清洁取样和痕量金属研究河和河口水域分析

摘要

Special care using "clean techniques" is required to properly collect and process water samples for trace metal studies in aquatic environments. A protocol for sampling, processing, and analytical procedures with the aim of obtaining reliable environmental monitoring data and results with high sensitivity for detailed trace metal studies is presented.

摘要

Most of the trace metal concentrations in ambient waters obtained a few decades ago have been considered unreliable owing to the lack of contamination control. Developments of some techniques aiming to reduce trace metal contamination in the last couple of decades have resulted in concentrations reported now being orders of magnitude lower than those in the past. These low concentrations often necessitate preconcentration of water samples prior to instrumental analysis of samples. Since contamination can appear in all phases of trace metal analyses, including sample collection (and during preparation of sampling containers), storage and handling, pretreatments, and instrumental analysis, specific care needs to be taken in order to reduce contamination levels at all steps. The effort to develop and utilize "clean techniques" in trace metal studies allows scientists to investigate trace metal distributions and chemical and biological behavior in greater details. This advancement also provides the required accuracy and precision of trace metal data allowing for environmental conditions to be related to trace metal concentrations in aquatic environments.

This protocol that is presented here details needed materials for sample preparation, sample collection, sample pretreatment including preconcentration, and instrumental analysis. By reducing contamination throughout all phases mentioned above for trace metal analysis, much lower detection limits and thus accuracy can be achieved. The effectiveness of "clean techniques" is further demonstrated using low field blanks and good recoveries for standard reference material. The data quality that can be obtained thus enables the assessment of trace metal distributions and their relationships to environmental parameters.

引言

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。

原则上，用于痕量金属测定水样应该用特殊的材料组成，具有仪器分析之前，存储和处理使用适当的容器和设备正确，适当的采样齿轮进行收集。由于悬浮颗粒物（SPM）可以进行在样本储存期的变化和改变水的成分，从水样SPM的快速分离是在水生环境痕量金属研究一种常见的做法。为在自然水域溶解痕量金属浓度的测定，过滤是必需的，并在在线过滤技术是合适的和有效的。

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。

研究方案

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

树脂富集
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。
1. 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
2. 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） _的 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。
3. 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。

结果

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"?...

讨论

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?...

材料

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