DGT技術(shù)在測(cè)定汞離子及其化合物中的發(fā)展與應(yīng)用

王夕予，張奕妍，李知可，吳政禹，邵波，童銀棟，*

（1.西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩 850011；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

汞（Hg）是一種存在于環(huán)境中的重金屬元素，具有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性（尤其是有機(jī)形態(tài)汞）。它既有自然來源（包括火山爆發(fā)、森林大火、生物質(zhì)燃燒和低溫?fù)]發(fā)等），也有人為來源（包括煤炭燃燒、金屬礦石冶煉、廢物處理和化學(xué)品生產(chǎn)等）[1]。汞對(duì)人體免疫、消化和神經(jīng)系統(tǒng)以及腎臟、肺、眼睛、皮膚都具有毒害作用。世界衛(wèi)生組織將汞視為能夠造成重大公共健康風(fēng)險(xiǎn)的十大化學(xué)品或物質(zhì)之一[2]。天然水體中的汞通常以不同形式存在，主要包括元素汞（Hg0）、離子汞（Hg+和Hg2+）和甲基化汞（CH3Hg+、C2H5Hg+等）。汞的毒性在很大程度上取決于其化學(xué)形態(tài)，甲基汞（MeHg）通常被認(rèn)為是毒性最大的化合物[3]。環(huán)境中的無機(jī)汞在硫酸鹽還原菌、鐵還原菌、產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物作用下能夠被轉(zhuǎn)化為甲基汞，在水體中被浮游植物積累后沿著水生食物鏈傳遞和放大，最終通過水產(chǎn)品威脅到人類健康[4]。隨著工業(yè)發(fā)展和城市化推進(jìn)，人類活動(dòng)對(duì)于環(huán)境中汞含量和分布特征的影響變得越來越復(fù)雜。因此，掌握多環(huán)境介質(zhì)中不同形態(tài)汞的濃度及其時(shí)空變化特征，進(jìn)而揭示其歸趨轉(zhuǎn)化的生物地球化學(xué)行為也變得越來越重要。

Hg 是一種痕量金屬，地殼中含量約為80 μg·kg-1[5]。冷原子熒光法（CV-AFS）和原子吸收光譜法可以特異性測(cè)定Hg。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）和雙硫腙光度法是測(cè)定多種金屬陽(yáng)離子的通用方法。但是在日本水俁病發(fā)生之后，世界各國(guó)都非常重視Hg在環(huán)境中的排放問題。基礎(chǔ)方法很難準(zhǔn)確檢測(cè)環(huán)境中的Hg 含量，亟需一種高效的原位富集技術(shù)來代替普通的原位采樣。梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)（Diffusive gradients in thin-films，DGT）可利用自由擴(kuò)散原理（基于Fick第一定律），通過對(duì)目標(biāo)物在擴(kuò)散層的梯度擴(kuò)散及其緩沖動(dòng)力學(xué)過程的研究，獲得其在環(huán)境介質(zhì)中的（生物）有效態(tài)含量、空間分布以及動(dòng)力學(xué)信息[6]。

與傳統(tǒng)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法相比，DGT技術(shù)能夠在原位條件下較為真實(shí)地反映環(huán)境介質(zhì)中目標(biāo)物的生物可利用性，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①DGT 技術(shù)具有很好的選擇特異性，因?yàn)樗⒉皇菧y(cè)定水相中所有金屬離子，而是可測(cè)定與其結(jié)合相鍵合的離子；②DGT技術(shù)可用于不穩(wěn)定組分的測(cè)量，DGT 是時(shí)間綜合測(cè)量技術(shù)，因而能保證一定時(shí)間內(nèi)的測(cè)量結(jié)果及趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)受到目標(biāo)物質(zhì)形態(tài)的影響[7]；③DGT 是一種被動(dòng)方式的動(dòng)力學(xué)技術(shù)，時(shí)刻保持穩(wěn)定的濃度梯度，即使目標(biāo)物濃度突然變化，但是達(dá)到濃度平衡受到時(shí)間限制，因此可以在復(fù)雜的環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[8]；④DGT技術(shù)可適用于測(cè)量溶液中痕量金屬離子的濃度（10-7mol·L-1）[9]，與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)不同，即使在濃度極低的環(huán)境下，直接通過濃縮也可以得到穩(wěn)定的測(cè)定結(jié)果并保證較高的回收率。

盡管已經(jīng)有一些文章對(duì)DGT 技術(shù)測(cè)量重金屬離子的進(jìn)展進(jìn)行回顧和總結(jié)[10-11]，但隨著DGT 技術(shù)的不斷更新，在裝置結(jié)構(gòu)、結(jié)合相與擴(kuò)散相組分以及測(cè)定流程等方面存在越來越多樣的選擇。傳統(tǒng)的DGT 通常會(huì)對(duì)不同類型重金屬采用相同的固定相，不注重針對(duì)某一具體類型的重金屬元素，但當(dāng)前越來越多的DGT 實(shí)際應(yīng)用案例中分別應(yīng)用針對(duì)Hg 和MeHg 的DGT 裝置。本文對(duì)多介質(zhì)環(huán)境中Hg-DGT 和MeHg-DGT 使用和研究案例進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合最新的研究進(jìn)展，探討通過DGT技術(shù)進(jìn)行Hg環(huán)境監(jiān)測(cè)的選擇、性能與效率的比較，特別探討了不同類型結(jié)合相對(duì)無機(jī)汞和甲基汞的固定效率差異，并比較了DGT在不同環(huán)境介質(zhì)中的實(shí)際應(yīng)用效果，最后提出DGT的改進(jìn)建議和未來應(yīng)用展望。

