24052239 . S2CID   9781883 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 54ffbb7544d845c150af878ae98b6a83__1715364900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/54/83/54ffbb7544d845c150af878ae98b6a83.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Diffusive gradients in thin films - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)