清洁取样和痕量金属研究河和河口水域分析

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Jiann, K. T., Wen, L. S., Santschi, P. H. Clean Sampling and Analysis of River and Estuarine Waters for Trace Metal Studies. J. Vis. Exp. (113), e54073, doi:10.3791/54073 (2016).

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Abstract

Introduction

人们已经普遍认识到天然水域取得了一些微量金属的结果可能是由于从样本收集,处理和决心1,2过程中应用的技术所产生的不足,文物不准确的。真正的浓度(亚纳米到纳米范围内的地表水3)溶解的微量金属元素是要比以前发表的值低的到现在为止两个数量级。同样的情况在海洋化学凡在大洋水域中溶解的接受微量金属浓度已经超过过去40年减少了数量级左右改进取样和分析方法被引入被发现。已作出努力以改善与“清洁技术”旨在减少或消除微量金属污染的整个痕量金属分析4-8的各个阶段的发展的数据质量。对于重金属含量在环境的决心水平,富集通常需要。离子交换技术的8-12已普遍应用于有效富集。

污染可从容器的壁出现,容器中,取样器,样品处理和存储,以及样品保存和分析7,13的清洗。使用进行了最近的清洁方法,所有的研究表明,在自然水域中重金属含量一般远低于常规方法7检出限。既然承认在90年代初疑微量金属的数据,清洁方法已被纳入美国EPA(环保局)准则痕量金属检测14和美国地质调查局推行清洁方法,为他们的水质监测项目15个 。需要在所有的项目中被采用,以创造一个坚定而准确的数据基础痕量金属研究清洁方法。

分布和在水生环境中,如地表水和地下水的微量金属的行为可以通过天然( 例如 ,风化)和人为的影响( 例如 ,废水流出物)的因素,以及其它环境条件,如重gional地质,形态,土地利用,植被,气候和16-19。然后这会导致诸如悬浮颗粒物浓度(SPM),溶解的有机碳(DOC),人为的配体( 例如 ,乙二胺四乙酸,EDTA)的盐,氧化还原电位和pH值17-20的物理化学参数的差异。因此,准确和相关的痕量金属研究需要痕量金属分析的样品的适当的收集以及相关因素和参数的确定。

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Protocol

1.取样准备

  1. 取样
    1. 采样器组合
      1. 4米长的氟化乙烯丙烯(FEP)管(ID0.635厘米,外径0.95厘米或类似的)连接到1.5米耐化学性的硅树脂泵浦管(外径0.635厘米)。
      2. 插入聚丙烯Y连接到泵送管和50厘米泵送管连接到一个出口,和一个0.45μm的胶囊型过滤器(由一20厘米泵送管)到另一个。
      3. 组装在一个干净的房间(工作台)的管路它们清洗后(见下文),并在组装存储在聚乙烯袋两层。
    2. 取样器清洗
      1. 填充(由1.5米泵送管附着到蠕动泵)的管组与实验室洗涤剂溶液并浸泡24小时。冲洗管道用去离子水集,然后用10%(V / V)盐酸(试剂级)填写并浸泡48小时。
      2. 彻底冲洗管道,用去离子W设置亚特几次,并储存在塑料袋组合。通过将它们浸泡在50%(体积/体积)HNO 3(试剂级)溶液24小时清洁的Y连接器和短抽管。
    3. 胶囊过滤器
      1. 通过首先用去离子水冲洗他们48小时浸泡步骤,然后用10%(体积/体积)HCl溶液清洗胶囊型过滤器。
      2. 酸浸泡后,冲洗用去离子水的过滤器和加入1毫升21%(重量)的NH 4 OH(副煮沸)溶液到每个滤波器以中和酸。
      3. 密封个别滤波器30厘米清洁泵浦管的环连接在聚乙烯拉链袋的入口和出口,并存储。
  2. 样品容器
    1. 用聚乙烯(PE,1000毫升)和FEP(500毫升和1000毫升)瓶的微量金属容器的决心。
      1. 通过首先将它们浸泡在洗涤剂(1%),然后在50%(体积/体积)HNO 3清洗瓶(试剂级)和10%(V / V)盐酸(试剂级)为24,48和24小时的解决方案,分别和冲洗与两个浸泡步骤之间的去离子水的瓶子。
      2. 最终盐酸浸泡后,彻底用去离子水(DIW)冲洗瓶和干燥在一个干净的房间或类100洁净工作台的瓶(用帽密封)。
      3. 聚乙烯袋拉链和双包他们聚乙烯袋运输密封清洗瓶。
    2. 干净的玻璃瓶溶解有机碳(DOC)测定
      1. 浸泡琥珀色硼硅玻璃瓶(40毫升),对溶解有机碳(DOC)的分析,10%盐酸48小时。冲洗用去离子水清洗玻璃瓶,并在480℃下燃烧它们在使用前2小时。单独密封瓶拉链聚乙烯袋运输。

