Passiv provtagning

En brandman som bär en passiv silikonprovtagare på ett elastiskt halsband, format som en hundbricka

Passiv provtagning är en miljöövervakningsteknik som involverar användning av ett uppsamlingsmedium, såsom en konstgjord anordning eller biologisk organism , för att ackumulera kemiska föroreningar i miljön över tid. Detta till skillnad från grab sampling , som innebär att man tar ett prov direkt från media av intresse vid en tidpunkt. Vid passiv provtagning beräknas genomsnittliga kemikaliekoncentrationer över en enhets drifttid, vilket undviker behovet av att besöka en provtagningsplats flera gånger för att samla in flera representativa prover. För närvarande har passiva provtagare utvecklats och utplacerats för att detektera giftiga metaller, bekämpningsmedel , läkemedel , radionuklider , polycykliska aromatiska kolväten (PAH), polyklorerade bifenyler (PCB) och andra organiska föreningar i vatten, medan vissa passiva provtagare kan upptäcka i farliga ämnen. luft.

Teori och tillämpning

Den underliggande principen för passiv provtagning är flödet av kontaminerande molekyler eller joner från provtagningsmediet (luft eller vatten) till ett uppsamlingsmedium (den passiva provtagaren), på grund av Ficks första diffusionslag och, beroende på den passiva provtagaren, en större bindningsaffinitet för kontaminanter med uppsamlingsmediet jämfört med provtagningsmediet. Som ett resultat koncentreras föroreningar på uppsamlingsmediet över tiden tills de når jämvikt med det omgivande mediet. Användningen av passiv provtagning ger tidsgenomsnittliga koncentrationer av föroreningar under provtagarens driftperiod.

Det är viktigt att skilja passiv provtagning från aktiv provtagning , som har samma underliggande princip men använder rörliga delar, såsom pumpar, för att tvinga provtagningsmediet på ett uppsamlingsmedium. Passiv provtagning bygger enbart på molekylär diffusion och sorbering eller bindning av föroreningar till ämnen i provtagarna, varför passiv provtagning även kallas diffusiv provtagning .

Passiv provtagning skiljer sig också från grabprovtagning, som är insamling av ett luft-, vatten- eller jordprov för att analysera direkt för föroreningar. Dessa prover representerar en enda tidpunkt och ger information om föroreningskoncentration vid en tidpunkt, till skillnad från passiva provtagningsanordningar eller organismer.

Många olika typer av passiva provtagare har utvecklats och har tagit många olika föroreningar, inklusive:

Passiv provtagning i vatten

Det finns flera typer av passiva provtagningsanordningar för att övervaka föroreningar som finns i vatten. Utöver dessa anordningar kan organismer, såsom musslor , som lever i miljön "passivt prova" föroreningar ( bioackumulering ) och kan användas för att övervaka vattenföroreningar ( bioövervakning ).

Chemcatcher

Huvudartikel: Chemcatcher

Chemcatcher kan passivt prova oorganiska föroreningar (metaller) och ett brett utbud av organiska föroreningar. Den består av en engångsskiva, med eller utan membran , förseglad i ett plaststöd. Typer av mottagande faser och membran varierar mycket, beroende på målkemikalierna som ska provtas. Tidsgenomsnittliga vattenkoncentrationer av många kemiska föroreningar kan bestämmas så länge som provtagningshastigheten och vattenflödeshastigheten är kända.

Diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT)

Huvudartikel: Diffusiva gradienter i tunna filmer

Diffusiva gradienter i tunnfilmsprovtagare (DGT) provar passivt joniska spårmetaller, såväl som antibiotika , oxyanjoner , bisfenoler och nanopartiklar i olika konfigurationer. De är sammansatta av plastkolvar och lock, med ett fönster som exponerar en bindande gel, diffusiv gel och filtermembran för provvattnet. De kan användas i både sötvatten och marina miljöer, såväl som i vattnet som ligger mellan sötvatten och marina sedimentpartiklar , kallat porvatten eller interstitiellt vatten . När massan av ackumulerade föroreningar på DGT-provtagaren är känd, kan DGT-ekvationen (baserat på Ficks lag) användas för att beräkna den tidsgenomsnittliga vattenkoncentrationen av föroreningar.

