近年來(lái)，非破壞性的原位采樣技術(shù)逐漸受到重視。原位采樣技術(shù)以目標(biāo)物在不同化學(xué)勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下從樣本介質(zhì)到收集介質(zhì)的自由擴(kuò)散為基本原理，可以在不影響待測(cè)樣品濃度及周圍環(huán)境的情況下實(shí)時(shí)收集目標(biāo)物，通過(guò)分析采樣器中目標(biāo)物含量可以真實(shí)反映出待測(cè)環(huán)境體系中的在采樣器放置時(shí)間內(nèi)的平均濃度。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到沉積物-水界面的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征決定了污染物的環(huán)境行為，但是，對(duì)環(huán)境微界面過(guò)程的深入研究關(guān)鍵取決于微界面過(guò)程的測(cè)量技術(shù)，如果沒(méi)有相應(yīng)的微界面測(cè)量技術(shù)手段，則相關(guān)研究始終不能進(jìn)一步開展。傳統(tǒng)的采樣方法由于空間分辨率低(一般為厘米級(jí))和容易破壞沉積物原有結(jié)構(gòu)等，分析結(jié)果可能有較大的偏差。原位高分辨率(毫米級(jí))的被動(dòng)采樣技術(shù)，如微孔穿刺電極、透析裝置(Peeper)技術(shù)、薄膜擴(kuò)散平衡(diffusive equilibrium in thin films，DET)技術(shù)、薄膜擴(kuò)散梯度(diffusive gradients in thin films，DGT)技術(shù)，很好地解決了這一問(wèn)題。

微電極測(cè)定系統(tǒng)

微電極是一種在高靈敏度、不破壞檢測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和生理活性的基礎(chǔ)上，利用電信號(hào)傳輸所建立的可觀察目標(biāo)離子微小濃度變化的測(cè)量技術(shù)。原位在線測(cè)量的特點(diǎn)使其可應(yīng)用于水-沉積物界面的識(shí)別，大多用于分析水-沉積物界面附近的介質(zhì)的理化指標(biāo)的變化趨勢(shì)。研究顯示，水-沉積物界面附近包含大量有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)，且這些物質(zhì)可在微生物以及底棲生物作用下快速循環(huán)、再生，如底棲生物擾動(dòng)強(qiáng)度和類型決定了溶解氧的濃度和滲透深度，從而控制了環(huán)境中沉積物氧化還原界面的深度。不僅有機(jī)質(zhì)的降解以及好氧生物活動(dòng)將消耗大量的氧，而且一些還原性物質(zhì)的氧化也要消耗氧，這些反應(yīng)在消耗氧的同時(shí)釋放出大量的酸，使得沉積物表層存在著極陡的濃度梯度(如pH值和一些營(yíng)養(yǎng)元素等)。常規(guī)的采樣和分析方式由于采樣時(shí)溫度、壓力、水動(dòng)力、底棲擾動(dòng)條件的改變以及采樣過(guò)程中人為的污染等因素，無(wú)法獲得可靠的高分辨率數(shù)據(jù)來(lái)滿足精確認(rèn)識(shí)表層沉積物內(nèi)發(fā)生的生物、化學(xué)過(guò)程需求。隨著研究的推進(jìn)，早期用于生理學(xué)領(lǐng)域的選擇性膜微電極開始應(yīng)用于在沉積物特性研究，大大改變了人們對(duì)發(fā)生在沉積物表層的生物化學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

1980年，Revsbech首先將微電極引入海洋沉積物方面的研究。隨后，Hulth等采用氧微電極和pH微電極測(cè)定了海洋中水-沉積物微界面DO和pH值的分布規(guī)律。國(guó)外學(xué)者將微電極成功應(yīng)用于海洋領(lǐng)域后，我國(guó)不少學(xué)者也意識(shí)到微電極在我國(guó)的湖泊研究中將會(huì)有很大的發(fā)展前景，逐漸開始將微電極引入水環(huán)境領(lǐng)域研究。王建軍等首次將微電極引入湖泊生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)定，研究采樣溶解氧微電極，測(cè)量了太湖及南四湖多點(diǎn)位沉積物-水界面溶解氧的濃度變化，發(fā)現(xiàn)空間位置、生物擾動(dòng)和沉積物有機(jī)質(zhì)含量極大地影響著界面附近的氧氣交換速率。隨后，徐洋等利用微電極測(cè)量系統(tǒng)研究了貴州紅楓湖水-沉積物界面附近溶解氧和H2S的沉積物剖面分布特征，進(jìn)一步證明微電極操作系統(tǒng)在湖泊沉積物相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定的可靠性與可行性。

