נקי דיגום ואנליזה של נהר ושפכי הנהרות ווטרס ללימודי מתכת עקבות

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

זה הוכר כי בדרך כלל כמה תוצאות מתכת עקבות שהתקבלו עבור מים טבעיים עשויות להיות לא מדויקות בשל ממצאים הנובעים טכניקות לקויות מיושמות במהלך איסוף דגימה, טיפולי ^1,2 ונחישות. הריכוזים הנכונים (בתת-ננומטר טווח ננומטר במי משטח ³⁾ של עקבות מתכות מומסות הם עכשיו עד שני סדרי גודל נמוך מזה של מדדי מחירים שפורסמו בעבר. המצב הדומה נמצא בכימיה הימית שבם ריכוזי מתכות קורט המומסים קבלו במים אושיאניק ירדו ב סדר הגודל מעל 40 השנים האחרונות בערך כמו דגימת שיפור שיטות אנליטיות הוכנסו. נעשו מאמצים כדי לשפר את איכות נתונים עם ההתפתחויות של "טכניקות נקיות" שמטרתו הצמצום או החיסול של זיהום עקבות מתכת לאורך כל שלבי ניתוח מתכת עקבות ^4-8. לקביעת ריכוזי מתכות קורט ב הסביבה רמות, preconcentration נדרש לעיתים קרובות. יון-חילופי טכניקות ^8-12 יושמו כלל עבור preconcentration יעיל.

זיהום יכול לנבוע קירות מכולות, ניקוי של המכולות, סמפלר, טיפול מדגם ואחסון, מדגם שימור וניתוח ^7,13. כל המחקרים בשיטות נקיות שנערכו ולאחרונה עולים כי ריכוזי עקבות מתכת מים הטבעיים הם בדרך כלל הרבה מתחת לתחום הגילוי של שיטות שיגרתיות ^7. מאז הכרת נתוני מתכת עקבות חשודות בתחילת 1990, שיטות נקיות שולבו ארה"ב EPA (סוכנות להגנת סביבה) הנחיות לקביעת מתכת עקבות ¹⁴ ו הגיאולוגי האמריקנית אמצה שיטות נקיות לניטור איכות מים שלהם פרויקטי ^15. שיטות נקיות ללימודי מתכת זכר צריכות להיות מועסקות בכל הפרויקטים על מנת ליצור בסיס נתונים המשרד ומדויק.

Class = "jove_content"> באופן עקרוני, דגימות מים המשמשות לקביעת מתכת עקבות יש לאסוף עם הילוכי דגימה מתאימים של חומר והרכב בפרט, מאוחסן ומטופלים כראוי באמצעות מכולות ומכשירים מתאימים, לפני שתמשיך ניתוח אינסטרומנטלי. מאז חומר חלקיקי מושעה (SPM) יכול לעבור שינויים במהלך תקופת האחסון מדגם ולשנות בהרכב המים כאמור, הפרדה מהירה של SPM ממדגמים מים היא מנהג נפוץ ללימודי מתכת עקבות בסביבות מימיים. לקביעת ריכוזי מתכות קורט מומסים במים טבעיים, הסינון הכרחי ב-קו טכניקות סינון מתאימות ויעילות.

הפצה והתנהגות של עקבות מתכות בסביבות מימיות כגון מים עיליים ומי תהום יכולות להיות מושפעות טבעי (למשל, בליה) ו אנתרופוגניים (למשל, שפכי שפכים) גורמים, כמו גם תנאים סביבתיים אחרים, כגון מחדשגיאולוגית gional, מורפולוגיה, שימושי קרקע וצמחייה, והאקלים ^16-19. אז זה יכול לגרום להבדלים בפרמטרים physicochemical כגון ריכוזי חומר חלקיקי מרחף (SPM), פחמן אורגני מומס (DOC), הליגנדים אנתרופוגניים (למשל, חומצה ethylenediaminetetraacetic, EDTA), מלח, פוטנציאל חיזור pH ^17-20. לכן, מחקרי מתכת עקבות מדויקים ורלוונטיים דורשים איסוף מתאים של דגימות לבדיקת מתכת עקבות וכן על קביעת מקדמים ופרמטרים נלווים.

