Пассивная выборка
Пассивный отбор проб — это метод мониторинга окружающей среды, включающий использование собирающей среды, такой как искусственное устройство или биологический организм , для накопления химических загрязнителей в окружающей среде с течением времени. В этом отличие от метода выборочной выборки , который предполагает взятие выборки непосредственно из интересующего СМИ в определенный момент времени. При пассивном отборе проб средние концентрации химических веществ рассчитываются за время использования устройства, что позволяет избежать необходимости многократно посещать место отбора проб для сбора нескольких репрезентативных проб. [1] В настоящее время разработаны и внедрены пассивные пробоотборники для обнаружения в воде токсичных металлов, пестицидов , фармацевтических препаратов , радионуклидов , полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), полихлорированных дифенилов (ПХБ) и других органических соединений. [2] [3] [4] [5] в то время как некоторые пассивные пробоотборники могут обнаруживать опасные вещества в воздухе. [6] [7] [8]
Теория и применение
[ редактировать ]В основе пассивного отбора проб лежит поток молекул или ионов загрязняющих веществ из среды отбора проб (воздуха или воды) в собирающую среду (пассивный пробоотборник) благодаря первому закону диффузии Фика и, в зависимости от пассивного пробоотборника, большую сродство связывания загрязняющих веществ с собирающей средой по сравнению со средой для отбора проб. В результате загрязнения со временем концентрируются в собирающей среде, пока не достигнут равновесия с окружающей средой. Использование пассивного отбора проб обеспечивает усредненные по времени концентрации загрязняющих веществ в течение периода использования пробоотборника. [1]
Важно отличать пассивный отбор проб от активного отбора проб , который имеет тот же основной принцип, но использует движущиеся части, такие как насосы, для нагнетания среды отбора проб в собирающую среду. [9] Пассивный отбор проб основан исключительно на молекулярной диффузии и сорбции или связывании загрязняющих веществ с агентами в пробоотборниках, поэтому пассивный отбор также называют диффузионным отбором проб . [6]
Пассивный отбор проб также отличается от самосборного отбора проб, который представляет собой сбор проб воздуха, воды или почвы для непосредственного анализа на наличие загрязняющих веществ. Эти пробы представляют собой один момент времени и предоставляют информацию о концентрации загрязняющих веществ в определенный момент времени, в отличие от пассивных устройств отбора проб или организмов.
Было разработано множество различных типов пассивных пробоотборников, с помощью которых было отобрано множество различных загрязнений, в том числе:
- Антибиотики [10]
- Бисфенолы [10]
- Диоксины [5]
- Огнезащитные средства [5]
- Фураны [5]
- Наночастицы [10]
- Оксианионы, такие как фосфаты [10]
- Полибромдифениловые эфиры (ПБДЭ) [5]
- Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) [5]
- Полихлорированные дифенилы (ПХБ) [5]
- Пестициды [5]
- Фармацевтика [5]
- Радионуклиды [2] [3]
- Токсичные металлы (такие как медь , цинк и свинец ) [4] [10]
Пассивный отбор проб в воде
[ редактировать ]Существует несколько типов устройств пассивного отбора проб для мониторинга загрязняющих веществ, присутствующих в воде. Помимо этих устройств, организмы, такие как мидии , живущие в окружающей среде, также «пассивно берут пробы» загрязняющих веществ ( биоаккумуляция ) и могут использоваться для мониторинга загрязнения воды ( биомониторинг ). [11]
Химлоковщик
[ редактировать ]Chemcatcher может пассивно брать пробы неорганических загрязнителей (металлов) и широкого спектра органических загрязнителей. Он состоит из одноразового диска с мембраной или без нее , запечатанного в пластиковую основу. Типы принимающих фаз и мембран сильно различаются в зависимости от целевых химических веществ, которые необходимо отобрать. Усредненные по времени концентрации многих химических загрязнителей в воде можно определить, если известны частота отбора проб и скорость потока воды. [2] [3]
Диффузионные градиенты в тонких пленках (ДГТ)
