微電極案例：在微生物電化學(xué)反應(yīng)器中分析溶解氫濃度的考量

本次分享一篇由丹麥奧胡斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《PLOS ONE》上發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文Considerations on the use of microsensors to profile dissolved H₂ concentrations in microbial electrochemical reactors。討論了在微生物電化學(xué)反應(yīng)器（microbial electrochemical reactors, MES）中使用微電極傳感器測(cè)量溶解氫（H₂）濃度的方法及其考慮因素。以下是對(duì)本文核心內(nèi)容的簡(jiǎn)述：

1. 研究背景：微生物電化學(xué)過程，如微生物電合成（MES），對(duì)利用二氧化碳和儲(chǔ)存可再生電能的生物技術(shù)發(fā)展具有高度興趣。在這些過程中，H₂作為關(guān)鍵的中間體參與微生物在陰極的電子攝取過程。

2. 微傳感器方法：文章描述了一種在標(biāo)準(zhǔn)H型電池反應(yīng)器中測(cè)量和分析溶解H₂濃度的微傳感器方法。通過水平放置石墨陰極，使用電動(dòng)微輪廓系統(tǒng)和立體顯微鏡精確放置H2微傳感器于陰極表面。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置：實(shí)驗(yàn)中使用了Sporomusa ovata這種產(chǎn)乙酸菌，測(cè)試了接種和未接種的微生物電化學(xué)反應(yīng)器在不同時(shí)間點(diǎn)的H₂濃度分布。

   
   

   
   

   
   

   Fig 1: 展示了微生物電化學(xué)反應(yīng)器中H2微傳感器設(shè)置的示意圖。陰極水平放置，可以使用微操縱器和從陰極表面向氣液界面（由深藍(lán)色虛線指示）進(jìn)行輪廓測(cè)量。溫度探頭放置在介質(zhì)中，加熱板維持介質(zhì)溫度在30°C。頭空間用N2/CO2氣體沖洗。封閉陰極室的橡膠塞不是氣密的，如曲線箭頭所示，因此氣體可以離開室。Sporomusa ovata（黃色形狀）已經(jīng)在陰極室接種。陽極垂直放置。質(zhì)子交換膜分隔了陰極和陽極室。陰極、陽極和參比電極連接到電位計(jì)，即使在H2微傳感器測(cè)量期間，陰極也被偏置在相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的-610 mV。

4. 結(jié)果：在未接種的對(duì)照組反應(yīng)器中，H₂隨時(shí)間積累，而在接種了S. ovata的反應(yīng)器中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間H2濃度維持在較低水平（< 4 μM）。

5. 微傳感器的限制：研究發(fā)現(xiàn)，盡管微傳感器方法可以提供有洞察力的H₂分布情況，但也存在一些限制。例如，由于固體陰極表面阻礙了H2向微傳感器的擴(kuò)散，微傳感器可能無法在固體陰極表面附近準(zhǔn)確測(cè)量H₂。此外，實(shí)驗(yàn)過程中需要保持嚴(yán)格的溫度控制，以克服微傳感器對(duì)溫度的敏感性。

6. 結(jié)論：盡管存在一些限制，微傳感器方法仍然是研究微生物電化學(xué)系統(tǒng)中H₂動(dòng)態(tài)的有用工具。但研究者在使用微傳感器時(shí)

微電極技術(shù)在本文中的應(yīng)用：本文主要應(yīng)用了H₂微電極傳感器來測(cè)量微生物電化學(xué)反應(yīng)器中的溶解H2濃度。微電極提供了在微米尺度上解析H2分布的能力，這對(duì)于理解微生物電化學(xué)過程的機(jī)制至關(guān)重要。此外微電極的使用需要考慮其對(duì)實(shí)驗(yàn)條件（如溫度、頭空間沖洗）的敏感性，以及可能的測(cè)量限制，如在固體陰極表面附近的測(cè)量準(zhǔn)確性問題。

智感環(huán)境是國內(nèi)為數(shù)較少能夠?qū)崿F(xiàn)微電極系統(tǒng)開發(fā)和商業(yè)化推廣的公司，并創(chuàng)新性地推出了微電極多通道分析系統(tǒng)，可以同步高分辨率檢測(cè)pH、DO、Eh、H₂S等多種指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了我國在該技術(shù)領(lǐng)域的彎道超車。Easysensor微電極的設(shè)計(jì)特殊，它的穿刺能力可深入水體、生物膜、顆粒污泥、植物的根莖葉以及液體與固體的擴(kuò)散邊界層，為微生態(tài)和微區(qū)研究提供了強(qiáng)有力的工具。這款微電極的末端細(xì)至微米級(jí)別，在不破壞被測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)和生理活性的前提下，快速刺入樣品內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)微環(huán)境的精確測(cè)量。