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1、微电极技术在环境环境科学研究中的应用Application of microsensors in environmental researchApplication of microsensors in environmental researchContents Page目录页微电极概述微界面分析微电极应用n微电极是什么n微电极的分类n扩散边界层理论n路径与过程n微电极技术的发展n应用案例与展望MP4简介n微电极选用nMP4组成及功能3 第一章 微电极概述n微电极是什么n微电极的分类无损微1.1微电极的定义传感器Microelectrodes or McrosensorsMicroelect
2、rodes or Mcrosensors1.2微电极的分类电位电极（Potentiometric microelectrodes)测量原理：能斯特方程-电极电位的变化与该化学成分浓度的对数成正比pH、Eh 极谱微电极（Polarograph microelectrodes）测量原理：在某一固定电势下测量化学成分氧化还原电流，电流值与浓度成正比Clark型DO微电极（Ag/AgCl参考电极为阳极，Pt（或Au）感应阴极，Ag保护阴极）伏安微电极（Voltammetric microelectrodes）测量原理：扫描电势范围同时测量电流，凡是在该范围内的氧化还原反应，都会产生一定特征的伏安波形，
3、波形的电势为止和形状反应种类，峰高与成正比Fe2+徐昆明，胡融刚.微电极技术在沉积物化学原位测量中的应用J.地球科学进展.2006,21(8):863-869呼吸/扩散速率电极光-暗转换过程电极生物电极1.2Special,but interesting8 第二章 微界面分析n扩散边界层理论n路径与过程DBL、底边界层和溶解氧浓度在沉积物中的理论剖面图2.1扩散边界层理论2.2Pathway&process从哪里来，到哪里去？Source？Sink？Pathway？Fate？3.1微电极技术的发展主动采样技术VS被动采样技术3.2应用案例细菌由亚硝酸盐驱动厌氧反硝化作用产氧从而对甲烷进行氧化
4、Nature,2010,464:543-548海洋沉积物中电子流传递信息来连接空间上分隔的生物地球化学过程 Nature,2010,463:1071-1074氧化亚氮高产于融化的永冻土中 Nature geoscience,2010,3:332-335疣微菌门的一个新种：在pH1条件下生存的甲烷氧化菌 Nature,2007,450:874-879,IF=27.074 一种海底有孔虫发生完全反硝化作用的证据 Nature,2006,443:93-96,IF=27.074 哥斯达黎加奥萨湾处缺氧水体中厌氧氨氧化反应产氮 Nature,2003,422:606-608,IF=27.074席垫状辫硫
5、菌属硫磺细菌对硝酸盐的浓缩和运输 Nature,1995,374:713-715,IF=27.074 大脑皮层内的单神经元活动和组织氧合作用 Science,2003,299:1070-1072,IF=21.911 皮层扩散性抑制引起组织缺氧并与组织缺氧相匹配 Nature Neuroscience,2007,10(6):754-762,IF=14.164大脑皮层中的神经代谢耦合反映突触活动多于峰电活动 Nature Neuroscience,2007,10(10):1308-1312研究植物果实相关指标穿刺昆虫组织研究水底红树林根系的H2S等指标溶氧微电极测量植物根皮层中的O2浓度和PO2
6、溶氧微电极和pH微电极测量ELISA培养孔中的O2浓度和pH值叶片微呼吸速率3.2微电极技术的应用生物领域A snapshot from a recent workshop.Portuguese guy who studied lake hypoxia(H2S,Ox,pH,Redox)French girl who studied pH in soft cheese(pH,Redox)Mexican guy wanted to measure pH and Oxygen in rat brains(Ox,pH)Germans who studied oxygen metabolism in h