[ редактировать ]Пробоотборники с диффузионными градиентами в тонких пленках (DGT) пассивно отбирают ионные следы металлов, а также антибиотики , оксианионы , бисфенолы и наночастицы в различных конфигурациях. Они состоят из пластиковых поршней и колпачков с окном, через которое в пробу воды попадает связующий гель, диффузионный гель и фильтрующая мембрана. Их можно использовать как в пресноводной, так и в морской среде, а также в воде, расположенной между частицами пресной воды и морских отложений , называемой поровой водой или поровой водой . Как только масса накопленных загрязнений в пробоотборнике DGT известна, уравнение DGT (основанное на законе Фика ) можно использовать для расчета усредненной по времени концентрации загрязнений в воде. [10]
Микропористые полиэтиленовые трубки (МПТ)
[ редактировать ]Микропористые полиэтиленовые трубки (MPT) пытаются смягчить зависимость от потока других кинетических пассивных пробоотборников, таких как Chemcatcher и POCIS, путем введения более толстой мембраны. [12] Диффузионный полиэтиленовый слой предотвращает преобладание диффузии по толщине водопограничного слоя (на который влияет поток). [13] Трубка заполняется сорбентами в зависимости от отбираемых химических веществ или химических групп и успешно используется для отбора проб глифосата, АМРА, запрещенных наркотиков, фармацевтических препаратов и средств личной гигиены. [13] [14]
гляделки
[ редактировать ]Peepers — это пассивные диффузионные пробоотборники, используемые для определения металлов в поровой воде пресных и морских отложений , поэтому их можно использовать для поиска участков, которые могут иметь отложения, загрязненные металлами. Пиперы представляют собой пластиковые сосуды, наполненные чистой водой и покрытые диализной мембраной , которая позволяет металлам, содержащимся в поровой воде осадка, проникать в воду внутри пипера. [15] Обычно их помещают достаточно глубоко в осадок, чтобы они находились в бескислородной среде, в которой металлы будут достаточно растворимы для отбора проб. [16] Если писперы используются достаточно долго, чтобы поровая вода осадка и содержащаяся в ней вода достигли равновесия, они могут точно определить концентрацию металлов в отобранной поровой воде осадка. [15]
Интегрированный пробоотборник полярных органических химических веществ (POCIS)
[ редактировать ]Полярные органические химические интегративные пробоотборники (POCIS) отбирают полярные органические загрязнители со значением логарифмического коэффициента распределения октанол-вода (K ow ), составляющим менее 3. Примеры этих типов химикатов включают полярные пестициды, фармацевтические препараты, запрещенные наркотики , антипирены и лекарств метаболиты . POCIS состоит из различного количества твердых сорбентных дисков, прикрепленных к опорному стержню и заключенных в металлическую клетку, и имеет две возможные конфигурации сорбента: POCIS для пестицидов и POCIS для фармацевтических препаратов. Пока известно количество воды, проходящей через пробоотборник, концентрации полярных органических загрязнений в воде можно рассчитать после извлечения сорбированных загрязнений из POCIS. [5]
Устройства с полупроницаемыми мембранами (СПМД)
[ редактировать ]Полупроницаемые мембранные устройства (SPMD) пассивно отбирают неполярные органические загрязнители со значением логарифмического коэффициента распределения октанол-вода (K ow ) более 3. Примеры этих типов химических веществ включают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные дифенилы (ПХД), полибромированные дифенилы. эфиры (ПБДЭ), хлорированные пестициды, диоксины и фураны . СМПД состоят из герметичных пластиковых трубок, наполненных триолеином , в котором хорошо растворяются неполярные органические вещества и который служит представителем жировых тканей водных организмов. Затем трубку вплетают между металлическими стержнями и заключают в металлическую клетку. Пробоотборник может быть изготовлен из трубок разной длины для различных применений, поскольку скорость отбора проб зависит от площади поверхности трубок, контактирующей с водой. Пока известно количество воды, проходящей через пробоотборник, концентрации неполярных органических загрязнений в воде можно рассчитать после извлечения загрязнений из SPMD. [5]