1 DGT環(huán)境應(yīng)用的文獻(xiàn)計(jì)量結(jié)果

1.1 Hg-DGT在各個(gè)國(guó)家∕地區(qū)的使用情況

在Web of Science 查找有關(guān)Hg-DGT 的文獻(xiàn)，將查詢結(jié)果繪制成國(guó)家∕地區(qū)數(shù)據(jù)分布圖（圖1）?？梢钥闯鑫鳉W和北美地區(qū)對(duì)DGT 檢測(cè)Hg 形態(tài)的研究較為領(lǐng)先，而我國(guó)處在相對(duì)落后的位置。有研究報(bào)道，通過食物鏈的傳遞作用，魚類等水生生物富集的MeHg高達(dá)水體含量（ng·L-1級(jí)）的10 萬(wàn)～20萬(wàn)倍[12]。所以不能因?yàn)楹哿拷饘俚沫h(huán)境值低就低估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。雖然無機(jī)汞的毒性相對(duì)較弱，但無機(jī)汞轉(zhuǎn)化成的MeHg具有高神經(jīng)毒性、致癌性、心血管毒性、生殖毒性、免疫系統(tǒng)效應(yīng)和腎臟毒性等，能給人體健康帶來嚴(yán)重危害[13]。

圖1 Hg-DGT研究使用數(shù)量國(guó)家（地區(qū)）分布Figure 1 National and regional distribution of Hg-DGT

通常認(rèn)為非職業(yè)接觸人群的MeHg 暴露主要來自日常攝食的海產(chǎn)品，但近期有研究表明攝食大米很可能是東南亞國(guó)家內(nèi)陸居民MeHg 暴露的一個(gè)重要途徑[14-16]。全球90%的稻米產(chǎn)自亞洲，而我國(guó)作為世界稻作的起源地，有近三分之二的人口以稻米為主食[17]。與此同時(shí)，我國(guó)是世界上最大的Hg 生產(chǎn)國(guó)、使用國(guó)和排放國(guó)，長(zhǎng)期大規(guī)模的涉汞工業(yè)與礦業(yè)活動(dòng)，如汞冶煉、混汞采金、鉛鋅冶煉以及氯堿生產(chǎn)等，在局部地區(qū)造成了嚴(yán)重的汞污染問題。而在原位條件下準(zhǔn)確測(cè)量Hg∕MeHg濃度是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第一步。

1.2 關(guān)鍵詞聚類分析

本文使用CiteSpace 軟件V5.7R 進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析并繪制分析圖。在Web of Science 核心合集中搜索關(guān)鍵詞“DGT and（Hg or MeHg）”，一共檢索到74篇Hg∕MeHg-DGT 研究論文。將74 篇文獻(xiàn)導(dǎo)入Cite Space軟件進(jìn)行關(guān)鍵詞的可視化分析，得到聚類分析圖（圖2）。每個(gè)顏色代表一個(gè)聚類節(jié)點(diǎn)，每個(gè)聚類下包含1個(gè)關(guān)鍵詞和2篇高被引文獻(xiàn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線代表共被引文獻(xiàn)。

從圖2中可以看出關(guān)鍵詞共生成14個(gè)聚類，編號(hào)為#0～#13。編號(hào)為#0～#10的前11個(gè)關(guān)鍵詞聯(lián)系更為緊密。從第1 個(gè)聚類關(guān)鍵詞“自然水體（natural water）”可以看出，DGT 的應(yīng)用主要集中在野外。從第2個(gè)關(guān)鍵詞“汞生物可利用度（mercury bioavailability）”可以看出，DGT的優(yōu)勢(shì)之一在于可測(cè)定生物可利用態(tài)重金屬[18]。第3 個(gè)關(guān)鍵詞為“植物螯合態(tài)（phytochelatin synthesis）”，植物對(duì)金屬（類金屬）的吸收消耗過程引起了目標(biāo)物質(zhì)從環(huán)境介質(zhì)到植物體表面的動(dòng)力學(xué)過程，這與DGT 吸收待測(cè)物質(zhì)的過程機(jī)理類似，因此DGT技術(shù)是一種研究植物有效性機(jī)制的工具[19]。第4個(gè)關(guān)鍵詞為“新奧勒松地區(qū)（ny-alesund area）”。第5個(gè)關(guān)鍵詞為“高分辨率分析（high-resolution evaluation）”，DGT 與平面光極兩種技術(shù)聯(lián)用可用于提供元素通量及其在沉積物中分布的高分辨率測(cè)量[20]。第6個(gè)關(guān)鍵詞為“天然純化腐植酸（natural purified humic acid）”，天然有機(jī)物質(zhì)會(huì)影響DGT 擴(kuò)散系數(shù)[21]。第7個(gè)關(guān)鍵詞為“秈稻（oryza sativa l）”。第8 個(gè)關(guān)鍵詞為“薄膜技術(shù)（thin-films technique）”。從第9 個(gè)關(guān)鍵詞“現(xiàn)行技術(shù)（current approaches）”可以看出，DGT 技術(shù)是現(xiàn)在熱門使用技術(shù)。從第10 個(gè)關(guān)鍵詞“無機(jī)化合物（inorganic compound）”可以看出，DGT 的目標(biāo)檢測(cè)物質(zhì)主要為無機(jī)化合物。第11 個(gè)關(guān)鍵詞為“不同類型（different type）”，DGT 裝置∕探針的兩種常見類型是原板式（Piston type）和平板式（Flat type），前者主要用于土壤和水體中物質(zhì)濃度和有效性特征的表征，后者主要用于水系沉積物和濕地土壤介質(zhì)，及其與上覆水或植物根系的微界面處元素一維和二維分布特征的測(cè)定[22]。

