微電(dian)極案例(li)：在微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)反應(ying)器中(zhong)分析溶解(jie)氫濃(nong)度(du)的考量(liang)

本(ben)次(ci)分享(xiang)壹(yi)篇(pian)由(you)丹(dan)麥(mai)奧胡斯(si)大(da)學研(yan)究(jiu)團隊(dui)在《PLOS ONE》上(shang)發表(biao)的壹(yi)篇(pian)學(xue)術論文(wen)Considerations on the use of microsensors to profile dissolved H₂ concentrations in microbial electrochemical reactors。討論了(le)在微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)反應(ying)器（microbial electrochemical reactors, MES）中(zhong)使用微電(dian)極傳(chuan)感(gan)器測(ce)量(liang)溶(rong)解(jie)氫（H₂）濃(nong)度(du)的方(fang)法(fa)及(ji)其(qi)考(kao)慮(lv)因素。以(yi)下(xia)是對(dui)本文核(he)心(xin)內(nei)容(rong)的簡述(shu)：

1. 研究(jiu)背(bei)景：微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)過程，如(ru)微生(sheng)物電(dian)合(he)成（MES），對(dui)利用二氧(yang)化(hua)碳(tan)和儲(chu)存(cun)可再(zai)生(sheng)電(dian)能(neng)的生(sheng)物技術發展(zhan)具(ju)有(you)高(gao)度興(xing)趣(qu)。在這(zhe)些過程中(zhong)，H₂作為(wei)關鍵的中(zhong)間體(ti)參(can)與微生(sheng)物在陰極的電(dian)子攝(she)取(qu)過程。

2. 微傳(chuan)感(gan)器方(fang)法(fa)：文章描述(shu)了壹(yi)種(zhong)在標(biao)準H型(xing)電(dian)池(chi)反應(ying)器中(zhong)測(ce)量(liang)和分析溶解(jie)H₂濃度(du)的微傳(chuan)感(gan)器方(fang)法(fa)。通過水(shui)平(ping)放置石(shi)墨(mo)陰極，使(shi)用電(dian)動(dong)微輪(lun)廓系(xi)統(tong)和立體(ti)顯微鏡(jing)精確(que)放置H2微傳(chuan)感(gan)器於陰極表(biao)面。

3. 實驗(yan)設置：實(shi)驗(yan)中(zhong)使用了Sporomusa ovata這種產乙酸(suan)菌，測(ce)試(shi)了(le)接種(zhong)和未接種(zhong)的微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)反應(ying)器在不同(tong)時(shi)間點(dian)的H₂濃度(du)分布(bu)。

   
   

   
   

   
   

   Fig 1: 展(zhan)示(shi)了微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)反應(ying)器中(zhong)H2微傳(chuan)感(gan)器設置的示意圖。陰極水(shui)平(ping)放置，可以(yi)使(shi)用微操(cao)縱(zong)器和從陰極表(biao)面向氣(qi)液(ye)界(jie)面（由(you)深藍(lan)色(se)虛(xu)線指示）進(jin)行(xing)輪(lun)廓測(ce)量(liang)。溫(wen)度探(tan)頭放(fang)置在介質中(zhong)，加熱板維持(chi)介質溫度(du)在30°C。頭空(kong)間(jian)用N2/CO2氣體(ti)沖洗。封閉(bi)陰極室(shi)的橡膠塞不是氣(qi)密的，如(ru)曲(qu)線箭頭所示(shi)，因此(ci)氣(qi)體(ti)可以(yi)離(li)開室。Sporomusa ovata（黃(huang)色(se)形(xing)狀(zhuang)）已經在陰極室(shi)接種(zhong)。陽極垂直放(fang)置。質(zhi)子交換膜(mo)分隔了(le)陰極和陽極室。陰極、陽極和參(can)比電(dian)極連(lian)接到電(dian)位(wei)計(ji)，即(ji)使(shi)在H2微傳(chuan)感(gan)器測(ce)量(liang)期間，陰極也(ye)被(bei)偏(pian)置在相(xiang)對(dui)於標準氫電(dian)極的-610 mV。

