铅染毒大鼠骨中元素微区分布及相关性研究

北京同步辐射装置上的同步辐射X射线探针被用于测定铅染毒大鼠骨中铅和其它元素微区分布,结果发现: 铅主要分布在密质骨内、外边缘, 而锌主要分布在密质骨和密质骨边缘. 同时,钙、磷、锶和铁的分布也同时获得.     

微区X射线荧光光谱仪研制及元素生物地球化学动态分布过程研究

微区无损分析可提供物质组成元素的原位分布信息,以揭示物质形成条件、元素动态分布过程与相互作用机理、生物代谢作用等。文章报道了实验室型微区X射线荧光(μXRF)光谱仪的研发和元素生物地球化学动态分布过程研究结果。μXRF光谱仪采用15 μm光斑的聚束毛细管X射线透镜为激发源,选用分辨率为135 eV的硅漂移探测器(SDD),样品和探测器间角度可调,使之可进行异型样品如地质样品的原位分析,利用五轴自控实现样品时空四维元素分布测定。利用该μXRF光谱仪测定了矿物-生物膜间的元素迁移和玉米种发芽过程中的元素分布,发现(1)生物膜可吸附、富集毒性元素铅,是重金属的重要汇集地,最大富集系数1.7。(2)生物膜是金属从固态矿物相经水相进入生态系统的重要途径。(3)在玉米种子中,可检测到K,Ca,Mn,Fe,Cu,Zn和Pb。Zn主要在胚乳中分布,胚中有少量Zn存在;在胚乳和胚中存在微量Fe;胚乳中存在微量Pb,胚中未观测到Pb。(4)经含Pb溶液浸泡发芽后,K在玉米种中胚和胚乳中部分富集,Fe分布在种皮和胚乳中,Cu和Zn主要在胚乳中分布;Pb主要在胚根、胚轴和胚芽中分布,且Pb在新生根中高度富集。研究表明,在种子萌发阶段,Pb等毒性元素可被植物滞留于根部,制约了其向地上部的转移,从而揭示了植物对毒性元素的耐受机制。     

矿物药炉甘石煅制前后锌、铅元素的赋存形态及分布特征研究

采用X射线衍射(XRD)技术和电子探针微区分析(EPMA)技术针对中药炉甘石煅制前后锌、铅元素的赋存形态及分布特征进行了研究,探明了煅制对炉甘石中锌、铅元素赋存状态及分布的改变,为后续水飞减除铅元素的机理研究提供了理论依据。测试结果显示：21批次炉甘石(生品)中的锌元素以主矿物水锌矿[Zn₅(CO₃)₂(OH)₆]和杂质矿物异极矿[Zn₄(OH)₂(H₂O)(Si₂O₇)]为主要赋存形态,偶见菱锌矿(ZnCO₃);炉甘石(生品)的背散射电子图谱及元素分布数据显示：Zn和Pb元素同时分布的区域为水锌矿,Zn和Si元素同时分布的区域为异极矿,Ca和Mg元素同时分布的区域为白云石,Ca元素单独分布区域为方解石。在炉甘石(生品)中,Pb主要分布于水锌矿中且分布相对均匀,Pb元素的分布与水锌矿中的Zn元素密切相关。大量水锌矿的微区点位的电子探针定量分析结果显示：各不同点位中的ZnO/PbO含量的比值趋于定值,Pb在水锌矿中呈统计式均匀分布,说明Pb在水锌矿中主要以类质同象混入物的形式存在。但是炉甘石(生品)中的异极矿、方解石及白云石等杂质矿物中铅元素含量极低甚至检测不到。炉甘石煅烧后水锌矿晶格中的Zn和Pb分别生成了ZnO和PbO。Zn元素在炉甘石煅制品中主要以氧化锌(ZnO)形式存在,少部分以杂质矿物硅酸锌(Zn₂SiO₄)形式存在,呈较连续状态分布。Pb元素在炉甘石煅制品中主要以氧化铅(PbO)的形式存在,呈星点状分布,与Zn元素的分布未呈现相关性,说明Pb在炉甘石煅制品中是以独立矿物形式存在的。煅烧破坏了水锌矿的晶格结构,在改变锌、铅化合物形态的同时,更改变了锌、铅的分布特征,打破了炉甘石中锌、铅的共生状态,使水飞减除铅元素成为可能。     