Peeper技術(shù)

除了利用電信號(hào)建立的污染物原位測(cè)定技術(shù)，滲析法也被普遍用于污染信息的原位獲得。這類技術(shù)的原理是應(yīng)用一張滲析膜將間隙水采集室與間隙水分隔開。間隙水中的溶解性物質(zhì)不斷穿過(guò)滲析膜擴(kuò)散至采集液中，直至采集室內(nèi)溶劑的濃度與間隙水中待測(cè)的濃度相等，最后回收每個(gè)采樣小室中的溶劑并測(cè)定其化學(xué)濃度，即可得到間隙水中待測(cè)溶劑濃度。Peeper裝置由丙烯酸塑料和垂直的滲析膜組成。作為沉積物孔隙水的原位測(cè)定手段，Peeper可測(cè)量分子量小于透析膜截留分子量的所有可溶性的金屬形態(tài)。透析裝置的主體由一系列小室組成，小室兩側(cè)覆蓋一層透析膜，室內(nèi)預(yù)先封裝采樣介質(zhì)，利用透析膜過(guò)濾的特性，使沉積物孔隙水中一些可溶離子和分子通過(guò)透析膜與透析裝置中的采樣介質(zhì)并進(jìn)行物質(zhì)交換，放置一段時(shí)間后達(dá)到平衡。其優(yōu)點(diǎn)在于可以分離出可溶性的物質(zhì)形態(tài)，采樣過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，可以原位測(cè)量而不會(huì)改變樣品的物理化學(xué)形態(tài)。為了滿足不同的使用目的，最初的Peeper裝置不斷得到改進(jìn)。2002年，Lewandowski等發(fā)明了二維的Peeper裝置，用于測(cè)定間隙水中二維的溶解態(tài)信息。Xu等改進(jìn)了原有的Peeper技術(shù)，將分辨率提高到了2 mm，并且縮短了平衡時(shí)間至48 h，克服了之前的Peeper低空間分辨率(～1 cm)和平衡時(shí)間長(zhǎng)(幾周)的頑疾。由于Pepper在收集間隙水中溶解態(tài)As的同時(shí)也會(huì)收集其他污染物質(zhì)信息，加之環(huán)境中有效態(tài)As的濃度相對(duì)較低，故其獲得的As污染信息往往易受其他元素干擾。

DET技術(shù)

DET技術(shù)是利用離子在介質(zhì)與水體之間的被動(dòng)擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)原位采樣的目的。與透析裝置法相比，DET技術(shù)采用水凝膠而不是去離子水或電解質(zhì)溶液為采樣技術(shù)，具有更高的空間分辨率，更短的平衡時(shí)間，并且結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單易用。DET技術(shù)以水凝膠(擴(kuò)散相)與外部水體中被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的濃度梯度為動(dòng)力，隨著擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)行，濃度梯度不斷減小，直至為零，達(dá)到擴(kuò)散平衡，平衡后完成采樣過(guò)程。然而DET技術(shù)和Peeper技術(shù)都不能有選擇性地吸收待測(cè)元素，即兩者不具備形態(tài)選擇性，無(wú)法區(qū)分重金屬的無(wú)機(jī)形態(tài)和有機(jī)小分子，只要被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的可溶性形態(tài)能夠擴(kuò)散到水凝膠中，就能夠被測(cè)量，故其應(yīng)用得到限制。與Pepper技術(shù)的缺點(diǎn)相似，DET技術(shù)測(cè)定的間隙水中溶解態(tài)As濃度由于受到自身濃度較低的影響，所得結(jié)果極易與實(shí)際濃度產(chǎn)生誤差。

