一种基于LA-ICP-MS法的环境中多种目标元素同步检测方法

摘要

本发明专利公开了一种基于LA‑ICP‑MS法的环境中多种目标元素同步检测方法，采用化学沉积法将AgI颗粒和氢氧化锆等活性吸附材料富集在Chelex凝胶固定膜上，活性吸附材料具有更高的粒径均度和细度，检测分辨率和检测精度更高；并采用高分辨率凝胶膜灰度扫描成像法(CID)与激光剥蚀等离子质谱(LA‑ICP‑MS)法实现负二价硫和16种阴阳离子的快速同步检测分析。

说明书

技术领域

本发明属于属于环境检测技术领域，尤其涉及环境沉积物元素检测方法。

背景技术

薄膜扩散梯度(Diffusive Gradients in Thin Films,DGT)技术是基于离子扩散原理，通过目标离子在定义扩散层的梯度扩散以及关联过程研究，获得离子在介质中的活性信息。DGT测定技术的装置由固定层和扩散层叠加组成，离子以扩散方式穿过扩散层，随即被固定层捕获，并在扩散层上形成线性梯度分布，其靠近固定膜一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的浓度(C

上式中M为固定膜上离子的积累量(mol cm-2)，△g为扩散层厚度(cm)，Dg为离子在扩散膜中的扩散速率(cm2s-1)，t为扩散时间(s)。C

DGT扩散过程与实际环境中的离子迁移及生物吸收过程具有可比性，该技术已经作为一种新的形态分析手段，逐渐应用到水体、土壤和沉积物研究中，研究对象已从常规的金属元素扩展到稀有金属元素以及非金属元素等。DGT技术已被用于土壤、水体和沉积物中无机态多种离子的同步测定。

激光剥蚀－等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)是近20年来迅速发展起来的原位、微区、微量元素分析技术。它主要由两台仪器组成，LA(laser ablation)指的是激光设备，ICP-MS(Inductively Coupled Plasma-mass spectrometer)指的是成分分子仪器。目前LA-ICP-MS的应用主要集中于地质、环境、生物、材料、工业产品检测等领域，可分析主量、微量、痕量、超痕量元素特别在稀土元素(REEs)、PGEs、同位素分析等方面具有很大优势。它具有原位、实时、快速的分析优势以及灵敏度高、检出限低、空间分辨率高、谱线相对简单、多元素同时测定及可提供同位素比值信息的检测能力。

LA—ICP—MS由于可以对固体剥蚀直接进样，无需复杂的样品前处理过程，避免了溶液进样过程中一些干扰因素的影响，尤其是氧化物多原子离子的干扰，随着激光固体进样技术的改进、质谱信号检测技术的发展以及检测信号处理方法的完善，LA—ICP—MS法已成为一种常规的、精确的痕量元素定量分析方法。随着仪器性能的改善、分馏机理的研究深入以及校准方法的完善，LA—ICP—MS作为一种高灵敏度、高精度并可提供多维的、高分辨信息的原位微区分析技术，必将在元素含量分析与空间分布分析中占据重要的地位，具有极佳的应用前景。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种基于LA-ICP-MS法的环境中多种目标元素同步检测方法，实现LA技术应用到凝胶膜样品的检测中，对凝胶膜中的元素进行同步定量分析。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种基于LA-ICP-MS法的环境中多种目标元素同步检测方法，以下步骤：

(1)制备凝胶吸附膜：选用Chelex阳离子吸附材料并通过球磨机研磨至5±1μm，然后添加入AgNO3溶液得到混合溶液；得到混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液，搅拌混合均匀后，依次加入适量的过硫酸铵稀溶液和四甲基乙二胺，并搅拌均匀充分反应；然后将反应溶液注入玻璃模具中，并在常温黑暗条件下静置10min以上，得到的凝胶膜用去离子水冲洗干净；继续将得到的凝胶膜置于质量比为3％～5％的氧氯化锆溶液中，并置于黑暗环境中反应2h以上；最后，将凝胶膜浸泡在0.05mol/L的MES缓冲液中静置30～60min后取出，再浸入氯化钠溶液，待用。

(2)将步骤(1)得到凝胶膜和PVDF滤膜从下至上依次叠合组装得到DGT装置；

(3)将得到DGT装置置于环境物中1～2天后，取出凝胶膜并进行扫描得到凝胶膜表面的高分辨率灰度成像图，通过灰度与硫积累量标准曲线进行校正对比分析，得到高分辨率凝胶膜表面硫的积累量；

(4)凝胶膜经过干燥制得固体样品，然后用于LA-ICP-MS法检测，获得阴阳离子的二维空间分布信息。

进一步的，步骤(4)中凝胶膜的快速干燥方法如下：

得到的凝胶膜两面均依次包裹PVC滤膜和滤纸后放入凝胶干燥器的硅橡胶膜内，然后在温度为80±5℃的抽真空环境下进行抽真空干燥10～30min；经过抽真空干燥后的凝胶膜，在平压作用下继续在抽真空环境中自然冷却，得到的凝胶固定膜，最后进行目标元素检测。

