微電(dian)極(ji)作(zuo)為壹種具有(you)高(gao)空間分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)無(wu)損檢測特性(xing)的(de)分(fen)析(xi)工(gong)具，在(zai)環境科學(xue)、生態學及生(sheng)物(wu)分(fen)析(xi)等領域發揮(hui)著(zhe)重要作(zuo)用(yong)。本文將(jiang)從(cong)定義、分(fen)類(lei)、優勢(shi)、應用(yong)及(ji)操(cao)作等方(fang)面，對(dui)微電(dian)極(ji)技(ji)術(shu)進行系(xi)統闡(chan)述。
壹、微電(dian)極(ji)的(de)定義與分類
微電(dian)極(ji)的(de)核心(xin)特征(zheng)在(zai)於其(qi)尺(chi)度與功(gong)能(neng)的(de)結合(he)：電(dian)極(ji)至少(shao)在(zai)壹個維度上達到微米(mi)或(huo)納米(mi)級(ji)（<100微米(mi)），能(neng)夠(gou)實現對(dui)待(dai)測(ce)物(wu)的(de)無(wu)損測量。從廣(guang)義上(shang)講，微電(dian)極(ji)包含(han)兩(liang)類：壹類是微型(xing)化(hua)的(de)電(dian)極(ji)，如(ru)微型(xing)離(li)子(zi)選擇(ze)性(xing)電(dian)極(ji)，可(ke)用(yong)於監(jian)測體(ti)液(ye)甚(shen)至細胞內(nei)離子(zi)活(huo)度；另壹類是電(dian)化(hua)學(xue)分(fen)析(xi)中電(dian)極(ji)面積微小但整體(ti)並(bing)非(fei)微型(xing)化(hua)的(de)電(dian)極(ji)，如(ru)極譜法(fa)中的(de)滴(di)汞電(dian)極(ji)、懸(xuan)汞電(dian)極(ji)等(deng)。
根(gen)據(ju)測量(liang)原理和(he)對(dui)象(xiang)，微電(dian)極(ji)主(zhu)要分(fen)為以(yi)下三類：
電(dian)位電(dian)極(ji)：基(ji)於能(neng)斯(si)特方程(cheng)，通過電(dian)極(ji)電(dian)位變化(hua)與待(dai)測(ce)成分(fen)濃(nong)度的對(dui)數(shu)成正比(bi)關(guan)系(xi)實現測量，主要(yao)用(yong)於測定pH值(zhi)和(he)氧化(hua)還原電(dian)位（EH）。以pH微電(dian)極(ji)為(wei)例，其(qi)測(ce)量(liang)範(fan)圍為(wei)2-10（線(xian)性(xing)範(fan)圍4-9.18），電(dian)極(ji)探測端(duan)直徑(jing)100-200μm（玻(bo)璃(li)電(dian)極(ji)），溫(wen)度適應範(fan)圍0-50℃，使(shi)用(yong)壽命(ming)≥90天(tian)；EH微電(dian)極(ji)測(ce)量範(fan)圍為(wei)±1000mV，電(dian)極(ji)探測端(duan)直徑(jing)可(ke)根(gen)據(ju)需(xu)求(qiu)選擇(ze)100-500μm（玻(bo)璃(li)電(dian)極(ji)）或(huo)1.5mm（鋼針(zhen)電(dian)極(ji)）。
極譜電(dian)極(ji)：在(zai)固定電(dian)勢(shi)下，通過測量(liang)氧化(hua)還原電(dian)流(liu)（電(dian)流(liu)值(zhi)與濃度成正比(bi)）實(shi)現分析，典型(xing)應用(yong)為(wei)溶解氧(yang)（DO）和(he)硫化(hua)氫（H₂S）的(de)測(ce)定。DO微電(dian)極(ji)極(ji)化(hua)電(dian)壓(ya)為(wei)-0.8V，測量(liang)範(fan)圍0-100%，電(dian)極(ji)探測端(duan)直徑(jing)與EH微電(dian)極(ji)類(lei)似；H₂S微電(dian)極(ji)極(ji)化(hua)電(dian)壓(ya)150mV，測(ce)量範(fan)圍10-300μmol/L，使(shi)用(yong)壽命(ming)≥60天(tian)。
