Пассивная выборка - Википедия - Passive sampling

Пассивная выборка является мониторинг окружающей среды метод, связанный с использованием собирающей среды, такой как искусственное устройство или биологические организм, накапливать химические загрязняющие вещества в окружающей среде с течением времени. Это в отличие от отбор проб, который включает в себя взятие образца непосредственно из интересующего СМИ в определенный момент времени. При пассивном отборе проб средние концентрации химических веществ рассчитываются за время развертывания устройства, что позволяет избежать многократного посещения места отбора проб для сбора нескольких репрезентативных проб.[1] В настоящее время разработаны и развернуты пассивные пробоотборники для обнаружения токсичных металлов, пестициды, фармацевтические препараты, радионуклиды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные бифенилы (ПХБ) и другие органические соединения в воде,[2][3][4][5] в то время как некоторые пассивные пробоотборники могут обнаруживать опасные вещества в воздухе.[6][7][8]

Теория и применение

Основным принципом пассивного отбора проб является поток молекул или ионов загрязняющих веществ из пробоотборной среды (воздуха или воды) в собирающую среду (пассивный пробоотборник) из-за Первый закон диффузии Фика и, в зависимости от пассивного пробоотборника, большее связывающая аффинность загрязнений с собирающей средой по сравнению со средой отбора проб. В результате загрязнения со временем концентрируются на собирающей среде, пока не достигнут равновесие с окружающей средой. Использование пассивного отбора проб обеспечивает усредненные по времени концентрации загрязняющих веществ за период использования пробоотборника.[1]

Важно отличать пассивную выборку от активный отбор проб, который имеет тот же основной принцип, но использует движущиеся части, такие как насосы, для нагнетания пробоотборной среды на собирающую среду.[9] Пассивная выборка полагается исключительно на молекулярная диффузия а также сорбирование или связывание загрязняющих веществ с агентами в пробоотборниках, поэтому пассивный отбор проб также называют диффузный отбор проб.[6]

Пассивный отбор проб также отличается от отбора проб методом захвата, который представляет собой сбор пробы воздуха, воды или почвы для непосредственного анализа на наличие загрязнителей. Эти пробы представляют собой единый момент времени и предоставляют информацию о концентрации загрязняющих веществ в определенный момент времени, в отличие от устройств для пассивного отбора проб или организмов.

Было разработано множество различных видов пассивных пробоотборников, которые отбирали пробы многих различных загрязнителей, в том числе:

Пассивный отбор проб в воде

Существует несколько видов устройств пассивного отбора проб для мониторинга загрязняющих веществ, присутствующих в воде. В дополнение к этим устройствам, такие организмы, как моллюски, живущие в окружающей среде, также «пассивно отбирают» загрязняющие вещества (биоаккумуляция ) и может использоваться для мониторинга загрязнения воды (биомониторинг ).[11]

Chemcatcher

Основная статья: Chemcatcher

Chemcatcher может пассивно отбирать образцы неорганический загрязняющие вещества (металлы) и широкий спектр органический загрязняющие вещества. Он состоит из одноразового диска с или без мембрана, запаянный в пластиковую опору. Типы принимающих фаз и мембран сильно различаются в зависимости от целевых химических веществ, которые нужно отбирать. Усредненные по времени концентрации многих химических загрязнителей в воде можно определить, если известны частота отбора проб и расход воды.[2][3]

Диффузионные градиенты в тонких пленках (ДГТ)

Основная статья: Диффузионные градиенты в тонких пленках

Диффузионные градиенты в пробоотборниках тонких пленок (DGT) пассивно отбирают образцы ионный следы металлов, а также антибиотики, оксианионы, бисфенолы, и наночастицы в разных конфигурациях. Они состоят из пластиковых поршней и крышек с окном, через которое связывающий гель, диффузионный гель и фильтрующая мембрана попадают в воду для отбора проб. Их можно использовать как в пресноводной, так и в морской среде, а также в воде, расположенной между пресной и морской водой. осадок частицы, называемые грунтовая вода или же поровая вода. Как только масса скопившихся загрязняющих веществ на пробоотборнике DGT известна, уравнение DGT (основанное на Закон Фика ) можно использовать для расчета средней по времени концентрации загрязняющих веществ в воде.[10]