2.抽样

  1. 水样采集
    1. 牛浦Ñ​​到达在取样点,上外袋标记样品识别号码,并保持瓶在其原始袋。
    2. 在河岸或在船上,有一个人打开与采样袋和4米FEP管连接到一个3米聚丙烯极(清洗)。延长杆从银行尽可能远并保持FEP管泵被接通之前运行河水的表面下约为30厘米的入口。
    3. 有另一个人的抽水管连接到蠕动泵(取样泵具有内部电池)的泵头。启动泵和排水(下游侧)的总采样体积的至少3倍。戴上无粉手套,打开瓶子和瓶盖的袋子,开始填充样品瓶。
      1. 可替代地,如果另一个人是可用的,具有第三人负责打开内袋和样品盖,并保持该排出样品进b中的采样管的ottle。
    4. 收集在一个125毫升的塑料瓶在场电导率,温度和pH的测量未过滤样品。
    5. 收集未过滤的样品(500毫升或1,000毫升的微粒样品收集)的第一(通过出口未经过滤器),然后用塑料夹具迫使水去通过囊式过滤器来收集已过滤的水样关闭出口(1 -L溶解微量金属测定)。
    6. 过滤收集样品(通过与过滤器出口)的40毫升的琥珀色玻璃瓶DOC和EDTA的测量。
    7. 在近似500ml /分至1000毫升/分的流速收集水样。当压力开始建立(根据过滤器“规范)更换囊式过滤器。对于每种类型的样品,收集额外采样,以及野外空白,在选定的位置,作为质量控制等分。
    8. 放置在干冰上,并存储我在40毫升的玻璃瓶n中的冰柜,并在冰柜聚乙烯瓶。
  2. 悬浮颗粒物收集(SPM)
    1. 收集0.4微米聚碳酸酯(PC)膜过滤器的SPM(酸洗涤和预称重)通过真空过滤,用塑料过滤漏斗和容器。
    2. 冷冻干燥膜过滤器在实验室中产生SPM浓度和微粒的微量金属测定粒子提供样品。

3.样品预处理(溶解的痕量金属)

  1. 溶解微量金属测定,加入2毫升浓子煮沸HNO 3(每1升样品)到采样瓶。转让溶解微量金属样品(酸化)到FEP瓶。交替,样品可以直接收集到的FEP瓶。紫外线照射在FEP瓶样品24小时(8 15瓦的紫外线灯)。

