近年來，非破壞性的原位采樣技術(shù)逐漸受到重視。原位采樣技術(shù)以目標(biāo)物在不同化學(xué)勢能驅(qū)動下從樣本介質(zhì)到收集介質(zhì)的自由擴(kuò)散為基本原理，可以在不影響待測樣品濃度及周圍環(huán)境的情況下實時收集目標(biāo)物，通過分析采樣器中目標(biāo)物含量可以真實反映出待測環(huán)境體系中的在采樣器放置時間內(nèi)的平均濃度。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，雖然已經(jīng)認(rèn)識到沉積物-水界面的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征決定了污染物的環(huán)境行為，但是，對環(huán)境微界面過程的深入研究關(guān)鍵取決于微界面過程的測量技術(shù)，如果沒有相應(yīng)的微界面測量技術(shù)手段，則相關(guān)研究始終不能進(jìn)一步開展。傳統(tǒng)的采樣方法由于空間分辨率低(一般為厘米級)和容易破壞沉積物原有結(jié)構(gòu)等，分析結(jié)果可能有較大的偏差。原位高分辨率(毫米級)的被動采樣技術(shù)，如微孔穿刺電極、透析裝置(Peeper)技術(shù)、薄膜擴(kuò)散平衡(diffusive equilibrium in thin films，DET)技術(shù)、薄膜擴(kuò)散梯度(diffusive gradients in thin films，DGT)技術(shù)，很好地解決了這一問題。

微電極測定系統(tǒng)

微電極是一種在高靈敏度、不破壞檢測對象的結(jié)構(gòu)和生理活性的基礎(chǔ)上，利用電信號傳輸所建立的可觀察目標(biāo)離子微小濃度變化的測量技術(shù)。原位在線測量的特點使其可應(yīng)用于水-沉積物界面的識別，大多用于分析水-沉積物界面附近的介質(zhì)的理化指標(biāo)的變化趨勢。研究顯示，水-沉積物界面附近包含大量有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)，且這些物質(zhì)可在微生物以及底棲生物作用下快速循環(huán)、再生，如底棲生物擾動強(qiáng)度和類型決定了溶解氧的濃度和滲透深度，從而控制了環(huán)境中沉積物氧化還原界面的深度。不僅有機(jī)質(zhì)的降解以及好氧生物活動將消耗大量的氧，而且一些還原性物質(zhì)的氧化也要消耗氧，這些反應(yīng)在消耗氧的同時釋放出大量的酸，使得沉積物表層存在著極陡的濃度梯度(如pH值和一些營養(yǎng)元素等)。常規(guī)的采樣和分析方式由于采樣時溫度、壓力、水動力、底棲擾動條件的改變以及采樣過程中人為的污染等因素，無法獲得可靠的高分辨率數(shù)據(jù)來滿足精確認(rèn)識表層沉積物內(nèi)發(fā)生的生物、化學(xué)過程需求。隨著研究的推進(jìn)，早期用于生理學(xué)領(lǐng)域的選擇性膜微電極開始應(yīng)用于在沉積物特性研究，大大改變了人們對發(fā)生在沉積物表層的生物化學(xué)過程的認(rèn)識。

1980年，Revsbech首先將微電極引入海洋沉積物方面的研究。隨后，Hulth等采用氧微電極和pH微電極測定了海洋中水-沉積物微界面DO和pH值的分布規(guī)律。國外學(xué)者將微電極成功應(yīng)用于海洋領(lǐng)域后，我國不少學(xué)者也意識到微電極在我國的湖泊研究中將會有很大的發(fā)展前景，逐漸開始將微電極引入水環(huán)境領(lǐng)域研究。王建軍等首次將微電極引入湖泊生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)測定，研究采樣溶解氧微電極，測量了太湖及南四湖多點位沉積物-水界面溶解氧的濃度變化，發(fā)現(xiàn)空間位置、生物擾動和沉積物有機(jī)質(zhì)含量極大地影響著界面附近的氧氣交換速率。隨后，徐洋等利用微電極測量系統(tǒng)研究了貴州紅楓湖水-沉積物界面附近溶解氧和H2S的沉積物剖面分布特征，進(jìn)一步證明微電極操作系統(tǒng)在湖泊沉積物相關(guān)數(shù)據(jù)測定的可靠性與可行性。

Peeper技術(shù)

