CN104048956B - 一种基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的dgt方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电脑成像密度计量（CID）技术测定磷含量的DGT方法，将ZrO₂磷固定膜组装成DGT装置放入磷介质中吸收磷后，将该膜放入85℃热水中热处理5天，促使薄膜吸收的磷被进一步被固定，将该固定膜再放入着色剂中进行着色，利用扫描仪对着色后的薄膜进行扫描，利用软件将扫描获得的图像颜色转成灰度，再根据建立的ZrO₂膜对磷累积量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度转化成磷累积量；根据磷固定膜表面磷累积量通过Fick第一扩散定律计算得到含磷介质中的磷含量。本发明的方法采用CID技术，避免了常规方法中切片、提取等操作，可非常快速、简便地获得膜中磷积累量和含磷介质中的磷含量和空间分布等信息。

Description

一种基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法

技术领域

本发明涉及一种土壤、沉积物等环境介质中磷含量和空间分布信息的测定和收集方法，尤其涉及一种基于电脑成像密度计量(CID)技术测定磷含量的DGT方法，适用于薄膜扩散梯度(Diffusive gradients in thin films，DGT)测定技术中固定膜表面磷积累量的测定。

背景技术

薄膜扩散梯度(Diffusive gradients in thin films，DGT)测定技术是一种非破坏性、原位获取沉积物中污染物分布和活性的新技术，主要由英国Lancaster大学Davison和Zhang等在上世纪90年代中期发展起来。该技术装置主要由固定膜和扩散膜叠加组成(图1)，两者均由凝胶配置而成，其中固定膜通过向凝胶中加入能吸附污染物离子的固定剂配置而成。当DGT装置放入沉积物中，污染物离子以扩散方式穿过扩散膜，随即被固定膜捕获，并在扩散膜上形成线性梯度分布，扩散膜与固定膜接触一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的浓度(C_DGT)为：

$C_{\mathrm{DGT}}=\frac{\mathrm{M\Δg}}{D_g\mathrm{tA}}$

上式中M为固定膜上目标离子的积累量(μg)，Δg为扩散层厚度(cm)，D_g为离子在扩散膜中的扩散速率(cm²/s)，A为固定膜的面积(cm²)，t为扩散时间(s)，C_DGT即是通过DGT分析得到的沉积物中离子的含量(10³μg/L)。

薄膜扩散梯度技术(DGT)已被应用于获取上壤和沉积物中的活性磷及其空间分布信息，特别是磷在沉积物-水微界面的空间分布。对于沉积物中活性磷的测定，固定膜上磷积累量的获取通常是切片、提取的方法，然后用传统的钼蓝比色法测定提取液中的磷浓度。这种方法操作较麻烦且测定时会存在误差。

目前已将DGT技术与电脑成像密度计量技术(Computer-Imaging Densitometry，CID)相结合，以测定沉积物中活性元素。CID技术即积累的活性元素在薄膜上直接进行反应或显色，生成有色物质，再利用扫描仪对薄膜进行扫描，由软件将扫描获得的图像颜色转成灰度，再根据事先建立的校正曲线，将得到的灰度转化成元素累积量。

目前CID技术和DGT技术结合，已被用于沉积物中活性硫的测定。利用CID对S^2-的分析，主要利用了沉淀的原理，事先制作含AgI颗粒的凝胶固定膜，当组装有该固定膜的 DGT装置暴露于S^2-溶液时，溶液中的S^2-以扩散的方式穿过扩散膜，随即与固定膜上的AgI反应生成Ag₂S沉淀。由于Ag₂S是黑色，固定膜表面颜色将加深，颜色深浅可反映S^2-在固定膜上的积累量，因此可利用CID根据固定膜表面的颜色变化(或灰度变化)对固定膜上S^2-的积累量进行定量分析。

目前，CID技术应用到磷的测定中尚未见报道。相比硫的测定，发展CID磷测定的难度要大很多，这是因为不能利用类似于硫化银沉淀的原理建立用于测磷的CID技术。溶液中磷的测定一般采用比色的方法，最为经典的方法是钼蓝法，其次是孔雀绿法，但两种方法的显色反应均在强酸性条件下进行，如按照溶液的显色原理建立CID技术，必须要解决两个问题：凝胶固定膜在强酸性条件下保持稳定的形状，同时固定剂不会溶解；其次，固定膜表面磷与显色剂发生反应时，磷和生成的有色物质不会扩散。现有用于DGT测定磷的商业化固定膜主要以氢氧化铁为固定剂，氢氧化铁在强酸性条件下将发生溶解，因此不适合发展CID技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电脑成像密度计量(CID)技术测定磷含量的DGT方法，解决DGT方法在磷含量测定中，固定膜表面磷积累量的测定中所存在的技术问题，克服现有的切片、提取方法的缺陷，以简化操作，提高测定效率，减小误差并提高分辨率。