圖2 Hg-DGT研究文獻(xiàn)聚類分析Figure 2 Hg-DGT research literature keyword clustering evolution diagram

CiteSpace 通過檢測(cè)和追蹤某一領(lǐng)域，將其發(fā)展趨勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化[23]。本文通過計(jì)算識(shí)別的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)總結(jié)得到：DGT是一種已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的能夠較好地反映自然水體和環(huán)境中可被生物有效利用的汞形態(tài)的技術(shù)。

2 DGT裝置結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理

DGT 被動(dòng)采樣裝置主要由外殼及放置在殼中的三層膜組成，其中外殼主要起到支撐作用。膜裝置由過濾膜、擴(kuò)散相、結(jié)合相三層組成，可以根據(jù)不同目標(biāo)物質(zhì)和使用環(huán)境進(jìn)行更換。DGT 技術(shù)原理是讓目標(biāo)離子從待測(cè)溶液中以自由擴(kuò)散方式穿過擴(kuò)散層，隨即被結(jié)合相所捕獲，并在擴(kuò)散層形成線性梯度分布（圖3）[10]。所以根據(jù)自由擴(kuò)散原理（即Fick 第一定律），DGT 裝置對(duì)目標(biāo)物的擴(kuò)散通量（FDGT）可用以下公式計(jì)算：

圖3 Fick第一定律示意圖Figure 3 Schematic diagram of Fick′s first law

式中：M為DGT 裝置放置時(shí)間段內(nèi)結(jié)合相對(duì)目標(biāo)離子的積累量，μg；A為DGT 裝置暴露窗口面積，cm2；t為DGT裝置放置時(shí)間，s；D為目標(biāo)離子在擴(kuò)散層中的擴(kuò)散系數(shù)，cm2·s-1；CDGT為擴(kuò)散層線性梯度靠近環(huán)境介質(zhì)一端的濃度，mg·L-1；Δg為擴(kuò)散層厚度，cm。

3 Hg-DGT擴(kuò)散相∕結(jié)合相材料的發(fā)展

3.1 Hg-DGT擴(kuò)散相材料的發(fā)展

DGT 常用的擴(kuò)散相材料包括聚丙烯酰胺凝膠和瓊脂糖凝膠。但有研究者發(fā)現(xiàn)Hg會(huì)與聚丙烯酰胺擴(kuò)散凝膠的酰胺基共價(jià)結(jié)合[24]，尤其在中性水溶液和有機(jī)溶液中的酰胺基團(tuán)對(duì)離子汞具有較高的活性[25]。但是也有研究者認(rèn)為，聚丙烯酰胺凝膠不會(huì)阻礙Hg在其中的擴(kuò)散[26]。瓊脂糖是從瓊脂或含瓊脂的海藻中分離純化得到的線性多糖。瓊脂糖凝膠是將瓊脂糖溶于熱水中制備而成，制作步驟簡(jiǎn)單，且水合后不會(huì)發(fā)生膨脹。相比于聚丙烯酰胺凝膠，瓊脂糖凝膠具有更大的孔徑（＞20 nm）、較低的彎曲度以及更高的含水率（＞99%），有利于目標(biāo)離子的擴(kuò)散。利用瓊脂糖作為擴(kuò)散相的DGT 已經(jīng)被用于分析環(huán)境中Hg 的4種不同形態(tài)（Hg2+、CH3Hg+、C2H5Hg+和C6H5Hg+）[27]。

3.2 Hg-DGT結(jié)合相材料的發(fā)展

DGT結(jié)合相一般是將吸附材料嵌入凝膠中制成，其對(duì)目標(biāo)離子的測(cè)定依賴于固定材料的類型。結(jié)合相對(duì)于不同形態(tài)汞的固定能力及其吸附容量大小會(huì)影響DGT 裝置環(huán)境監(jiān)測(cè)的性能，是DGT 裝置的核心組成。現(xiàn)有能夠適用于環(huán)境汞監(jiān)測(cè)的不同結(jié)合相材料及其使用條件見表1。

表1 不同結(jié)合相材料的使用條件和目標(biāo)離子對(duì)比Table 1 The comparison of use conditions and the target ions of different binding phase materials