Mikroporösa polyetenrör (MPT)

Mikroporösa polyetenrör (MPT) försöker mildra flödesberoendet hos andra kinetiska passiva provtagare som Chemcatcher och POCIS genom att införa ett tjockare membran. Det diffusiva polyetenskiktet förhindrar att tjockleken på vattengränsskiktet (som påverkas av flödet) dominerar diffusionen. Röret är fyllt med sorbenter beroende på de kemikalier eller kemiska grupper som provtas och har framgångsrikt använts för att prova glyfosat, AMPA, illegala droger och läkemedel och produkter för personlig vård.

Peepers

Peepers är passiva diffusionsprovtagare som används för metaller i sötvatten och marina sedimentporvatten , så de kan användas för att hitta områden som kan ha metallförorenade sediment. Peepers är plastkärl fyllda med rent vatten och täckta av ett dialysmembran , vilket gör att metaller i sedimentporvatten kommer in i vattnet inuti peeper. De placeras vanligtvis tillräckligt djupt i sedimentet för att vara i en anoxisk miljö, där metaller kommer att vara lösliga nog att ta prov. Om peepers är utplacerade tillräckligt länge så att sedimentporvattnet och det inneslutna peepervattnet når jämvikt, kan de exakt ge metallkoncentrationer i provvattnet sedimentporvatten.

Polar organisk kemisk integrativ provtagare (POCIS)

Huvudartikel: Polar organic chemical integrative sampler

Polära organiska kemiska integrativa provtagare (POCIS) tar prov på polära organiska föroreningar med ett logoktanol-vattenfördelningskoefficient (K ow ) värde som är mindre än 3. Exempel på dessa typer av kemikalier inkluderar polära bekämpningsmedel, läkemedel, olagliga droger , flamskyddsmedel och läkemedelsmetaboliter . _ POCIS består av varierande antal fasta sorbentskivor fästa på en stödstav och inneslutna i en metallbur, och har två möjliga sorbentkonfigurationer, bekämpningsmedlet-POCIS och farmaceutisk-POCIS. Så länge som mängden vatten som passerar över provtagaren är känd, kan koncentrationer av polärt organiskt föroreningsvatten beräknas efter extraktion av sorberade föroreningar från en POCIS.

Semipermeabla membranenheter (SPMD)

Huvudartikel: Semipermeabla membrananordningar

Semipermeabla membrananordningar (SPMD) tar passivt prov på opolära organiska föroreningar med ett logoktanol-vattenfördelningskoefficient (K ow ) värde större än 3. Exempel på dessa typer av kemikalier inkluderar polycykliska aromatiska kolväten (PAH), polyklorerade bifenyler (PCB), polybromerad difenyl etrar (PBDE), klorerade bekämpningsmedel, dioxiner och furaner . SPMD är sammansatta av förseglade plastslangar fyllda med triolein , i vilka opolära organiska ämnen är mycket lösliga och som fungerar som en representation av vattenlevande organismers fettvävnader. Slangen vävs sedan mellan metallstänger och innesluts i en metallbur. Provtagaren kan tillverkas i olika längder av slangar för olika applikationer, eftersom provtagningshastigheten beror på ytan på slangen som exponeras för vattnet. Så länge som mängden vatten som passerar över provtagaren är känd, kan opolära organiska föroreningars vattenkoncentrationer beräknas efter extraktion av föroreningar från en SPMD.

En 7,5 centimeter SLMD, fylld med en 1:1 blandning av Kelex-100 och oljesyra.

