土壤中不稳定的无机植物养分与污染物的二维可视化与定量分析

土壤中元素的生物化学循环在环境系统中起着至关重要的作用。通过本实验方案，可利用DGT质谱成像技术对植物可利用元素组分的二维分布进行成像。该方法能够可视化并定量溶质界面处多种无机溶质物种的超痕量水平，在空间分辨率上显著优于其他替代方法。

除了可用于研究土壤和沉积物中的溶质通量外，该方法还可用于探究植物根系对营养元素和污染物的吸收过程。对于DGT凝胶的制备，首先将一层基于聚氨酯的混合阴离子和阳离子结合凝胶悬浮液涂覆在玻璃板上，并将玻璃板放入烘箱中，通过溶剂蒸发启动凝胶形成。重复涂覆和蒸发过程三次后，将所得的三层涂覆玻璃板置于水浴中进行水化，以获得厚度为0.1毫米、抗撕裂的混合阴离子和阳离子结合凝胶。

组装根际观察室时，使用两个夹子将一片小型亚克力板固定在根际观察室上升部分的底部，夹子的压力应作用在根际观察室的框架上，以防止板材向内弯曲。将根际观察室略微向小型塑料板倾斜，并用预湿润的土壤填充至约四厘米高度。轻轻晃动根际观察室，使土壤均匀分布，然后使用压实工具将土壤轻轻压实数毫米。

重复填充和压实过程，直至根际室被土壤填满，在顶部留出三厘米的间隙。使用胶带将一块13厘米×22厘米的PTFE膜逐角小心固定在根际室框架上，施加张力以确保膜表面平整。当PTFE膜平整并与土壤表面紧密贴合后，以相同方式在根际室的下端固定第二块膜，使其与上方的PTFE膜重叠一厘米。

当第二块部件固定后，覆盖一层保护性塑料薄膜。将前面板放置在已填满土壤并覆盖塑料薄膜的根际观察室上，并在根际观察室两侧各安装一条导轨。然后用手拧紧螺丝，将导轨通过螺丝固定在前面板上，螺丝位置应朝向根际观察室的封闭侧。

为土壤浇水时，将移液器吸头插入浇水孔中，让水在重力作用下流入土壤。种植植物时，将最多两株幼苗种入根际盒中，并直接向幼苗添加5毫升水以支持其生长。种植后的前两天，用透明保湿膜覆盖根际盒的顶部开口，并用铝箔包裹根际盒，以防止微生物生长。

然后将种植好的根际观察装置放入生长室中，环境条件设置为特定植物生长所需参数，并将根际观察装置倾斜25至35度，以通过向重力性确保根系沿前板生长。为应用制备好的DGT凝胶，用孔径0.2微米的聚碳酸酯膜裁剪出厚度为10微米、每边长度和宽度均比凝胶至少大1厘米的膜片，并将其放置在凝胶表面。加入水以去除层间气泡，并使用乙烯基电工胶带沿凝胶四边将膜片固定在板上。

取下前板和保护膜后，将配备微距镜头的单反数码相机取景器对准凝胶中目标区域的中心，并在图像中包含比例尺，拍摄目标区域的正交照片。然后将装有凝胶膜堆叠的板的一边与打开的根箱（rhizotron）的一边对齐。轻轻将板向土壤方向弯曲，并利用导轨和螺丝将板固定到根箱上。

在隔离取样期结束后，将根际盒的前板转移至超净工作台，使凝胶膜堆叠面朝上，小心移除覆盖在凝胶上的胶带和聚碳酸酯膜。加入水使凝胶在板上形成一层薄水膜，并让凝胶的土壤接触面朝上自由漂浮，然后将凝胶转移至带有0.45微米孔径的聚醚砜膜及吸水纸支撑的装置上。用保护箔覆盖凝胶膜堆后，将整个膜堆放入真空凝胶干燥仪中。