Гляделки

Гляделки пассивны распространение пробоотборники, используемые для металлов в пресной и морской воде осадок поровую воду, поэтому их можно использовать для поиска участков, которые могут иметь отложения, загрязненные металлами. Гляделки - это пластиковые сосуды, наполненные чистой водой и покрытые диализная мембрана, что позволяет металлам из поровой воды донных отложений попадать в воду внутри прибора.[12] Обычно они помещаются в осадок достаточно глубоко, чтобы находиться в аноксический среда, в которой металлы будут достаточно растворимы для отбора проб.[13] Если глазки развернуты достаточно долго, чтобы поровая вода в отложениях и содержащаяся в них вода достигла равновесия, они могут точно определить концентрации металлов в отобранных поровых водах отложений.[12]

Интегрирующий пробоотборник для полярных органических химикатов (POCIS)

Основная статья: Интегральный пробоотборник полярных органических химикатов

Полярные органические химические интегративные пробоотборники (POCIS) образец полярный органические загрязнения с бревном коэффициент распределения октанол-вода (Kой) значение меньше 3. Примеры этих типов химикатов включают полярные пестициды, фармацевтические препараты, запрещенные наркотики, антипирены, и наркотики метаболиты. POCIS состоит из переменного числа твердых сорбентов дисков, прикрепленных к опорному стержню и заключен в металлическую клетку, и имеет две возможных конфигурации сорбента пестицид-POCIS и фармацевтический-POCIS. Если количество воды, проходящей через пробоотборник, известно, концентрации полярных органических загрязнителей в воде могут быть рассчитаны после извлечения сорбированных загрязнителей из POCIS.[5]

Полупроницаемые мембранные устройства (СПМД)

Основная статья: Полупроницаемые мембранные устройства

Полупроницаемые мембранные устройства (SPMD) пассивно отбирают образцы неполярный органические загрязнители с логарифмическим коэффициентом распределения октанол-вода (Kой) значение больше 3. Примеры этих типов химикатов включают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные бифенилы (ПХД), полибромированные дифениловые эфиры (ПБДЭ), хлорированные пестициды, диоксины, и фураны. SPMD состоят из герметичных пластиковых трубок, заполненных триолеин, в котором неполярные органические вещества очень растворимы и который служит представителем жировых тканей водных организмов. Затем трубка сплетается между металлическими стержнями и помещается в металлическую клетку. Пробоотборник может быть изготовлен из трубок различной длины для различных применений, поскольку частота отбора проб зависит от площади поверхности трубки, подверженной воздействию воды. Если количество воды, проходящей через пробоотборник, известно, концентрации неполярных органических загрязнителей в воде могут быть рассчитаны после извлечения загрязнителей из SPMD.[5]

SLMD 7,5 см, заполненный смесью Kelex-100 и олеиновой кислоты в соотношении 1: 1.

Стабилизированные жидкостные мембранные устройства (SLMD)

Основная статья: Стабилизированные жидкостные мембранные устройства

Стабилизированные жидкостные мембранные устройства (SLMD) пассивно отбирают образцы ионный металлы в пресной воде. Они сделаны из полиэтилен низкой плотности секции пластиковых трубок, запаянные с обоих концов и заполненные равной смесью олеиновая кислота и металл хелатирующий агент. Они работают, взаимодействуя с ионами кальция и магния в пресной воде, что образует гидрофобную пленку на внешней стороне пластиковой мембраны SLMD, в которой хелатирующий агент может связываться с металлами в воде для отбора проб.[4] Они использовались в полевых условиях на период до месяца в одиночку или в кожухе из пластиковых трубок для регулирования потока воды.[13] Вес металла, накопленный SLMD за период его развертывания, можно рассчитать и разделить на время развертывания SLMD, чтобы получить средний вес металла, накопленный за единицу времени, но в настоящее время не разработан метод для преобразования этого значения в среднюю концентрацию металла. Кроме того, частота отбора проб SLMD сильно зависит от расхода воды, для контроля которой можно использовать пластиковые корпуса.[4][13]

