引言

近年來，以薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）、平面光極技術(shù)（PO）、激光剝蝕－等離子體質(zhì)譜技術(shù)（LA-ICP-MS）、高分辨孔隙水?dāng)U散平衡技術(shù)（HR-Peeper）以及土壤酶譜技術(shù)（soil zymography）為代表的高分辨分析技術(shù)發(fā)展迅速，逐步成為表征土壤/沉積物生化異質(zhì)性的有效方法。將微尺度采樣技術(shù)與高分辨化學(xué)分析手段相結(jié)合，可在毫米-亞毫米分辨率下進(jìn)行二維化學(xué)/生物成像，能夠準(zhǔn)確地理解土壤/沉積物生物地球化學(xué)過程和污染特性。本文將重點(diǎn)為大家介紹上述技術(shù)在環(huán)境微尺度研究中的聯(lián)用方法。

01薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)與平面光極技術(shù)聯(lián)用

薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）和平面光極技術(shù)（PO）聯(lián)用之后可以同時(shí)觀測(cè)水體、土壤/沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬（類金屬）元素以及植物根際O₂、pH與CO₂等環(huán)境參數(shù)的二維分布及動(dòng)態(tài)變化過程。

1-原理與裝置

2-應(yīng)用案例

Li   et al., Sci. Total Environ.,   2022

▲苦草根際泌氧區(qū)Fe、Mn、P、As與DO的二維空間分布

更多案例請(qǐng)看：PO案例合集

02薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)與比色密度成像計(jì)量技術(shù)聯(lián)用

1-磷二維高分辨分析 • 著色法

該技術(shù)是將Zr-oxide DGT膜著色與CID相結(jié)合，對(duì)有效磷進(jìn)行二維高分辨測(cè)定的技術(shù)。該方法著色原理與溶液中磷與鉬酸銨反應(yīng)原理一致，在Zr-oxide膜表面生成藍(lán)色絡(luò)合物，利用軟件將掃描獲得的灰度值與單位膜面積磷的累積量建立校正曲線，從而實(shí)現(xiàn)沉積物有效磷亞毫米分布信息的大批量獲取。

▲隨時(shí)間的變化Zr-Oxide 膜表面逐漸著色

Ding et al., Environ. Sci. Technol., 2013.

▲灰度值校正標(biāo)線

2-硫二維高分辨分析

還原態(tài)硫 S(II)的檢測(cè)采用Agl/ZrO-Agl/ ZrO-CA DGT膜， 膜吸收硫后呈黑色(AgI與S形成AgS)，用去離子水輕輕沖洗，濾紙擦干膜表面，掃描固定膜的正面，并拍攝彩色照片。通過Image J軟件將掃描獲得的圖像轉(zhuǎn)成灰度，利用校正曲線將灰度轉(zhuǎn)換成 S(-II)積累量，最后利用公式將累計(jì)量轉(zhuǎn)化成濃度值后導(dǎo)入origin生成二維濃度分布圖。

示例   

掃描                →                    灰度校正            →                二維成像

03-高分辨薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)與激光剝蝕－等離子體質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用

高分辨薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）與激光剝蝕－等離子體質(zhì)譜技術(shù)（LA-ICP-MS）聯(lián)用在水土高分辨分析上有巨大優(yōu)勢(shì)，一次性測(cè)定的元素多，且分辨率高，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，可廣泛用于重金屬微觀尺度的分析。

LA-ICP-MS分析流程圖

示例   

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Ren et al., JHM, 2021

▲ 通過LA-ICP-MS分析和O2濃度的二維成像，獲得太湖17種元素的DGT有效態(tài)含量的二維分布。（分辨率188微米ｘ188微米）

04薄膜擴(kuò)散梯度與高分辨孔隙水?dāng)U散平衡技術(shù)聯(lián)用

將DGT與HR-Peeper 同時(shí)使用，并結(jié)合相關(guān)模型，可獲得目標(biāo)離子在土壤/沉積物固-液之間的交換動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)（解吸速率，響應(yīng)時(shí)間等），用于預(yù)測(cè)土壤/沉積物的環(huán)境質(zhì)量變化。

應(yīng)用案例

示例   

Pan，et al., 2019

▲ 基于DGT和HR-Peeper的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用DIFS模擬的海岸沉積物磷的固-液動(dòng)力學(xué)變化過程

  示例   

Hu et al., WR, 2022

▲低鹽度河口濕地土壤中植物生長(zhǎng)期和休眠期CDGT-P、CDGT-Fe和CDGT-S的分布

更多案例請(qǐng)看：HR-Peeper合集

05平面光極、薄膜擴(kuò)散梯度與酶譜技術(shù)聯(lián)用

土壤酶譜(Soil zymography)以熒光底物為基礎(chǔ)的新興酶學(xué)技術(shù)，對(duì)?壤進(jìn)??破壞性取樣，操作簡(jiǎn)便，能在cm到μm的尺度上研究酶活性的空間變化。平面光極（PO）、薄膜擴(kuò)散梯度（DGT）和土壤酶譜可以通過連續(xù)應(yīng)用的方式連續(xù)獲取不同參數(shù)在同一剖面的二維分布信息，不同技術(shù)的連續(xù)應(yīng)用可獲取土壤/沉積物剖面中更多的生物地球化學(xué)信息。

1-原理與裝置

Zhang et al., ER, 2021

2-應(yīng)用案例

Zhang et al., ER, 2021

▲(a)酸性磷酸酶(ACP)活性，(b)堿性磷酸酶(ALP)活性，(c)第三周根際pH和(d) O2的高分辨二維圖像。

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