本发明采用以下技术方案：

一种基于电脑成像密度计量(CID)技术测定磷含量的DGT方法，将包含磷固定膜的DGT装置放入含磷介质中吸收磷，根据磷固定膜表面磷累积量通过Fick第一扩散定律计算得到含磷介质中的磷含量，其特征在于，磷固定膜吸收磷后，首先对磷固定膜进行热处理，以消除着色过程中磷和有色物质的扩散；再将磷固定膜放入显色剂中，直接在磷固定膜表面进行着色；对着色后的磷固定膜表面进行扫描，并将扫描获得的图像颜色转成灰度值，根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度值的校正曲线，将得到的灰度值转化成的磷固定膜表面的磷累积量。

本发明方法采用CID技术获取磷固定膜表面的磷累积量，避免了常规方法中切片、提取、逐个切片比色等操作，可非常快速、简便地获得膜中磷积累量和空间分布等信息。

所述的磷固定膜为以ZrO₂为固定剂的聚丙烯酰胺凝胶薄膜，如ZL200910183047.5、专利申请201110325615.8公开的磷固定膜。优选改进型ZrO₂聚丙烯酰胺凝胶薄膜，所述的磷固定膜表面均匀分布粒径≤5μm的二氧化锆颗粒。

取出磷固定膜后，将磷固定膜热处理。由于磷固定膜中的ZrO₂固定剂对磷的吸附能力随着温度上升而增加，对固定膜进行热处理，可促使磷在固定膜中被进一步吸附和固定，避免显色过程中磷和有色物质的扩散，这对于保持CID分析的高分辨优势是必要的。反之，如果不进行热处理，显色过程中磷和有色物质不能持续被固定到原有位置，甚至有部分扩散到溶液，造成CID分析获得的信息失真。

进行热处理的方法是将磷固定膜置于去离子水中，85℃恒温处理120h以上。热处理的效果可参见图2至图4。将已吸收磷的固定膜与未吸收磷的固定膜用双面胶固定到一起(图2)，放入显色剂中进行着色。已吸收磷固定膜未进行热处理时，在着色30至90分钟后，空白膜与已吸收磷固定膜接触的边缘灰度明显升高，随着距离延长降低，但空白膜的整体灰度值与着色前相比有明显的增加，说明在已吸收磷固定膜着色时，有磷和有色物质扩散，对空白膜产生了污染(图3、图4)。对已吸收磷固定膜进行热处理后，随着处理时间的延长，空白膜边缘灰度降低，梯度变缓。当热处理时间延长至120h后，空白膜的灰度与着色前相比未有明显的增加，说明已吸收磷固定膜在着色时，没有出现磷和有色物质的扩散。

热处理后直接将薄膜再放入显色剂中进行着色，显色剂可采用磷钼蓝比色法中所使用的显色剂，由钼酸铵储备液(20g钼酸铵与0.5g酒石酸锑钾分别溶解后加194.6mL浓硫酸定容至1L)与抗坏血酸按100mL∶1.5g比例溶解后再稀释10倍，得到1∶10显色剂。优选地，显色温度控制在35℃，显色时间为45min。

基于CID技术，利用扫描仪对着色后的薄膜进行扫描，分辨率可设置为300-600dpi(600dpi相当于0.0423mm×0.0423mm)。利用软件，如ImageJ等将扫描获得图像的颜色转成灰度，再利用事先建立的磷固定膜表面的磷累积量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度转化成磷累积量。

更详细地，所述方法的具体操作步骤为：

a)DGT装置组装：将磷固定膜组装成DGT装置；

b)磷吸收：将DGT装置投入含磷介质中，磷固定膜接触含磷介质，使磷富集于磷固定膜表面；

c)膜热处理：磷固定膜接触含磷介质的一面朝上，置于装有超纯水的玻璃容器中，放入85℃恒温烘箱中120小时间；

d)膜着色：将热处理后的磷固定膜取出，加入显色剂，35℃恒温显色45min；

e)扫描：利用扫描仪将着色后的磷固定膜进行扫描，分辨率设置为300-600dpi，并将扫描获得的图像颜色转化成灰度值；

f)校正曲线的建立：按步骤a)和b)的方法将磷固定膜置于一组已知浓度的磷溶液中吸收磷，每个浓度至少包含两个平行样品，一个平行样品用NaOH提取后，用磷钼蓝比色法测定提取液中磷的浓度，计算磷固定膜表面磷的累积量；另一个平行样品按照与步骤(c)～(e)相同的方法将扫描获得的图像颜色转成灰度值，然后将同一磷溶液中磷固定膜的灰度值与磷累积量拟合成校正曲线；

g)数据处理：根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度值转化成磷固定膜表面的磷累积量；再根据Fick第一定律将磷固定膜表面累积量换算成对应含磷介质的磷含量：

