1.一种同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜，其特征在于，包括聚丙烯酰胺固体凝胶膜和分散于所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜中的没食子酸改性壳聚糖复合粉体，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体包括没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂；所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体的制备方法为：将没食子酸改性壳聚糖粉体和螯合树脂粉体混合；
所述没食子酸改性壳聚糖和所述螯合树脂的质量比为1:1；所述螯合树脂为Chelex100；
所述没食子酸改性壳聚糖的制备方法包括以下步骤：
将壳聚糖、稀酸溶液和聚乙烯亚胺混合，得到壳聚糖聚乙烯亚胺混合凝胶；
将所述壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶和强碱溶液混合，固液分离后得到聚乙烯亚胺壳聚糖固体；
将所述聚乙烯亚胺壳聚糖固体和戊二醛溶液混合进行交联反应，得到交联壳聚糖固体；
将没食子酸、偶联剂和水混合，得到没食子酸偶联剂混合溶液；所述偶联剂为1-乙基-(3-1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺，所述没食子酸和所述偶联剂的质量比为1.58:4.54，所述1-乙基-(3-1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的质量比为2.46:2.08；
将交联壳聚糖固体的酸性水分散液和没食子酸偶联剂混合溶液混合进行改性反应，得到所述没食子酸改性壳聚糖；
所述复合吸附膜的制备方法包括以下步骤：
将没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水混合进行溶胀，得到溶胀体系；
将所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液混合，得到没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液；
将所述没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液、过硫酸盐引发剂和有机胺混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液凝胶成膜，得到所述复合吸附膜；
所述聚丙烯酰胺胶溶液的制备方法包括以下步骤：
将丙烯酰胺、N,N亚甲基双丙烯酰胺和水混合，得到所述述聚丙烯酰胺胶溶液；所述丙烯酰胺、所述N,N亚甲基双丙烯酰胺和水的质量体积比为28.5g:1.5g:70mL；
所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体和所述聚丙烯酰胺胶溶液的质量体积比为3g:25mL；所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液的混合为超声混合，所述超声混合的液体温度为11~14℃，所述超声混合的时间为25~30min；超声频率为38~40kHz；
所述过硫酸盐引发剂以过硫酸盐引发剂溶液的形式使用，所述过硫酸盐引发剂溶液的质量浓度为18~22wt％，所述过硫酸盐引发剂溶液和所述聚丙烯酰胺胶溶液的体积比为12:125。
2.根据权利要求1所述的复合吸附膜，其特征在于，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水的固液比为1:5；所述溶胀为静置溶胀，所述溶胀的时间为0.5~2h。
3.根据权利要求1所述的复合吸附膜，其特征在于，所述有机胺为液体有机胺，所述有机胺和所述聚丙烯酰胺胶溶液的体积比为1:(200~250)；
所述凝胶成膜的温度为43~46℃，所述凝胶成膜的保温时间为50~60min。
4.权利要求1~3任一项所述的复合吸附膜作为同步固定三价铬离子和六价铬离子的吸附膜的应用。
5.一种薄膜扩散梯度装置，所述薄膜扩散梯度装置包括第一外壳（1-1）、结合相（2）、扩散相（3）、滤膜（4）和第二外壳（1-2），其特征在于，所述结合相（2）为权利要求1~3任一项所述的复合吸附膜。

技术领域
[0001]本发明属于薄膜梯度扩散技术领域，具体涉及一种同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]重金属易积累、难降解，目前，土壤重金属污染越来越严峻，衡量土壤中重金属迁移和风险的关键参数之一是重金属生物有效性。目前针对土壤重金属生物有效性的评价方法主要有薄膜扩散梯度法(Diffusive Gradients in Thin-films，DGT)。DGT技术是一种原位被动富集技术，其理论基础为第一扩散定律，该技术除了适用于浓度波动较大的痕量系统的总量分析和痕量系统的原位富集外，还能模拟生物扰动的情况下重金属从固相到液相释放的动力学过程，考虑了pH等理化性质的影响，广泛应用于研究沉积物与土壤中重金属的生物有效态预测。
[0003]DGT技术因具有环境干扰小、成本低、时间短、无需主动介质传输等优点，自上世纪末被发明以来，就快速成为了最具发展潜力和前景的原位采样技术之一。