DGT技術(shù)

與其他傳統(tǒng)的形態(tài)分析技術(shù)相比，由英國(guó)科學(xué)家Davison等1994年發(fā)明的DGT技術(shù)能更好地反映生物體所吸收的重金屬。DGT技術(shù)引入了一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，可以通過(guò)模擬植物或者其他生物對(duì)重金屬的吸收過(guò)程來(lái)進(jìn)行重金屬生物有效性研究。該技術(shù)可以更加真實(shí)有效地模擬介質(zhì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程，并運(yùn)用模型可以估算介質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而能夠更好地評(píng)估介質(zhì)運(yùn)輸動(dòng)態(tài)過(guò)程的重要性，因此所獲結(jié)果不僅僅包括沉積物間隙水中溶解態(tài)物質(zhì)的濃度，還包括沉積物固相向間隙水釋放補(bǔ)給的污染物質(zhì)濃度。DGT裝置由過(guò)濾膜(filter membrane)、擴(kuò)散膜(diffusion gel)和吸附膜(resin gel)以及固定這3層膜的塑料外套組成。其中過(guò)濾膜主要用來(lái)避免待測(cè)環(huán)境中的顆粒物進(jìn)入DGT裝置，擴(kuò)散膜能夠讓溶液態(tài)的離子自由擴(kuò)散，吸附膜可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇不同的吸附材質(zhì)。DGT技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是能夠定量測(cè)定環(huán)境中元素濃度。

DGT技術(shù)以菲克(Fick)擴(kuò)散第一定律為其理論基礎(chǔ)，利用固定膜與液相之間形成的濃度梯度，對(duì)通過(guò)固定時(shí)間內(nèi)穿過(guò)一定厚度的擴(kuò)散膜的元素進(jìn)行計(jì)算而獲得準(zhǔn)確的元素的有效態(tài)濃度值。相對(duì)于Pepper和DET技術(shù)，DGT技術(shù)對(duì)污染物的測(cè)定具有形態(tài)的選擇性并且對(duì)獲得的有效態(tài)濃度具有預(yù)濃縮作用。隨著研究的深入，DGT技術(shù)針對(duì)有效態(tài)As的測(cè)定方法在不斷改進(jìn)。以往研究報(bào)道顯示，F(xiàn)errihydrite、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO)為吸附劑所制作的DGT裝置可有效用于環(huán)境中As污染狀況的評(píng)價(jià)，且以Ferrihydrite為吸附劑制作的DGT裝置已經(jīng)成熟商業(yè)化，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。2002年，Zhang等利用Slurry Ferrihydrite DGT測(cè)定沉積物中有效態(tài)As的濃度，并首次將有效態(tài)As在水-沉積物界面的豎直分布信息精確到毫米，且直接證明沉積物中有效態(tài)As與Fe的濃度具有較好的相關(guān)性。隨后，Panther等采用Slurry Ferrihydrite制作固定膜，對(duì)水環(huán)境中有效態(tài)As濃度進(jìn)行測(cè)定，并側(cè)重分析了pH值、陰陽(yáng)離子、有機(jī)酸等環(huán)境因素對(duì)該技術(shù)評(píng)價(jià)As的生物毒性的影響。結(jié)果顯示，該種DGT裝置可不受外部測(cè)定條件干擾，較好地應(yīng)用于水環(huán)境有效態(tài)As的濃度測(cè)定。pH值在3～7時(shí)，該DGT裝置所吸收As的量與計(jì)算理論值相符；陰陽(yáng)離子濃度在自然水體4倍濃度范圍之內(nèi)時(shí)，該DGT裝置仍表現(xiàn)出良好的有效態(tài)As濃度測(cè)定結(jié)果。由于Ferrihydrite的極強(qiáng)不穩(wěn)定性，該種DGT裝置的吸附容量和抗老化性能一直是限制該技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要原因。基于此種DGT裝置的不足，2010年，Luo等針對(duì)Slurry Ferrihydrite進(jìn)行改善獲得Precipitated Ferrihydrite材料，并將其應(yīng)用于新型DGT固定膜的制作。Precipitated Ferrihydrite DGT實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于Slurry Ferrihydrite DGT，新型的Precipitated Ferrihydrite DGT提高了As離子的吸附容量，對(duì)As的容量由9.6μg/cm2增加到27.7μg/cm2?？弓h(huán)境干擾性能也表現(xiàn)較好：pH值在3.12～6.98范圍內(nèi)，對(duì)As的累積量與理論值相符，但pH值大于7.82時(shí)，該種DGT對(duì)As(Ⅴ)累積表現(xiàn)出抑制作用；在1～100 mM的離子強(qiáng)度條件下(以NaNO3計(jì))，該種DGT裝置對(duì)As的吸收和積累仍表現(xiàn)正常。但新型的Precipitated Ferrihydrite DGT裝置由于Ferrihydrite顆粒的不穩(wěn)定性，新型沉淀型鐵膜的抗老化性能極差，其有效使用期僅為40 d左右。