Stabiliserade vätskemembrananordningar (SLMD)

Huvudartikel: Stabiliserade vätskemembrananordningar

Stabiliserade vätskemembrananordningar (SLMDs) provar passivt joniska metaller i sötvatten. De är gjorda av lågdensitetspolyeten som är förseglade i båda ändarna och fyllda med en lika stor blandning av oljesyra och metallkelateringsmedel . De fungerar genom att interagera med kalcium- och magnesiumjoner i sötvatten, som bildar en hydrofob film på utsidan av SLMD-plastmembranet där kelatbildaren kan binda till metaller i provvattnet. De har varit utplacerade i upp till månadslånga perioder på fältet, ensamma eller täckta av ett plaströrshus för att mediera vattenflödet. Metallvikt ackumulerad av en SLMD under dess utbyggnadsperiod kan beräknas och divideras med SLMD-utbyggnadstiden för att få en genomsnittlig metallvikt ackumulerad per tidsenhet, men för närvarande har ingen metod utvecklats för att omvandla detta till en genomsnittlig metallkoncentration. Dessutom varierar SLMD-provtagningshastigheterna mycket med vattenflödet, vilket plasthus kan användas för att kontrollera.

Passiv provtagning i luft

Passiv provtagning kan också utföras för föroreningar i luften, inklusive luftburna partiklar och farliga ångor och gaser. Detta kan göras med konstgjorda anordningar eller med bioövervakningsorganismer, såsom lavar .

Sorbentrör

Huvudartikel: Sorbentrör

Sorbentrör är passiva provtagare för flyktiga organiska föreningar ( VOC). De är glasrör fyllda med adsorberande material, såsom träkol eller silikagel , som luften som ska provas passerar genom. De adsorberande materialen tar bort VOC från luften som passerar genom dem, och VOC kan desorberas och analyseras. Luftkoncentrationer kan beräknas med hjälp av mängden luft som flödade genom sorbentröret och mängden föroreningar som desorberades.

Fördelar

Föroreningskoncentrationer från passiv provtagning återspeglar genomsnittlig kontaminering under provtagarens utplaceringstid, vilket innebär att provet kommer att fånga föroreningskoncentrationsfluktuationer under hela utplaceringsperioden. Traditionell grabprovtagning gör inte detta, eftersom insamlade prover endast representerar ett enda ögonblick i tiden och flera grabprover måste tas för att observera variation i föroreningskoncentrationer över tiden. Denna integrerade provtagningsmetod kan också resultera i detektering av kemikalier som finns i så låga koncentrationer att de skulle vara oupptäckta i ett gripprov, på grund av koncentrationen av kemikalierna på provtagaren över tiden. Som ett resultat av detta har passiv provtagning potential att vara en mindre tidskrävande, billigare och mer exakt provtagningsmetod än grabprovtagning.

Dessutom är passiva provtagare ofta lätta att använda och installera, de har inga pumpar eller rörliga delar och kräver ingen elektricitet, eftersom de är beroende av molekylär diffusion av föroreningar eller bindning av föroreningar till medel i provtagarna, till skillnad från aktiv provtagning. De kan också vara billiga och enkla att konstruera, såsom SLMDs, som bara kräver förseglade plastslangar och två kemiska komponenter.

Passiv provtagning kan också mer exakt återspegla metallkoncentrationer som är biotillgängliga för organismer än andra provtagningsmetoder. Till exempel SPMD- provtagaren ett semipermeabelt membran och triolein (en triglycerid ), som båda efterliknar upptaget av giftiga ämnen av organismens fettvävnad. Detta beror dock på vilken typ av passiv provtagare som används, eftersom vissa provtagare, såsom peepers, enbart förlitar sig på molekylär diffusion, vilket kan vara för enkelt för att återspegla de komplexa processerna för föroreningsupptag i en organism.

