平面光極技術(shù)在pH研究中的應(yīng)用：從微界面到生態(tài)過(guò)程的精準(zhǔn)解析

在環(huán)境科學(xué)與生態(tài)研究領(lǐng)域，pH值作為關(guān)鍵的理化參數(shù)，其微小變化往往反映著復(fù)雜的生物地球化學(xué)過(guò)程。平面光極技術(shù)憑借其特殊的光學(xué)傳感原理與高時(shí)空分辨率優(yōu)勢(shì)，為pH研究提供了全新的技術(shù)手段，在水/沉積物體系、植物根際微環(huán)境以及生物擾動(dòng)效應(yīng)等研究中發(fā)揮著重要的作用。

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水/沉積物體系中pH的分布和變化：

通過(guò)改進(jìn)傳感膜制備方法和圖像采集與定量方法，建立了基于平面光極的pH二維分布實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于生物擾動(dòng)存在下淡水/沉積物模擬體系pH時(shí)空分布規(guī)律的監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)具有響應(yīng)pH范圍寬（6.2～8.6）、響應(yīng)快速（響應(yīng)時(shí)間<30 s）、準(zhǔn)確性高、可逆性和抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)有擾動(dòng)生物存在的水/沉積物模擬體系微環(huán)境的pH，直觀反映pH的時(shí)空變化規(guī)律。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，沉積物自身pH時(shí)空變化雖較小，但其對(duì)上覆水pH有重要影響，上覆水pH存在顯著而復(fù)雜的變化，體系pH的變化規(guī)律是多種機(jī)制作用的結(jié)果，而生物擾動(dòng)對(duì)這些作用均有影響。

2. 研究植物根際pH值和O?的同步變化特征：

采用自主構(gòu)建的平面光極技術(shù)，以凹凸棒石黏土鈍化土壤-根系微界面為研究對(duì)象，精細(xì)刻畫(huà)土壤-根系微界面pH值和O?的同步變化特征。

3. 測(cè)定植物根際中的pH值：

平面光極技術(shù)基于光電效應(yīng)和熒光分析原理，能夠?qū)崟r(shí)捕獲并轉(zhuǎn)化光信號(hào)為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物根際環(huán)境中pH值的精確測(cè)量。

與傳統(tǒng)的pH值測(cè)量方法相比，該技術(shù)具有非侵入性、無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，能夠在不破壞植物和土壤原生環(huán)境的前提下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)根際區(qū)域的pH值變化。

能夠揭示植物根系與微生物之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，包括根系分泌的有機(jī)酸導(dǎo)致的根際環(huán)境酸化，以及植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收過(guò)程。

具有高時(shí)空分辨率，可以捕捉到根際區(qū)域pH值的微小變化，這對(duì)于理解植物如何在微尺度上調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)環(huán)境具有重要意義。

已被用于多種植物根際環(huán)境的研究，包括濕地植物根際修復(fù)過(guò)程、藍(lán)藻分解過(guò)程以及土壤生物地球化學(xué)過(guò)程的研究。

4. 研究生物擾動(dòng)下水/沉積物體系中pH、DO和pCO?的變化規(guī)律：

利用平面光極技術(shù)，制備pH、溶解氧（DO）和CO?分壓（pCO?）熒光傳感膜，構(gòu)建集3種膜于一體的水/沉積物模擬體系，并研究顫蚓擾動(dòng)作用下體系中pH、DO、pCO?的二維分布。

平面光極技術(shù)在pH研究中的優(yōu)勢(shì)如下：

1. 實(shí)時(shí)、快速獲取微區(qū)pH的分布：能夠?qū)崟r(shí)、快速地獲取區(qū)域pH的分布，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率毫秒，空間分辨率亞毫米。

2. 非侵入性成像測(cè)量：不破壞原生環(huán)境，可進(jìn)行非侵入式成像測(cè)量。

3. 配備高像素CMOS相機(jī)：如配備1250w（便攜式）/2000w（封閉式）像素的CMOS相機(jī)。

4. 滿足測(cè)定所需的暗室條件：如PO2100設(shè)備自帶封閉式箱體。

5. 配套軟件集成校準(zhǔn)、獲取圖像、處理圖像于一體：操作簡(jiǎn)單。

6. 與其他高分辨技術(shù)具有互補(bǔ)性。

平面光極分析儀（PO）是二維、亞毫米級(jí)檢測(cè)水土環(huán)境多種指標(biāo)的高新技術(shù)設(shè)備。智感環(huán)境積極從事平面光極設(shè)備開(kāi)發(fā)和商業(yè)化推廣，開(kāi)發(fā)了封閉式PO系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)pH、DO和CO2的精準(zhǔn)和秒級(jí)實(shí)時(shí)檢測(cè)。2020年智感環(huán)境的PO設(shè)備成功走進(jìn)法國(guó)波爾多大學(xué)，為“中國(guó)制造"贏得了世界的尊重。