$C_{\mathrm{DGT}}=\frac{\mathrm{M\Δg}}{D_{g}t}\×{10}^3$

上式中，M为膜单位面积的累积量，单位为μg/cm²，Δg为扩散膜厚度，单位为cm；D_g为磷酸根离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm²/s；t为放置时间，单位为秒，C_DGT为含磷介质中的磷含量，单位为μg/L。

本发明的优点及有益效果包括：

(1)操作非常简单。磷固定膜取出后经过前处理可直接显色，然后通过扫描显色后的薄膜得到对应的灰度值，再利用事先建立的ZrO₂膜对磷累积量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度转换成磷累积量。由于校正曲线一次性建立后可在不同条件下重复使用，这种着色-扫描-计算的方法远比现有的切片-提取-测定的方法来得简单和快速，而且节省了试剂。

(2)可成批处理样品，数据收集效率高。当有大量薄膜样品需要测定时，对这些样品可以同时进行热处理，然后采用着色-扫描-计算的流程一次性获得所有样品磷的积累量，因此可以成批处理样品，数据收集的效率显著高于现有的方法。

(3)分辨率高。本发明方法测定磷含量的空间分辨率可达0.0423mm×0.0423mm，通过热处理可避免着色过程中磷和有色物质的扩散，这使得空间分辨率比切片法得以显著提高。

下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1 DGT装置示意图，其中1-固定膜；2-扩散膜；3-滤膜。

图2用于测试磷固定膜着色过程是否产生扩散的实验设计示意图。将已吸收磷的固定膜与未吸收磷的固定膜用双面胶固定到一起，放入显色剂中进行着色。

图3是按照图2所示的实验设计获得的已吸收磷固定膜与空白膜着色后的图片。已吸收磷的固定膜热处理的时间从0延长至120h，着色时间从30min延长至90min。

图4是按照图2所示的实验设计获得的空白膜灰度变化图。

图5(a)不同磷积累量ZrO₂膜的表面着色及其灰度；以及(b)灰度与磷积累量的校正曲线。

图6利用本发明方法获得的DGT磷积累量与理论值的比较。将ZrO₂膜组装的DGT放入不同磷浓度的溶液中，在20℃吸收8小时后，通过本发明方法获得磷的积累量，直线是理论计算的积累量，在溶液磷浓度小于15mg L^-1时，实测值与理论值完全吻合。

具体实施方式

根据本发明方法，将磷固定膜组装成DGT装置投放到不同浓度的磷溶液中，1-2天后取出装置，对磷固定膜进行热处理，然后着色-扫描，将扫描图像的灰度值转换成磷固定膜表面磷的累积量，并计算获得磷溶液中的磷含量。

所用的磷固定膜采用专利申请201110325615.8中的改进型磷固定膜，其制备方法如下：将含水率为45-55％的二氧化锆粉末和丙烯酰胺溶液按质量体积比1∶3～1∶6混匀，研磨后超声破碎，静置除去沉淀物后，加入丙烯酰胺溶液体积的1/1600～1/1400的四甲基二乙胺和1/40～1/60的10％(wt)的过硫酸铵溶液，混合均匀后将混合液注入玻璃模具中，低于室温下水平放置，待锆粉自由沉降后，升温至40～60℃，直至混合液形成凝胶膜，在去离子水中浸泡12小时以上，得到改进型磷固定膜。

所述方法具体操作包括：

(1)DGT装置组装：将磷固定膜、硝酸纤维素膜依次叠加后组装成DGT装置；

(2)充氮：将DGT装置放入盛有去离子水的容器中，向水中充入纯氮气12小时以上去除DGT装置中含有的氧；

(3)磷吸收：将DGT装置水平投到溶液底部，将装膜的一面暴露在磷溶液中，放置1-2天后取出；使得磷富集于磷固定膜表面；

(4)膜热处理：磷固定膜接触磷溶液一面朝上置于装有超纯水的玻璃容器中，放入85℃恒温烘箱中静置，5天后取出。

(5)膜着色：将热处理后的磷固定膜取出，加入40ml(着色剂体积与膜体积比为200∶1)1∶10显色剂，35℃恒温显色45min。

(6)固定膜扫描和灰度获取：利用扫描仪将着色后的薄膜进行扫描，分辨率设置为300-600dpi(相当于0.0423mm×0.0423mm至0.169mm×0.169mm)，利用ImageI软件将扫描获得的图像颜色转化成灰度。