4.富集及处理痕量金属分析

  1. 权衡2克阳离子交换树脂的成小(10-30毫升容量)塑料杯中,并添加2N的HNO 3溶液少量放入杯中。倒入树脂成一个10毫升容量层析柱。通过用5毫升2N的HNO 3洗涤柱清洁树脂(子煮)两次,并用高纯度水(HPW)3次冲洗。
  2. 加入10 mL 1M的NH 4 OH(分煮)入列到树脂转化为NH 4 +型。
  • 缓冲溶液(1M乙酸铵)
    1. 在大约800毫升HPW添加57毫升冰醋酸(亚煮沸)。加〜60毫升氢氧化铵(21%,分煮沸)中,用乙酸混合。调节最终pH至5.5和最终体积至1000毫升
  • 富集过程(溶解微量金属)
    1. 通过加入30ml的1M ACET铵调节酸化,紫外线照射样品至5.5±0.3的pH值吃缓冲溶液和一些(〜2.8毫升) NH 4 OH(子煮沸)插入采样。
    2. 将样品瓶〜30厘米挤满了阳离子交换树脂(第4.1节)列上,并用〜60厘米FEP管色谱帽和连接器(母鲁尔)连接样品瓶富集列。
    3. 控制在3-5毫升/分钟使用2路活塞的流速,列上方连接。允许样品通过该富集列。后,将样品都通过了列,断开列管和帽。
    4. 用2×5毫升HPW和4×5毫升1M乙酸铵(pH为5.5)和2×5毫升HPW分开来自其它痕量金属主要阳离子的对待的列。
    5. 放置只是列低于30毫升酸洗涤聚乙烯瓶并用7×1毫升2当量的HNO 3洗涤柱(子煮沸)进入PE瓶中。
    6. 通过获得重量确定2 N HNO 3流出物(〜8.0毫升)的体积十二次2 N HNO 3流出物的比重。
  • 悬浮颗粒物消化
    1. 冷冻干燥过滤器的PC与SPM样品和干燥后秤重。处的SPM的样品,使用过滤器,进入预称重氟烷氧基烷烃(PFA)容器(60毫升容量),并添加3ml浓HNO 3的进入血管。
    2. 收紧血管2.5公斤米恒定转矩,并在130℃下12小时在常规烘箱消化。冷却后,打开容器,并加2ml HF进入血管。
    3. 收紧血管2.5公斤米恒定转矩,并在130℃下12小时在常规烘箱消化。冷却后,打开容器并增加16台毫升4.5%硼酸溶液放入容器。
    4. 收紧血管2.5公斤米恒定转矩,并在130℃下在常规烘箱消化12小时。称重各容器,并确定每个消化溶液的比重产生最终的消化量。
    5. 计算每个从过滤器的最终体积和重量SPM的消化稀释因子(最终消化体积样品重量上过滤分)。
  • 5.样品分析

    1. 微量金属
      1. 测定痕量金属(镉,钴,铜,铁,锰,镍,铅和锌)的浓度在预浓缩溶解的样品和火焰原子吸收光谱法,石墨炉原子吸收光谱微粒的解决方案,和/或电感耦合等离子体质谱仪。
      2. 由感应耦合等离子体 - 原子发射光谱法确定主要离子浓度和一些痕量金属,以富集之前绘制的子样品和悬浮颗粒物消化,英寸
    2. 辅助参数
      1. 确定样品的温度,pH值,盐度和电导率在外地,使用便携设备。
      2. 确定溶解或加尼奇碳(DOC)的浓度通过总有机碳分析仪,基于由红外光谱21与二氧化碳检测湿式氧化。确定由高性能液相色谱法(使用的SPD-M10AV Diodearray检测器),按照既定的程序22,23总的EDTA浓度。

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    Representative Results

    随着时代的发展和使用的“清洁技术”,现在清楚地认识到,为了获得在室温水域准确痕量金属浓度,水样品中的微量金属的富集是一种常见的做法。虽然在自然水域中的微量金属大部分的水质标准是在低微克/ L范围内,需要较低的检测限调查在空气中的含量在水生环境的痕量金属地球化学和生物效应。

    与以下使用的“清洁技术”改进的检测的限制,这是明显地从得自德克萨斯河流141随机采集的河水样品的数据集所示,富集是必要( 图1)。为镉,铜,镍,铅痕量金属的数据的直方图显示,虽然特定元素的某些浓度可以相对容易地determi斯内德( 铜),一些元素( 镉和铅)在周围水域远低于常规分析方法检测限的浓度。比较与抗USEPA方法1637年,1638年1639年得克萨斯州的河流数据集制作,和1640的方法1637和1640的微量金属测定富集技术和石墨炉原子吸收光谱法检测或电感耦合等离子体质谱法,分别。方法1639年和1638年是在上述仪器周围海域微量金属元素的测定,没有富集。