3.2.1 無機(jī)汞結(jié)合相的發(fā)展

Chelex-100 樹脂是最早被使用的金屬陽(yáng)離子吸附相材料，用于環(huán)境中十幾種金屬陽(yáng)離子的測(cè)定，例如Zn、Cd、Cu、Al、Fe 和Hg 等[28-30]。但是Chelex-100樹脂的亞氨基二乙酸官能團(tuán)（通常用作樹脂凝膠中的結(jié)合相）不能較好地捕獲水體中大部分生物可利用態(tài)汞，對(duì)汞的固定效率相對(duì)較低。DO?EKALOVá 等[24]發(fā)現(xiàn)Spheron-Thiol 樹脂具有優(yōu)異的與汞結(jié)合的能力，在河水中捕集汞的效率可達(dá)Chelex-100 樹脂的3倍。PHAM 等[37]使用3-巰基丙基官能化硅膠（Si-SH）作為吸附相探究納米HgS 和ZnS 對(duì)DGT 的汞吸附效率的影響，發(fā)現(xiàn)HgS納米粒子并沒有完全滲透到DGT采樣器中，這可能會(huì)極大低估溶液中溶解金屬的實(shí)際濃度（50%）。由于3-巰基丙基官能化的二氧化硅樹脂價(jià)格昂貴，COLA?O 等[34]使用磷酸纖維素離子交換膜（P81 Whatman）作為結(jié)合相檢測(cè)河水中二價(jià)離子汞（Hg2+），Hg2+吸收率為97%，高于Chelex-100樹脂的吸收率（80%）。ELIAS等[35]用三辛基甲基硫代水楊酸銨（TOMATS）改性的納米級(jí)二氧化硅（Si-np）作為結(jié)合材料從溶液中吸收Hg2+，其吸收率（97%）和吸附容量（9 mg·g-1）為非浸漬材料的4 倍，這種新的結(jié)合相在Hg累積質(zhì)量與放置時(shí)間之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的線性相關(guān)性，對(duì)水中游離態(tài)Hg（Ⅱ）具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

在天然水體中，Hg2+和CH3Hg+除了與Cl-、OH-等形成無機(jī)絡(luò)合物外，還會(huì)與天然配體（如黃腐酸和腐植酸）形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而較難被結(jié)合相所固定[39]。研究發(fā)現(xiàn)巰基對(duì)這類穩(wěn)定復(fù)合物中絡(luò)合態(tài)的Hg（Ⅱ）有更高親和力，WU 等[32]研發(fā)了巰基修飾的碳納米顆粒物（SH-CNP）懸浮溶液作為DGT 的液體結(jié)合相吸附汞離子，并且該結(jié)合相不受Cd、Cr、Cu和Pb 等潛在干擾離子的影響，具有較高的特異性。SZKANDERA 等[31]發(fā)現(xiàn)以Chelex-100 樹脂為結(jié)合相的DGT 不適合測(cè)定海水中的Hg，因?yàn)镠g的積累會(huì)受到氯化物濃度的顯著影響。相比之下，腐植酸對(duì)二氧化鈦樹脂凝膠吸附汞的干擾遠(yuǎn)低于Chelex-100樹脂。GAO 等[33]合成了3-巰基丙基SBA-15（SH-SBA）和3-巰基丙基PMO（SH-PMO）兩種納米多孔樹脂的結(jié)合相材料，其具有較高的比表面積以及較多的功能性巰基結(jié)合位點(diǎn)，所含硫醇高于66 mg·g-（1以Hg 吸附量計(jì)），對(duì)不穩(wěn)定的Hg 表現(xiàn)出高親和力，而Chelex-100樹脂對(duì)Hg的吸附容量為18 mg·g-（1以Hg吸附量計(jì)）。

根據(jù)DNA 與Hg2+結(jié)合后會(huì)在染料染色下產(chǎn)生熒光的特性，PI 等[40]開發(fā)了高特異性DNA 功能化水凝膠DGT，可以直接測(cè)定水中的Hg2+。DNA 結(jié)合相對(duì)Hg2+既有很高的親和力（25 ℃時(shí)的絡(luò)合常數(shù)Kc=1019.8），又有很高的結(jié)合容量（9.5 mg）。與傳統(tǒng)DGT使用方式不同，普通DGT仍然依賴于從結(jié)合層提取分析物，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行耗時(shí)的樣品處理和分析，因此DNA-DGT傳感器將被動(dòng)采樣與現(xiàn)場(chǎng)靈敏熒光檢測(cè)相結(jié)合，可快速和高選擇性地顯示水中Hg2+濃度。