Устройства со стабилизированной жидкостной мембраной (SLMD)
[ редактировать ]Стабилизированные жидкостные мембранные устройства (SLMD) пассивно отбирают ионные металлы в пресной воде. Они изготовлены из секций пластиковых трубок из полиэтилена низкой плотности , которые загерметизированы с обоих концов и заполнены равной смесью олеиновой кислоты и металлохелатирующего агента . Они работают путем взаимодействия с ионами кальция и магния в пресной воде, что образует гидрофобную пленку снаружи пластиковой мембраны SLMD, в которой хелатирующий агент может связываться с металлами в пробе воды. [4] Их использовали в полевых условиях на срок до месяца, отдельно или накрывая пластиковым кожухом для обеспечения потока воды. [16] Вес металла, накопленный SLMD за период его развертывания, можно рассчитать и разделить на время развертывания SLMD, чтобы получить средний вес металла, накопленный за единицу времени, но в настоящее время не разработано метода преобразования этого значения в среднюю концентрацию металла. Кроме того, частота отбора проб SLMD сильно зависит от скорости потока воды, для контроля которой можно использовать пластиковые корпуса. [4] [16]
Пассивный отбор проб воздуха
[ редактировать ]Пассивный отбор проб также может быть выполнен для определения загрязняющих веществ в воздухе, включая частицы в воздухе, а также опасные пары и газы. Это можно сделать с помощью искусственных устройств или организмов биомониторинга, таких как лишайники . [7] [17]
Сорбентные трубки
[ редактировать ]Сорбентные трубки представляют собой пассивные пробоотборники летучих органических соединений (ЛОС). Они представляют собой стеклянные трубки, заполненные адсорбирующими материалами, такими как древесный уголь или силикагель , через которые проходит отбираемый воздух. Адсорбирующие материалы удаляют ЛОС из воздуха, который проходит через них, и ЛОС можно десорбировать и анализировать. Концентрацию воздуха можно рассчитать, используя количество воздуха, прошедшего через сорбентную трубку, и количество десорбированных загрязнений. [8]
Преимущества
[ редактировать ]Концентрации загрязняющих веществ при пассивном отборе проб отражают среднее загрязнение за время использования пробоотборника, то есть проба будет улавливать колебания концентрации загрязняющих веществ в течение всего периода использования. Традиционный отбор проб не позволяет этого сделать, поскольку собранные пробы представляют собой только один момент времени, и необходимо взять несколько проб, чтобы наблюдать изменение концентраций загрязняющих веществ с течением времени. [1] Этот интегративный метод отбора проб также может привести к обнаружению химических веществ, присутствующих в таких низких концентрациях, что они не будут обнаружены в взятой пробе из-за концентрации химических веществ в пробоотборнике с течением времени. В результате пассивный отбор проб потенциально может оказаться менее трудоемким, менее дорогим и более точным методом отбора проб, чем выборочный отбор.
Кроме того, пассивные пробоотборники часто просты в использовании и развертывании, не имеют насосов или движущихся частей и не требуют электричества, поскольку в отличие от активного отбора проб они основаны на молекулярной диффузии загрязняющих веществ или связывании загрязняющих веществ с агентами внутри пробоотборников. [6] Они также могут быть недорогими и простыми в изготовлении, как, например, SLMD, для которых требуются только герметичные пластиковые трубки и два химических компонента. [4]
Пассивный отбор проб также может более точно отражать концентрации металлов, биодоступных для организмов, чем другие методы отбора проб. Например, в пробоотборнике SPMD используется полупроницаемая мембрана и триолеин ( триглицерид ), оба из которых имитируют поглощение токсиканта жировой тканью организма. [5] Однако это зависит от типа используемого пассивного пробоотборника, поскольку некоторые пробоотборники, например пиперы, полагаются исключительно на молекулярную диффузию. [15] которые могут быть слишком простыми, чтобы отражать сложные процессы поглощения загрязнителей в организме.