除了利用電信號建立的污染物原位測定技術(shù)，滲析法也被普遍用于污染信息的原位獲得。這類技術(shù)的原理是應(yīng)用一張滲析膜將間隙水采集室與間隙水分隔開。間隙水中的溶解性物質(zhì)不斷穿過滲析膜擴(kuò)散至采集液中，直至采集室內(nèi)溶劑的濃度與間隙水中待測的濃度相等，最后回收每個采樣小室中的溶劑并測定其化學(xué)濃度，即可得到間隙水中待測溶劑濃度。Peeper裝置由丙烯酸塑料和垂直的滲析膜組成。作為沉積物孔隙水的原位測定手段，Peeper可測量分子量小于透析膜截留分子量的所有可溶性的金屬形態(tài)。透析裝置的主體由一系列小室組成，小室兩側(cè)覆蓋一層透析膜，室內(nèi)預(yù)先封裝采樣介質(zhì)，利用透析膜過濾的特性，使沉積物孔隙水中一些可溶離子和分子通過透析膜與透析裝置中的采樣介質(zhì)并進(jìn)行物質(zhì)交換，放置一段時間后達(dá)到平衡。其優(yōu)點在于可以分離出可溶性的物質(zhì)形態(tài)，采樣過程不會對環(huán)境造成污染，可以原位測量而不會改變樣品的物理化學(xué)形態(tài)。為了滿足不同的使用目的，最初的Peeper裝置不斷得到改進(jìn)。2002年，Lewandowski等發(fā)明了二維的Peeper裝置，用于測定間隙水中二維的溶解態(tài)信息。Xu等改進(jìn)了原有的Peeper技術(shù)，將分辨率提高到了2 mm，并且縮短了平衡時間至48 h，克服了之前的Peeper低空間分辨率(～1 cm)和平衡時間長(幾周)的頑疾。由于Pepper在收集間隙水中溶解態(tài)As的同時也會收集其他污染物質(zhì)信息，加之環(huán)境中有效態(tài)As的濃度相對較低，故其獲得的As污染信息往往易受其他元素干擾。

DET技術(shù)

DET技術(shù)是利用離子在介質(zhì)與水體之間的被動擴(kuò)散來實現(xiàn)原位采樣的目的。與透析裝置法相比，DET技術(shù)采用水凝膠而不是去離子水或電解質(zhì)溶液為采樣技術(shù)，具有更高的空間分辨率，更短的平衡時間，并且結(jié)構(gòu)更加簡單易用。DET技術(shù)以水凝膠(擴(kuò)散相)與外部水體中被監(jiān)測物質(zhì)的濃度梯度為動力，隨著擴(kuò)散過程的進(jìn)行，濃度梯度不斷減小，直至為零，達(dá)到擴(kuò)散平衡，平衡后完成采樣過程。然而DET技術(shù)和Peeper技術(shù)都不能有選擇性地吸收待測元素，即兩者不具備形態(tài)選擇性，無法區(qū)分重金屬的無機(jī)形態(tài)和有機(jī)小分子，只要被監(jiān)測物質(zhì)的可溶性形態(tài)能夠擴(kuò)散到水凝膠中，就能夠被測量，故其應(yīng)用得到限制。與Pepper技術(shù)的缺點相似，DET技術(shù)測定的間隙水中溶解態(tài)As濃度由于受到自身濃度較低的影響，所得結(jié)果極易與實際濃度產(chǎn)生誤差。

DGT技術(shù)

與其他傳統(tǒng)的形態(tài)分析技術(shù)相比，由英國科學(xué)家Davison等1994年發(fā)明的DGT技術(shù)能更好地反映生物體所吸收的重金屬。DGT技術(shù)引入了一個動態(tài)概念，可以通過模擬植物或者其他生物對重金屬的吸收過程來進(jìn)行重金屬生物有效性研究。該技術(shù)可以更加真實有效地模擬介質(zhì)動態(tài)反應(yīng)過程，并運(yùn)用模型可以估算介質(zhì)動態(tài)過程的動力學(xué)參數(shù)，從而能夠更好地評估介質(zhì)運(yùn)輸動態(tài)過程的重要性，因此所獲結(jié)果不僅僅包括沉積物間隙水中溶解態(tài)物質(zhì)的濃度，還包括沉積物固相向間隙水釋放補(bǔ)給的污染物質(zhì)濃度。DGT裝置由過濾膜(filter membrane)、擴(kuò)散膜(diffusion gel)和吸附膜(resin gel)以及固定這3層膜的塑料外套組成。其中過濾膜主要用來避免待測環(huán)境中的顆粒物進(jìn)入DGT裝置，擴(kuò)散膜能夠讓溶液態(tài)的離子自由擴(kuò)散，吸附膜可以根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇不同的吸附材質(zhì)。DGT技術(shù)的關(guān)鍵點是能夠定量測定環(huán)境中元素濃度。