[0004]虽然传统的Chelex DGT可同时测定55种重金属，但是只能富集金属阳离子，而国内对DGT的研究多用于某一种或多种元素的带同种电荷的离子进行吸附，不能同时富集带相反电荷的离子，特别是对于铬这种随土壤理化性质变化而带不同种类电荷的金属离子。
[0005]目前，虽已有能同时富集铬的阴阳离子形态的DGT技术(如Zr-DGT)出现，但Zr-DGT适用范围窄、对pH敏感、吸附容量较低，不适用于高浓度铬污染土壤中铬生物有效性的研究。
发明内容
[0006]本发明的目的在于提供一种同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜及其制备方法和应用，本发明提供的复合吸附膜应用于DGT中，吸附容量大，适用范围广。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008]本发明提供了一种同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜，包括聚丙烯酰胺固体凝胶膜和分散于所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜中的没食子酸改性壳聚糖复合粉体，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体包括没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂。
[0009]优选的，所述螯合树脂为Chelex100。
[0010]优选的，所述没食子酸改性壳聚糖和所述螯合树脂的质量比为1:1。
[0011]优选的，所述没食子酸改性壳聚糖的制备方法包括以下步骤：
[0012]将壳聚糖、稀酸溶液和聚乙烯亚胺混合，得到壳聚糖聚乙烯亚胺；
[0013]将所述壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶和强碱溶液混合，固液分离后得到聚乙烯亚胺壳聚糖固体；
[0014]将所述聚乙烯亚胺壳聚糖固体和戊二醛溶液混合进行交联反应，得到交联壳聚糖固体；
[0015]将没食子酸、偶联剂和水混合，得到没食子酸偶联剂混合溶液；
[0016]将交联壳聚糖固体的酸性水分散液和没食子酸偶联剂混合溶液混合进行改性反应，得到所述没食子酸改性壳聚糖。
[0017]本发明提供了上述技术方案所述的复合吸附膜的制备方法，包括以下步骤：
[0018]将没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水混合进行溶胀，得到溶胀体系；
[0019]将所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液混合，得到没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液；
[0020]将所述没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液、过硫酸盐引发剂和有机胺溶液混合，得到混合溶液；
[0021]将所述混合溶液凝胶成膜，得到所述复合吸附膜。
[0022]优选的，所述聚丙烯酰胺胶溶液的制备方法包括以下步骤：
[0023]将丙烯酰胺、N,N亚甲基双丙烯酰胺和水混合，得到所述述聚丙烯酰胺胶溶液；所述丙烯酰胺、所述N,N亚甲基双丙烯酰胺和水的质量体积比为28.5g:1.5g:70mL。
[0024]优选的，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水的固液比为1:5；所述溶胀为静置溶胀，所述溶胀的时间为0.5～2h。
[0025]优选的，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体和所述聚丙烯酰胺胶溶液的质量体积比为3g:25mL；所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液的混合为超声混合，所述超声混合的液体温度为11～14℃，所述超声混合的时间为25～30min；超声频率为38～40kHz；
[0026]所述过硫酸盐引发剂以过硫酸盐引发剂溶液的形式使用，所述过硫酸盐引发剂溶液的质量浓度为18～22wt％，所述过硫酸盐引发剂溶液和所述聚丙烯酰胺胶溶液的体积比为12:125；
[0027]所述有机胺为液体有机胺，所述有机胺和所述聚丙烯酰胺胶溶液的体积比为1:(200～250)；
[0028]所述凝胶成膜的温度为43～46℃，所述凝胶成膜的保温时间为50～60min。
[0029]本发明提供了上述技术方案所述的复合吸附膜或上述技术方案所述的复合吸附膜作为同步固定三价铬离子和六价铬离子的吸附膜的应用。
[0030]本发明提供了一种薄膜扩散梯度装置，所述薄膜扩散梯度装置包括第一外壳1-1、结合相2、扩散相3、滤膜4和第二外壳1-2，所述结合相2为上述技术方案所述的复合吸附膜或上述技术方案所述的复合吸附膜。
