使用微透析剖面仪在氧化-缺氧土壤-水界面上进行溶解溶质采样

作为土壤科学家，我们总是需要拿土壤粉水进行分析。然而，这并不容易，特别是当粉末水中的化学物质对氧气非常敏感时。这是一项新技术。

我们称之为API采样器。通过使用采样器，我们可以每两毫升对土壤进行实际负荷干扰的土壤粉末。我的学生张莎、雨佳、刘子燕和刘浩将演示如何构建采样器并用它来取土粉水。

首先将原始纳米膜管精确切割成33个短管，长度为58毫米。然后用陶瓷刀将聚四氟乙烯或PTFE管切成66根管，长度为180毫米。接下来，在任何干净的塑料板上充分混合AB环氧粘合剂的两部分，静置30分钟，直到变粘，然后再将其涂抹在PTFE管顶部的外表面上。

确保 AB 环氧粘合剂仅覆盖管子的 4 毫米，并且没有额外的粘合剂阻塞管子。通过将PTFE管轻轻拧入纳米膜管中，将两个PTFE管与每个纳米膜管连接起来，以完全组装所有33个原始微透析采样器。让组装好的取样器静置过夜，以确保粘合剂的完全固化和稳定。

为了增强亲水性并清洁微透析采样器，请将其浸泡在乙醇中一小时，然后用2%稀释的硝酸和超纯水进行超声清洗，每次15分钟。通过使用五毫升注射器在水中冒泡来检查微透析采样器的通畅性和气密性。要组装微透析轮廓仪，请使用CAD文件使用尼龙材料打印预先设计的骨架。

然后挖空一个酸洗的PVC容器，有两个平行的插槽，间隔为5厘米，以匹配骨架尺寸。使用3D打印机中的雕刻模块进行开槽。通过将环氧粘合剂稳定在 50 毫米离心管盖的形状来构建一对多连接器。

然后在固化前将 33 个一厘米长的硅帽插入环氧粘合剂中，静置过夜。接下来，从管帽上取下一对多连接器，然后用陶瓷刀切割策展环氧粘合剂，使所有硅胶帽末端畅通无阻。用 2% 稀释的硝酸和超纯水彻底冲洗一对多连接器 15 分钟，并在环境条件下干燥。

干燥后，将三通阀连接到管子底部以用作缓冲容器。通过使用AB环氧粘合剂将一对多连接器安装到50毫升注射器管来组装缓冲容器 使用热熔粘合剂将单个微透析采样器组装在骨架上，确保每个采样器平行于骨架的顶部或底部边缘。将所有 33 个微透析采样器安装在骨架上，确保两侧的 33 个采样器通过 PVC 插槽。

用AB环氧粘合剂密封骨架接头和槽口处的间隙。接下来，通过预装在 50 毫升离心管中的一对多连接器阀将所有采样器连接到骨架的一侧到缓冲容器。然后通过三通阀将预装 18.3 毫欧姆水的医用输液袋连接到缓冲容器。

使用硅帽关闭采样侧的所有采样器。通过转动三通阀，仔细检查每个微透析取样器的通畅性和气密性，让水从医用输液袋流到取样器。然后关闭并关闭缓冲容器上的所有采样器和阀门。

在孵育淹没的土壤之前，通过对医用输液袋中的水进行脱气来去除氧气。将氮气在管路中过夜，将高纯氮气输送到医用输液袋。使用三通阀关闭轮廓仪和脱气袋之间的连接。

然后将450克过筛的风干土壤加入PVC容器中，确保五个微透析采样器保持在土壤表面以上。在用超纯水淹没土壤之前，用组织覆盖土壤表面。一旦土壤被淹没在土壤表面上方五厘米处，请去除组织。

一旦土壤孵育初始化，立即用预加载的溶液吹扫系统。然后通过打开厌氧袋和透析采样器之间的连接来冲洗采样系统。用水清洗每个采样器时，使用采样器总体积的十倍。

一个采样器的吹扫完成后，在清除每个采样器之前，使用干净的硅帽盖住它，以建立一个淹没土壤孵化和采样系统。接下来，将厌氧袋调整到水面的高度，确保所有管子都装满水。如果没有，请取下盖子并降低管顶，让水从厌氧袋中流出。

关闭盖子和阀门，孵育七天，关闭厌氧袋和透析采样器之间的连接。取样前，将土壤容器、取样顶部和厌氧袋中的水位调整到相似的高度，以避免水势明显不同。然后打开厌氧袋和缓冲容器之间的连接。

从上到下取下第一个采样器的盖子。使用移液器将 133 微升样品从取样器转移到 0.6 毫升小瓶中，预装 133 微升 2% 硝酸以保存。在取样过程中，观察缓慢但均匀的水滴流向厌氧袋观察室中的微透析采样器。

在移动到下一个采样管之前，用硅胶盖关闭管顶部。在关闭厌氧袋和缓冲容器之间的连接之前，对所有 33 个样品重复此操作。在取样后的第六天补充淹没的水。

通过在转移不良水样品之前和之后称量样品瓶来计算样品体积回收率。然后使用电感耦合等离子体质谱或ICPMS测量贫水中元素的总溶解浓度。样品体积回收率平均为101.4%，范围为100.2%至103.6%，样品体积回收率略高，表明厌氧袋与采样管顶部之间存在水位差异。

利用第六天和第七天收集的土壤水界面样品，测定了贫水中铁、锰、砷、镉、铜、铅、镍和锌的总溶解浓度。第6天，锰、铁、砷的溶解浓度随土层深度的增加而增加，铜、铅的溶解浓度随土层深度的增加而降低。然而，对于镉、镍和锌，浓度深度剖面显示出不同的模式，因为溶解的浓度从负20毫米增加到更深的位置。

第六天零下12毫米深度铁和砷的浓度深度剖面显著高于第七天的水平。然而，铁和砷浓度从零下18毫米到零下50毫米的深度明显更高。对于除锰外测定的大多数元素，在需氧补水后，表层水中的溶解浓度和零下15毫米深度的均匀表层土壤显着降低。

第七天铅的浓度峰值在大约负10毫米的深度显示出与第六天的对比模式。这种技术对研究生物地球化学微界面过程的研究人员特别有用。它可以缩小医学混杂因素的范围。

此过程适用于平坦的土壤，这意味着氧气的泄漏或侵入将意外地显着改变化学过程，确保所有连接都是气密的，水脱气是足够的。在此过程之后，可以执行其他方法，例如腕液相色谱和质谱以及特殊分辨率微生物分析，以弥合化学和生物过程。这项技术为研究人员探索病毒扰动如何影响在不断变化的环境中编辑的传感器元件的行为的新问题铺平了道路。