Пассивный отбор проб в воздухе

Пассивный отбор проб также может выполняться на загрязняющие вещества в воздухе, включая взвешенные в воздухе частицы, опасные пары и газы. Это можно сделать с помощью искусственных устройств или с помощью организмов биомониторинга, таких как лишайники.[7][14]

Сорбентные трубки

Основная статья: Трубка сорбента

Сорбентные трубки - это пассивные пробоотборники для летучие органические соединения (ЛОС). Это стеклянные трубки, заполненные адсорбирующими материалами, такими как уголь или же силикагель, через который проходит отбираемый воздух. Адсорбирующие материалы удаляют ЛОС из проходящего через них воздуха, и ЛОС можно десорбировать и анализировать. Концентрации в воздухе можно рассчитать, используя количество воздуха, прошедшего через сорбирующую трубку, и количество десорбированных загрязнителей.[8]

Преимущества

Концентрации загрязняющих веществ от пассивного отбора проб отражают среднее загрязнение за время развертывания пробоотборника, что означает, что образец будет фиксировать колебания концентрации загрязняющих веществ за весь период развертывания. Традиционный отбор проб не позволяет этого сделать, поскольку собранные пробы представляют собой только один момент времени, и для наблюдения за изменением концентраций загрязняющих веществ во времени необходимо отобрать несколько проб.[1] Этот комплексный метод отбора проб также может привести к обнаружению химикатов, присутствующих в таких низких концентрациях, что они не будут обнаружены в отобранной пробе из-за концентрации химикатов в пробоотборнике с течением времени. В результате пассивный отбор образцов потенциально может быть менее трудоемким, менее дорогим и более точным методом отбора образцов, чем отбор образцов методом захвата.

Кроме того, пассивные пробоотборники часто просты в использовании и развертывании, не имеют насосов или движущихся частей и не требуют электричества, так как они полагаются на молекулярная диффузия загрязняющих веществ или связывания загрязнителей с агентами внутри пробоотборников, в отличие от активного отбора проб.[6] Они также могут быть недорогими и простыми в конструкции, например, SLMD, для которых требуются только герметичные пластиковые трубки и два химических компонента.[4]

Пассивный отбор проб также может более точно отражать концентрации металлов, которые биодоступный к организмам, чем другие методы отбора проб. Например, СПМД пробоотборник использует полупроницаемую мембрану и триолеин (а триглицерид ), оба из которых имитируют токсикант поглощение организмом жировой тканью.[5] Однако это зависит от типа используемого пассивного пробоотборника, поскольку некоторые пробоотборники, такие как пиперы, полагаются исключительно на молекулярную диффузию,[12] который может быть слишком простым, чтобы отражать сложные процессы поглощения загрязняющих веществ в организме.

Недостатки

Поскольку пассивный отбор проб предоставляет информацию о средних концентрациях загрязнителей, все возможные концентрации за время развертывания пробоотборника включаются в это среднее значение. Однако невозможно определить полный диапазон концентраций загрязняющих веществ за время развертывания на одном участке с помощью только пассивного отбора проб.[1] Если требуются высокие и низкие концентрации загрязняющих веществ в течение всего периода отбора проб, следует использовать другие методы отбора проб в сочетании с пассивным отбором проб.

Не все пассивные пробоотборники имеют универсально точные способы преобразования скопившихся загрязняющих масс в концентрации воды, которые используются в правительственных постановлениях, таких как Агентство по охране окружающей среды США Закон о чистой воде.[15] С некоторыми сэмплерами, например с DGT, это можно сделать с помощью уравнений, разработанных для сэмплеров, но они есть не у всех сэмплеров. Время развертывания пассивного пробоотборника также ограничено в зависимости от емкости пробоотборника; например, SLMD были развернуты в течение месячных периодов, но могут достичь насыщения и прекратить отбор проб гораздо раньше, если концентрации металлов и скорость потока воды достаточно высоки.[4] Однако этой проблемы можно избежать, если изучить литературу по соответствующему пассивному пробоотборнику для получения исходной информации о емкости пробоотборника и идеальном времени развертывания перед развертыванием.