Protocol

1. הכנת דגם

1. דַגָם
   1. מכלול של סמפלר
      1. חבר פרופילן אתילן 4 מ fluorinated ארוך (FEP) צינורות (ID 0.635 ס"מ, OD 0.95 ס"מ או דומה) לצינור השאיבה סיליקון 1.5 מ 'עמיד כימי (ס"מ 0.635 OD).
      2. הכנס Y-מחבר פוליפרופילן לתוך צינור השאיבה, ולחבר צינור שאיבה 50 סנטימטרים עד לשקע אחד, ומסנן כמוסה 0.45 מיקרומטר (על ידי צינור שאיבה של 20 סנטימטרים) ועד קצו.
      3. הרכב את tubings בתוך חדר נקי (ספסל) אחרי שהם מנקים (ראה להלן), ולאחסן את המכלול בשתי שכבות של שקיות פוליאתילן.
   2. ניקוי סמפלר
      1. מילוי (על ידי הצמדת צינור שאיבה 1.5-מ 'על משאבה peristaltic) סט צינורות עם פתרון אבקת מעבדה יש ​​להשרות למשך 24 שעות. שטוף את הצינורות משובצים מי דה מיונן, ואז למלא אותו עם 10% (v / v) HCl (כיתה מגיבה) ומשרים למשך 48 שעות.
      2. ביסודיות לשטוף בצינור משובץ דה מיונן wאטר מספר פעמים, ולאחסן את המכלול בשקיות פלסטיק. נקו את Y-מחברים וצינורות שאיבה קצר על ידי השריית אותם HNO ₃ 50% (v / v) פתרון (מגיב כיתה) למשך 24 שעות.
   3. מסנני קפסולת
      1. נקו את המסננים הקפסולה על ידי שטיפה אותם קודם עם מים מיוננים דה, אז 10% (v / v) פתרון HCl עבור צעד השריה של 48 שעות.
      2. לאחר ההשריה חומצה, לשטוף את המסננים במים דה מיונן ולהוסיף 1 מ"ל של 21% (משקל) NH _​​4 OH (תת-מבושל) פתרון לתוך כל מסנן לנטרל את החומצה.
      3. חותם מסנן הפרט עם לולאה של 30 ס"מ צינור ניקה- שאיבה חיבור הכניסה והיציאה, ולאחסן בשקיות עם רוכסן פוליאתילן.
2. מכולות לדוגמא
   1. השתמש פוליאתילן (PE, 1,000 מ"ל) ו FEP (500 מ"ל ו 1,000 מ"ל) בקבוקים למכולות לקביעת מתכת עקבות.
      1. נקה את הבקבוקים ידי טבילתם הראשונה דטרגנט (1%), ולאחר מכן ב 50% (V / V) HNO ₃(מגיב כיתה) ו -10% (v / v) HCl (מגיב כיתה) פתרונות עבור 24, 48 ו -24 שעות, בהתאמה, ולשטוף את הבקבוקים עם מים מיוננים דה בין שני שלבי השרייה.
      2. לאחר ההשריה HCl הסופי, לשטוף את הבקבוקים היטב במים דה מיונן (DIW) ומייבשים את בקבוקי (עם כובע חתום) בחדר נקי או בכיתה-100 ספסל נקי.
      3. בקבוקי ניקה חותם בשקיות עם רוכסן פוליאתילן פעמיים שקית אותם בשקיות פוליאתילן לתחבורה.
   2. בקבוקי זכוכית נקיים עבור פחמן אורגני מומס (DOC) קביעה
      1. משרים בקבוקי זכוכית בורוסיליקט ענבר (40 מ"ל), לניתוח של פחמן אורגני מומס (DOC), ב 10% HCl למשך 48 שעות. לשטוף בקבוקי זכוכית לנקות עם מי דה-מייננת, להתלקחות אותם ב 480 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות לפני השימוש. חותם את בקבוקי בנפרד בשקיות פוליאתילן רוכסן לתחבורה.

