微電極技術在環(huán)境領域的應用

微電極技術在環(huán)境環(huán)境科學研究中的應用ApplicationofmicrosensorsinenvironmentalresearchContentsPage目錄頁微電極概述微界面分析微電極應用微電極是什么微電極的分類擴散邊界層理論路徑與過程微電極技術的發(fā)展應用案例與展望MP4簡介微電極選用MP4組成及功能第一章微電極概述微電極是什么微電極的分類無損微1.1微電極的定義傳感器MicroelectrodesorMcrosensors1.2微電極的分類電位電極（Potentiometricmicroelectrodes)測量原理：能斯特方程-電極電位的變化與該化學成分濃度的對數(shù)成正比pH、Eh極譜微電極（Polarographmicroelectrodes）測量原理：在某一固定電勢下測量化學成分氧化還原電流，電流值與濃度成正比Clark型DO微電極（Ag/AgCl參考電極為陽極，Pt（或Au）感應陰極，Ag保護陰極）伏安微電極（Voltammetricmicroelectrodes）測量原理：掃描電勢范圍同時測量電流，凡是在該范圍內的氧化還原反應，都會產生一定特征的伏安波形，波形的電勢為止和形狀反應種類，峰高與成正比Fe2+——徐昆明，胡融剛.微電極技術在沉積物化學原位測量中的應用[J].地球科學進展.2006,21(8):863-869呼吸/擴散速率電極光-暗轉換過程電極生物電極1.2Special,butinteresting第二章微界面分析擴散邊界層理論路徑與過程邊界層概念的出現(xiàn)極大開闊了人們的眼界2.1擴散邊界層理論氣液界面-雙模理論生物膜分層沉積物-水界面DBL、底邊界層和溶解氧濃度在沉積物中的理論剖面圖2.1擴散邊界層理論2.2Pathway&process從哪里來，到哪里去？Source？Sink？Pathway？Fate？第三章微電極應用微電極技術的發(fā)展微電極技術的應用3.1微電極技術的發(fā)展主動采樣技術VS被動采樣技術3.1微電極技術的發(fā)展

μM級高靈敏度可觀察微小濃度及其變化、μm級尖細頂端不破壞檢測對象的結構和生理活性。Environ.Sci.Technol,2014，48，8053-8061滇池沉積物-水界面磷釋放通量分布特征（手稿）3.2應用案例細菌由亞硝酸鹽驅動厭氧反硝化作用產氧從而對甲烷進行氧化

Nature,2010,464:543-548海洋沉積物中電子流傳遞信息來連接空間上分隔的生物地球化學過程Nature,2010,463:1071-1074氧化亞氮高產于融化的永凍土中

Naturegeoscience,2010,

3:332-335疣微菌門的一個新種：在pH≤1條件下生存的甲烷氧化菌Nature,2007,450:874-879,IF=27.074一種海底有孔蟲發(fā)生完全反硝化作用的證據(jù)

Nature,2006,443:93-96,IF=27.074哥斯達黎加奧薩灣處缺氧水體中厭氧氨氧化反應產氮

Nature,2003,422:606-608,IF=27.074席墊狀辮硫菌屬硫磺細菌對硝酸鹽的濃縮和運輸Nature,1995,374:713-715,IF=27.074大腦皮層內的單神經(jīng)元活動和組織氧合作用Science,2003,299:1070-1072,IF=21.911皮層擴散性抑制引起組織缺氧并與組織缺氧相匹配NatureNeuroscience,2007,10(6):754-762,IF=14.164大腦皮層中的神經(jīng)代謝耦合反映突觸活動多于峰電活動NatureNeuroscience,2007,10(10):1308-1312研究植物果實相關指標穿刺昆蟲組織研究水底紅樹林根系的H2S等指標溶氧微電極測量植物根皮層中的O2濃度和PO2

溶氧微電極和pH微電極測量ELISA培養(yǎng)孔中的O2濃度和pH值葉片微呼吸速率3.2微電極技術的應用——生物領域NO微電極穿刺測量大鼠血管中的NO濃度pH微電極測量1滴藥液（4μL

）O2微電極穿刺測量大腦皮層中的氧分壓微電極穿刺動物腦組織進行活體原位測量3.2微電極技術的應用——醫(yī)學領域Asnapshotfromarecentworkshop……..Portugueseguywhostudiedlakehypoxia(H2S,Ox,pH,Redox)FrenchgirlwhostudiedpHin