基于以上研究，Panther等以TiO2為吸附劑發(fā)明了一種新型Metsorb DGT裝置。Metsorb DGT裝置對(duì)溶液中的無(wú)論是三價(jià)還是五價(jià)As都遵循DGT的理論進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的吸收累積。該種DGT裝置具有較為理想的抗環(huán)境干擾性，pH值和離子強(qiáng)度的變化對(duì)其測(cè)定有效態(tài)As的結(jié)果無(wú)明顯影響。Bennett等將Metsorb DGT裝置和Slurry Ferrihydrite DGT裝置應(yīng)用于對(duì)比研究水環(huán)境中有效態(tài)As濃度，結(jié)果顯示，Metsorb DGT裝置對(duì)As離子的選擇吸附性明顯強(qiáng)于Slurry Ferrihydrite DGT裝置，且Slurry Ferrihydrite DGT裝置測(cè)定所得的As濃度明顯低于環(huán)境中的實(shí)際值。Metsorb DGT裝置對(duì)有效態(tài)As的測(cè)定性能明顯優(yōu)于Slurry Ferrihydrite DGT裝置，但由于Metsorb DGT裝置對(duì)As(Ⅲ)的吸附容量明顯低于Slurry Ferrihydrite DGT裝置(前者僅為后者吸附容量的40%)，這一特性局限了Metsorb DGT裝置在As(Ⅲ)占主導(dǎo)以及污染條件復(fù)雜的環(huán)境中的應(yīng)用，加之Metsorb膜制備條件苛刻、Metsorb顆粒分布的不均勻性以及吸附介質(zhì)易團(tuán)聚等，Metsorb DGT裝置的應(yīng)用以及近一步研究受到了限制。

基于現(xiàn)有DGT技術(shù)制作成本高、固定膜的性能不穩(wěn)定、吸附容量低、選擇性差等不足,Sun等在利用Zr-oxide DGT裝置測(cè)定有效態(tài)P的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于湖泊有效態(tài)As的測(cè)定研究。Zr-oxide DGT裝置對(duì)有效態(tài)As的測(cè)定表現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果，該種DGT裝置對(duì)As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附容量分別達(dá)到51.3μg/cm2和138.9μg/cm2。且該種DGT裝置具有理想的抗環(huán)境干擾性能，pH值和離子強(qiáng)度對(duì)有效態(tài)As的測(cè)定無(wú)影響。其在抗老化效應(yīng)方面也表現(xiàn)良好，固定膜的正常使用時(shí)限可達(dá)2 a以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Precipitated Ferrihydrite膜的38 d。但以上羅列的DGT裝置所獲得的濃度是對(duì)As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的共同測(cè)定結(jié)果，無(wú)法單一測(cè)定生物毒性最強(qiáng)的As(Ⅲ)或生物有效性相對(duì)較弱的As(Ⅴ)濃度。而以硅膠為吸附劑所制成的DGT裝置可專性吸附As(Ⅲ)離子，但由于該種DGT裝置固定膜的吸附性能易受環(huán)境因子和老化效應(yīng)干擾，大規(guī)模野外應(yīng)用成效仍需驗(yàn)證。