2. דגימה

1. איסוף דגימת מים
   1. UPOn הגעה למתחם הדגימה, סימן מדגם זיהוי מספר על השקית החיצונית, ולשמור את הבקבוקים בשקיות המקוריות שלהם.
   2. בבנק הנהר או על סירה, יש אדם אחד לפתוח את השקית עם סמפלר לצרף את צינורות FEP 4-מ מוט פוליפרופילן 3-מ '(ניקו). להאריך את המוט עד מהבנק ככל האפשר ולשמור על מפרצון של צינורות FEP כ 30 ס"מ מתחת לפני השטח של מים זורמים בנהר לפני המשאבה מופעלת.
   3. יש אדם אחר לצרף את צינור השאיבה אל ראש המשאבה של משאבת peristaltic (משאבת דגימה עם סוללות פנימיות). הפעל את משאבת ניקוז המים (צד במורד הזרם) לפחות 3 פעמים מנפח סמפלר הכולל. לבש כפפות אבקה ללא ולפתוח את התיק של בקבוקים, פקקים להתחיל למלא את הבקבוקים המדגמים.
      1. לחלופין, אם אדם אחר זמין, יש בגוף השלישי להיות אחראי על פתיחת התיקים הפנימיים וכובעים מדגמים, וחזקה של צינור הדגימה המנקז את המדגם לתוך bottle.
   4. אסוף מדגם לא מסונן בבקבוק פלסטיק 125 מ"ל למדידות של מוליכות, טמפרטורה ו- pH בתחום.
   5. לאסוף דגימות ללא סינון (500 מ"ל או 1,000 מ"ל לאיסוף מדגם חלקיקים) הראשון (דרך שקע ללא מסנן) ולאחר מכן לסגור את שקע עם מהדק פלסטיק לכפות מים לעבור את הסינון הקפסולה לאיסוף דגימת מים מסוננים (1 -L לקביעת מתכת עקבות מומסות).
   6. לאסוף דגימות מסוננים (דרך שקע עם מסנן) בבקבוקי זכוכית ענבר 40 מ"ל למדידות DOC ו EDTA.
   7. לאסוף דגימות מים בקצב זרימה של 500 מ"ל / דקה המשוער 1,000 מ"ל / דקה. חלף מסנני הקפסולה כאשר הלחץ מתחיל להצטבר (בהתאם למפרט 'המסננים). עבור כל סוג המדגם, לאסוף דגימות נוספות, כמו גם כדורי סרק שדה, במקומות נבחרים לשמש aliquots בקרת איכות.
   8. מניחים את בקבוקי זכוכית 40 מ"ל על קרח יבש אחסנתיn ארגז קרח, ובקבוקי פוליאתילן בארונות קרח.
2. אוסף של חומר חלקיקי מרחף (SPM)
   1. אסוף SPM על 0.4 מיקרומטר פוליקרבונט (PC) מסנני ממברנות (חומצה שטף טרום שקל) על ידי סינון ואקום, תוך שימוש במשפך סינון פלסטיק כלי.
   2. להקפיא מסנני קרום יבשים במעבדה להניב ריכוזי SPM ולספק דוגמאות חלקיקים לקביעת מתכת עקבות חלקיקים.

3. Pretreatment לדוגמא (מומס עקבות מתכות)

1. לקביעת מתכת עקבות מומסת, תוספת מבושלת תת מרוכז 2 מיליליטר HNO _​​3 (לכל 1-L מדגם) לתוך בקבוקים מדגמים. העברת מומס עקבות דגימות מתכת (acidified) לתוך בקבוקי FEP. לחלופין, דגימות ניתן לאסוף ישירות לתוך בקבוקי FEP. UV-מקרינים את דגימות בקבוקי FEP למשך 24 שעות (8 מנורות UV 15 וואט).