3.2.2 有機(jī)汞結(jié)合相的發(fā)展

PELCOVá 等[36]發(fā)現(xiàn)含有硫醇官能團(tuán)的樹脂能夠檢測(cè)出溶解的總汞，使用離子交換樹脂Duolite GT73和新型離子交換樹脂Ambersep GT74 可以同時(shí)測(cè)定四種Hg及其化合物（Hg2+、CH3Hg+、C2H5Hg+、C6H5Hg+）。雖然實(shí)驗(yàn)中其他陽(yáng)離子（Ag、Cd、Cu、Pb、Fe、Ca、Na）的濃度比未污染的天然水中濃度高，但是對(duì)汞積累量以及Duolite 和Ambersep 樹脂凝膠的汞吸收量影響可忽略不計(jì)。CLARISSE等[41]使用硫醇改性的硅膠樹脂檢測(cè)汞，該樹脂對(duì)汞具有高選擇性，對(duì)無機(jī)汞和甲基汞的結(jié)合能力較強(qiáng)，對(duì)物種信息的保存能力較好，方法檢測(cè)限可以達(dá)到1 pg。WANG 等[9]使用Tulsion?CH-95異硫脲官能化的大孔交聯(lián)聚苯乙烯開發(fā)出一種新型的DGT探針，可以同時(shí)測(cè)量CH3Hg+和Hg2+，并且使用含有0.1mol·L-1HCl和2%硫脲（TU）的混合溶液有效洗脫凝膠中積累的CH3Hg+和Hg2+。TAFURT-CARDONA 等[38]將貝克釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）用于DGT 中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MeHg 的定量和選擇性保留，同時(shí)將Hg（Ⅱ）留在溶液中，并且任何可能的離子相互作用都不會(huì)影響分析物的回收率。

4 DGT技術(shù)在汞環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

4.1 利用DGT監(jiān)測(cè)水體中各種化學(xué)形態(tài)Hg

DGT 的最典型應(yīng)用是監(jiān)測(cè)水體、土壤、沉積物等各種環(huán)境介質(zhì)中不同化學(xué)形態(tài)Hg 的濃度。PELCOVá 等[42]將DGT 與液相色譜（LC）和CV-AFS 聯(lián)用，并采用改進(jìn)酸洗脫和微波輔助萃?。∕AE）技術(shù)提取汞，可同時(shí)定量分析4 種形態(tài)Hg（Hg2+、CH3Hg+、C2H5Hg+、C6H5Hg+）。BRETIER 等[43]對(duì)法國(guó)Gier 河和De?le 河的監(jiān)測(cè)結(jié)果證明，DGT 測(cè)量的Hg 和MeHg 濃度與表層動(dòng)態(tài)水體中Hg 和MeHg 的離散采樣測(cè)量結(jié)果基本一致。然而，在低流量或低水深、低懸浮顆粒物濃度和日光周期增加的情況下，DGT 監(jiān)測(cè)的Hg 濃度可能會(huì)被高估（2～16 倍）。DGT 除了可以單獨(dú)測(cè)定Hg 和MeHg，也可以與離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜（IC-ICP-MS）聯(lián)用，從而實(shí)現(xiàn)Hg和MeHg 離子濃度的同步分析。HONG 等[44]用酸性硫脲溶液萃取結(jié)合相中的Hg，形成穩(wěn)定的硫脲-汞絡(luò)合物，并分別通過離子色譜和ICP-MS 進(jìn)行分離和檢測(cè)，測(cè)得CH3Hg+和Hg2+絡(luò)合物在氯離子瓊脂糖擴(kuò)散層中的有效擴(kuò)散系數(shù)分別為5.26×10-6cm2·s-1和4.02×10-6cm2·s-1，監(jiān)測(cè)三周后得到CH3Hg+和Hg2+的檢測(cè)限分別為0.1 ng·L-1和0.7 ng·L-1。

4.2 利用DGT監(jiān)測(cè)土壤和沉積物中Hg的空間分布信息

利用DGT 可以在土壤或沉積物剖面獲取Hg 的垂直空間濃度分布信息?？臻g信息的分辨率與擴(kuò)散層厚度有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)離子通過擴(kuò)散層時(shí)，離子在向結(jié)合相方向發(fā)生垂直擴(kuò)散的同時(shí)也發(fā)生側(cè)向擴(kuò)散，造成空間分辨率降低。當(dāng)使用擴(kuò)散層的厚度約為0.90 mm 時(shí)，獲得的目標(biāo)物空間分辨率在1.0 mm 左右[45]。TEASDALE 等[39]利用3-巰基丙基功能化硅膠DGT 對(duì)洪澤湖沉積物中不穩(wěn)定的As 和Hg 的濃度進(jìn)行了原位空間分布表征，結(jié)果表明：沉積物剖面中不穩(wěn)定As和Hg 的濃度變化很大，As 濃度為0.15～4.15 μg·L-1，Hg 濃度為0.04～1.35 μg·L-1；As 和Hg 通量值是根據(jù)DGT剖面測(cè)量的濃度梯度計(jì)算出來的，這些濃度梯度既適用于上覆水，也適用于沉積物-水界面附近的沉積物，可用于確定As和Hg的污染狀況；As和Hg的通量值分別在-0.066～0.067 ng·cm-2·d-1和-0.018 7～0.018 1 ng·cm-2·d-1之間；DGT 原位測(cè)量的0～30 mm沉積物層中活性As、Hg 濃度與上覆水中活性As、Hg濃度和總?cè)芙鈶B(tài)濃度以及總As、Hg 濃度顯著相關(guān)。該研究表明，利用DGT 原位高分辨率技術(shù)對(duì)洪澤湖沉積物中As、Hg污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以充分反映污染物的空間分布，與傳統(tǒng)的化學(xué)方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.3 DGT對(duì)汞的生物有效性評(píng)價(jià)研究