伏安(an)微電(dian)極(ji)：通(tong)過掃描(miao)特(te)定電(dian)勢(shi)範(fan)圍並(bing)記(ji)錄(lu)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)，利(li)用(yong)特(te)征伏安(an)波形的(de)電(dian)勢(shi)位置和(he)形狀識別離(li)子(zi)種類(lei)，峰高(gao)則反映(ying)其(qi)濃(nong)度，汞電(dian)極(ji)是常見類型(xing)。
二、微電(dian)極(ji)的(de)技術(shu)優(you)勢
微電(dian)極(ji)的(de)技術(shu)優(you)勢主要體(ti)現在以下四(si)個方(fang)面：
高(gao)靈敏(min)度與快(kuai)速響(xiang)應：能(neng)夠(gou)快(kuai)速捕(bu)捉(zhuo)待(dai)測(ce)物(wu)質濃度的細微變化(hua)，適用(yong)於動態過程(cheng)的監(jian)測。
細微電(dian)極(ji)探測端(duan)與無(wu)損測量：微米(mi)級(ji)的(de)電(dian)極(ji)探測端(duan)可(ke)深入(ru)沈積(ji)物(wu)、生(sheng)物(wu)膜(mo)等(deng)復(fu)雜環境，避(bi)免(mian)對(dui)被測(ce)體(ti)系(xi)造(zao)成顯(xian)著(zhu)擾動，保證(zheng)測量的真實(shi)性(xing)。
高(gao)時(shi)空分辨率(lv)：空間上(shang)可(ke)分辨(bian)微米(mi)級(ji)的(de)濃(nong)度梯度，時(shi)間上(shang)能(neng)追蹤(zong)快(kuai)速的(de)動態變化(hua)，為(wei)微觀過程(cheng)研(yan)究(jiu)提供精確(que)數(shu)據。
操(cao)作簡(jian)便(bian)與便攜(xie)性(xing)：系(xi)統結構相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)，單通道或(huo)多通道(dao)系(xi)統均(jun)可快(kuai)速組(zu)裝(zhuang)，操(cao)作流程(cheng)標準化(hua)，學(xue)習(xi)成本較低(di)，便於現場應用(yong)。
三、微電(dian)極(ji)的(de)應用(yong)場景(jing)
微電(dian)極(ji)在(zai)多個領(ling)域(yu)的應用(yong)已(yi)取得(de)顯(xian)著(zhu)成果(guo)：
1. 沈積(ji)物(wu)-水(shui)界(jie)面研(yan)究(jiu)
通過測量(liang)沈積(ji)物(wu)-水(shui)界(jie)面處DO、H₂S、pH、EH等(deng)參數(shu)的垂(chui)向分(fen)布，可揭示(shi)該(gai)區(qu)域的(de)物(wu)質交換(huan)規(gui)律(lv)。例(li)如，在厭氧(yang)與好氧環境下，沈積(ji)物(wu)柱(zhu)樣(yang)中H₂S含量的(de)垂(chui)向變(bian)化(hua)差(cha)異可(ke)通過微電(dian)極(ji)清(qing)晰表(biao)征。
2. 氣液相與生物(wu)膜(mo)分(fen)析
在氣液相體(ti)系(xi)中，微電(dian)極(ji)可(ke)用(yong)於測定培(pei)養(yang)孔氧(yang)含量(liang)、水生植物(wu)葉(ye)片表(biao)面微環境等；對(dui)於生物(wu)膜(mo)，能(neng)夠(gou)探測其(qi)內(nei)部的(de)DO、pH、EH等參數(shu)，為研(yan)究(jiu)生物(wu)膜(mo)的(de)代謝(xie)過程(cheng)提供依據(ju)。如(ru)對(dui)沈水(shui)植物(wu)生(sheng)物(wu)膜(mo)的(de)研(yan)究(jiu)發現，活(huo)性(xing)氧(yang)（ROS）的(de)產(chan)生(sheng)與DO、EH的光(guang)-暗(an)循環波動存在(zai)密切關(guan)聯(lian)。
3. 生態與環境過程(cheng)研(yan)究(jiu)
