利用微透析剖面仪对氧化-缺氧土水界面中的溶解溶质进行采样

作为一名土壤科学家，我们经常需要采集土壤孔隙水进行分析。然而，这一过程并不容易，尤其是当孔隙水中的化学物质对氧气非常敏感时。这是一项新技术。

我们称之为API取样器。使用该取样器，我们可以在对土壤施加实际负载扰动的情况下，每间隔两毫升采集一次土壤粉末。我的学生张莎、禹佳、刘子燕和刘浩将演示如何制作该取样器，并使用它来采集土壤粉末和水样。

首先，使用陶瓷刀将纯净的纳米膜管精确切割成33段短管，每段长度为58毫米。然后，将聚四氟乙烯（PTFE）管切割成66段，每段长度为180毫米。接下来，在任意干净的塑料板上将双组分AB环氧胶充分混合，并静置30分钟，直至其变得黏稠，再将其涂覆于PTFE管顶端的外表面。

确保AB环氧胶仅覆盖管子的四毫米部分，且无多余胶水堵塞管腔。通过将两根PTFE管轻轻旋入纳米膜管，连接各PTFE管与纳米膜管，以完成全部33个原始微透析采样器的组装。将组装好的采样器静置过夜，以确保胶水完全固化并达到稳定状态。

为了增强微透析采样器的亲水性并对其进行清洗，先将其浸泡在乙醇中一小时，随后分别用2%稀硝酸和超纯水进行超声清洗，每次15分钟。使用5毫升注射器在水中产生气泡，以检查微透析采样器的通畅性和气密性。组装微透析分析仪时，使用CAD文件，采用尼龙材料打印预先设计好的骨架结构。

然后用酸洗过的PVC容器，根据骨骼大小挖空，并开出两个间隔为五厘米的平行槽。使用3D打印机的雕刻模块进行开槽。通过将环氧胶粘剂固定成50毫米离心管盖的形状，制作一个一对多连接器。

然后在环氧树脂胶固化前，插入33个长度为1厘米的硅胶帽，并静置过夜。接着，将一分多连接头从管帽上取下，使用陶瓷刀切割已固化的环氧树脂胶，确保所有硅胶帽的末端均畅通无阻。随后，用2%稀硝酸和超纯水分别彻底冲洗一分多连接头各15分钟，并在常温条件下干燥。

干燥后，将一个三通阀连接到管子底部，用作缓冲容器。使用AB环氧胶将一分多连接器安装到50毫升注射器管上，从而组装缓冲容器；使用热熔胶将各个微透析采样器安装在骨架上，确保每个采样器与骨架的顶部或底部边缘平行。将全部33个微透析采样器安装在骨架上，确保两侧的33个采样器均穿过PVC槽。

使用A/B双组分环氧胶密封骨架接头和插槽处的缝隙。接着，通过预先安装在50毫升离心管上的一个对多个连接阀，将所有采样器连接至骨架的一侧，并与缓冲容器相连。然后，通过三通阀将预先装有18.3兆欧水的医用输液袋连接至缓冲容器。

使用硅胶帽关闭采样端的所有采样器。通过转动三通阀，使水从医用输液袋流入采样器，逐一检查每个微透析采样器的通畅性和密封性。然后关闭并关闭所有采样器及缓冲容器上的阀门。

在培养淹水土壤之前，通过在医用输液袋中对水进行脱气以去除氧气。将高纯度氮气通入输液袋的管路中，持续通入氮气过夜。使用三通阀，关闭剖面仪与脱气袋之间的连接。

然后将450克过筛的风干土壤加入PVC容器中，确保五个微透析采样器位于土壤表面之上。在用超纯水淹没土壤前，先用组织纸覆盖土壤表面。当土壤被淹没至高出土壤表面5厘米时，移除组织纸。

一旦启动土壤培养，立即使用预装溶液对系统进行吹扫。然后通过打开厌氧袋与透析采样器之间的连接来冲洗采样系统。每次用水吹扫采样器时，应使用相当于采样器总体积十倍的水量。

一个采样器排空完成后，使用干净的硅胶帽将其盖紧，然后再排空每个采样器，以建立一个淹水土壤培养与采样系统。接着，调节厌氧袋的高度至与水面齐平，确保所有导管内充满水。若未充满，则取下帽盖，降低导管顶端，使水从厌氧袋中流出。

关闭盖子和阀门，将厌氧袋与透析取样器之间的连接关闭，孵育七天。取样前，调节土壤容器、取样顶部和厌氧袋中的水位至相近高度，以避免水势出现显著差异。然后打开厌氧袋与缓冲容器之间的连接。

从上至下取下第一个采样器的盖子。使用移液器将133 µL样品从采样器转移至预装有133 µL 2%硝酸用于保存的0.6 mL小瓶中。在采样过程中，观察厌氧袋观察室中水滴缓慢但均匀地流向微透析采样器的现象。

在转移至下一个采样管之前，用硅胶帽盖紧管口。在关闭厌氧袋与缓冲容器之间的连接之前，对所有33个样品重复此操作。采样后第六天补充被淹没的水。

通过称量转移贫化水样品前后样品瓶的重量，计算样品体积回收率。然后使用电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）测定贫化水中元素的总溶解浓度。样品体积的回收率平均为101.4%，范围为100.2%至103.6%。样品体积略高的回收率表明厌氧袋与采样管顶端之间存在水位差异。

利用第六天和第七天在土壤-水界面采集的样品，测定了贫水相中铁、锰、砷、镉、铜、铅、镍和锌的总溶解浓度。第六天时，锰、铁和砷的溶解态浓度随土壤深度增加而升高，而铜和铅的浓度则随土壤深度增加而降低。然而，镉、镍和锌的浓度深度分布呈现出不同的模式，其溶解态浓度从负20毫米处开始，向更深层逐渐升高。

第六天在负12毫米深度处的铁和砷浓度深度分布显著高于第七天的水平。然而，在负18至负50毫米深度范围内，铁和砷的浓度显著更高。对于除锰以外的大多数测定元素，在好氧补水后，地表水以及负15毫米深度处表层土壤中的溶解态浓度显著降低。

在第七天约负10毫米深度处出现的铅浓度峰值，与第六天的分布模式形成鲜明对比。该技术对于研究生物地球化学微界面过程的研究人员尤为有用，可缩小医学上的混杂因素。

该操作适用于均质土壤，需注意氧气的泄漏或侵入会显著改变化学过程并带来意外结果，因此必须确保所有连接处密封良好，且水的脱气过程充分。完成该操作后，可进一步采用其他方法，如液相色谱、质谱分析以及高分辨率微生物分析，以关联化学与生物过程。该技术为研究人员探索新问题奠定了基础，例如在环境变化条件下，病毒扰动如何影响被编辑的传感元件的行为。