金屬有效態(tài)對(duì)于研究金屬元素的生物可利用性至關(guān)重要，對(duì)于特定環(huán)境介質(zhì)中的金屬（類金屬），只有具有生物有效性的形態(tài)才能被植物吸收利用并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響[46]。MCCARTY 等[47]指出，生物有效性評(píng)價(jià)需綜合考慮物理化學(xué)作用驅(qū)動(dòng)的供給和生物學(xué)作用驅(qū)動(dòng)的吸收這兩個(gè)階段的動(dòng)態(tài)過程。影響DGT對(duì)生物有效態(tài)元素測(cè)定的因素主要有結(jié)合相的吸附效率、擴(kuò)散相的孔隙大小以及各形態(tài)在擴(kuò)散膜里的動(dòng)態(tài)交換過程等。當(dāng)待測(cè)分子尺寸明顯小于擴(kuò)散膠的孔徑時(shí)，其能夠自由穿過擴(kuò)散膜從而被DGT 所測(cè)量；反之，對(duì)于那些尺寸比較大的分子，擴(kuò)散膜會(huì)部分地阻礙這些分子的擴(kuò)散，從而影響測(cè)量[11]。

DGT 技術(shù)能夠測(cè)定的有效態(tài)濃度包括溶液中的離子態(tài)物質(zhì)、絡(luò)合態(tài)物質(zhì)中的可解離部分以及固相向液相的補(bǔ)給部分，該濃度反映了環(huán)境介質(zhì)對(duì)目標(biāo)元素的再補(bǔ)給能力以及對(duì)補(bǔ)給過程有所貢獻(xiàn)的形態(tài)[19]。同樣地，金屬絡(luò)合物在植物吸收過程中受到擴(kuò)散的限制，只有在其穿過生物膜外側(cè)的濃度梯度區(qū)域到達(dá)生物膜表面的這段時(shí)間內(nèi)解離出的自由離子形態(tài)才能被植物吸收，即對(duì)擴(kuò)散通量有貢獻(xiàn)[48]。NDU 等[49]通過用同位素標(biāo)記無機(jī)汞“末端成員”（溶解的Hg2+、Hg-腐植酸、吸附到FeS 和HgS 納米顆粒上的Hg）發(fā)現(xiàn)，DGT 中無機(jī)汞的吸收可能反映汞甲基化過程中微生物的生物利用度。

VAN LEEUWEN 等[50]研究發(fā)現(xiàn)，相比于其他模擬動(dòng)力學(xué)過程的技術(shù)，DGT的擴(kuò)散層與植物擴(kuò)散層的相似程度尤其高。當(dāng)DGT 裝置中積累了溶解態(tài)金屬時(shí)，它們會(huì)耗盡土壤孔隙水，并且從固相中再補(bǔ)充弱結(jié)合的金屬。因此，DGT的應(yīng)用可以擴(kuò)展到土壤中不穩(wěn)定金屬和生物有效態(tài)金屬的定量分析[51]。在許多研究中，DGT已成功地用于間接估算土壤溶液中的不穩(wěn)定汞組分，發(fā)現(xiàn)其與汞生物有效性顯著相關(guān)。TURULL 等[52]的研究表明，應(yīng)用DGT 測(cè)定的土壤中汞濃度與萵苣根中汞濃度相匹配，從而證實(shí)了該技術(shù)在預(yù)測(cè)植物吸收汞方面的有效性。LIU 等[53]利用DGT 研究了水稻生長(zhǎng)季土壤孔隙水中MeHg 動(dòng)態(tài)和空間趨勢(shì)，并證明DGT 可以預(yù)測(cè)水稻土壤中生物有效態(tài)的MeHg。

CLARISSE 等[54]利用DGT 技術(shù)測(cè)試蛤蜊（Macoma balthica，Baltic clam）對(duì)單甲基汞（MMHg）的生物積累程度，DGT的監(jiān)測(cè)結(jié)果合理預(yù)測(cè)了蛤蜊從水相攝取MMHg 的情況。PELCOVá 等[55]將DGT 和鯉魚（Cyprinus carpio）放置于不同濃度的汞溶液中14 d，結(jié)果表明：鯉魚組織中的汞濃度隨著水環(huán)境中汞濃度和汞累積時(shí)間的增加而增加；暴露在水中的魚的腎臟和鰓中汞的濃度最高；將DGT 測(cè)量的汞濃度（DGT-Hg）與腦、眼、鰓、腎、肌肉、肝臟、鱗片、皮膚和脾臟中汞的生物積累量進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)DGT-Hg 與魚類大腦、眼睛、鰓、鱗片和皮膚的生物積累量具有顯著的相關(guān)性。AMIRBAHMAN 等[56]通過研究河口沉積物中3 種底棲大型無脊椎動(dòng)物（河口兩棲綱動(dòng)物L(fēng)eptocheirus plumulosus、河口多毛魚類Nereis virens和海蛤Macoma nasuta）和DGT 對(duì)總汞和甲基汞的時(shí)間依賴性發(fā)現(xiàn)，生物體組織和DGT 中的汞濃度具有很強(qiáng)的相關(guān)性。NGUYEN 等[51]的研究表明，蚯蚓體內(nèi)Hg 濃度與DGT測(cè)定濃度之間不僅具有較高的相關(guān)性，而且受土壤性質(zhì)（老化時(shí)間、有機(jī)質(zhì)含量和pH值）的影響也較小。