    图1
    图1.直方图从美国得克萨斯州的河流收集的数据,并与镉USEPA方法检测限的比较(a)中,铜(b)中,镍(c)和铅(d)所示。总共141样本,随机采集从不同的位置,使用此处描述的取样和分析的协议被处理。比较数据和EPA检测限的分布显示,从德克萨斯河流样品的大部分需要,以获得最佳的数据质量进行预浓缩。在图表中显示的检出限(ML)在USEPA方法1637,1638,1639,1640和(方法的详细内容见正文)列出的那些。 请点击此处查看该图的放大版本。

    的检测限,回收率为参考物质(SRM)和现场坯,带到现场和处理,并处理为样品的高纯度水的空白浓度的结果,显示了“清洁技术”( 表1)的有效性。减少污染导致更低的检测限,SRM好回收率和非常低的领域的空白浓度秒。在表1所示的结果,获得根据处理1升空白样品。低检出限暗示微量金属浓度可以具有良好的数据分辨率,当微量金属分布是被比作环境条件(参数)的影响痕量金属地球化学20这是至关重要的获得。比较我们的结果(方法的检测限)与EPA方法的以上所提到的,其中,但是,不包括场采样,相当或更好的使用这里提供的协议得到(低级)的检测限。良好的精度也达到,通过场空白类似的结果所证明。复制收集样品并对于一些现场样品和痕量金属浓度的差异分别处理为一般小于10%。

    光盘有限公司</ TD>
    纳克/升毫克/升毫克/升毫克/升毫克/升毫克/升纳克/升毫克/升
    MDL 1 0.01 0.06 0.3 0.1 0.1 10 0.1
    SLRS-3(N = 11)
    认证 13 0.027 1.35 100 3.9 0.83 68 1.04 测量(AVG) 12.6 0.026 1.29 97.2 3.86 0.77 71 1.13
    标准差 0.9 0.008 0.09 4.2 0.20 0.06 9 0.12
    复苏(%) 97 97 96 97 99 93 105 109
    字段为空1 0.2 0.000 0.003 0.03 0.00 0.01 2.5 0.02
    领域的空白2 0.2 0.000 0.011 0.02 0.01 0.00 2.9 0.03 领域的空白3 0.1 0.000 0.011 0.03 0.00 0.00 2.5 0.01

    表1的数据质量的结果使用采样和分析这里描述的协议来实现的。检测限,对于一个微量金属标准参考材料(SLRS-3)和痕量金属浓度的图示在3日提交的坯料统计结果(高纯度水视为在外地样本)表明所描述的协议的有效性。浓度单位是纳克镉和铅,和微克/升的其它元件/升。检出限低,回收率好一个标准的参考材料以及低场空白浓度达到。

    使用此处描述的取样和分析的协议获得的结果表明,它不只产生微量金属的数据具有低检测限,它也提供了大范围的应用。与由两个独立的方法确定痕量金属浓度,良好的相关性(r 2> 0.994)接近1的线性回归斜率的比较示于图2中表明,这些技术可在水生环境施用。因为离子交换富集技术被用于产生这些结果,线性范围表明,所描述的协议可以在痕量金属浓度在大的范围内变化明显不同的水生环境施用。

    图2
    2. 两个独立的方法获得的微量金属含量比较。非常好的协议微量金属浓度之间发现使用两个个独立确定吨的方法在同一个样品的单独的等分试样。一个样品采用电感耦合等离子体原子发射光谱法直接分析和其他用离子交换技术下测定电感耦合等离子体质谱法预浓缩。大浓度范围意味着该技术适用于在痕量金属浓度显示显著差异明显不同的环境中的微量金属的研究。 请点击此处查看该图的放大版本。

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    Discussion

    在自然水域中获取可靠的微量金属数据需要样品的采集,处理,预处理和分析旨在减少污染期间强调呵护备至。跟踪中获得的天然水域重金属含量中发现,该浓度可以比以前报道的低几个数量级过去二十年来使用“清洁技术”。在水中的微量金属水质标准时,微量金属水平准确测量造成有害影响人类和高等生物更好的评估,现在更容易评估。生物利用度和在水生环境痕量金属的毒性需要在较低浓度范围更加严格的调查。这不是一项容易的任务,因为痕量金属的分布和行为是通过在环境中的许多其他物理化学参数控制,并且因为这一点,生物利用度和微量金属的毒性的可靠评估具有挑战性。对痕量金属相关的配套参数的采样和分析需要包括在这种评估。