Рекомендации

  1. ^ а б c d Гурецкий, Тадеуш; Намиесник, Яцек (2002). «Пассивный отбор». Тенденции аналитической химии. 21 (4).
  2. ^ а б c Шаррио, Аделина; Лиссальд, Софи; Пулье, Гаэль; Маццелла, Николас; Бузье, Реми; Гибо, Жиль (2016). «Обзор Chemcatcher® для пассивного отбора проб различных загрязнителей в водной среде. Часть A: Принципы, калибровка, подготовка и анализ пробоотборника». Таланта. 148: 556–571. Дои:10.1016 / j.talanta.2015.06.064.
  3. ^ а б c Лиссальд, Софи; Шаррио, Аделина; Пулье, Гаэль; Маццелла, Николас; Бузье, Реми; Джубо, Жиль (2016). «Обзор Chemcatcher® для пассивного отбора проб различных загрязняющих веществ в водной среде. Часть B: Обработка в полевых условиях и экологические приложения для мониторинга загрязняющих веществ и их биологических эффектов». Таланта. 148: 572–582. Дои:10.1016 / j.talanta.2015.06.076.
  4. ^ а б c d е ж Брамбо, WG; Петти, JD; Huckins, JN; Манахан, С.Е. (2002). «Стабилизированное жидкостное мембранное устройство (SLMD) для пассивного комплексного отбора проб лабильных металлов в воде». Загрязнение воды, воздуха и почвы. 133: 109–119. Дои:10.1023 / А: 1012923529742.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л «Руководство по использованию устройства с полупроницаемой мембраной (SPMD) и комплексного пробоотборника полярных органических химических веществ (POCIS) в исследованиях по мониторингу окружающей среды». Геологическая служба США. Получено 30 мая 2018.
  6. ^ а б c «Обзор пассивной (диффузионной) выборки». Сигма-Олдрич. Получено 31 мая 2018.
  7. ^ а б «Мониторинг лишайников в отчетах, публикациях и других ресурсах национальных лесов и парков США». Национальная база данных и информационный центр по лишайникам и качеству воздуха. Лесная служба США. Получено 31 мая 2018.
  8. ^ а б «Сорбентные трубки». Решения для отбора проб воздуха. Казелла. Получено 3 июн 2018.
  9. ^ Солтер, Эдди. «Активный и пассивный отбор проб воздуха». Экологические технологии. Labmate Online. Получено 4 июн 2018.
  10. ^ а б c d е ж Чжан, Чаошэн; Дин, Шиминг; Сюй, Ди; Тан, Я; Вонг, Мин Х (2014). «Оценка биодоступности фосфора и металлов в почвах и отложениях: обзор диффузионных градиентов в тонких пленках (DGT)». Экологический мониторинг и оценка. 186 (11).
  11. ^ Sericano, JL; Уэйд, TL; Джексон, TJ; Брукс, JM; Трипп, BW; Фаррингтон, JW; Ми, LD; Ридманн, JW; Вильнев, JP; Гольдберг, ED (1995). «Следы органического загрязнения в Северной и Южной Америке: Обзор национального статуса и тенденций в США и международных программ« Мидии »». Бюллетень загрязнения морской среды. 31 (4–12).
  12. ^ а б c Serbst, JR; Берджесс, РМ; Кун, А; Эдвардс, Пенсильвания; Кантуэлл, MG (2003). «Прецизионность отбора проб кадмия в поровых водах морских отложений». Архивы загрязнения окружающей среды и токсикологии. 45 (3): 297–305. Дои:10.1007 / s00244-003-0114-5. PMID  14674581.
  13. ^ а б c Брамбо, Уильям Джи; Мэй, Томас В; Бессер, Джон М; Allert, Ann L; Шмитт, Кристофер Дж (2007). «Оценка концентраций элементов в потоках нового свинцового пояса на юго-востоке штата Миссури, 2002–05 годы». Геологическая служба США. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ Гарти, Дж (2001). «Биомониторинг атмосферных тяжелых металлов с лишайниками: теория и применение». Критические обзоры в науках о растениях. 20 (4): 309–371. Дои:10.1080/20013591099254.
  15. ^ «Национальные рекомендуемые критерии качества воды - Таблица критериев водной флоры и фауны». Агентство по охране окружающей среды США. 2015-09-03. Получено 4 июн 2018.