微電極技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

1、微電極技術(shù)在環(huán)境環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用Application of microsensors in environmental researchContents Page目錄頁微電極概述微界面分析微電極應(yīng)用n 微電極是什么n 微電極的分類n 擴(kuò)散邊界層理論n 路徑與過程n 微電極技術(shù)的發(fā)展n 應(yīng)用案例與展望MP4簡介n 微電極選用n MP4組成及功能Transition Page過渡頁第一章 微電極概述n 微電極是什么n 微電極的分類無損微1.1微電極的定義傳感器Microelectrodes or Mcrosensors1.2微電極的分類電位電極（Potentiometric microele

2、ctrodes)測量原理：能斯特方程-電極電位的變化與該化學(xué)成分濃度的對數(shù)成正比pH、Eh 極譜微電極（Polarograph microelectrodes ）測量原理：在某一固定電勢下測量化學(xué)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(yīng)陰極，Ag保護(hù)陰極）伏安微電極（Voltammetric microelectrodes）測量原理：掃描電勢范圍同時測量電流，凡是在該范圍內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，都會產(chǎn)生一定特征的伏安波形，波形的電勢為止和形狀反應(yīng)種類，峰高與成正比Fe2+徐昆明，胡融剛.微電極技術(shù)在沉積物化學(xué)原位測量中的應(yīng)用J.地球

3、科學(xué)進(jìn)展.2006,21(8):863-869呼吸/擴(kuò)散速率電極光-暗轉(zhuǎn)換過程電極生物電極1.2Special, but interestingTransition Page過渡頁第二章 微界面分析n 擴(kuò)散邊界層理論n 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(kuò)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(kuò)散邊界層理論2.2Pathway&processFate？Transition Page過渡頁第三章 微電極應(yīng)用n 微電極技術(shù)的發(fā)展n 微電極技術(shù)的應(yīng)用3.1微電極技術(shù)的發(fā)展主動采樣技術(shù)VS被動采樣技術(shù)3.

4、1微電極技術(shù)的發(fā)展 M級高靈敏度可觀察微小濃度及其變化、m級尖細(xì)頂端不破壞檢測對象的結(jié)構(gòu)和生理活性。-50510152000.20.40.60.81深度（深度（cm）SRP濃度（濃度（mg/L）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(yīng)用案例 細(xì)菌由亞硝酸鹽驅(qū)動厭氧反硝化作用產(chǎn)氧從而對甲烷進(jìn)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(xué)過程 Nature, 2010, 463: 1071-1074 氧化亞氮高產(chǎn)于融化的永凍土中 Natur

5、e geoscience, 2010, 3:332-335 疣微菌門的一個新種：在pH1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(dá)黎加奧薩灣處缺氧水體中厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)氮 Nature, 2003, 422:606-608, IF=27.074 席墊狀辮硫菌屬硫磺細(xì)菌對硝酸鹽的濃縮和運輸 Nature, 1995, 374:713-715, IF=27.074 大腦皮層內(nèi)的單神經(jīng)元活動和組織氧合作用 Science, 20

6、03, 299:1070-1072, IF=21.911 皮層擴(kuò)散性抑制引起組織缺氧并與組織缺氧相匹配 Nature Neuroscience, 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 Nature Neuroscience, 2007, 10(10): 1308-1312 研究植物果實相關(guān)指標(biāo)穿刺昆蟲組織研究水底紅樹林根系的H2S等指標(biāo)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(shù)的應(yīng)用生物領(lǐng)域 NO微電極穿刺測量大鼠血管中的N

7、O濃度pH微電極測量1滴藥液（4L ）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(jìn)行活體原位測量3.2微電極技術(shù)的應(yīng)用醫(yī)學(xué)領(lǐng)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 studi

8、ed oxygen metabolism in herring larvae (Ox)Portuguese guy who studied algae growth in coastal areas (Ox)US girls who studies pH and Redox in concrete rifts (pH, Redox)Australian girls who studies photo synthesis of corals (Ox)British guy who studied influence of heavy metals on seafloors (pH, Redox,