softcheese(pH,Redox)MexicanguywantedtomeasurepHandOxygeninratbrains(Ox,pH)Germanswhostudiedoxygenmetabolisminherringlarvae(Ox)Portugueseguywhostudiedalgaegrowthincoastalareas(Ox)USgirlswhostudiespHandRedoxinconcreterifts(pH,Redox)Australiangirlswhostudiesphotosynthesisofcorals(Ox)Britishguywhostudiedinfluenceofheavymetalsonseafloors(pH,Redox,Ox)DanishresearcherswhostudiednitrousoxidedevelopmentinsputumfromCFpatients(N2O,Ox)3.2微電極技術在各領域的應用①微電極技術的應用-厭氧氨氧化哥斯達黎加奧薩灣處缺氧水體中厭氧氨氧化反應產氮Nature,2003,422:606-608以前大家公認在深海的氧氣耗盡區(qū)域和在缺氧的海盆和峽灣，反硝化作用是固態(tài)氮轉化成氣態(tài)氮的唯一重要過程。本論文發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化反應（NH4++NO2-=N2+2H2O）在哥斯達黎加奧薩灣沿岸200米深處的缺氧水中所產生的N2占此水體N2總產生量的19-35%。經(jīng)過比較和論證，認為厭氧氨氧化反應是全世界海洋氮循環(huán)的重要途徑。厭氧氨氧化反應的條件確認氧濃度用微電極測量。Unisense微電極提供了O2濃度隨深度加深而逐漸減少至0的μM濃度上的數(shù)據(jù)變化氧（虛線）、NO3-（空心三角形）、NO2-（空心正方形）、NH4+（實心圓）和H2S濃度對深度的圖

②微電極技術的應用-藻類代謝Environ.Sci.Technol.,2008，42,4113-4120研究H2O2對藻類的選擇毒性，實現(xiàn)對藍藻水華的控制將藍藻、綠藻和硅藻至于不同光強下的H2O2中發(fā)現(xiàn)：H2O2的分解速率受藻的種類及光強控制；藍藻受到H2O2影響的濃度約為硅藻和綠藻受影響濃度的1/10，且對光強敏感;在較高光強下0.27mg/L的H2O2就會使50%的藍藻受到抑制，而自然條件下H2O2的最高濃度為0.34mg/L，表明mg/L可以有效抑制藍藻（銅綠假單胞藻）水華爆發(fā)。③微電極技術的應用-異養(yǎng)反硝化生物膜chemosphere,2013，93,1295-1300中科院城環(huán)所-湖南大學Fish技術(原位熒光雜交)表明norB僅在生物膜內部發(fā)生轉錄，而nosZ在整個生物膜均發(fā)生轉錄。主要發(fā)現(xiàn)當本體溶液pH為7.3時，生物膜中N2O達到最大值（90μM），即使采用-0.2V的電壓也不能降低產量；將pH升高至9.5或者將電位降低為-0.4V均不能抑制生物膜中N2O產生。生物電化學反應器中電位對生物膜微環(huán)境的影響④微電極技術的應用-好/厭氧微生物膜結構的測定ChemicalEngineeringJournal,2014，255,171-177重慶大學物質在生物膜遷移轉換與好/厭氧層的厚度密切相關通過測定DO來反應SBBR中好/厭氧層的厚度：實驗生物膜厚度為365-640μm；好氧層平均厚270μm，好氧層平均厚240μm在曝氣過程中好氧氧化主要發(fā)生在生物膜上半部分；生物膜并非均相組成，內部有許多空洞，這些空隙與本體溶液濃度有關。⑤微電極技術的應用-有機質地球化學循環(huán)AquantGeochem,2013，19,517-542河口沉積物有機質的時空分布特征與沉積物-水界面物質釋放通量的關系通過測定DO等的垂向分布：在直線型強感潮河口其底部地球化學過程在米級尺度上差異較??；地理上相近的的河口由于受流域人為活動差異的影響導致了有機質的源-宿差別；小型河口對有機質的生物地球化學循環(huán)極為重要。⑥微電極技術的應用-原位覆蓋Environ.Sci.Technol.,2008，42,4113-4120原位覆蓋技術廣泛應用于污染沉積物修復，然而對覆蓋層中物質的遷移轉化特征知之甚少。主要發(fā)現(xiàn)氧氣僅滲透到覆蓋層中數(shù)厘米，覆蓋后的沉積物處于厭氧狀態(tài)；覆蓋層內Eh主要受鐵離子還原控制;覆蓋有效抑制了污染物向上覆水擴散，同時保持了覆蓋層內氧化還原平衡。覆蓋層內物質的時空分布特征無覆蓋覆蓋-無擾動層流-6周層流-13周1微電極技術在環(huán)境領域的應用-國內現(xiàn)狀兩大領域水處理沉積物地球化學主要學術團隊：清華大學、南京林業(yè)大學中科院湖泊所、中科院地化所、廈門大學中科院生態(tài)中心好的方案+成熟的技術=讓科學飛第四章MP4簡介微電極選用MP4組成及功能1微電極選用原位or實驗室自動or手動測量指標干擾精度（不同尺寸、響應時間）使用壽命2MP4組成及功能單點測量單一剖面測量時間序列