(7)校正曲线的建立：将磷固定膜做成DGT装置暴露于一组不同的已知浓度的磷溶液中，磷吸收时间相同，每个浓度做六个平行样品，取出后其中三个用1MNaOH提取16h，磷钼蓝比色法测定提取液中磷的浓度，利用DGT方法计算不同浓度下磷的累积量；另外三个取出后按照与步骤(4)～(6)相同的方法，热处理5天，再放入着色剂中进行着色，然后利用扫描仪对着色后的薄膜进行扫描，利用ImageI软件将扫描获得的图像颜色转成灰度，然后将暴露于同一磷溶液浓度的固定膜的灰度值与磷累积量拟合成一条校正曲线，即磷固定膜表面磷累积量与表面灰度值的校正曲线。

(8)数据处理：根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度转化成磷累积量；

具体计算步骤如下：

校正曲线的方程为

y＝-167.3e^-x/6.51+214.6

上式中，x为膜单位面积的累积量M，单位为μg/cm²，y为对应的灰度值。

再根据Fick第一定律将该累积量换算成对应磷溶液中的磷含量：

$C_{\mathrm{DGT}}=\frac{\mathrm{M\Δg}}{D_{g}t}\×{10}^3$

上式中，Δg为扩散膜厚度，单位为cm；D_g为磷酸根离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm²/s；t为放置时间，单位为秒，C_DGT为磷含量，单位为μg/L。

不难理解，上述方法可代替现有的提取－显色方法，用于测定固定膜磷的积累量。和DGT结合，可用于沉积物剖面中活性磷含量和空间分布的测定和获取等。

Claims (7)

1.一种基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，将包含磷固定膜的DGT装置放入含磷介质中吸收磷，根据磷固定膜表面磷累积量通过Fick第一扩散定律计算得到含磷介质中的磷含量，其特征在于：磷固定膜吸收磷后，首先对磷固定膜进行热处理，热处理的方法是将磷固定膜置于去离子水中，85℃恒温处理120h以上，以消除着色过程中磷和有色物质的扩散；再将磷固定膜放入显色剂中，直接在磷固定膜表面进行着色；对着色后的磷固定膜表面进行扫描，并将扫描获得的图像颜色转成灰度值，根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度值的校正曲线，将得到的灰度值转化成的磷固定膜表面的磷累积量。

2.根据权利要求1所述的基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，其特征在于：所述的磷固定膜为以ZrO₂为固定剂的聚丙烯酰胺凝胶薄膜。

3.根据权利要求2所述的基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，其特征在于：所述的磷固定膜为改进型ZrO₂聚丙烯酰胺凝胶薄膜，膜表面均匀分布粒径≤5μm的二氧化锆颗粒。

4.根据权利要求1所述的基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，其特征在于，将热处理后的磷固定膜取出，加入显色剂，35℃恒温显色45min。

5.根据权利要求1所述的基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，其特征在于，所述的显色剂为磷钼蓝比色法中的显色剂。

6.根据权利要求1所述的基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，其特征在于，磷固定膜表面进行扫描的分辨率设置为300-600dpi。

7.根据权利要求1所述的方法基于电脑成像密度计量技术测定磷含量的DGT方法，其特征在于，所述方法的具体操作步骤为：

a)DGT装置组装：将磷固定膜组装成DGT装置；

b)磷吸收：将DGT装置投入含磷介质中，磷固定膜接触含磷介质，使磷富集于磷固定膜表面；

c)膜热处理：磷固定膜接触含磷介质的一面朝上，置于装有超纯水的玻璃容器中，放入85℃恒温烘箱中120小时间；

d)膜着色：将热处理后的磷固定膜取出，加入显色剂，35℃恒温显色45min；

e)扫描：利用扫描仪将着色后的磷固定膜进行扫描，分辨率设置为300-600dpi，并将扫

描获得的图像颜色转化成灰度值；

f)校正曲线的建立：按步骤a)和b)的方法将磷固定膜置于一组已知浓度的磷溶液中吸收磷，每个浓度至少包含两个平行样品，一个平行样品用NaOH提取后，用磷钼蓝比色法测定提取液中磷的浓度，计算磷固定膜表面磷的累积量；另一个平行样品按照与步骤c)～e)相同的方法将扫描获得的图像颜色转成灰度值，然后将同一磷溶液中磷固定膜的灰度值与磷累积量拟合成校正曲线；

g)数据处理：根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度值转化成磷固定膜表面的磷累积量；

再根据Fick第一定律将磷固定膜表面累积量换算成对应含磷介质的磷含量：

上式中，M为膜单位面积的累积量，单位为μg/cm²，Δg为扩散膜厚度，单位为cm；D_g为磷酸根离子在扩散膜中的扩散系数，单位为cm²/s；t为放置时间，单位为秒，C_DGT为含磷介质中的磷含量，单位为μg/L。