Nackdelar

Eftersom passiv provtagning ger information om genomsnittliga föroreningskoncentrationer, ingår alla möjliga koncentrationer under provtagarens utplaceringstid i detta medelvärde. Det finns dock inget sätt att ta reda på hela intervallet av föroreningskoncentrationer under utbyggnadstiden på en enda plats med endast passiv provtagning. Om höga och låga koncentrationer av föroreningar behövs under hela provtagningsperioden bör andra provtagningsmetoder användas i samband med passiv provtagning.

Inte alla passiva provtagare har universellt korrekta sätt att omvandla föroreningsmassor som ackumulerats till vattenkoncentrationer, som används i myndighetsföreskrifter, såsom United States Environmental Protection Agency Clean Water Act . Med vissa provtagare, som med DGT, kan detta göras med hjälp av ekvationer som utvecklats för provtagarna, men inte alla provtagare har dessa. Passiv provtagarens utbyggnadstid är också begränsad beroende på provtagarens kapacitet; till exempel har SLMD:er varit utplacerade under månadslånga perioder, men kan nå mättnad och sluta provtagning mycket tidigare om metallkoncentrationer och vattenflöden är tillräckligt höga. Det här problemet kan dock undvikas om litteratur om den relevanta passiva provtagaren undersöks för bakgrundsinformation om provtagarens kapacitet och idealiska utbyggnadstider före utplacering.