当凝胶完全干燥后，使用双面胶带将干燥的凝胶与其他凝胶样品固定在玻璃板上。为了对干燥的 DGT 凝胶进行激光剥蚀电感耦合等离子体质谱线扫描分析，首先将样品空白和标准品固定在激光剥蚀样品台上，并将激光台锁定到激光剥蚀系统的剥蚀室中。在激光剥蚀软件中移动凝胶表面的目标区域，并在凝胶标准品表面绘制一条长约一毫米的直线。

在扫描模式窗口中右键单击该线条，以确认激光消融参数已设置并生效，然后使用“复制扫描”工具将此线条复制四次，线间距需大于光斑直径。在对每种凝胶标准校准空白样和方法空白样重复此操作后，沿待分析凝胶样品矩形区域的上边缘绘制一条直线，并复制该直线以生成整个样品区域的平行线列，线间距设置为300至400微米，如示例所示。确认每条线的起点和终点均已在凝胶表面正确聚焦，然后单击“分析批次”以在电感耦合等离子体质谱仪上启动样品序列分析。

在激光能量窗口中单击发射以重新充电激光头。单击运行以打开实验运行窗口，并仅选择选定的模式。将冲洗延迟设置为20至30秒。

在扫描过程中选择启用的激光选项，并将激光预热时间设置为10秒。然后点击运行和确定，开始线扫描分析，并实时监测电感耦合等离子体质谱仪上每种同位素的原始信号强度（单位：每秒计数）。每次扫描线的起始和结束均应包含一段气体空白。

分析完成后，将每条烧蚀线的原始数据文件导入电子表格。原始数据表显示了每个同位素的电感耦合等离子体质谱读数（单位为每秒计数）以及对应的时间点（单位为秒）。将所有线条的数据并列列在不同的列中。

根据所有在刻线消融前记录的气体空白值，计算每种同位素的平均气体空白值，并从每种同位素对应的原始强度中减去该平均气体空白值，以校正背景信号。为进行内部归一化，将每个数据点中每种同位素经气体空白校正后的信号强度除以碳13（内标）经气体空白校正后的信号强度，以校正消融物质数量的变化及仪器漂移。裁剪每条刻线消融开始前和结束后阶段的数据，以去除气体空白背景信号，并对数据表进行转置，得到一个网格矩阵，其中每一行对应一条消融线，每一列对应一个归一化后的同位素强度值。

然后应用通过凝胶标准品分析获得的校准函数，并将校准后的数据矩阵保存为文本文件。为生成图像，将校准后的样品数据矩阵作为文本图像导入图像分析软件，应用纵横比校正因子和查找表，以可视化溶质图像中的化学梯度。调节图像色彩平衡以控制显示范围的下限和上限，添加校准标尺，并将溶质图像保存为TIF文件。

使用系统复制命令复制固体图像，并将该图像粘贴至桌面出版软件中。随后，对固体图像与目标区域照片及其他溶质图像进行比例匹配、对齐和组合。将溶质图像与目标区域的照片对齐后可见，不同元素的亚毫米级二维固体通量分布随土壤结构和根系形态表现出显著差异。

例如，在对生长于无碳酸盐土壤中并施加硝酸铵肥料的幼嫩荞麦根系进行分析时，亚毫米级溶质分布显示，在较老的根段区域，由于根系吸收，铝、磷和铁的通量降低；而在根尖区域，由于局部养分活化过程，镁、铝、磷、锰和铁的通量显著升高。在该分析中，锌、镉和铅在根际紧邻位置明显耗竭，表明耐金属的柳树物种Salix smithiana的根系在污染土壤中作为活性痕量金属的局部汇。在该分析中，使用结合单层平面光极与DGT阳离子结合凝胶的技术，实现了Salix smithiana根系周围活性痕量金属分布与pH分布的共定位分析。

该方法组合表明，锰、铁、钴、镍、铜和铅的溶质通量增加与 pH 值降低约一个单位相关，提示 pH 值降低可诱导金属溶解。确保 DGT 工具与固体表面之间保持紧密且稳定的接触至关重要，以避免产生分析假象。如有疑问，应重复凝胶涂覆步骤。

该方法可与其他基于扩散的固体成像技术（如平面光学传感器）结合使用，以同时评估植物元素吸收过程中涉及的多种参数。