微生物(wu)投(tou)加方(fang)式(shi)對(dui)底(di)泥(ni)DO的影響(xiang)：通(tong)過微電(dian)極(ji)測(ce)量不(bu)同(tong)投(tou)加方(fang)式(shi)下底泥DO的(de)縱向(xiang)梯度，可確(que)定最(zui)佳(jia)的(de)微生物(wu)加入(ru)方(fang)式。
生物(wu)擾(rao)動對(dui)沈積(ji)物(wu)微環境的影(ying)響：研(yan)究(jiu)表(biao)明，顫(chan)蚓活(huo)動可加強(qiang)沈積(ji)物(wu)與上覆(fu)水的(de)混(hun)合(he)，縮(suo)小pH值的垂(chui)直差(cha)異，並(bing)促進DO向(xiang)深(shen)層(ceng)滲透(tou)。
“黑水團"爆(bao)發機(ji)制：微電(dian)極(ji)監(jian)測發現，藻類腐爛(lan)分(fen)解(jie)會(hui)形(xing)成低(di)DO、低(di)pH和(he)低(di)ORP環境，為環(huan)境敏(min)感(gan)元素(su)的(de)形態轉(zhuan)化(hua)及(ji)厭(yan)氧(yang)微生物(wu)代(dai)謝(xie)創造(zao)條件(jian)。
汙水處理(li)工(gong)藝(yi)優化(hua)：在(zai)SBR系(xi)統中(zhong)，利(li)用(yong)微電(dian)極(ji)研(yan)究(jiu)曝氣量對(dui)硝化(hua)作(zuo)用(yong)的(de)影響，可通(tong)過分析(xi)汙泥(ni)絮體(ti)中(zhong)各(ge)物(wu)質的濃(nong)度梯度優化(hua)運(yun)行參數(shu)。
四(si)、微電(dian)極(ji)系(xi)統與操(cao)作流程(cheng)
微電(dian)極(ji)系(xi)統分(fen)為單通(tong)道(dao)和(he)多通道(dao)。單(dan)通道系(xi)統由微電(dian)極(ji)、參比電(dian)極(ji)、推進器(qi)、升(sheng)降臺、主機(ji)及分(fen)析(xi)軟件(jian)組成；多通道(dao)系(xi)統可(ke)實現pH、EH、DO、H₂S等多指(zhi)標的同(tong)步測定，提(ti)高(gao)檢測(ce)效率(lv)。
以pH微電(dian)極(ji)操(cao)作為例(li)，主(zhu)要(yao)流程(cheng)包括(kuo)：
1. 系(xi)統組(zu)裝(zhuang)：連(lian)接(jie)微電(dian)極(ji)、參比電(dian)極(ji)、主(zhu)機(ji)與計(ji)算(suan)機(ji)，固定推進器(qi)和(he)升(sheng)降臺。
2. 電(dian)極(ji)校(xiao)準(zhun)：使用(yong)標準緩沖(chong)溶液對(dui)pH電(dian)極(ji)進行校(xiao)準(zhun)，確保(bao)測(ce)量(liang)精(jing)度。
3. 樣品測定：將(jiang)電(dian)極(ji)探測端(duan)緩(huan)慢插入(ru)待(dai)測(ce)環境，通過分析(xi)軟件(jian)記(ji)錄(lu)不(bu)同(tong)深(shen)度的參數(shu)值，生(sheng)成濃(nong)度梯度曲線(xian)。
微電(dian)極(ji)技(ji)術(shu)以(yi)其(qi)特(te)殊(shu)的(de)優勢，為微觀尺度下的物(wu)質監(jian)測和(he)過程(cheng)研(yan)究(jiu)提供了強(qiang)有(you)力的(de)工(gong)具。隨(sui)著技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷發展(zhan)，其(qi)在(zai)環(huan)境科學(xue)、生態學等領(ling)域(yu)的(de)應用(yong)將(jiang)更(geng)加廣(guang)泛，為相(xiang)關研(yan)究(jiu)的深入(ru)開(kai)展(zhan)提供重要支(zhi)撐(cheng)。水下高(gao)壓環(huan)境，滿(man)足(zu)河(he)流(liu)、湖(hu)泊等(deng)自然場景(jing)的長期監(jian)測需(xu)求(qiu)。
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