4.4 DGT技術(shù)與DIFS模型結(jié)合評(píng)估汞遷移潛力

Hg 被生物吸收的前提是甲基化[57]。在不受外界汞污染的環(huán)境中，MeHg 的凈產(chǎn)量主要取決于向沉積物中提供有機(jī)物質(zhì)（OM）的氧化還原條件，而MeHg的去甲基化則不受沉積物OM 含量或氧化還原條件的影響[58]。為了量化汞與沉積物結(jié)合的穩(wěn)定性，HARPER 等[59]開發(fā)了DIFS（沉積物中DGT 誘導(dǎo)的通量）模型，根據(jù)基本動(dòng)力學(xué)和平衡補(bǔ)給參數(shù)對(duì)DGT 測(cè)量進(jìn)行定量解釋。通過適當(dāng)?shù)妮斎雲(yún)?shù)，DIFS 模型能夠評(píng)估環(huán)境中特定金屬的遷移潛力?？紤]到Hg與沉積物的可逆一階相互作用，使用以下質(zhì)量平衡方程組來模擬DGT的吸收。

式中：C是孔隙水濃度（單位體積孔隙水中的汞質(zhì)量）；Cs是固相濃度（單位質(zhì)量沉積物中的汞質(zhì)量）；k1和k-1是沉積物吸附和解吸的速率常數(shù)（t-1）；Pc是沉積物固體濃度（單位總體積的沉渣量）；Ds是沉積物中的擴(kuò)散系數(shù)（無機(jī)汞為2.5×10-6cm2·s-1[60]，甲基汞為5.0×10-6cm2·s-1[4]）；x在擴(kuò)散層為0，在沉積物界面為-Δg；KD1是不穩(wěn)定金屬的分配系數(shù)；Tc是沉積物的特征響應(yīng)時(shí)間。

5 DGT使用過程中的環(huán)境干擾因素

5.1 溶解性有機(jī)質(zhì)對(duì)汞擴(kuò)散系數(shù)的影響

環(huán)境中小分子的金屬絡(luò)合物在擴(kuò)散層中擴(kuò)散得更慢，可能導(dǎo)致最終的測(cè)量值低于環(huán)境中真實(shí)值[61]。天然有機(jī)物（NOM）是由植物和動(dòng)物的沉積和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的生物分子的復(fù)雜混合物。一般來說，NOM 可以分為顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（POM）和溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)（DOM），二者區(qū)別在于DOM 被認(rèn)為是可以通過0.45 μm 濾膜的部分，而POM 則是留在濾膜上的組分[62]。DOM 由低分子量有機(jī)酸、碳水化合物、蛋白質(zhì)、腐植酸、富里酸和其他化合物組成，主要來自土壤、雨水徑流和富營(yíng)養(yǎng)湖泊中藻類的降解[63]。DOM 普遍存在于水生環(huán)境中，作為水環(huán)境污染物的重要配體和載體，其大量不飽和結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)可與重金屬形成穩(wěn)定的化合物，從而影響重金屬遷移和轉(zhuǎn)化，以及生物有效性[64]。BLAND等[21]研究薩沃尼河中不同NOM粒子直徑對(duì)孔隙水中Hg（Ⅱ）擴(kuò)散系數(shù)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散效率主要取決于NOM與Hg的質(zhì)量比。NOM質(zhì)量越高，擴(kuò)散效率降低越多，NOM-Hg（Ⅱ）擴(kuò)散效率平均降低了20%～80%。所以在使用DGT 時(shí)有必要先測(cè)定孔隙水中NOM的濃度，否則可能會(huì)將Hg（Ⅱ）濃度低估3倍。

CLARISSE 等[65]用DGT 追蹤同位素202Hg 的方法研究了安大略省實(shí)驗(yàn)湖區(qū)（ELA）的北方湖泊分層溶解相中的MeHg 形態(tài)。NOH 等[66]利用IC-ICP-MS 分離出CH3Hg+和Hg2+，并在溶解性有機(jī)碳（DOC）或DOM存在下測(cè)定CH3Hg+和Hg2+的有效擴(kuò)散系數(shù)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CH3Hg+和Hg2+的有效擴(kuò)散系數(shù)比沒有DOM時(shí)降低，可能是由于甲基官能團(tuán)的結(jié)合降低了Hg對(duì)硫醇的親和力，因此CH3Hg+對(duì)有機(jī)物中的硫醇官能團(tuán)的親和力比Hg2+低，意味著CH3Hg+-DOM 復(fù)合物比Hg2+-DOM 復(fù)合物更不穩(wěn)定，解離速率常數(shù)更高。

5.2 生物膜與汞納米顆粒的影響

生物膜的形成對(duì)于DGT 的長(zhǎng)期放置是一個(gè)問題。LIU 等[53]在放置DGT 探針時(shí)發(fā)現(xiàn)，在土壤和上覆水之間的界面上方的膜濾器上有生物膜形成。在DGT 擴(kuò)散相中絡(luò)合物離解的程度受擴(kuò)散膜的厚度影響，當(dāng)其足夠厚時(shí)，絡(luò)合物有足夠的時(shí)間進(jìn)行離解，否則絡(luò)合物離解較少。實(shí)驗(yàn)中可以利用不同厚度的擴(kuò)散膜研究金屬有機(jī)物的離解速率，由此可以進(jìn)行形態(tài)分析及測(cè)量。TANG 等[67]在研究淡水湖泊（Andong Lake）中長(zhǎng)期布設(shè)的總汞（THg）DGT 時(shí)發(fā)現(xiàn)，布設(shè)3周后，使用DGT測(cè)量的THg濃度比通過抓取采樣測(cè)量的THg 濃度低50%。水中THg 含量低估是由DGT 過濾器外部的物理擴(kuò)散邊界層和生物膜引起的。