    消除污染,并最终降低对周围水域重金属含量的检测限,因此需要科学各方特别注意微量金属分析的所有阶段。从实验室洁具,抽样齿轮,样品容器,设备和过程中的样品预处理,化学品和试剂使用的材料,器乐设置,污染变得添加剂和报告微量金属分析结果时,指定所有上面提到的需求因素。因此,程序编制抽样齿轮,样品容器和材料来处理和分析样品朝着获得了在水生环境中的微量金属的高数据质量的所有关键步骤。当与现有方法( USEPA方法)相比,使用协议outlin获得的数据ED上述结果更好或相当的检出限和极低的空白。大套房微量元素(8, 表1)进行评估。

    这里所描述的协议可以方便地应用于不同类型的水样的采集,此外还有河流和河口水域, 海洋,湖泊和地下水。因为样品浓缩可能是耗时的,这里提供的协议,可根据在不同的水生环境具体特征进行修改。在高度影响的水域,样品仍然应该干净收集,但它们可以直接通过合适的手段,如果没有遇到矩阵干扰来确定。可如果需要更大或更小的富集系数进行调整样本量。在需要的离子交换容量,以增加的情况下,可以使用较大量的树脂。

    这项工作表明,测定痕量金属元素我们ING“清洁技术”,包括采样和预浓缩,与确定相关环境参数一起,微量金属在水生环境的分布可以更好地评估,考虑到特定的环境条件和自然及人为影响20的程度。大的浓度范围,该协议能够施加暗示微量金属分布和行为的调查,也可以在时间和空间变化的环境中进行的。

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    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Nitric Acid Seastar Chemicals Baseline grade
    Ammonium hydroxide Seastar Chemicals Baseline grade
    Acetic Acid Seastar Chemicals Baseline grade
    Nitric Acid J. T. Baker 9601-05 Reagent grade
    Hydrochloric acid J. T. Baker 9530-33 Reagent grade
    Chromatographic columns Bio-Rad 7311550  Poly-Prep
    Column stack caps Bio-Rad 7311555
    Cap connectors (female Luers) Bio-Rad 7318223
    2-way stopcocks Bio-Rad 7328102
    Cation exchange resin Bio-Rad 1422832  Chelex-100
    Portable sampler (sampling pump) Cole Palmer EW-07571-00
    FEP tube Cole Palmer EW-06450-07 6.4 mm I.D., 9.5 mm O.D.
    Pumping tube Cole Palmer EW-06424-24 6.4 mm I.D. C-Flex
    Capsule filter (0.4 mm) Fisher Scientific WP4HY410F0 polypropylene casing
    1 L low density polyethylene bottle NALGE NUNC INTERNATIONAL 312088-0032
    1 L (or 500 ml) FEP bottle NALGE NUNC INTERNATIONAL 381600-0032