进一步的，所述抽真空的抽气速度为60L/min以上。

进一步的，所述PVDF滤膜的膜厚为0.1mm，孔径0.45μm。充当DGT装置的扩散膜和保护膜。目的是通过减少扩散层的厚度，降低侧向扩散的风险，满足高分辨测定要求。

进一步的，步骤(1)中，加入的聚丙烯酰胺溶液由丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺以质量比为49～199:1的质量比聚合而成；聚丙烯酰胺溶液的质量浓度为15％～30％。

进一步的，步骤(1)中，AgNO3与Chelex阳离子吸附材料的质量比为0.19：(0.7～1.0)；AgNO3与Chelex阳离子吸附材料的总添加量相对聚丙烯酰胺溶液的质量体积比为10±5％。

进一步的，步骤(1)中，AgNO3与Chelex阳离子吸附材料的总添加量相对聚丙烯酰胺溶液的质量体积比为10±5％；AgNO3与Chelex阳离子吸附材料的总添加量相对聚丙烯酰胺溶液的质量体积比为10±5％。

进一步的，步骤(1)中AgNO3溶液的质量体积浓度为200～350g/L；步骤(2)中聚丙烯酰胺的质量百分比浓度为20％～30％。

进一步的，步骤(1)中，加入的过硫酸铵稀溶液的质量百分比浓度为0.4±0.05％，加入的量与聚丙烯酰胺溶液的体积比为(0.5～1):100；所述四甲基乙二胺的加入量与聚丙烯酰胺溶液的体积比为(0.5～1):100。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、采用Chelex树脂、AgNO3、KI、ZrOCl2和聚丙烯酰胺五种材料制成，具有优异的吸附均匀性和柔韧性，目前常用复合膜多为两至三种材料混合制成；2、同步测定三种类型16种离子二维空间分布的原位检测，分辨率可达88*88μm，而常规重金属检测是一维的，分辨率在mm级别；3、采用高分辨率凝胶膜灰度扫描成像法(CID)与LA-ICP-MS法实现负二价硫(S-2)、8种阳离子(Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Pb、Cd、Fe)和8种氧化型阴离子(V、Cr、As、Mo、Se、Sb、W、P)的快速检测分析；4、使用时通过抽真空干燥方式避免凝胶膜的卷缩，提高元素二维分布信息的检测精度。

附图说明

图1为本发明实施例所述LA-ICP-MS法计算各元素通量的标准曲线；

图2为本发明实施例所述17种元素的二维分布图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的同步测定三种目标物的高分辨凝胶固定膜，主要利用AgNO3、Chelex树脂、氧氯化锆(ZrOCl2)和聚丙烯酰胺制备物理强度最佳的聚丙烯酰胺凝胶薄膜(调试最优化的条件和试剂比例)。使用时，通过真空干燥的方式，将含水率非常高的凝胶膜进行干燥，干燥后的膜不变形保持原状，方便保存易于包装携带，同时可以作为固体样品，直接进分析仪器测定相关指标，能避免凝胶膜的干燥卷缩造成元素二维分布无法检测的问题。本发明凝胶膜能检测三种类型目标物包含负二价硫(S-

传统方法中，活性树脂直接加到聚丙烯酰胺中，制成混合溶液，该方法制成的膜颗粒大，不均匀。本发明将凝胶法与沉淀法结合使用，先做成chelex凝胶膜，然后浸泡在AgNO3和KI中，利用AgNO3+KI生成AgI+KNO3，该方法生成的AgI颗粒很细且均匀，可以满足高分辨测定要求。同时再加入氧氯化锆，利用氧氯化锆ZrClO4在缓冲溶液(MES)中生成氧化锆的原理，在膜的表面生成均匀的氧化锆颗粒。该方法利用溶液之间的化学反应，而不是简单地机械混合，使得固定吸附材料具有更高的粒径均度和细度提高了检测分辨率。

凝胶薄膜脱水后卷缩是所有类型凝胶膜的缺陷，因为所有凝胶膜的含水率都很高，需要在水中保存，脱水后容易缩小卷曲，厚度也发生很大变化，这对凝胶膜的后续测定造成很大不便。真空凝胶干燥是通过迅速真空，将凝胶膜紧紧压在凝胶干燥机上，然后通过升温，让膜在持续抽真空状态下烘干，这样可以保证膜不变形。常规状态下的聚丙烯酰胺凝胶膜用这种方法还是会发生微小的收缩，这就需要通过改进膜的配方、优化凝胶干燥机工作条件(温度、时间)、调整真空干燥机的抽气速度等消除收缩的可能性。以下具体说明：