[0031]本发明提供了一种同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜，包括聚丙烯酰胺固体凝胶膜和分散于所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜中的没食子酸改性壳聚糖复合粉体，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体包括没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂。本发明提供的复合吸附膜采用聚丙烯酰胺固体凝胶膜作为基体膜，同时负载没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂，通过没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂共同作用，本发明提供的复合吸附膜能够同步固定三价铬和六价铬，即能同时富集铬的阴阳离子，且吸附容量大。由实施例的结果表明，由本发明的吸附膜组装而成的GC-DGT装置对铬离子的吸附容量高达585μg，与目前应用最广泛的选择性富集Cr(Ⅵ)的NMDG-DGT的吸附容量相当，比目前仅有的能同时吸附铬阴阳离子的Zr-DGT吸附容量高7.5倍(参见：Novel Speciation Method Based on Diffusive Gradients inThin-Films for in Situ Measurement of CrVI in Aquatic Systems，PAN Y,etal.Environ Sci Technol,2015；DEVILLERSD,BUZIER R,SIMON S,et al.Simultaneousmeasurement of Cr(III)and Cr(VI)in freshwaters with a single DiffusiveGradients in Thin Films device[J].Talanta,2016,154:533-8.)。且本发明提供的能够同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜，与扩散膜、滤膜组装成的DGT装置适用范围广。在酸碱性条件下均适用，储存时间长达90天，干扰小。且吸附膜上吸附的阴阳离子均可用硝酸洗脱下来测定，而测定所用的分析仪器ICP-MS的基质也是硝酸，所以不会对仪器产生干扰，所测定的数据更准确。
[0032]本发明提供了上述技术方案所述的复合吸附膜的制备方法，包括以下步骤：将没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水混合进行溶胀，得到溶胀体系；将所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液混合，得到没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液；将所述没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液、过硫酸铵溶液和四甲基二乙胺溶液混合，得到混合溶液；将所述混合溶液凝胶成膜，得到所述复合吸附膜。本发明提供的制备方法步骤简单，适宜工业化生产。
附图说明
[0033]图1为本发明实施例所述的GC-DGT装置结构示意图；
[0034]图1中：1-1-第一外壳；2-结合相；3-扩散相；4-滤膜，1-2-第二外壳；
[0035]图2为本发明实施例所述的吸附膜示意图；
[0036]图3为本发明实施例所述的GC-DGT对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)吸附动力学；
[0037]图4为本发明实施例所述GC-DGT的适用范围；
[0038]图5为本发明实施例所述的染毒土壤老化一年后，土壤中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的分布；
[0039]图6为本发明实施例所述的蚯蚓体内铬浓度和DGT提取浓度的相关性关系。
具体实施方式
[0040]本发明提供了一种同步固定三价铬和六价铬的复合吸附膜，包括聚丙烯酰胺固体凝胶膜和分散于所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜中的没食子酸改性壳聚糖复合粉体，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体包括没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂。
[0041]在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
[0042]本发明提供的复合吸附膜包括聚丙烯酰胺固体凝胶膜。在本发明中，所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜作为膜主体组分。
[0043]本发明提供的复合吸附膜包括分散于所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜中的没食子酸改性壳聚糖复合粉体，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体包括没食子酸改性壳聚糖和螯合树脂。
[0044]在本发明中，所述螯合树脂具体优选为Chelex100。
[0045]在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖和所述螯合树脂的质量比优选为1:1。
[0046]在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体的质量和所述聚丙烯酰胺固体凝胶膜的体积之比优选为3g:25mL。