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    References

    1. Taylor, H. E., Shiller, A. M. Mississippi River Methods Comparison Study: Implications for water quality monitoring of dissolved trace elements. Environmental Science and Technology. 29, 1313-1317 (1995).
    2. Windom, H. L., Byrd, J. T., Smith, R. G., Huan, F. Inadequacy of NASQAN data for assessing metal trends in the nation's rivers. Environmental Science and Technology. 25, (6), 1137-1142 (1991).
    3. Mason, R. P. Trace Metals in Aquatic Systems. Wiley-Blackwell. (2013).
    4. Wen, L. -S., Santschi, P., Gill, G., Paternostro, C. Estuarine trace metal distributions in Galveston Bay: importance of colloidal forms in the speciation of the dissolved phase. Marine Chemistry. 63, 185-212 (1999).
    5. Wen, L. -S., Stordal, M. C., Tang, D., Gill, G. A., Santschi, P. H. An ultraclean cross-flow ultrafiltration technique for the study of trace metal phase speciation in seawater. Marine Chemistry. 55, 129-152 (1996).
    6. Benoit, G. Clean technique measurement of Pb, Ag, and Cd in freshwater: A redefinition of metal pollution. Environmental Science and Technology. 28, 1987-1991 (1994).
    7. Benoit, G., Hunter, K. S., Rozan, T. F. Sources of trace metal contamination artifacts during collection, handling, and analysis of freshwater. Analytical Chemistry. 69, (6), 1006-1011 (1997).
    8. Jiann, K. -T., Presley, B. J. Preservation and determination of trace metal partitioning in river water by a two-column ion exchange method. Analytical Chemistry. 74, (18), 4716-4724 (2002).
    9. Fardy, J. J. Preconcentration Techniques for Trace Elements. Alfassi, Z. B., Wai, C. M. CRC Press. 181-210 (1992).
    10. Pai, S. -C. Pre-concentration efficiency of Chelex-100 resin for heavy metals in seawater. Part 2. Distribution of heavy metals on a Chelex-100 column and optimization of the column efficiency by a plate simulation method. Analytica Chimica Acta. 211, 271-280 (1988).
    11. Pai, S. -C., Fang, T. -H., Chen, C. -T. A., Jeng, K. -L. A low contamination Chelex-100 technique for shipboard pre-concentration of heavy metals in seawater. Marine Chemistry. 29, 295-306 (1990).
    12. Pai, S. -C., Whung, P. -Y., Lai, R. -L. Pre-concentration efficiency of Chelex-100 resin for heavy metals in seawater. Part 1. Effects of pH and salts on the distribution ratios of heavy metals. Analytica Chimica Acta. 211, 257-270 (1988).
    13. Salbu, B., Oughton, D. H. Trace Elements in Natural Waters. Salbu, B., Steinnes, E. CRC Press. 41-69 (1995).
    14. U.S. Environmental Protection Agency. Method 1669. Sampling ambient water for trace metals at EPA Water Quality criteria levels. 30 U.S. Environmental Protection Agency. Washington, D.C. Available from: https://www3.epa.gov/caddis/pdf/Metals_Sampling_EPA_method_1669.pdf (1996).
    15. Horowitz, A. J., et al. Problems associated with using filtration to define dissolved trace metal concentrations in natural water samples. Environmental Science and Technology. 30, 954-963 (1996).
    16. Cortecci, G., et al. Geochemistry of trace elements in surface waters of the Arno River Basin, northern Tuscany, Italy. Applied Geochemistry. 24, (5), 1005-1022 (2009).
    17. Markich, S. J., Brown, P. L. Relative importance of natural and anthropogenic influences on the fresh surface water chemistry of the Hawkesbury-Nepean River, south-eastern Australia. The Science of the Total Environment. 217, 201-230 (1998).
    18. Shafer, M. M., Overdier, J. T., Hurley, J. P., Armstrong, D., Webb, D. The influence of dissolved organic carbon, suspended particles, and hydrology on the concentration, partitioning and variability of trace metals in two contrasting Wisconsin watersheds (U.S.A.). Chemical Geology. 136, 71-97 (1997).
    19. Warren, L. A., Haack, E. A. Biogeochemical controls on metal behaviour in freshwater environments. Earth-Science Reviews. 54, 261-320 (2001).
    20. Jiann, K. -T., Santschi, P. H., Presley, B. J. Relationships between geochemical parameters (pH, DOC, SPM, EDTA Concentrations) and trace metal (Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) concentrations in river waters of Texas (USA). Aquatic Geochemistry. 19, (2), 173-193 (2013).
    21. Peltzer, E. T., et al. A comparison of methods for the measurement of dissolved organic carbon in natural waters. Marine Chemistry. 54, 85-96 (1996).
    22. Nowack, B., Kari, F., Hilger, S. U., Sigg, L. Determination of dissolved and adsorbed EDTA species in water and sediments by HPLC. Analytical Chemistry. 68, (3), 561-566 (1996).
    23. Bergers, P. J. M., de Groot, A. C. The analysis of EDTA in water by HPLC. Water Research. 28, (3), 639-642 (1994).

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