  1. ^ a b c d Górecki, Tadeusz; Namieśnik, Jacek (2002). "Passiv provtagning". Trender inom analytisk kemi . 21 (4): 276–291. doi : 10.1016/S0165-9936(02)00407-7 .
  2. ^ a b c   Charriau, Adeline; Lissalde, Sophie; Poulier, Gaëlle; Mazzella, Nicolas; Buzier, Rémy; Guibaud, Gilles (2016). "Översikt över Chemcatcher® för passiv provtagning av olika föroreningar i vattenmiljöer Del A: Principer, kalibrering, förberedelse och analys av provtagaren". Talanta . 148 : 556-571. doi : 10.1016/j.talanta.2015.06.064 . PMID 26653485 .
  3. ^ a b c   Lissalde, Sophie; Charriau, Adeline; Poulier, Gaëlle; Mazzella, Nicolas; Buzier, Rémy; Giubaud, Giles (2016). "Översikt över Chemcatcher® för passiv provtagning av olika föroreningar i vattenmiljöer Del B: Fälthantering och miljötillämpningar för övervakning av föroreningar och deras biologiska effekter". Talanta . 148 : 572-582. doi : 10.1016/j.talanta.2015.06.076 . PMID 26653486 .
  4. ^ a b c d e f   Brumbaugh, WG; Petty, JD; Huckins, JN; Manahan, SE (2002). "Stabilized Liquid Membrane Device (SLMD) för passiv, integrerad provtagning av labila metaller i vatten". Vatten-, luft- och markföroreningar . 133 : 109–119. Bibcode : 2002WASP..133..109B . doi : 10.1023/A:1012923529742 . S2CID 93497819 .
  5. ^ a b c d e f g h i j k l "Riktlinjer för användningen av den semipermeabla membrananordningen (SPMD) och den polära organiska kemiska integrerande provtagaren (POCIS) i miljöövervakningsstudier" . United States Geological Survey . Hämtad 30 maj 2018 .
  6. ^ a b c "Passiv (diffusiv) samplingsöversikt" . Sigma-Aldrich . Hämtad 31 maj 2018 .
  7. ^ a b "Lichenövervakning i US National Forests and Parks Reports, Publications and Other Resources" . National Lichens & Air Quality Database och Clearinghouse . United States Forest Service . Hämtad 31 maj 2018 .
  8. ^ a b "Sorbentrör" . Luftprovtagningslösningar . Casella . Hämtad 3 juni 2018 .
  9. ^ Salter, Eddie. "Aktiv kontra passiv luftprovtagning" . Miljöteknik . Labmate Online . Hämtad 4 juni 2018 .
  10. ^ a b c d e f    Zhang, Chaosheng; Ding, Shiming; Xu, Di; Tang, Ya; Wong, Ming H (2014). "Biotillgänglighetsbedömning av fosfor och metaller i jordar och sediment: en översyn av diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT)". Miljöövervakning och miljöbedömning . 186 (11): 7367–7378. doi : 10.1007/s10661-014-3933-0 . PMID 25015347 . S2CID 25854461 .
  11. ^ Sericano, JL; Wade, TL; Jackson, TJ; Brooks, JM; Tripp, BW; Farrington, JW; Mee, LD; Readmann, JW; Villeneuve, JP; Goldberg, ED (1995). "Spåra organisk kontaminering i Amerika: En översikt över USA:s nationella status och trender och de internationella 'Mussel Watch'-programmen". Marine Pollution Bulletin . 31 (4–12): 214–225. doi : 10.1016/0025-326X(95)00197-U .
  12. ^     Fauvelle, Vincent; Kaserzon, Sarit L.; Montero, Natalia; Lissalde, Sophie; Allan, Ian J.; Mills, Graham; Mazzella, Nicolas; Mueller, Jochen F.; Booij, Kees (2017-03-07). "Hantera flödeseffekter på upptaget av polära föreningar av passiva provtagare" . Miljövetenskap och teknik . 51 (5): 2536–2537. Bibcode : 2017EnST...51.2536F . doi : 10.1021/acs.est.7b00558 . ISSN 0013-936X . PMID 28225255 . S2CID 206567423 .
  13. ^ a b    Fauvelle, Vincent; Montero, Natalia; Mueller, Jochen F.; Banks, Andrew; Mazzella, Nicolas; Kaserzon, Sarit L. (2017). "Glyfosat och AMPA passiv provtagning i sötvatten med en mikroporös polyeten diffusionsprovtagare" . Kemosfär . 188 : 241–248. Bibcode : 2017Chmsp.188..241F . doi : 10.1016/j.chemosphere.2017.08.013 . ISSN 1879-1298 . PMID 28886558 .
  14. ^     McKay, Sarah; Tscharke, Ben; Hawker, Darryl; Thompson, Kristie; O'Brien, Jake; Mueller, Jochen F.; Kaserzon, Sarit (2020-02-20). "Kalibrering och validering av en passiv mikroporös polyetenprovtagare för kvantitativ uppskattning av koncentrationer av illegala droger och läkemedel och personliga vårdprodukter (PPCP) i avloppsvatten. " Vetenskap om den totala miljön . 704 : 135891. Bibcode : 2020ScTEn.704m5891M . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.135891 . ISSN 0048-9697 . PMID 31838300 . S2CID 209386153 .
  15. ^ a b c    Serbst, JR; Burgess, RM; Kuhn, A; Edwards, PA; Cantwell, MG (2003). "Precision of Dialysis (Peeper) Provtagning av kadmium i marint sediment interstitiellt vatten". Arkiv för miljöföroreningar och toxikologi . 45 (3): 297–305. doi : 10.1007/s00244-003-0114-5 . PMID 14674581 . S2CID 23462490 .
  16. ^ a b c Brumbaugh, William G; May, Thomas W; Besser, John M; Allert, Ann L; Schmitt, Christopher J (2007). "Utvärdering av elementära koncentrationer i strömmar av det nya blybältet i sydöstra Missouri, 2002–05". United States Geological Survey. {{ citera journal }} : Citera journal kräver |journal= ( hjälp )
  17. ^   Garty, J (2001). "Bioövervakning av atmosfäriska tungmetaller med lavar: teori och tillämpning". Kritiska recensioner i växtvetenskaper . 20 (4): 309–371. doi : 10.1080/20013591099254 . S2CID 59062166 .
  18. ^ "Rekommenderade nationella kriterier för vattenkvalitet - Tabell över kriterier för vattenlevande liv" . United States Environmental Protection Agency. 2015-09-03 . Hämtad 4 juni 2018 .
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Passive_sampling&oldid=1098729539 "