[0047]在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖的制备方法优选包括以下步骤：
[0048]将壳聚糖、稀酸溶液和聚乙烯亚胺(PEI)混合，得到壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶；
[0049]将所述壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶和强碱溶液混合，固液分离后得到聚乙烯亚胺壳聚糖固体；
[0050]将所述聚乙烯亚胺壳聚糖固体和戊二醛溶液混合进行交联反应，得到交联壳聚糖固体；
[0051]将没食子酸、偶联剂和水混合，得到没食子酸偶联剂混合溶液；
[0052]将交联壳聚糖固体的酸性水分散液和没食子酸偶联剂混合溶液混合进行改性反应，得到所述没食子酸改性壳聚糖。
[0053]本发明将壳聚糖、稀酸溶液和PEI混合(以下称为第一混合)，得到壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶。在本发明中，所述稀酸溶液优选为醋酸溶液，所述稀酸溶液的质量百分含量优选为5wt％。在本发明中，所述PEI优选以PEI溶液的形式使用，在本发明中，所述PEI溶液的质量百分含量优选为10％。在本发明中，所述壳聚糖的质量和所述稀酸溶液的体积之比优选为1.5g:50mL。所述壳聚糖的质量和所述PEI溶液的体积之比优选为1.5g:10mL。在本发明中，所述第一混合的顺序优选为：将所述壳聚糖溶解于所述稀酸溶液中，得到壳聚糖凝胶；将所述壳聚糖凝胶和所述PEI搅拌混合。在本发明中，所述溶解的温度优选为40℃，所述溶解在磁力搅拌的条件下进行。所述搅拌混合的温度优选为40℃。
[0054]得到壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶后，本发明将所述壳聚糖聚乙烯亚胺凝胶和强碱溶液混合(以下称为第二混合)，固液分离后得到聚乙烯亚胺壳聚糖固体。在本发明中，所述强酸溶液优选为氢氧化钠溶液，所述强酸溶液的摩尔浓度优选为2.5mol/L。在本发明中，所述壳聚糖的质量和所述强碱溶液的体积之比优选为1.5g:200mL。在本发明中，所述第二混合优选为：将所述强碱溶液滴加至所述壳聚糖聚乙烯亚胺混合溶液中析出白色固体后，并静置30min。在本发明中，所述反应的温度优选为室温。在本发明中，所述白色固体产物采用水漂洗，得到所述聚乙烯亚胺壳聚糖固体。在本发明中，所述水优选为超纯水
[0055]得到聚乙烯亚胺接枝壳聚糖固体后，本发明将所述聚乙烯亚胺壳聚糖固体和戊二醛溶液混合进行交联反应，得到交联壳聚糖固体。在本发明中，所述戊二醛溶液的质量百分含量优选为1％。在本发明中，所述交联反应的温度优选为40℃，所述交联反应的保温时间优选为2h。本发明优选将所述交联反应得到的固体产物水洗，得到所述交联壳聚糖固体。在本发明中，所述水洗优选为超纯水洗。在本发明中，所述交联壳聚糖固体优选保存于超纯水中备用。
[0056]本发明将没食子酸(GA)、偶联剂和水混合，得到没食子酸偶联剂混合溶液。在本发明中，所述偶联剂优选为1-乙基-(3-1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)。在本发明中，所述没食子酸和所述偶联剂的质量比优选为1.58:4.54。所述EDC和所述NHS的质量比优选为2.46:2.08。在本发明中，所述没食子酸和所述水的质量体积比为1.58g:40mL。
[0057]得到交联壳聚糖固体和所述没食子酸偶联剂混合溶液后，本发明将交联壳聚糖固体的酸性水分散液和没食子酸偶联剂混合溶液混合进行改性反应，得到所述没食子酸改性壳聚糖。在本发明中，所述交联壳聚糖固体的酸性水分散液的pH值优选为5.5。在本发明中，所述改性反应的温度优选为室温，所述改性反应的时间优选为5h。在本发明中，所述改性反应得到改性反应液，本发明优选将所述改性反应液固液分离后，将得到的固体产物依次进行无水乙醇洗涤和水洗，得到所述没食子酸改性壳聚糖。在本发明中，所述乙醇洗涤和水洗的次数分别优选为5～6次。
[0058]本发明提供了上述技术方案所述的复合吸附膜的制备方法，包括以下步骤：
[0059]将没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水混合进行溶胀，得到溶胀体系；
[0060]将所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液混合，得到没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液；
[0061]将所述没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液、过硫酸铵溶液和四甲基二乙胺溶液混合，得到混合溶液；
[0062]将所述混合溶液凝胶成膜，得到所述复合吸附膜。
[0063]本发明将没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水混合进行溶胀，得到溶胀体系。