4. 結果(guo)：在未接種(zhong)的對(dui)照組(zu)反應(ying)器中(zhong)，H₂隨時(shi)間積累(lei)，而(er)在接種(zhong)了S. ovata的反應(ying)器中(zhong)，整(zheng)個實驗(yan)期間H2濃(nong)度(du)維持在較低(di)水(shui)平(ping)（< 4 μM）。

5. 微傳(chuan)感(gan)器的限制：研究(jiu)發現(xian)，盡(jin)管(guan)微傳(chuan)感(gan)器方(fang)法(fa)可以(yi)提(ti)供有(you)洞察力(li)的H₂分布(bu)情(qing)況(kuang)，但也(ye)存(cun)在壹(yi)些(xie)限制。例(li)如(ru)，由(you)於固體(ti)陰極表(biao)面阻(zu)礙了(le)H2向微傳(chuan)感(gan)器的擴散，微傳(chuan)感(gan)器可能(neng)無(wu)法在固體(ti)陰極表(biao)面附近準確(que)測(ce)量(liang)H₂。此(ci)外(wai)，實(shi)驗(yan)過程中(zhong)需要(yao)保(bao)持嚴(yan)格(ge)的溫度(du)控(kong)制，以(yi)克(ke)服微傳(chuan)感(gan)器對(dui)溫度的敏(min)感(gan)性。

6. 結論：盡(jin)管(guan)存(cun)在壹(yi)些(xie)限制，微傳(chuan)感(gan)器方(fang)法(fa)仍然是研(yan)究(jiu)微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)系(xi)統(tong)中(zhong)H₂動(dong)態的有(you)用工具(ju)。但研(yan)究(jiu)者在使(shi)用微傳(chuan)感(gan)器時(shi)

微電(dian)極技術在本(ben)文中(zhong)的應(ying)用：本文主(zhu)要(yao)應(ying)用了H₂微電(dian)極傳(chuan)感(gan)器來測(ce)量(liang)微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)反應(ying)器中(zhong)的溶解(jie)H2濃度(du)。微電(dian)極提(ti)供了(le)在微米尺(chi)度(du)上(shang)解(jie)析H2分布(bu)的能(neng)力(li)，這對(dui)於理(li)解(jie)微生(sheng)物電(dian)化(hua)學(xue)過程的機(ji)制至(zhi)關重(zhong)要(yao)。此(ci)外(wai)微電(dian)極的使用需要(yao)考(kao)慮(lv)其(qi)對(dui)實驗(yan)條件(jian)（如(ru)溫度(du)、頭空(kong)間(jian)沖洗）的敏(min)感(gan)性，以(yi)及(ji)可能(neng)的測(ce)量(liang)限制，如(ru)在固體(ti)陰極表(biao)面附近的測(ce)量(liang)準確(que)性問題。

智(zhi)感(gan)環(huan)境(jing)是國(guo)內為數(shu)較少能(neng)夠(gou)實現微電(dian)極系(xi)統(tong)開發和商業化(hua)推(tui)廣(guang)的公(gong)司(si)，並創新(xin)性地推(tui)出(chu)了(le)微電(dian)極多通道(dao)分析系(xi)統(tong)，可以(yi)同(tong)步高分辨(bian)率檢(jian)測(ce)pH、DO、Eh、H₂S等(deng)多種指(zhi)標(biao)實現(xian)了我(wo)國(guo)在該(gai)技術領域的彎道(dao)超車(che)。Easysensor微電(dian)極的設計(ji)特殊，它的穿刺(ci)能(neng)力(li)可深(shen)入水體(ti)、生(sheng)物膜(mo)、顆粒(li)汙(wu)泥(ni)、植物的根(gen)莖葉以(yi)及(ji)液體(ti)與固體(ti)的擴散邊(bian)界(jie)層(ceng)，為(wei)微生(sheng)態和微區研(yan)究(jiu)提供了(le)強(qiang)有(you)力(li)的工具(ju)。這(zhe)款(kuan)微電(dian)極的末端(duan)細至(zhi)微米級別(bie)，在不破(po)壞被(bei)測(ce)對(dui)象結構(gou)和生(sheng)理(li)活(huo)性的前提(ti)下(xia)，快(kuai)速刺(ci)入樣品(pin)內(nei)部(bu)，實現對(dui)微環境(jing)的精確(que)測(ce)量(liang)。