基于光谱分析的砷黄铁矿生物浸出过程中铁/砷/硫形态转化研究

基于同步辐射装置的As/S的K边及Fe的L边X射线吸收近边结构光谱(XANES)和X射线衍射(SR-XRD),结合扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)及各项浸出参数的测定,系统研究了(中度嗜热菌、嗜热硫化杆菌)浸出砷黄铁矿过程中铁、砷、硫的形态转化。结果表明,在生物作用下,砷黄铁矿的溶解速率明显高于化学浸出体系,伴随矿物溶解释放到溶液中的砷和铁在生物浸出体系中主要为As(Ⅴ)和Fe3+,而在无菌化学浸出体系则主要为As(Ⅲ)和Fe2+;细菌胞外多聚物(EPS)在细菌与硫化矿物的相互作用过程中起着至关重要的作用, FTIR的结果表明,生物浸出体系中吸附在矿物表面的吸附菌的EPS中蛋白质和多糖的含量均高于游离菌EPS;SEM的结果表明,砷黄铁矿表面在生物浸出过程中逐渐被腐蚀,且有浸出产物覆盖,而化学浸出10 d后,矿物表面依旧比较光滑;SR-XRD的结果表明,元素硫(S0)、黄钾铁矾和砷酸铁在生物浸出第4 d生成,并随时间延长逐渐累积,最终成为浸出渣中的主要成分。Fe的L边XANES结果表明,在细菌作用下矿物表面逐渐被Fe(Ⅲ)浸出产物覆盖;As的K边XANES结果表明,浸出渣中砷的价态包括As(-Ⅰ), As(Ⅲ)和As(Ⅴ),拟合结果表明,经过10 d的生物浸出,砷黄铁矿、雌黄(As2S3)和砷酸铁在矿渣中所占的比例分别为18.6%, 23.5%和57.9%,化学浸出10 d后,矿渣中除未溶解的砷黄铁矿外,仅有少量砷酸铁(6.2%)形成;S的K边XANES拟合结果表明,经过10 d的生物浸出,砷黄铁矿、 S0、硫代硫酸盐、施氏矿物和黄钾铁矾在矿渣中所占的比例分别为15.3%, 23.7%, 3.5%, 11.3%和46.2%,而在化学浸出10 d后的矿渣中,仅拟合到少量S0(7.8%)。基于上述结果可以得出,铁、砷、硫在砷黄铁矿生物作用下的形态转化过程分别为:Fe(Ⅱ)-Fe(Ⅲ), As(-Ⅰ)-As(Ⅲ)-As(Ⅴ), S-→S0→S2O■→SO■。结合溶液中的浸出参数发现,随着S0、黄钾铁矾、砷酸铁和雌黄的大量累积,砷黄铁矿的生物浸出严重受阻。硫代硫酸盐的生成表明砷黄铁矿的溶解途径与黄铁矿相似。     

原子吸收光谱法测定血清中不同化学形态的铜、铁、锌

融合分子生物学技术与原子吸收光谱对血清中元素铜、铁和锌的化学形态进行研究。用60%乙醇低温(4℃)沉淀血清蛋白的方法将血清中的铜,铁,锌分为结合态和非结合态,原子吸收分光光度计分别测定血清中Cu,Fe和Zn三种元素的总量及非结合态含量,通过减差法求出血清中结合态元素含量,从而建立了Cu,Fe和Zn元素这两种化学形态的分离分析方法,并讨论了有关的实验条件。该方法铜、铁和锌的检出限分别为9·84×10-3μg·mL-1,2·76×10-2μg·mL-1,1·06×10-3μg·mL-1,相对标准偏差为0·30%～2·31%,回收率为95·0%～104·0%。该法已应用于SD大鼠血清中Cu,Fe和Zn三种元素不同化学形态的测量。     