Недостатки
[ редактировать ]Поскольку пассивный отбор проб предоставляет информацию о средних концентрациях загрязняющих веществ, в это среднее значение включаются все возможные концентрации за время использования пробоотборника. Однако невозможно определить полный диапазон концентраций загрязняющих веществ за время развертывания на одном объекте с помощью только пассивного отбора проб. [1] Если необходимы высокие и низкие концентрации загрязняющих веществ в течение периода отбора проб, следует использовать другие методы отбора проб в сочетании с пассивным отбором проб.
Не все пассивные пробоотборники имеют универсально точные способы преобразования накопленных масс загрязняющих веществ в концентрации воды, которые используются в правительственных постановлениях, таких как Агентства по охране окружающей среды США Закон о чистой воде . [18] С некоторыми пробоотборниками, например с DGT, это можно сделать с помощью уравнений, разработанных для пробоотборников, но не все пробоотборники имеют их. Время развертывания пассивного пробоотборника также ограничено в зависимости от его мощности; например, SLMD используются на месячный период, но могут достичь насыщения и прекратить отбор проб гораздо раньше, если концентрации металлов и скорость потока воды достаточно высоки. [4] Однако этой проблемы можно избежать, если перед развертыванием изучить литературу о соответствующем пассивном пробоотборнике на предмет исходной информации о емкости пробоотборника и идеальном времени развертывания.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Гурецкий, Тадеуш; Наместник, Яцек (2002). «Пассивная выборка». Тенденции в аналитической химии . 21 (4): 276–291. дои : 10.1016/S0165-9936(02)00407-7 .
- ^ Jump up to: а б с Шаррио, Аделина; Лиссальд, Софи; Пулье, Гаэль; Маццелла, Николас; Бюзье, Реми; Гибо, Жиль (2016). «Обзор Chemcatcher® для пассивного отбора проб различных загрязнителей в водной среде. Часть A: Принципы, калибровка, подготовка и анализ пробоотборника». Таланта . 148 : 556–571. дои : 10.1016/j.talanta.2015.06.064 . ПМИД 26653485 .
- ^ Jump up to: а б с Лиссальд, Софи; Шаррио, Аделина; Пулье, Гаэль; Маццелла, Николас; Бузье, Реми; Джубо, Джайлз (2016). «Обзор Chemcatcher® для пассивного отбора проб различных загрязняющих веществ в водной среде. Часть B: Обработка в полевых условиях и применение в окружающей среде для мониторинга загрязняющих веществ и их биологического воздействия». Таланта . 148 : 572–582. дои : 10.1016/j.talanta.2015.06.076 . ПМИД 26653486 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Брамбо, В.Г.; Петти, Джей Ди; Хакинс, Дж. Н.; Манахан, SE (2002). «Устройство со стабилизированной жидкостной мембраной (SLMD) для пассивного интегративного отбора проб лабильных металлов в воде». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 133 : 109–119. Бибкод : 2002WASP..133..109B . дои : 10.1023/А:1012923529742 . S2CID 93497819 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л «Руководство по использованию устройства с полупроницаемой мембраной (SPMD) и интегративного пробоотборника полярных органических химических веществ (POCIS) в исследованиях по мониторингу окружающей среды» . Геологическая служба США . Проверено 30 мая 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с «Обзор пассивного (диффузионного) отбора проб» . Сигма-Олдрич . Проверено 31 мая 2018 г.
- ^ Jump up to: а б «Мониторинг лишайников в отчетах, публикациях и других ресурсах национальных лесов и парков США» . Национальная база данных и информационный центр по лишайникам и качеству воздуха . Лесная служба США . Проверено 31 мая 2018 г.
- ^ Jump up to: а б «Сорбирующие трубки» . Решения для отбора проб воздуха . Казелла . Проверено 3 июня 2018 г.
