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科学普及

厦大海洋重器|你能找到比我还“洁癖”的实验室吗?

2022/03/18点击次数:

70.8海洋媒体实验室


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\  trace metal


不会吧不会吧!世界上怎么会有如此“古怪”的实验室?!


它有严重的“洁癖”,要求一尘不染,连空气中的微粒浓度都要严格把控;

它钟爱无金属装潢,明明“高端精细有内涵”,却偏偏“朴实低调不起眼”;

它里面还有一群永远穿着“白大褂”和“防护服”的“医生”研究员,不过他们要面对的“病人”却是海洋。


它到底长什么样?

用于做什么研究?

别着急,我带你一探究竟!



这个不太一般的实验室,就是厦门大学痕量元素与同位素洁净采样与分析技术平台。


更换鞋服、穿戴手套,控制室内空气洁净度,多次润洗、清洁实验器材,使用超纯水、高纯酸、囊式过滤器等洁净器材,在洁净台上进行实验操作……这个实验室的“洁癖”严重到很难不被我们注意。研究人员们“全副武装”,尽可能地减少可能的污染源,例如尘埃等,进入实验室,避免对整个实验环境和样品造成污染。


此外,因研究痕量级别的金属元素,整个实验室的操作台、实验器材、甚至是高端的实验设备上都尽量使用非金属材质或钛合金,避免外界的金属对测定结果造成影响。


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痕量金属到底是何方神圣?

为什么痕量金属的研究对实验室的要求如此之高?


调节大海“身体”

的痕量元素

痕量金属是海洋中含量极少的金属元素,如铁、锰、锌、铜等,每升海水中这些金属的含量仅在10-9g量级水平上。痕量金属就像大海这个庞大机器里极其微小的零部件,看上去毫无存在感,实则影响整个海洋生态系统的运作。


事实上,痕量金属在海洋生命过程中的出场频率基本相当于张三在罗翔老师口中的出场频率。它们是许多海洋生物蛋白质或酶的重要组成成分,是海洋生物体内生化反应的重要催化剂,在海洋生物地球化学循环过程中起重要作用……因此,痕量金属虽然含量少,但堪称海洋生态系统中的“六边形战士”,研究它对于了解海洋生态系统的结构和功能具有重要价值。


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生物体内含有痕量金属元素的一些重要物质

(图源:谷歌)


正因如此,科学家们踏上了痕量金属的研究之路,比如铁施肥实验,就是期望通过在中尺度海洋表层施加铁来促进浮游植物生长,从而吸收更多的大气二氧化碳,缓解全球变暖。但在我国,关于海洋痕量金属的研究起步较晚,相对滞后于国际,主要原因在于痕量金属浓度极低,对于分析条件和实验平台的要求非常严苛。


为了更加透彻地研究痕量金属,实现相关领域研究从“跟跑”到“并跑”,乃至“领跑”的“弯道超车”,厦大的研究者们打造了这款研究痕量金属的“神器”。




每一部分都

“超洁净”的技术战队

痕量金属研究是一场海上采样与实验室分析相结合的“水陆两栖战”。作为全国首个海洋痕量元素与同位素洁净采样与分析技术平台,厦门大学痕量金属研究平台依托近海海洋环境国家重点实验室与“嘉庚号”科考船,建立起了一条采样-预处理-分析测量全程“超洁净”的“战线”


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“超洁净战线”示意图


01

“开路先锋”

洁净CTD与原位大体积过滤泵


在采样环节,厦大科考船“嘉庚号”凭借着可搭载洁净CTD采水系统和原位大体积过滤系统的优势一马当先。洁净CTD采水系统用于溶解态痕量金属采样,原位大体积过滤系统用于颗粒态痕量金属采样,两者配合无间,使“嘉庚号”成为国内首个具备痕量金属、洁净海水大体积采集能力的科考船。


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洁净CTD采水器(水下视频来源:余小龙博士)

(照片来源:https://ships.xmu.edu.cn/)


与常规CTD采水器不同,洁净CTD采水器采用特殊的材料制成,并配备痕量金属洁净采样专用的Niskin-X采水瓶。在正式使用前,研究小组需要众星拱月般地围绕着装置,一遍遍地擦拭,并利用海水进行润洗两遍,最大程度地避免对样品的污染。


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原位大体积过滤系统

(图源:https://ships.xmu.edu.cn/)


对于颗粒态痕量金属来说,若要从悬浮颗粒物中收集足够分析的量,必须过滤高达数百升至数千升海水,远超常规的船载设备采样能力。为解决这一问题,科学家们对原位大体积过滤系统进行了改造,使装置的效率与洁净度得到了提升,在“嘉庚号”上实现了国内科考船首次颗粒悬浮物痕量金属样品的采集


“中流砥柱”

“行走的”痕量元素集装箱实验室

02


好不容易采集到这些珍贵的样品,它们该如何保存?