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。     

不同种群蜈蚣草中砷形态的X射线吸收光谱研究

研究选择了分布于我国安徽、重庆、湖南、台湾、福建、广西、广东等7个省、市、自治区中10个不同地理区域的13个蜈蚣草种群,通过同步辐射X射线吸收光谱研究不同种群蜈蚣草中的砷形态差异,为揭示其富集机理奠定基础。蜈蚣草根部的砷主要以与O结合的方式存在,各种群的蜈蚣草根部还存在As—S配位的砷,但含量较少。蜈蚣草根部中的砷以As(Ⅴ)为主,As(Ⅴ)的比例为59.6%±0.6%~83.8%±3.8%。不同种群的根部砷形态具有较大差异,HN5种群具有明显高于其他种群的As(Ⅲ)比例,FJ种群具有明显低于其他种群的As(Ⅲ)比例,而来自湖南和广西的几种种群具有较高的As-GSH比例。As(Ⅴ)比例由低到高的顺序为:HN5GX2HN1CQGX1GDHN3HN4GX3HN2TWAHFJ。与根部相似,蜈蚣草羽片中的砷主要以和O结合的形式存在,存在As—S配位,但比例较低。与根部不同,羽片中的砷以As(Ⅲ)为主,基本不存在As(Ⅴ)形式。羽片砷主要由As(Ⅲ)和As-GSH两种组分组成。AsGSH组分比例为2.4%~12.9%,GX1种群中As-GSH比例最低,而GD种群中As-GSH比例最高。AsGSH比例由高到低的顺序为GDHN3HN1TWCQAHFJHN5HN2GX2GX3HN4GX1。对蜈蚣草中砷形态的种群差异揭示有利于对蜈蚣草砷富集能力的种群差异来源机制进行深入研究。     

应用ICP-MS分析猪污物中铅砷镉的形态分布

为有效控制资源化过程中畜禽污物所含重金属对环境和人类健康的危害,需要监测污物中重金属的赋存形态和浓度。采集北京昌平种猪场的猪污物样品(鲜样和干清样),用BCR提取法、硝酸-高氯酸消化法和ICP-MS仪器检测铅砷镉(Pb,As,Cd)总量及各形态含量。结果表明,猪污物中Pb,As,Cd的总量分别为29.0,28.2和0.288 mg·kg-1 DW(鲜样)以及19.7,28.2 和0.134 mg·kg-1 DW(干清样),均没有超过我国的城镇垃圾农用控制标准(As接近标准值)。两类样品中重金属的形态分布规律明显不同：鲜样中三种金属可交换态及碳酸盐结合态均超过50%,有机物及硫化物结合态则低于20%;而干清样中高生态毒性的可交换态及碳酸盐结合态和Fe/Mn氧化物结合态的比例较鲜样中都明显降低(降幅可达20%以上),表明干清样用于堆肥对农田更安全。该研究结果将为北京地区养猪场污物的资源开发和生态安全评价提供重要基础数据。     

分析北京城市污泥中铅砷镉形态浓度的ICP-MS

城市污泥中重金属的难降解和高毒性限制了污泥的资源化利用.以北京G和Q污水处理厂的压滤出厂污泥为实验材料,采用BCR三步浸提法对污泥中铅砷镉Pb,As,Cd的三种形态进行提取,以HNO3-HClO4进行全量消解,利用ICP-MS检测Pb,As,Cd的全量和各形态的含量,从而为北京城市污泥的资源开发研究提供基础数据.实验结果表明,北京城市污泥中Pb和Cd含量比上世纪末明显降低:其中,G污泥中Pb,As,Cd的全量(干重)分别为19.60,37.96和1.34 mg·kg-1,而Q污泥中分别为19.58,23.46和2.30 mg·kg-1;两种污泥中Pb含量相差甚微,G污泥中As明显高于Q污泥,而Cd则显著低于后者;两种污泥中相应金属的三种形态的变化趋势基本一致:Pb与As以HAc酸溶态为主,H2O2可氧化态最少;而Cd主要以NH2OH-HCl可还原态存在,HAc酸溶态最少.三种重金属中生物毒性大的形态均占70%以上.     

北京城市污泥中铅砷镉形态浓度的ICP-MS分析

城市污泥中重金属的难降解和高毒性限制了污泥的资源化利用。以北京G和Q污水处理厂的压滤出厂污泥为实验材料,采用BCR三步浸提法对污泥中铅砷镉Pb,As,Cd的三种形态进行提取,以HNO₃-HClO₄进行全量消解,利用ICP-MS检测Pb,As,Cd的全量和各形态的含量,从而为北京城市污泥的资源开发研究提供基础数据。实验结果表明,北京城市污泥中Pb和Cd含量比上世纪末明显降低：其中,G污泥中Pb,As,Cd的全量(干重)分别为19.60,37.96和1.34 mg·kg-1,而Q污泥中分别为19.58,23.46和2.30 mg·kg-1;两种污泥中Pb含量相差甚微,G污泥中As明显高于Q污泥,而Cd则显著低于后者;两种污泥中相应金属的三种形态的变化趋势基本一致：Pb与As以HAc酸溶态为主,H₂O₂可氧化态最少;而Cd主要以NH₂OH-HCl可还原态存在,HAc酸溶态最少。三种重金属中生物毒性大的形态均占70％以上。     