[0064]在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体的制备方法优选包括：将没食子酸改性壳聚糖粉体和螯合树脂粉体混合，得到所述述没食子酸改性壳聚糖复合粉体。在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖粉体的粒径优选≤48μm。在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖粉体的制备方法优选为：将没食子酸改性壳聚糖研磨后筛分，得到所述没食子酸改性壳聚糖粉体。在本发明中，所述筛分使用的筛子的筛孔优选为300目。在本发明中，所述螯合树脂粉体的粒径优选≤48μm。在本发明中，所述螯合树脂粉体制备方法优选为：将螯合树脂研磨后筛分，得到所述螯合树脂粉体。在本发明中，所述筛分使用的筛子的筛孔优选为300目。
[0065]在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体和水的固液比优选为1:5；所述溶胀优选为静置溶胀，所述溶胀的时间优选为0.5～2h，更优选为1～2h。
[0066]得到溶胀体系后，本发明将所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液混合，得到没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液。
[0067]在本发明中，所述聚丙烯酰胺胶溶液的制备方法优选包括以下步骤：将丙烯酰胺、N,N亚甲基双丙烯酰胺和水混合，得到所述述聚丙烯酰胺胶溶液；所述丙烯酰胺的质量和N,N亚甲基双丙烯酰胺的质量比优选为28.5:1.5；所述丙烯酰胺和水的质量体积比优选为28.5g:70mL。
[0068]在本发明中，所述没食子酸改性壳聚糖复合粉体和所述聚丙烯酰胺胶溶液的质量体积比为3g:25mL。
[0069]在本发明中，所述溶胀体系和聚丙烯酰胺胶溶液的混合优选为超声混合，所述超声混合的液体温度优选为11～14℃，更优选为12～13.5℃；所述超声混合的时间优选为25～30min；超声频率优选为38～40kHz；在本发明中，所述超声混合时，液体优选在冰浴的条件下进行。
[0070]得到没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液后，本发明将所述没食子酸改性壳聚糖粉体制胶溶液、过硫酸盐引发剂和有机胺混合，得到混合溶液。在本发明中，所述过硫酸盐引发剂具体优选为过硫酸铵。所述过硫酸盐引发剂以过硫酸盐引发剂溶液的形式使用，所述过硫酸盐引发剂溶液的质量浓度优选为18～22wt％，所述过硫酸盐引发剂溶液和所述聚丙烯酰胺胶溶液的体积比优选为12:125。在本发明中，所述有机胺优选为液体有机胺，所述有机胺具体优选为四甲基二乙胺。所述有机胺和所述聚丙烯酰胺胶溶液的体积比优选为1:(200～250)，更优选为1:(210～240)。
[0071]得到混合溶液后，本发明将所述混合溶液凝胶成膜，得到所述复合吸附膜。
[0072]在本发明中，所述凝胶成膜的温度优选为43～46℃，所述凝胶成膜的保温时间优选为50～60min。在本发明中，所述凝胶成膜优选在烘箱中进行。
[0073]在本发明中，所述凝胶成膜优选在成膜模具中进行，所述成膜模具优选为玻璃模具，所述玻璃模具具体优选为夹有U形塑料垫片的两片玻璃板。在本发明的具体实施例中，本发明优选将所述将混合溶液注入夹有U形塑料垫片的两片玻璃板的空隙中，赶出玻璃板间气泡，待玻璃板中的溶液凝胶成膜。在本发明中，所述玻璃模具水平放置。
[0074]在本发明中，所述凝胶成膜结束后，本发明优选从成膜模具中取出成型模；将所述成型膜浸渍于水中进行水合，得到所述复合吸附膜。在本发明中，所述水合的时间优选为24～28h，所述水合的温度优选为室温。所述水优选为纯水。所述水合过程中，本发明优选更换4～5次水。
[0075]本发明优选将制备得到的复合吸附膜保存于硝酸钠溶液中备用。
[0076]本发明提供了上述技术方案所述的复合吸附膜或上述技术方案所述的复合吸附膜作为同步固定三价铬离子和六价铬离子的吸附膜的应用。
[0077]本发明提供了一种薄膜扩散梯度装置，所述薄膜扩散梯度装置包括第一外壳1-1、结合相2、扩散相3、滤膜4和第二外壳1-2，所述结合相2为上述技术方案所述的复合吸附膜或上述技术方案所述的复合吸附膜。
[0078]在本发明中，所述第一外壳1-1和第二外壳1-2的材质优选为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。
[0079]在本发明中，所述结合相2的厚度优选为0.4mm。
[0080]在本发明中，所述扩散相3优选为聚丙烯酰胺凝胶扩散相，所述扩散相的厚度优选为0.75mm。
[0081]在本发明中，所述聚丙烯酰胺凝胶扩散相的制备方法优选参考文献：Performancecharacteristics of diffusion gradients in thin films for the in situmeasurement of trace metals in aqueous solution,Zhang and Davison,Anal.Chem.1995,67(19),3391-3400.
[0082]在本发明中，所述滤膜4优选聚醚砜滤膜，所述滤膜4的厚度优选0.14mm，孔径优选0.45μm。
[0083]本发明提供的复合吸附膜为没食子酸改性壳聚糖复合吸附膜，能够同步固定三价铬和六价铬；制备过程为：取没食子酸改性壳聚糖复合粉末，用超纯水充分溶胀后置于聚丙烯酰胺凝胶溶液中搅匀，再加入过硫酸铵和四甲基乙二胺，注入玻璃模具中，培养，将玻璃模具在烘箱中放置一定时间后取出玻璃模具中形成的薄膜，然后用超纯水水合，即得没食子酸改性壳聚糖复合吸附膜。本发明将复合吸附膜组装成DGT，从而得到能同时富集重金属铬的阴离子和阳离子，吸附容量大，适用范围广，检测误差小的DGT装置。
