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科学研究

被动采样技术的研发与应用

2018-03-19 18:04:23 来源:9001aa金沙登录环境研究院 点击:

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被动采样技术的原理是待测物从一种介质(环境) 通过分子的自由扩散进入到另一介质(被动采样器)。因其不需要额外的能量来完成样品采集同时又能够起到预富集作用,故被称为一种 “绿色采样技术”。近年来被动采样技术因其廉价、使用方便、可原位采样等优点备受关注,并得以迅速发展。我院陈长二教授致力于被动采样技术的研发,特别是其在环境领域的应用。前期在国际上首次发展了基于扩散梯度薄膜技术(DGT)的有机污染物被动采用技术(o-DGT),并开拓性地将其应用于极性有机污染物环境行为研究。

(1) 有机物的梯度薄膜扩散技术(o-DGT)研发

通过实验阐明了DGT被动采集有机污染物过程的主要控制因素为扩散层的吸附以及水相边界扩散层动态变化问题,进而通过调控扩散层材料及吸附材料成功研发了o-DGT,明确回答了近20年来DGT是否能够应用于有机污染物的疑问。该技术论文以内封面文章形式发表于Journal of Environmental Monitoring (JEM) (现名ESPI),为本领域开山之作,成为该研究方向的第一篇核心指导文献。

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野外实验证明o-DGT是一种经济有效的采样技术。可以提供更为科学、可靠的数据即时间加权平均浓度(TWA),其结果与业内黄金标准的方法-连续自动采样方法(Auto)所得结果相当(图1)。另外,因为有较厚的扩散层,o-DGT技术解决了被动采样速率受水动力学条件影响的问题,可将环境中目标无浓度的不确定性控制在25%之内。


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图1. 被动采样技术o-DGT与其他两种主动采样技术(Auto和Grab)的比较


(2) 被动采样技术的应用

o-DGT不仅是一种有效的环境监测工具,还是一种重要的科研工具,可作为一种原位技术深入研究有机污染物的环境行为如土壤沉积物中污染物的吸附解吸、生物有效性等。在前期研发及验证基础上,1) 首次将此技术成功应用于评估有机污染物在污水处理过程中的行为和去除,证实了现有污水处理技术不能够有效去除抗生素,特别是磺胺类(如图2所示); 2) 进而开创性地将o-DGT技术应用于抗生素土壤环境行为的研究,为土壤中污染物环境行为研究提供了一种重要思路。利用o-DGT阐明了磺胺类抗生素的解吸行为(暗示着潜在的生物有效性)是受动力学控制的 (如图3中的SMX, 有较大响应时间Tc,即从土壤颗粒物上解吸下来的速率相对较慢),而这种动力学控制的程度跟化合物本身性质有关,例如亲脂性较大的污染物的解吸过程更有可能受热力学控制, 如图3中的TMP,其有相对较大的潜在可利用程度(用Kdl表示)。


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图2. 被动采样法 (o-DGT) 研究污水处理厂中抗生素的去除行为


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图3. 典型抗生素(TMP和SMX)在土壤中的解吸动力学特征


代表性论文论著

(1)     Chang-Er Chen, Hao Zhang and Kevin C. Jones. A Novel Passive Water Sampler for in situ sampling of antibiotics, Journal of Environmental Monitoring, 2012, 14, 1523-1530.

(2)    Chang-Er Chen, Hao Zhang, Guang-Guo Ying and Kevin C Jones. Evidence and Recommendations to Support the Use of a Novel Passive Water Sampler to Quantify Antibiotics in Wastewaters. Environmental Science & Technology, 2013, 47, 13587-13593.
(3)    Chang-Er Chen, Kevin C Jones, Guang-Guo Ying and Hao Zhang. Desorption Kinetics of Sulfonamide and Trimethoprim Antibiotics in Soils Assessed with Diffusive Gradients in Thin-Films. Environmental Science & Technology, 2014, 48(10), 5530-5536.
(4)    Chang-Er Chen, Hao Zhang, Guang-Guo Ying, Li-Jun Zhou and Kevin C Jones. Passive Sampling: A cost-effective method of understanding antibiotic fate, behaviour and impact. Environment International, 2015, 85, 284-291.
(5)    Chang-Er Chen, Wei Chen, Guang-Guo Ying, Kevin C Jones and Hao Zhang. In situ measurement of solution concentrations and fluxes of sulfonamides and trimethoprim antibiotics in soils using o-DGT. Talanta, 2015, 132, 902-908.
(6)    Chang-Er Chen. Go Greener with Passive Sampler and beyond. Journal of Environment & Health Science, 2015, 1(1), 15-16. (Short communication/Editorial)


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