微电极技术在环境领域的应用

,微电极技术在环境环境科学研究中的应用,Application of microsensors in environmental research,Contents Page,目录页,微电极概述,微界面分析,微电极应用,微电极是什么微电极的分类,扩散边界层理论路径与过程,微电极技术的发展应用案例与展望,MP4简介,微电极选用MP4组成及功能,第一章 微电极概述,微电极是什么微电极的分类,无损,微,传感器,Microelectrodes or Mcrosensors,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，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,第二章 微界面分析,扩散边界层理论路径与过程,边界层概念的出现极大开阔了人们的眼界,DBL、底边界层和溶解氧浓度在沉积物中的理论剖面图,从哪里来，到哪里去？,Source？Sink？Pathway？,Fate？,第三章 微电极应用,微电极技术的发展微电极技术的应用,主动采样技术VS被动采样技术,M级高灵敏度可观察微小浓度及其变化、m级尖细顶端不破坏检测对象的结构和生理活性。,Environ. Sci. Technol,2014，48，8053-8061,滇池沉积物-水界面磷释放通量分布特征（手稿）,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 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,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,NO微电极穿刺测量大鼠血管中的NO浓度,pH微电极测量1滴药液（4L ）,O2微电极穿刺测量大脑皮层中的氧分压,微电极穿刺动物脑组织进行活体原位测量,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 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, Ox)Danish researchers who studied nitrous oxide development in sputum from CF patients (N2O, Ox),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,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。本论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。 厌氧氨氧化反应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,Environ. 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,将蓝藻、绿藻和硅藻至于不同光强下的H2O2中发现：H2O2的分解速率受藻的种类及光强控制；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;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。,chemosphere, 2013，93, 1295-1300中科院城环所-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。,主要发现当本体溶液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；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,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,通过测定DO来反应SBBR中好/厌氧层的厚度：实验生物膜厚度为365-640m；好氧层平均厚270m，好氧层平均厚240m在曝气过程中好氧氧化主要发生在生物膜上半部分；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。,Aquant Geochem, 2013，19, 517-542,河口沉积物有机质的时空分布特征与沉积物-水界面物质释放通量的关系,通过测定DO等的垂向分布：在直线型强感潮河口其底部地球化学过程在米级尺度上差异较小；地理上相近的的河口由于受流域人为活动差异的影响导致了有机质的源-宿差别；小型河口对有机质的生物地球化学循环极为重要。,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。,主要发现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；覆盖层内Eh主要受铁离子还原控制;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-无扰动,层流-6周,层流-13周,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,微电极选用MP4组成及功能,原位or实验室,自动or手动,测量指标,干扰,精度（