4. Preconcentration וטיפולים עבור ניתוח עקבות מתכת

1. Preconcentration שרף
   1. לשקול 2 גרם של שרף קטיוני לתוך כוס פלסטיק (קיבולת 10-30 מ"ל) קטן ולהוסיף כמות קטנה של 2 פתרון N HNO ₃ לתוך הכוס. יוצקים את שרף לתוך עמוד כרומטוגרפיה קיבולת של 10 מ"ל. נקו את שרף על ידי שטיפה את העמודה עם 5 מ"ל 2 N HNO ₃ (תת-מבושל) פעמיים, ולשטוף עם מים טוהר גבוהה (HPW) 3 פעמים.
   2. הוסף 10 מ"ל של 1 M NH ₄ OH (תת-מבושל) לתוך הטור להמיר את שרף NH ₄ ⁺ -form.
2. פתרון חיץ (אמוניום אצטט 1 M)
   1. להוסיף 57 מ"ל של חומצה אצטית קרחונית (תת-מבושל) ב כ 800 מ"ל של HPW. הוסף ~ 60 מ"ל של אמוניום הידרוקסיד (21%, תת-מבושל) ומערבבים עם חומצה אצטית. התאם את ה- pH הסופי 5.5 ואת נפח סופי 1,000 מ"ל.
3. הליך Preconcentration (מומס עקבות מתכות)
   1. התאם את ה- pH של דגימות acidified, מוקרן-UV ל -5.5 ± 0.3 על ידי הוספת 30 מ"ל של 1 M אמוניום acetאכלו פתרון חיץ וכמה (~ 2.8 מ"ל) NH _​​4 OH (תת-מבושל) לתוך הדגימות.
   2. מניחים את הבקבוק מדגם ~ 30 ס"מ מעל הטור ארוז עם שרף חילוף קטיוני (סעיף 4.1) ולחבר את הבקבוק מדגם ועמודה preconcentration ידי צינור FEP ~ 60 ס"מ וכובע כרומטוגרפיה ומחבר (Luer נקבה).
   3. לשלוט על קצב הזרימה ב 3-5 מ"ל / min באמצעות ברזלים 2-way, מחובר שמעל לעמודה. אפשר הדגימות לעבור דרך עמודות preconcentration. לאחר הדגימות עברו את הטור, לנתק את הצינורות וכובעים מהטורים.
   4. פנקו את עמודות עם 2 x HPW 5 מ"ל ו -4 בגודל 5 מ"ל של 1 M אמוניום אצטט (pH 5.5), ו -2 בגודל 5 מ"ל של HPW להפריד קטיונים הגדולות ממתכות אחרות עקבות.
   5. מניחים בקבוק PE 30 מ"ל שטוף חומצה רק מתחת לעמודת ולשטוף את העמודה עם 7 x 1 מ"ל 2 N HNO ₃ (תת-מבושל) לתוך בקבוק PE.
   6. לקבוע את עוצמת הקול של 2 N HNO ₃ השפכים (~ 8.0 מ"ל) על ידי השגת משקלnd הסגולי של הקולחים ₃ 2 N HNO.
4. עיכול של חומר חלקיקי מרחף
   1. להקפיא מסנני PC יבשים עם דגימות SPM ולשקול אותם לאחר הייבוש. מקום דגימות SPM, עם מסננים, לאלקלים perfluoroalkoxy טרום שקל (PFA) כלי (קיבולת 60 מ"ל), ולהוסיף 3 מ"ל של מרוכז HNO ₃ לתוך כלי.
   2. הדק את הכלי על מומנט קבוע של 2.5 קילו-מ ', ו מאוכל בתנור רגיל ב 130 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות. לאחר הקירור, פתח את הכלי ולהוסיף 2 מיליליטר של HF לתוך הכלי.
   3. הדק את הכלי על מומנט קבוע של 2.5 קילו-מ ', ו מאוכל בתנור רגיל ב 130 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות. לאחר הקירור, פתח את הכלי ולהוסיף 16 מיליליטר של תמיסת חומצה בורה 4.5% לתוך הכלי.
   4. הדק את הכלי על מומנט קבוע של 2.5 קילו-מ ', ולעכל בתנור רגיל ב 130 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות. לשקול כל כלי ולקבוע סגולי של כל פתרון לעכללהניב נפח לעכל סופי.
   5. לחשב גורם לדילול לכל לעכל מן הנפח והמשקל הסופי של SPM על מסנן (סופי לעכל נפח מחולק לפי משקל מדגם על מסנן).

ניתוח מדגם 5.

1. עקבות מתכות
   1. לקבוע עקבות מתכות (Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, ו Zn) ריכוזים במדגם מומס מראש מרוכז פתרון מן חלקיקים באמצעות ספקטרומטריית אטומית הקליטה להבה, ספקטרומטריית אטומית הקליטה תנור גרפיט, ו / או מצמידים אינדוקטיבי פלזמה ספקטרומטר מסה.
   2. לקבוע ריכוזי יונים גדולים וכמה עקבות מתכות, ב-דגימות תת נמשכות לפני preconcentration ומעכל של חומר חלקיקי מרחף, על ידי ספקטרומטריית פליטה פלזמה-אטומית מצמידה אינדוקטיבי.
2. פרמטרים עזר
   1. לקבוע מדגם טמפרטורה, pH, מליחות ומוליכות בתחום, באמצעות מכשירים ניידים.
   2. לקבוע מומס אופחמן ganic (DOC) ריכוזי על ידי Analyzer פחמן אורגני כללי, המבוסס על חמצון רטוב עם זיהוי פחמן דו חמצני על ידי ספקטרומטריית אינפרא אדום ^21. קביעת ריכוז EDTA הכולל על ידי כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים (עם גלאי SPD-M10AV Diodearray) בעקבות לנהלים שנקבעו ^22,23.

תוצאות

עם הפיתוח והשימוש של "טכניקות נקיות", הוא עכשיו גם הכיר בכך על מנת לקבל ריכוזי מתכות קורט מדויקים במי סביבה, preconcentration של עקבות מתכות בדגימות מים הוא מנהג נפוץ. בעוד שרוב מדדי איכות מים עבור עקבות מתכות מים הטבעיים הם בטווח מיקרוגרם / ליטר הנמוך, מ...

Discussion

קבלת נתוני מתכת עקבות אמינות מים טבעיים דורשת זהירות רבה כפי שהודגש במהלך איסוף דגימה, עיבוד, pretreatments, וניתוח שמטרתם להפחית את הזיהום. עקבות ריכוז מתכות מים הטבעיים שהושגו באמצעות "טכניקות נקיות" בשני העשורים האחרונים נמצאו שריכוזם יכול להיות סדר הגודל נמוך ממה ...

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