原位微区同步辐射X射线荧光和近边吸收谱研究拟南芥幼苗及根际土壤中铅分布与形态特征

为了从组织和器官水平研究植物在铅锌矿山开采区尾矿坝土壤中植物中毒和胁迫机制,使用同步辐射微束X射线荧光技术(μ-SRXRF)研究了K,Ca,Mn,Fe,Cu,Zn,Pb等元素在云南某铅锌矿区尾矿坝土壤中生长的拟南芥幼苗中的分布特征。发现Pb易富集于植物根部,也容易富集在植物顶端叶芽部位,这是很多研究没有发现的。整株幼苗中Pb都与Mn形成明显的竞争分布特征。导致植株中毒凋亡的原因可能是Pb造成的拟南芥顶端幼芽的氧化压力,以及Pb分布对Mn等植物必需元素的吸收和分布的抑制。为研究Pb在土壤中的形态和植物可利用性,针对拟南芥及其根际土壤中开展了Pb L3边X射线吸收近边精细结构谱(XANES)研究,发现尾矿坝土壤种植的拟南芥根际土壤Pb主要以PbO(64.2%),Pb(OH)2(28.8%),Pb3O4(6.3%)形式存在,而非Pb矿物矿石或有机Pb形式存在,本尾矿坝土壤中Pb的植物可利用水平不高。进一步开展土壤中Pb进入植物的过程以及该过程中Pb的形态发生的变化,尤其是溶解性有机质在其中的角色,是开展重金属胁迫下植物中毒和解毒机制研究的重要前提。     

苝四甲酸二酐薄膜电子结构的同步辐射共振光电子能谱研究

利用基于同步辐射的近边X射线吸收精细结构谱(NEXAFS)和共振光电子谱(RPES)研究了苝四甲酸二酐分子(PTCDA)薄膜的电子结构.碳K边NEXAFS谱中能量小于290 eV的四个峰对应于PTCDA分子不同化学环境碳原子1s电子到未占据分子轨道的共振跃迁.RPES谱中观察到共振光电子发射和共振俄歇电子发射导致的共振峰结构,以及二次谐波激发的碳1s信号.根据电子动能对入射光能量的依赖性分别对三类峰结构进行了归属.同时,发现PTCDA分子轨道共振光电子峰的强度具有光子能量依赖性.这种能量选择性共振增强效应是由于PTCDA分子轨道空间分布差异导致的.共振俄歇峰主要源于高结合能(4.1 eV)分子轨道能级电子参与的退激发过程.明确RPES实验谱图中各个峰结构的起源有助于准确利用基于RPES的芯能级空穴时钟谱技术定量估算有机分子/电极异质界面处电子从分子未占据轨道到电极导带的超快转移时间.     

原子吸收法测定中药黄芩中不同化学形态的Cu、Zn、Fe和Mn

研究用原子吸收光谱法(AAS)测定中药黄芩水煎液中Cu,Zn,Fe和Mn化学形态的分析方法.水煎液经0.45 μm滤膜过滤后分为悬浮态和可溶态组分试样;对于可溶态组分试样,采用LSA-10大孔树脂将其分为有机态和无机态组分试样,并采用正辛醇-水分配体系,在模拟人体胃肠环境条件下,将水可溶态中4待测元索分离为醇溶态和水溶态,然后用AAS测定上述各组分试样中待测元素的含量,即可给出比现有的仅测量中药黄芩中上述各待测元素总量为多的信息.该法待测元素Cu,Zn,Mn的检出限(3倍空白标准差)为0.01μg·mL-1,Fe为0.02μg·mL-1,精密度(RSD,n=11)为1.5%～3.6%,对可溶态和无机态组分试样进行加标测定的回收率为96.7%～105.0%.所得结果对黄芩的综合研究有重要的实际意义.