目前尚不清楚DGT 樣品中納米顆粒汞的遷移和轉(zhuǎn)化行為[66]。通常假設(shè)DGT 僅能測(cè)量溶解態(tài)汞的含量，而不能測(cè)量結(jié)合態(tài)汞。但是，小尺寸的含汞顆粒（小于DGT 采樣器的孔徑）可能會(huì)穿透膜層，在DGT采樣器中溶解或聚集，這會(huì)干擾DGT 對(duì)其他形態(tài)汞的測(cè)量。例如，PHAM 等[37]的研究表明，HgS納米顆粒聚集在DGT 樣品的表面，并通過吸附減少了溶解態(tài)汞的遷移，導(dǎo)致DGT 采樣器數(shù)據(jù)低于溶液中溶解的汞濃度。

5.3 邊界擴(kuò)散層對(duì)汞擴(kuò)散通量的影響

當(dāng)DGT 裝置放置在水中時(shí)，溶液中靠近其表面的區(qū)域會(huì)發(fā)生金屬離子和絡(luò)合物的傳輸，并從對(duì)流控制快速轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制[68]。當(dāng)邊界擴(kuò)散層（DBL）足夠厚而不能被忽略時(shí)（如在平靜的湖水中或使用非常薄的擴(kuò)散凝膠時(shí)），通過以下公式推導(dǎo)邊界層擴(kuò)散的厚度（δ），并進(jìn)一步獲得DGT濃度：

式中：M是DGT吸附的目標(biāo)離子的總量，ng；Δg是擴(kuò)散層的厚度；CDGT是DGT測(cè)得的濃度；D是目標(biāo)離子在擴(kuò)散層的擴(kuò)散系數(shù)；A是DGT 暴露窗口的面積，cm2；t是DGT的放置時(shí)間，s；δ是邊界擴(kuò)散層厚度，cm。

DGT 設(shè)備蓋上開口直徑通常為2.0 cm，因而DGT計(jì)算中通常使用的采樣窗口的幾何面積為3.14 cm2。理想情況下，DBL 的厚度應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)針對(duì)DGT 布設(shè)條件確定，但是大多數(shù)試驗(yàn)條件非?？量?，因此可以進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。當(dāng)在攪拌良好或快速流動(dòng)的溶液中使用典型的0.8 mm 擴(kuò)散凝膠時(shí)，可以忽略DBL[69]；對(duì)于其他凝膠層厚度，應(yīng)使用包括DBL 和有效面積的計(jì)算方法，理想情況下可直接確定DBL厚度。

6 總結(jié)與展望

自1994 年DGT 技術(shù)被首次提出以來，經(jīng)過20 多年的發(fā)展，Hg∕MeHg-DGT 相關(guān)研究工作已經(jīng)形成較完善的體系。但是現(xiàn)有研究仍有一些不足，今后的工作可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）伴隨材料等學(xué)科的發(fā)展，DGT 結(jié)合相也隨著其他學(xué)科的發(fā)展逐步改進(jìn)。從使用Chelex-100 等樹脂類材料到最新的納米材料，結(jié)合相材料的不斷進(jìn)步使Hg∕MeHg-DGT技術(shù)越來越成熟。今后可以將固相結(jié)合相替換為包含納米材料懸浮液的液相結(jié)合相，這些納米材料具有高的比表面積和豐富的結(jié)合位點(diǎn)，因此可極大提高DGT 的工作能力，擴(kuò)大可檢測(cè)到的汞濃度范圍。這對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境基質(zhì)中成功應(yīng)用DGT至關(guān)重要。

（2）DGT技術(shù)應(yīng)用過程是在自然環(huán)境中放置進(jìn)行原位富集，再對(duì)富集后的結(jié)合相進(jìn)行檢測(cè)。將結(jié)合相中的目標(biāo)物質(zhì)更完全、更高效地洗脫下來是未來應(yīng)改進(jìn)的方面。尤其Hg在環(huán)境中有多種無機(jī)和有機(jī)的形式，能將較高毒性的有機(jī)態(tài)在提取過程中分離出來會(huì)對(duì)Hg的環(huán)境毒理學(xué)研究有所幫助。

（3）目前還未見針對(duì)Hg∕MeHg-DGT 技術(shù)與成像技術(shù)聯(lián)用的研究報(bào)道，也鮮見DGT 技術(shù)毫米或微米尺度的機(jī)理研究。這些研究的缺失導(dǎo)致很難獲得Hg與MeHg 在環(huán)境微界面運(yùn)移的主導(dǎo)因子和動(dòng)力過程。Hg 的化合物形態(tài)較多，易跨越環(huán)境介質(zhì)發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，因而DGT 技術(shù)與激光剝蝕、平板光極、3D 無損成像等高分辨成像技術(shù)聯(lián)用將是今后機(jī)理研究的重要途徑。