[0084]为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0085]在本发明的实施例中出现的溶液，若无特殊说明，均为水溶液。
[0086]实施例1
[0087]向50mL，5wt％的醋酸溶液中加入1.5g壳聚糖粉末搅拌至完全溶液，再加入10mL，10wt％的PEI溶液搅拌均匀，滴加2.5mol/L的NaOH溶液200mL，并在NaOH中浸泡30min后，过滤得到白色固体产物，用超纯水漂洗白色固体产物数次，然后向洗涤后的白色固体产物中加入200mL，1wt％的戊二醛溶液，40℃条件下搅拌2h，然后将反应得到的固体产物用超纯水漂洗后分散至200mL超纯水中备用，得到交联壳聚糖固体分散液。
[0088]取1.58g GA、2.46g EDC、2.08g NHS溶于40mL超纯水中，搅拌混匀1h,得到GA混合溶液。取200mL交联壳聚糖固体分散液，调节至pH值＝5.5后，与GA混合溶液混合，室温条件下反应5h，将所得固体依次经无水乙醇和超纯水洗涤数次后，得到没食子酸改性壳聚糖固体。
[0089]将没食子酸改性壳聚糖固体和Chelex100树脂分别冷冻干燥、研磨过300目筛，得到没食子酸改性壳聚糖粉末和Chelex100粉末，将两种粉末按质量比1：1混匀，即得所述没食子酸改性壳聚糖复合粉末。
[0090]将丙烯酰胺固体、N,N亚甲基双丙烯酰胺固体、超纯水按质量体积比为28.5:1.5:70混合均匀，即得到聚丙烯酰胺胶溶液，储存于4℃冰箱中。
[0091]取0.6g没食子酸改性壳聚糖复合粉末，加1.5mL超纯水充分溶胀0.5h，再加入5mL聚丙烯酰胺凝胶溶液涡旋混匀，冰浴条件超声25min，使固体在胶溶液中分散均匀，再加入480μL，20wt％过硫酸铵溶液和20μL四甲基乙二胺，快速注入夹有0.25mm厚的U型特氟龙薄片的两片玻璃板间，赶走气泡，将其水平置入43℃的烘箱中，培养45min，待其凝胶成膜。取出玻璃膜具放入超纯水中30min后取出复合吸附膜，切成直径25mm的圆片，放入超纯水中水合24h，期间换水4次，将其保存在超纯水中备用。
[0092]本实施例制备的没食子酸改性壳聚糖复合吸附膜吸附Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的吸附动力学实验：将本实施例制得的复合吸附膜分别置于10mL含有0.01mol/L硝酸钠和50μg/L的Cr(Ⅲ)或Cr(Ⅵ)溶液中，200rpm下振荡不同的时间(1min～24h)，测定吸附前后溶液中铬离子浓度，计算吸附膜上的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的吸附量(如图2所示)。吸附膜对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的吸附动力学结果均可用伪一级动力学模型拟合，R2均大于0.98。2h内吸附了90％以上的目标物质，说明本实施例制备的复合吸附膜的吸附速率足够快，可以用作DGT的结合相组装成DGT。
[0093]没食子酸改性壳聚糖复合吸附膜吸附Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)离子后，用不同浓度的硝酸进行洗脱的洗脱效率实验：将吸附膜放入10mL含有50μg/L金属离子溶液(pH＝5)中，背景溶液为0.01mol/L硝酸钠，水平振荡24h，取出吸附膜，测定吸附前后溶液中金属离子浓度，计算吸附膜的吸附量。用1mL的1、1.5、2或3mol/L HNO3中洗脱24h，测定洗脱液中的金属离子含量，计算出洗脱效率(如表1所示)。随着硝酸浓度增加，洗脱效率增加，2mol/L的硝酸能同时洗脱下来Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，且洗脱效率相近，对于负载不同含量的Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)洗脱效率都稳定在0.7左右，基于环保考虑，选用2mol/L硝酸为Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的洗脱剂。
[0094]本实施例制备的同时固定三价铬和六价铬的吸附膜可吸附铬元素的阴阳离子，适用于水体、土壤等环境介质中铬的吸附和分析。
[0095]表1Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在不同硝酸浓度条件下的洗脱效率
[0096]
[0097]
[0098]对比例1
[0099]与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：将没食子酸改性壳聚糖复合粉末直接与聚丙烯酰胺胶溶液混和，没食子酸改性壳聚糖复合粉末未经与水充分溶胀；没食子酸改性壳聚糖复合粉末直接与聚丙烯酰胺胶溶液混合时未经超声处理。在注入玻璃板间时，固体吸水团聚堵在板缝处，无法流进玻璃板间。
[0100]对比例2
[0101]与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：取0.6g没食子酸改性壳聚糖复合粉末，加1.5mL超纯水充分溶胀0.5h，再加入5mL聚丙烯酰胺凝胶溶液混匀，混合时未经超声处理。在注入玻璃板间时，也有部分固体堵在板缝处，无法流进玻璃板间；流进玻璃板间的固体也分布很不均匀。