- ^ Солтер, Эдди. «Активный и пассивный отбор проб воздуха» . Экологические технологии . Лабораторный онлайн . Проверено 4 июня 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Чжан, Чаошэн; Дин, Шиминг; Сюй, Ди; Тан, Я; Вонг, Мин Х (2014). «Оценка биодоступности фосфора и металлов в почвах и отложениях: обзор диффузионных градиентов в тонких пленках (ДГТ)». Экологический мониторинг и оценка . 186 (11): 7367–7378. дои : 10.1007/s10661-014-3933-0 . ПМИД 25015347 . S2CID 25854461 .
- ^ Серикано, JL; Уэйд, ТЛ; Джексон, Ти Джей; Брукс, Дж. М.; Трипп, Б.В.; Фаррингтон, JW; Ми, Л.Д.; Ридманн, Дж.В.; Вильнёв, Япония; Гольдберг, ЭД (1995). «Отследить органическое загрязнение в Америке: обзор национального статуса и тенденций в США и международных программ «Наблюдение за мидиями». Бюллетень о загрязнении морской среды . 31 (4–12): 214–225. дои : 10.1016/0025-326X(95)00197-U .
- ^ Фовель, Винсент; Казерзон, Сарит Л.; Монтеро, Наталья; Лиссальд, Софи; Аллан, Ян Дж.; Миллс, Грэм; Маццелла, Николас; Мюллер, Йохен Ф.; Буй, Кес (07 марта 2017 г.). «Учет влияния потока на поглощение полярных соединений пассивными пробоотборниками» . Экологические науки и технологии . 51 (5): 2536–2537. Бибкод : 2017EnST...51.2536F . doi : 10.1021/acs.est.7b00558 . ISSN 0013-936X . ПМИД 28225255 . S2CID 206567423 .
- ^ Jump up to: а б Фовель, Винсент; Монтеро, Наталья; Мюллер, Йохен Ф.; Бэнкс, Эндрю; Маццелла, Николас; Казерзон, Сарит Л. (2017). «Пассивный отбор проб глифосата и AMPA в пресной воде с использованием диффузионного пробоотборника из микропористого полиэтилена» . Хемосфера . 188 : 241–248. Бибкод : 2017Chmsp.188..241F . doi : 10.1016/j.chemSphere.2017.08.013 . ISSN 1879-1298 . ПМИД 28886558 .
- ^ Маккей, Сара; Чарк, Бен; Хокер, Дэррил; Томпсон, Кристи; О'Брайен, Джейк; Мюллер, Йохен Ф.; Казерзон, Сарит (20 февраля 2020 г.). «Калибровка и валидация пассивного пробоотборника из микропористого полиэтилена для количественной оценки концентраций запрещенных наркотиков, фармацевтических препаратов и средств личной гигиены (PPCP) в сточных водах» . Наука об общей окружающей среде . 704 : 135891. Бибкод : 2020ScTEn.704m5891M . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.135891 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 31838300 . S2CID 209386153 .
- ^ Jump up to: а б с Сербст, младший; Берджесс, РМ; Кун, А; Эдвардс, Пенсильвания; Кантвелл, М.Г. (2003). «Точность диализного (пиперного) отбора проб кадмия в поровых водах морских отложений». Архив загрязнения окружающей среды и токсикологии . 45 (3): 297–305. дои : 10.1007/s00244-003-0114-5 . ПМИД 14674581 . S2CID 23462490 .
- ^ Jump up to: а б с Брамбо, Уильям Дж; Мэй, Томас В.; Бессер, Джон М; Аллерт, Энн Л; Шмитт, Кристофер Дж (2007). «Оценка концентраций элементов в потоках Нового свинцового пояса на юго-востоке Миссури, 2002–05». Геологическая служба США.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Гарти, Дж (2001). «Биомониторинг тяжелых металлов в атмосфере с помощью лишайников: теория и применение». Критические обзоры по наукам о растениях . 20 (4): 309–371. дои : 10.1080/20013591099254 . S2CID 59062166 .
- ^ «Национальные рекомендуемые критерии качества воды — Таблица критериев водной жизни» . Агентство по охране окружающей среды США. 3 сентября 2015 г. Проверено 4 июня 2018 г.