9、 Ox)Danish researchers who studied nitrous oxide development in sputum from CF patients (N2O, Ox)3.2微電極技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用微電極技術(shù)的應(yīng)用-厭氧氨氧化哥斯達(dá)黎加奧薩灣處缺氧水體中厭氧氨氧哥斯達(dá)黎加奧薩灣處缺氧水體中厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)氮化反應(yīng)產(chǎn)氮 Nature, 2003, 422:606-608u以前大家公認(rèn)以前大家公認(rèn) 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(zhuǎn)化成氣態(tài)氮的唯一重要過程。u本論文發(fā)現(xiàn)本論文發(fā)現(xiàn) 厭氧氨氧化反應(yīng)（NH4+NO2-=N2+2H2O）在哥斯達(dá)黎加奧

10、薩灣沿岸200米深處的缺氧水中所產(chǎn)生的N2占此水體N2總產(chǎn)生量的19-35%。經(jīng)過比較和論證，認(rèn)為厭氧氨氧化反應(yīng)是全世界海洋氮循環(huán)的重要途徑。 u厭氧氨氧化反應(yīng)的條件確認(rèn)厭氧氨氧化反應(yīng)的條件確認(rèn) 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M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 微電極技術(shù)的應(yīng)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(lán)藻水華的控制u將藍(lán)藻、綠藻和硅藻至于不同光強下的將藍(lán)

11、藻、綠藻和硅藻至于不同光強下的H2O2中發(fā)現(xiàn)：中發(fā)現(xiàn)：l H2O2的分解速率受藻的種類及光強控制；l 藍(lán)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;l 在較高光強下0.27mg/L的H2O2就會使50%的藍(lán)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(lán)藻（銅綠假單胞藻）水華爆發(fā)。微電極技術(shù)的應(yīng)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(xué)Fish技術(shù)(原位熒光雜交)表明norB僅在生物膜內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)錄，而nosZ在整個生物膜均發(fā)生轉(zhuǎn)錄。u主要主要發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)l 當(dāng)本體溶液

12、pH為7.3時，生物膜中N2O達(dá)到最大值（90M），即使采用-0.2V的電壓也不能降低產(chǎn)量；l 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(chǎn)生。生物電化學(xué)反應(yīng)器中電位對生物膜微環(huán)境的影響微電極技術(shù)的應(yīng)用-好/厭氧微生物膜結(jié)構(gòu)的測定Chemical Engineering Journal, 2014，255, 171-177重慶大學(xué)物質(zhì)在生物膜遷移轉(zhuǎn)換與好/厭氧層的厚度密切相關(guān)u通過測定通過測定DODO來反應(yīng)來反應(yīng)SBBRSBBR中好中好/ /厭氧層的厚度：厭氧層的厚度：l 實驗生物膜厚度為365-640m；l 好氧層平均厚270m，好氧層平均厚240ml 在曝氣過程中

13、好氧氧化主要發(fā)生在生物膜上半部分；l 生物膜并非均相組成，內(nèi)部有許多空洞，這些空隙與本體溶液濃度有關(guān)。微電極技術(shù)的應(yīng)用-有機質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)Aquant Geochem, 2013，19, 517-542河口沉積物有機質(zhì)的時空分布特征與沉積物-水界面物質(zhì)釋放通量的關(guān)系u通過測定通過測定DODO等的垂向分布：等的垂向分布：l 在直線型強感潮河口其底部地球化學(xué)過程在米級尺度上差異較??；l 地理上相近的的河口由于受流域人為活動差異的影響導(dǎo)致了有機質(zhì)的源-宿差別；l 小型河口對有機質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)極為重要。微電極技術(shù)的應(yīng)用-原位覆蓋Environ. Sci. Technol. , 2008，42,

14、4113-4120原位覆蓋技術(shù)廣泛應(yīng)用于污染沉積物修復(fù)，然而對覆蓋層中物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化特征知之甚少。u主要主要發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)l 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)；l 覆蓋層內(nèi)Eh主要受鐵離子還原控制;l 覆蓋有效抑制了污染物向上覆水?dāng)U散，同時保持了覆蓋層內(nèi)氧化還原平衡。覆蓋層內(nèi)物質(zhì)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(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用-國內(nèi)現(xiàn)狀兩大領(lǐng)域水處理沉積物地球化學(xué)主要學(xué)術(shù)團(tuán)隊：清華大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)中科院湖泊所、中科院地化所、廈門大學(xué)中科院生態(tài)中心好的方案+成熟的技術(shù)=讓科學(xué)飛Transition Page過渡頁第四章 MP4簡介n 微電極選用n 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(biāo)干擾精度（不同尺寸、響應(yīng)時間）2MP4組成及功能