[0102]对比例3
[0103]与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：取0.6g没食子酸改性壳聚糖复合粉末，加1.5mL超纯水充分溶胀0.5h，再加入5mL聚丙烯酰胺凝胶溶液涡旋混匀，超声25min，超声时不对混合溶液冰浴处理。由于超声完的液体温度较高，在加入过硫酸铵和四甲基乙二胺后，还未注入玻璃板间，就已经发生凝固。
[0104]对比例4
[0105]与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：将过硫酸铵溶液和四甲基二乙胺溶液依次加入制胶溶液中，制得混合溶液，按照常用的过硫酸铵浓度和加入量添加后，竟然无法成膜或成膜性质差，其中，10mL聚丙烯酰胺溶液中加入的过硫酸铵溶液为60μL、100μL、125μL、130μL或250μL，过硫酸铵溶液的质量百分含量为10％。
[0106]过硫酸铵作为成膜反应的引发剂提供自由基，含量过低则无法成膜或成膜后易碎，含量过高则凝固速度过快。经申请人反复实验和反复验证，针对实施例1制备的聚丙烯酰胺溶液的浓度条件下，在过硫酸铵溶液的加入量为70～1600μL，浓度为10％或20％的范围内，进行了最佳加入量和最佳浓度探索。最终确定针对实施例1制备的聚丙烯酰胺溶液的浓度条件下，加入480μL20％的过硫酸铵溶液形成的膜，弹性韧性均匀性最佳，且分布均匀(如图2所示)。
[0107]实施例2
[0108]本实施例提供一种能同时富集三价铬和六价铬的DGT装置(GC-DGT)，并确定其适用范围。本实施例中所提供的一种同时富集三价铬和六价铬的DGT装置，包括：第一外壳1-1、结合相2、扩散相3、滤膜4，第二外壳1-2；其中结合相为实施例1制备的没食子酸改性壳聚糖复合吸附膜，扩散相为聚丙烯酰胺凝胶扩散相(厚度0.75mm，制备方法见文献Zhang andDavison,Anal.Chem.1995,67(19),3391-3400.)，滤膜为聚醚砜滤膜(厚度0.14mm，孔径0.45μm)，按照附图1组成DGT装置。
[0109]其中，扩散相制备方法具体为：先将购买自英国DGT公司的交联剂(2％Cross-linker)、40％丙烯酰胺溶液和水按照质量比15：37.5：47.5混合，充分搅拌，得到了含15％丙烯酰胺和0.3％交联剂的凝胶溶液，将10mL上述凝胶溶液和70μL新鲜制备的10％过硫酸铵溶液混合，然后加入25μL四甲基乙二胺(TEMED)。将此混合溶液注入用0.5mm厚特氟龙塑料垫片隔开的玻璃板之间，在45℃的烘箱中放置1h。结束后，将此凝胶在超纯水中浸泡24小时，并换水3次。得到的扩散凝胶的厚度为0.78mm，将其切成直径为0.25cm的圆，在0.01mol/L NaNO3溶液中保存备用。
[0110]利用本实施例的GC-DGT装置探究不同pH条件下对DGT富集Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的影响，步骤如下：将GC-DGT装置放入2L 50μg/LCr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的0.01mol/L硝酸钠混合溶液中，用1mol/L HNO3和1mol/L NaOH调节溶液的pH，使pH范围在3-12之间(Cr(Ⅲ)pH:3、4、5、6、7、9，pH7和9中Cr(Ⅲ)浓度为5μg/L，避免沉淀；Cr(Ⅵ)pH：3、4、5、6、7、9、11、12)，溶液pH稳定后，不间断搅拌4h。
[0111]取出GC-DGT装置中的吸附膜，用2mol/L的硝酸洗脱24h，用ICP-MS测定洗脱液中铬离子的浓度换算为DGT浓度。将DGT浓度与配制的混合溶液中铬离子实际浓度的比值定义为R(CDGT/Csoln)，图3中两条虚线是R的变化范围，即R在0.9-1.1之间，表明DGT可准确测定溶液中重金属的有效态。如图4中的(a)、(b)所示，DGT能在pH3.11～8.96条件下准确测定Cr(Ⅲ)，在pH3.15～7.27条件下准确测定Cr(Ⅵ)。
[0112]利用本实施例的GC-DGT装置探究不同离子强度对DGT富集Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的影响，步骤如下：将GC-DGT装置放入2L 50μg/LCr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的不同浓度的硝酸钠混合溶液中，硝酸钠溶液浓度为1、10、50、100、200mmol/L，不间断搅拌4h。取出GC-DGT装置中的吸附膜，用2mol/L的硝酸洗脱24h，用ICP-MS测定洗脱液中铬离子的浓度换算为DGT浓度。如图4中的(c)所示，GC-DGT能在离子强度为1～200mmol/L条件下准确测定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，可应用于大部分自然环境中测定。
[0113]利用本实施例制备的GC-DGT装置探究老化效应对GC-DGT富集Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的影响，步骤如下：将存储于0.01mol/L NaNO3中在-4℃冰箱下保存了1、7、20、30、60、90、120天的吸附膜组装成DGT，放置于含50μg/L Cr(Ⅲ)或Cr(Ⅵ)的0.01mol/L NaNO3混合溶液中，不间断搅拌4h。取出DGT装置中的吸附膜，用2mol/L的硝酸洗脱24h，用ICP-MS测定洗脱液中铬离子的浓度换算为DGT浓度。如图4中的(d)所示，GC-DGT能在90天内准确测定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，适用于野外试验长时间保存和采样的需要。