一、凝胶吸附膜的制备方法：

(1)将Chelex阳离子吸附材料通过球磨机研磨至粒径5±1μm；

(2)将0.05-0.08g AgNO3颗粒用0.2-0.3mL去离子水溶解，接着加入0.4g经过步骤(1)研磨后的Chelex阳离子吸附材料；

(3)质量分数为30％的聚丙烯溶液、质量比为0.4％的过硫酸铵、四甲基乙二胺(TEMED)在零下4℃条件下冷冻，使用时解冻。

(4)将5mL步骤(3)的的聚丙烯溶液加入到步骤(2)的混合物中，并依次加入步骤(3)的的过硫酸铵30-50μL、四甲基乙二胺(TEMED)2-5μL，并充分混匀；

(5)将步骤(4)的混匀物注入玻璃膜具中，并放置于常温、黑暗条件下10min，然后将膜用去离子水冲洗；

(6)接着，将步骤(5)的膜放置在质量比为3-5％的氧氯化锆(ZrOCl

(7)将步骤(6)中的膜泡在0.05mol/L的MES缓冲溶液中，静置45min后取出，浸泡在氯化钠溶液中。

二、凝胶吸附膜使用前的干燥处理

凝胶膜制成之后可用于富集一些重金属元素，因为制作过程中加入了离子交换树脂和氧氯化锆，可用于多达几十种阴阳离子的同步富集。所以将凝胶膜组装到塑料或者有机玻璃制成的外壳后可放置到水体、土壤和沉积物中，用于监测环境中重金属元素的含量。

在环境中应用后的膜需要检测膜上富集的元素含量，常规方法是将膜直接切割测定，仅获取一维分布信息(由于凝胶膜的卷缩无法获得二维分布)。本发明凝胶膜吸附目标元素后，先经过抽真空干燥确保干燥后的凝胶吸附膜不会发生卷缩，再进行元素分析检测，从而获得其二维分布。本方法中，干燥是凝胶膜固体样品检测的关键，变形或者蜷缩都会引起测定误差，具体干燥方法如下：

(1)将凝胶干燥机支撑板和硅橡胶膜用酒精擦洗干净；

(2)打开凝胶干燥机，设置温度为80℃进行预热，待温度达到80℃后放膜；

(3)将两层滤纸和两层滤膜依次平铺在支撑板上，将凝胶膜正面朝上平铺到滤膜上，在凝胶膜上再盖一层滤膜。凝胶膜上下的滤膜可以对膜起到保护的作用，防止真空时突然受力将膜压碎。最底部的滤纸可以有效吸附膜上被抽出来的水分，防止过多水分进入真空泵；

(4)打开真空泵，干燥机立刻进入真空状态，硅橡胶膜迅速压紧凝胶膜；经过上述真空干燥后，若立刻关掉真空泵，凝胶膜失去压力，80℃温度下可能还出现卷缩现象，或者变脆，不能受力导致易折断。所以本专利采用真空状态下自然冷却的方式，让膜在受力状态下温度慢慢降低，降到自然温度下再关闭真空泵，取出凝胶膜，此时膜干燥完全且柔韧性最好，不会卷缩。

(5)设置时间为20min，80℃温度下持续抽真空。真空泵的抽气速度要达到60L/min，能够将凝胶干燥机快速进入真空状态，当使用真空泵时，干燥区域可以形成一个凹槽能够进一步起到最佳的密封作用，将膜迅速压紧。设备运行时，利用硅橡胶膜罩和支撑板形成密封状态，通过加热底座来干燥凝胶，同时利用真空泵将水分从底部抽走，进一步起到干燥凝胶的作用

(6)时间到后，关掉真空泵和凝胶干燥机，在硅橡胶膜上放一个平面的重物压紧凝胶膜，让膜在抽真空状态下自然冷却。若立刻掀开硅橡胶膜取出凝胶膜，膜会发生卷曲，对后续测定造成影响。

(7)干燥后的膜装入自封袋中，放置在干燥器中保存，防止受潮。

三、沉积物目标元素的检测分析方法

(1)将高分辨凝胶膜、扩散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，向水中充入纯氮气去除DGT装置中含有的氧；

(3)DGT装置放置：将DGT装置垂直插入沉积物中，保留3-5cm暴露于上覆水中，放置1-2天后，取出装置并标记沉积物-上覆水界面；

(4)高分辨凝胶膜扫描和灰度获取：将高分辨凝胶膜从装置中取出，利用扫描仪将高分辨凝胶膜表面扫描成图像，分辨率设置为150-600dpi(相当于0.169mm×0.169mm-0.0423mm×0.0423mm)。图像经ImageJ软件处理后，转换成灰度，并通过与灰度与硫积累量标准曲线进行校正对比分析，得到高分辨率凝胶膜表面硫的积累量；

(5)高分辨凝胶膜干燥：见步骤二。

(7)LA-ICP-MS检测：通过激光剥蚀-等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)对16种阴阳离子目标元素进行原位、实时、快速分析和数据处理，得到元素的二维分布图。

(7)LA-ICP-MS检测：用双面胶将干燥后的膜(2×3cm)黏在玻璃显微镜载玻片上，避免形成气泡，然后进一步剥蚀。采用ASI分辨率LR-S155激光微探针和CompexPro 193nmArF准分子激光器对膜表面进行激光剥蚀，激光器能量设置为2.5J/cm