7、erring larvae(Ox)Portuguese guy who studied algae growth in coastal areas(Ox)US girls who studies US girls who studies pH and Redox in concrete rifts pH and Redox in concrete rifts(pH,Redox)(pH,Redox)Australian girls who studies photo synthesis of corals (Ox)British guy who studied British guy who s
8、tudied influence of heavy metals influence of heavy metals on seafloors(pH,Redox,Ox)on seafloors(pH,Redox,Ox)Danish researchers who studied nitrous oxide development in sputum from CF patients(N2O,Ox)3.2微电极技术在各领域的应用微电极技术的应用-厌氧氨氧化哥斯达黎加奥哥斯达黎加奥萨湾湾处缺氧水体中缺氧水体中厌氧氨氧氧氨氧化反化反应产氮氮 Nature,2003,422:606-608u以前大家公
9、以前大家公认在深海的氧气耗尽区域和在缺氧的海盆和峡湾，反硝化作用是固态氮转化成气态氮的唯一重要过程。u本本论文文发现厌氧氨氧化反应（NH4+NO2-=N2+2H2O）在哥斯达黎加奥萨湾沿岸200米深处的缺氧水中所产生的N2占此水体N2总产生量的19-35%。经过比较和论证，认为厌氧氨氧化反应是全世界海洋氮循环的重要途径。u厌氧氨氧化反氧氨氧化反应的条件确的条件确认氧浓度用微电极测量。Unisense微电极提供了O2浓度随深度加深而逐渐减少至0的M浓度上的数据变化氧（虚线）、NO3-（空心三角形）、NO2-（空心正方形）、NH4+（实心圆）和H2S浓度对深度的图 微电极技术的应用-藻类代谢Env
10、iron.Sci.Technol.,2008，42,4113-4120研究H2O2对藻类的选择毒性，实现对蓝藻水华的控制u将将蓝藻、藻、绿藻和硅藻至于不同光藻和硅藻至于不同光强下的下的H2O2中中发现：lH2O2的分解速率受藻的种类及光强控制；l蓝藻受到H2O2影响的浓度约为硅藻和绿藻受影响浓度的1/10，且对光强敏感;l在较高光强下0.27mg/L的H2O2就会使50%的蓝藻受到抑制，而自然条件下H2O2的最高浓度为0.34mg/L，表明mg/L可以有效抑制蓝藻（铜绿假单胞藻）水华爆发。微电极技术的应用-异养反硝化生物膜chemosphere,2013，93,1295-1300中科院城环所-
11、湖南大学Fish技术(原位荧光杂交)表明norB仅在生物膜内部发生转录，而nosZ在整个生物膜均发生转录。u主要主要发现l当本体溶液pH为7.3时，生物膜中N2O达到最大值（90M），即使采用-0.2V的电压也不能降低产量；l将pH升高至9.5或者将电位降低为-0.4V均不能抑制生物膜中N2O产生。生物电化学反应器中电位对生物膜微环境的影响微电极技术的应用-好/厌氧微生物膜结构的测定Chemical Engineering Journal,2014，255,171-177重庆大学物质在生物膜迁移转换与好/厌氧层的厚度密切相关u通通过测定定DODO来反来反应SBBRSBBR中好中好/厌氧氧层的厚
12、度：的厚度：l实验生物膜厚度为365-640m；l好氧层平均厚270m，好氧层平均厚240ml在曝气过程中好氧氧化主要发生在生物膜上半部分；l生物膜并非均相组成，内部有许多空洞，这些空隙与本体溶液浓度有关。微电极技术的应用-原位覆盖Environ.Sci.Technol.,2008，42,4113-4120原位覆盖技术广泛应用于污染沉积物修复，然而对覆盖层中物质的迁移转化特征知之甚少。u主要主要发现l氧气仅渗透到覆盖层中数厘米，覆盖后的沉积物处于厌氧状态；l覆盖层内Eh主要受铁离子还原控制;l覆盖有效抑制了污染物向上覆水扩散，同时保持了覆盖层内氧化还原平衡。覆盖层内物质的时空分布特征无覆盖覆盖
13、-无扰动层流-6周层流-13周1微电极技术在环境领域的应用-国内现状两大领域水处理沉积物地球化学主要学术团队：清华大学、南京林业大学中科院湖泊所、中科院地化所、厦门大学中科院生态中心好的方案+成熟的技术=让科学飞第四章 MP4简介n微电极选用nMP4组成及功能2MP4组成及功能单点点测量量单一剖面一剖面测量量时间序列序列pHpHEhEhO O2 2H H2 2S SN N2 2O OCO2、NO3-N2MP4组成及功能-微微电极极测量量应用的数学原理用的数学原理单一测量随时间推移的测量曲线沉积物（生物膜等）深度测量剖面图 1）引申推导（测量值）：渗透深度、扩散系数 2）引申推导（斜率）：通量 3）引申推导（曲率）：微层总产量、总消耗量2023/3/292023/3/292023/3/29