DGT技術(shù)以菲克(Fick)擴(kuò)散第一定律為其理論基礎(chǔ)，利用固定膜與液相之間形成的濃度梯度，對通過固定時間內(nèi)穿過一定厚度的擴(kuò)散膜的元素進(jìn)行計算而獲得準(zhǔn)確的元素的有效態(tài)濃度值。相對于Pepper和DET技術(shù)，DGT技術(shù)對污染物的測定具有形態(tài)的選擇性并且對獲得的有效態(tài)濃度具有預(yù)濃縮作用。隨著研究的深入，DGT技術(shù)針對有效態(tài)As的測定方法在不斷改進(jìn)。以往研究報道顯示，F(xiàn)errihydrite、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO)為吸附劑所制作的DGT裝置可有效用于環(huán)境中As污染狀況的評價，且以Ferrihydrite為吸附劑制作的DGT裝置已經(jīng)成熟商業(yè)化，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。2002年，Zhang等利用Slurry Ferrihydrite DGT測定沉積物中有效態(tài)As的濃度，并首次將有效態(tài)As在水-沉積物界面的豎直分布信息精確到毫米，且直接證明沉積物中有效態(tài)As與Fe的濃度具有較好的相關(guān)性。隨后，Panther等采用Slurry Ferrihydrite制作固定膜，對水環(huán)境中有效態(tài)As濃度進(jìn)行測定，并側(cè)重分析了pH值、陰陽離子、有機(jī)酸等環(huán)境因素對該技術(shù)評價As的生物毒性的影響。結(jié)果顯示，該種DGT裝置可不受外部測定條件干擾，較好地應(yīng)用于水環(huán)境有效態(tài)As的濃度測定。pH值在3～7時，該DGT裝置所吸收As的量與計算理論值相符；陰陽離子濃度在自然水體4倍濃度范圍之內(nèi)時，該DGT裝置仍表現(xiàn)出良好的有效態(tài)As濃度測定結(jié)果。由于Ferrihydrite的極強(qiáng)不穩(wěn)定性，該種DGT裝置的吸附容量和抗老化性能一直是限制該技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要原因。基于此種DGT裝置的不足，2010年，Luo等針對Slurry Ferrihydrite進(jìn)行改善獲得Precipitated Ferrihydrite材料，并將其應(yīng)用于新型DGT固定膜的制作。Precipitated Ferrihydrite DGT實驗結(jié)果顯示，相對于Slurry Ferrihydrite DGT，新型的Precipitated Ferrihydrite DGT提高了As離子的吸附容量，對As的容量由9.6μg/cm2增加到27.7μg/cm2?？弓h(huán)境干擾性能也表現(xiàn)較好：pH值在3.12～6.98范圍內(nèi)，對As的累積量與理論值相符，但pH值大于7.82時，該種DGT對As(Ⅴ)累積表現(xiàn)出抑制作用；在1～100 mM的離子強(qiáng)度條件下(以NaNO3計)，該種DGT裝置對As的吸收和積累仍表現(xiàn)正常。但新型的Precipitated Ferrihydrite DGT裝置由于Ferrihydrite顆粒的不穩(wěn)定性，新型沉淀型鐵膜的抗老化性能極差，其有效使用期僅為40 d左右。

基于以上研究，Panther等以TiO2為吸附劑發(fā)明了一種新型Metsorb DGT裝置。Metsorb DGT裝置對溶液中的無論是三價還是五價As都遵循DGT的理論進(jìn)行動力學(xué)的吸收累積。該種DGT裝置具有較為理想的抗環(huán)境干擾性，pH值和離子強(qiáng)度的變化對其測定有效態(tài)As的結(jié)果無明顯影響。Bennett等將Metsorb DGT裝置和Slurry Ferrihydrite DGT裝置應(yīng)用于對比研究水環(huán)境中有效態(tài)As濃度，結(jié)果顯示，Metsorb DGT裝置對As離子的選擇吸附性明顯強(qiáng)于Slurry Ferrihydrite DGT裝置，且Slurry Ferrihydrite DGT裝置測定所得的As濃度明顯低于環(huán)境中的實際值。Metsorb DGT裝置對有效態(tài)As的測定性能明顯優(yōu)于Slurry Ferrihydrite DGT裝置，但由于Metsorb DGT裝置對As(Ⅲ)的吸附容量明顯低于Slurry Ferrihydrite DGT裝置(前者僅為后者吸附容量的40%)，這一特性局限了Metsorb DGT裝置在As(Ⅲ)占主導(dǎo)以及污染條件復(fù)雜的環(huán)境中的應(yīng)用，加之Metsorb膜制備條件苛刻、Metsorb顆粒分布的不均勻性以及吸附介質(zhì)易團(tuán)聚等，Metsorb DGT裝置的應(yīng)用以及近一步研究受到了限制。

基于現(xiàn)有DGT技術(shù)制作成本高、固定膜的性能不穩(wěn)定、吸附容量低、選擇性差等不足,Sun等在利用Zr-oxide DGT裝置測定有效態(tài)P的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于湖泊有效態(tài)As的測定研究。Zr-oxide DGT裝置對有效態(tài)As的測定表現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果，該種DGT裝置對As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸附容量分別達(dá)到51.3μg/cm2和138.9μg/cm2。且該種DGT裝置具有理想的抗環(huán)境干擾性能，pH值和離子強(qiáng)度對有效態(tài)As的測定無影響。其在抗老化效應(yīng)方面也表現(xiàn)良好，固定膜的正常使用時限可達(dá)2 a以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Precipitated Ferrihydrite膜的38 d。但以上羅列的DGT裝置所獲得的濃度是對As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的共同測定結(jié)果，無法單一測定生物毒性最強(qiáng)的As(Ⅲ)或生物有效性相對較弱的As(Ⅴ)濃度。而以硅膠為吸附劑所制成的DGT裝置可專性吸附As(Ⅲ)離子，但由于該種DGT裝置固定膜的吸附性能易受環(huán)境因子和老化效應(yīng)干擾，大規(guī)模野外應(yīng)用成效仍需驗證。