[0114]利用本实施例的GC-DGT装置探究DGT对Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的有效吸附容量，步骤如下：将GC-DGT放置于含0.1、0.5、1、5、10、20、40、80、120、240mg/L的Cr(Ⅲ)或Cr(Ⅵ)的0.01mol/L NaNO3混合溶液中，不间断搅拌4h。取出GC-DGT装置中的吸附膜，用2mol/L的硝酸洗脱24h，用ICP-MS测定洗脱液中铬离子的浓度换算为DGT浓度。如图4中的(e)、(f)所示，当实测值偏离理论线时，说明达到吸附达到饱和，此时DGT对于Cr(Ⅲ)的有效吸附容量是160μg，对于Cr(Ⅵ)的有效吸附容量是425μg，对Cr的总有效吸附容量是585μg。GC-DGT装置吸附容量高，可用于污染场地和水体的目标污染物测定。此外，GC-DGT的吸附膜是由质量比1：1的没食子酸改性壳聚糖粉末和Chelex100粉末混合制成，也可根据实际测样需要，也可以调整二者的比例来增大对某一价态铬的有效吸附容量。
[0115]利用本实施例的GC-DGT装置探究竞争作用对DGT富集Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的影响，步骤如下：将DGT，放置于Cr(Ⅲ):Cr(Ⅵ)为1:0、1:9、1:1、9:1、0:1的0.01mol/L NaNO3混合溶液中，不间断搅拌4h。取出GC-DGT装置中的吸附膜，用2mol/L的硝酸洗脱24h，用ICP-MS测定洗脱液中铬离子的浓度换算为DGT浓度。如图4中的(g)所示，证明了GC-DGT确实能在不同Cr(Ⅲ):Cr(Ⅵ)比例的条件下，同时富集铬的两种阴阳离子，彼此之间没有竞争干扰。
[0116]实施例3
[0117]本实施例提供一种能同时富集三价铬和六价铬的DGT装置，并将其应用于不同理化性质土壤铬的生物有效性预测。
[0118]土壤样品前处理和理化性质测定：采集8个省份0～20cm表层无污染的土壤(所采集的8个省份土样的理化性质如表2所示)，自然风干，用2mm的筛子筛除杂质均一化，贮存在阴凉干燥处备用，测定土样的理化性质。
[0119]土样染毒：每个省份的干净土壤取3000g，均分成6份，一份为空白对照，其余五份用铬酸钾溶液进行系列染毒，使土壤浓度达到5、10、40、70和80mg/kg，土壤含水率调节为60～70％，搅拌均匀，盖上盖子做好标记，进行土壤老化一年。在染毒后前三天，每天搅拌土壤3次，之后要定期补充一定量的水。
[0120]蚯蚓暴露和蚯蚓体内生物有效铬的测定：实验所用蚯蚓为赤子爱胜蚓，在实验室驯养14天后，挑选带有明显环带、生命力旺盛、体重0.3g左右的成熟蚯蚓，清肠24h，用超纯水洗净蚯蚓体表，擦干。称取100g老化好的土壤于250mL的烧杯中，含水率调节至60-70％，放入10条清肠后的蚯蚓，用纱窗网封好烧杯口，在温度20±2℃，光照控制16h明：8h暗条件下暴露12天，每天根据烧杯称重补充一定量的水，保证含水率。暴露结束后的蚯蚓取出清肠，冷干研磨。称取0.1±0.001g的蚯蚓粉末于微波消解罐中，加10mL浓硝酸混匀，盖上消解罐盖子静置12h，之后将盖子盖紧，用微波消解仪来进行消解。消解升温程序为：120℃保持25min；185℃保持25min。消解结束，用ICP-MS测定消解液中Cr浓度。
[0121]DGT提取土壤生物有效铬：将染毒后老化好的土壤进行风干，过2mm尼龙网筛，取60g土壤于100mL烧杯中，加入超纯水，使土壤含水率在60％左右，用锡箔纸将烧杯封口，静置48h。之后再加入超纯水，使土壤含水率在100％，不断搅拌至糊状，用锡箔纸将烧杯封口，静置24h。将GC-DGT从冰箱中取出放置3-4h(放至室温)，用塑料勺将土壤平分到三个直径为5cm的塑料培养皿中，先用塑料勺少取适量糊状土壤均匀地涂在GC-DGT表面，然后将GC-DGT轻轻旋进培养皿的泥土中，轻盖培养皿盖子，装进PP袋中，并在袋子中加入适量超纯水，袋子封口处留口大约三分之一。记录放置时间(精确至分钟)和温度。放置48h后将GC-DGT取出，先用超纯水将取出的GC-DGT表面的泥土冲洗干净，然后取出吸附膜用2mol/L硝酸进行洗脱，用ICP-MS测定洗脱液中Cr浓度。
[0122]所采集的8个省份土样的理化性质如表2所示。采集的原始土样中铬的浓度范围为：10.93-33.81mg/kg，低于铬的全国土壤背景值。染毒土壤老化一年后，土壤中Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)的分布如图5所示。大部分Cr(Ⅵ)都转化为稳定的Cr(Ⅲ)，且总体呈现出Cr(Ⅲ)占比随着染毒浓度的升高而升高的趋势，但内蒙古和四川的高浓度土样中仍以Cr(Ⅵ)为主，可能与两省份较低的DOM含量有关。蚯蚓体内铬浓度和DGT提取土壤铬浓度的关系如图6所示，相关系数R2＝0.67，说明GC-DGT能一定程度上预测不同理化性质土壤铬的生物有效性。
[0123]表2所采集的8个省份土样的理化性质
[0124]
[0125]
[0126]尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。