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科学家们想到了一个聪明的办法——把实验室搬到船上!研究小组将几个集装箱改造成了“行走的”洁净实验室,使得样品的“分装”工作能在出海时就地进行,确保样品保存“超洁净”。同时,在分析集装箱内同步对采得的样品进行测定,确保样品无沾污。


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分样洁净柜


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分析洁净柜


03

“后方基地

质谱中心千级洁净室


结束了“水战”,痕量金属样品的进一步分析与测量在近海海洋环境国家重点实验室质谱中心内的千级洁净室进行。为了确保分析测量过程“超洁净”,痕量平台的“后方基地”容不下一点“杂质”,每立方英尺(约0.03m³)空间内≥0.5μm的颗粒物被严格控制在1000个以内。假如在操作过程中不小心接触到空气中的一颗颗粒,实验都可能面临前功尽弃的风险。


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质谱中心千级洁净室


为了保证实验的顺利进行,实验室里还住着 “两员大将”。SeaFAST预富集系统负责“水中淘金”,它能够在17分钟之内将样品浓缩10倍,高效地富集痕量金属并去除海水基底。Element XR ICP-MS(高分辨扇形磁场电感耦合等离子质谱仪)则具有高灵敏度与高分辨率,能够精确测量样品中痕量金属的浓度。


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seaFAST 全自动海水进样系统


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Element XR

(高分辨扇形磁场电感耦合等离子质谱仪)



于“无尘”处

响惊雷


如此高精度、严要求的实验室,究竟能发挥什么作用?


借用厦门大学教科书《化学海洋学》中的话,“有关海洋痕量金属的了解始于1970年(GEOSECS计划),在此之前,由于仪器灵敏度不足以及采样与分析过程的污染问题等,所报道的浓度数据存在较大问题……各实验室都获得其认为重现性不错的数据,但在不同实验室的结果相差高达20~30倍。”但现在,我们有了更加先进的科技与实验方法,海洋痕量金属的画像就可以在科学家们眼中清晰显现。


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科考队员在海洋颗粒物TEIs洁净集装箱实验室

(图源:课题组)


近些年来,基于痕量平台的研究成果已凝集成40多篇SCI论文和多项国家发明专利。实验室研发的分析系统也获得了广泛认可和正面评价,为国内外多家科研单位试用、定制或购置。


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论文成果 (图源:课题组)


依托痕量平台和“嘉庚”号,厦门大学对痕量金属的研究横跨化学、生物、环境等领域,均取得了许多令人瞩目的成绩。2019年,陈敏教授等人编写的《营养物质对海湾生态环境影响的过程与机理》出版,探寻海湾常量、微量营养物质与海湾生物群结构、海湾生态环境之间的奇妙链接。2020年,“嘉庚”号KK2003和KK2007航次在北太平洋副热带流涡区采得痕量金属水样,并进行测定,尝试揭开“海洋荒漠”的神秘面纱。2022年,史大林教授团队揭示了铁和氮供给比率是调控热带和亚热带西北太平洋生物固氮的重要因子,为全球海洋尺度上认识海洋生物固氮的时空格局及其调控机理提供了重要的观测和理论依据。


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“嘉庚号”KK2003航次出航采样 (图源:课题组)


得益于“嘉庚”号的助力,痕量金属实验平台拥有了“漂洋过海”,进行原位测定的能力。可以骄傲地说,厦门大学拥有着目前世界上最丰富的西太平洋低纬度铁含量的数据。


痕量金属实验平台更具有跨学科的科研意义。1991年,美国海洋学家约翰·马丁就许下了“给我半船铁,我就能创造一个冰河世纪”的豪言壮志,可见海洋科学与气候环境的密切联系。随着全球气候问题频发,科学家正尝试构造出一个可以预测气候变化的未来地球模型。铁假说和铁施肥实验虽具有一定争议,但从理论上来说,海水中的痕量元素的确对全球气候有着环环相扣的重要影响。而厦门大学所拥有的痕量金属研究平台,或对未来地球模型的构建给予强有力的支持。




看得见的

未来地球

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数字化地球 (图源:百度)


海洋与大气,自然与人类,科技与社会彼此依存,织成一张密密的网。人工智能的出现极大地降低了痕量金属取样、分析的复杂程度,借助大数据进行模拟,海洋似乎也变得“可视化”起来。从“看不见”到“看得见”,从“智慧海洋”到“未来地球模型”,这条道路很难,但我们正在路上,正用人类智慧的力量,为地球寻觅一个可期的未来。



文中未标注图片均来源于

厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室


出品:近海海洋环境科学国家重点实验室


科学指导:蔡毅华教授、曹知勉教授

撰文:刘思琦、张凯帆、唐松盈

于世豪、何诗凡、梁明珊

刘若婷、张明哲、张翘楚、单敬蘅

视频文案:张凯帆

排版:吴思扬

编审:杨俊波、叶幼亭

责编:甘少敏

总编:70.8海洋媒体实验室



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