微觀尺度(du)的(de)環(huan)境“探針”：微電(dian)極(ji)技(ji)術(shu)的(de)特性(xing)、分類及(ji)環(huan)境科學應用(yong)全(quan)景(jing)

壹、微電(dian)極(ji)的(de)定義(yi)與(yu)核(he)心(xin)特性(xing)

微電(dian)極(ji)是(shi)壹類基(ji)於電(dian)化學(xue)原理(li)設計(ji)的(de)精密分(fen)析儀(yi)器，由(you)鉑、金(jin)、碳(tan)纖維(wei)、玻(bo)璃(li)等導(dao)電(dian)或(huo)功(gong)能(neng)性(xing)材(cai)料經微加(jia)工工藝(yi)制(zhi)成，主(zhu)要(yao)用於(yu)微觀尺度(du)下(xia)的(de)電(dian)化學(xue)信(xin)號(hao)檢(jian)測與(yu)分(fen)析。其關(guan)鍵結(jie)構(gou)特征為(wei)探(tan)測端(duan)直(zhi)徑處於(yu)微米(mi)（1-100μm）至納(na)米(mi)（1-1000nm）級(ji)別(bie)，這(zhe)種(zhong)極小的(de)尺寸(cun)賦予(yu)其獨(du)特(te)優(you)勢：既(ji)能(neng)精(jing)準(zhun)介(jie)入生(sheng)物(wu)組(zu)織(zhi)、土(tu)壤(rang)孔隙、沈積(ji)物微界面(mian)等微觀環(huan)境，又(you)能(neng)較(jiao)大程度(du)降(jiang)低(di)對被測體(ti)系(xi)的(de)物理(li)擾動和(he)化學(xue)幹(gan)擾，實現 “原位(wei)無(wu)損(sun)測(ce)量"。

微電(dian)極(ji)的(de)核心(xin)技術(shu)特點(dian)可量化表(biao)述為(wei)：

根據(ju)材料與(yu)結(jie)構(gou)設計(ji)，微電(dian)極(ji)可分為(wei)四大(da)類，其技術(shu)特(te)性與(yu)應(ying)用(yong)領域高(gao)度(du)匹(pi)配(pei)：

微電(dian)極(ji)技(ji)術(shu)憑(ping)借(jie) “高靈(ling)敏度(du)、高時空分辨率(lv)、原位(wei)測(ce)量(liang)" 的(de)核心(xin)優(you)勢，已(yi)成(cheng)為(wei)環(huan)境監(jian)測(ce)、汙染治理(li)與(yu)生(sheng)態(tai)研(yan)究(jiu)的(de)關(guan)鍵工具，具體應用如(ru)下(xia)：

1. 溶(rong)解氧（DO）測量

微電(dian)極(ji)可精準(zhun)捕捉(zhuo)水體(ti)及(ji)沈積(ji)物中(zhong)的(de) DO 濃度(du)梯(ti)度(du)，為(wei)水體(ti)健康評估提(ti)供微觀數(shu)據(ju)。在富(fu)營(ying)養化湖(hu)泊的(de)藻類水華(hua)研(yan)究(jiu)中(zhong)，采(cai)用(yong)探(tan)測(ce)端(duan)直(zhi)徑 20-50μm 的(de) DO 微電(dian)極(ji)，發(fa)現(xian)藍(lan)藻形成的(de) “藻墊" 存在顯(xian)著(zhu)垂(chui)直(zhi)梯(ti)度(du)：表層(ceng) 0-200μm 因(yin)光(guang)合(he)作(zuo)用旺盛，DO 濃(nong)度(du)達 15-20mg/L（超飽(bao)和(he)狀態(tai)）；500μm 以(yi)下(xia)因(yin)光(guang)照(zhao)遮蔽(bi)進入(ru)厭氧狀態(tai)，DO 濃(nong)度(du)降(jiang)至 0.5mg/L 以(yi)下(xia)。該(gai)數據(ju)為(wei)解析藻類代(dai)謝與(yu)水體(ti)缺(que)氧的(de)關(guan)聯提(ti)供了直(zhi)接(jie)依據(ju)。

2. pH 值測定(ding)

pH 敏感(gan)微電(dian)極(ji)（探(tan)測(ce)端(duan)直(zhi)徑 50-100μm）可揭示土壤(rang)或沈(chen)積(ji)物的(de)微尺度(du)酸(suan)堿度(du)異(yi)質性。在汙染土(tu)壤(rang)修(xiu)復(fu)研究(jiu)中(zhong)，微電(dian)極(ji)檢(jian)測發(fa)現(xian)，汙染土(tu)壤(rang) pH 值分(fen)布(bu)在 3.7-9.0 之間，且(qie)垂(chui)直(zhi)方向的(de)空間變(bian)異(yi)性顯(xian)著(zhu)高(gao)於(yu)水平方向，深(shen)度(du)增加(jia)伴隨 pH 值(zhi)下(xia)降(jiang)，這(zhe)壹規律為(wei)優(you)化修(xiu)復(fu)藥(yao)劑(ji)投加(jia)方案(an)提(ti)供了關(guan)鍵參(can)數(shu)。

3. 氧化還原電(dian)位(wei)（Eh）監(jian)測(ce)

Eh 微電(dian)極(ji)能(neng)實時追(zhui)蹤(zong)土(tu)壤(rang)和(he)水體(ti)的(de)氧化還原狀態(tai)變(bian)化，分(fen)辨率(lv)達(da) ±1mV。在水稻(dao)田生(sheng)態(tai)研(yan)究(jiu)中(zhong)，微電(dian)極(ji)監(jian)測(ce)顯(xian)示：分蘗(nie)期(qi)淹水條(tiao)件(jian)下(xia)，根(gen)系周圍 Eh 值從(cong) + 150mV 迅(xun)速降(jiang)至 - 100mV，歸(gui)因(yin)於(yu)根系缺(que)氧呼(hu)吸與(yu)微生(sheng)物(wu)耗(hao)氧；抽(chou)穗(sui)期(qi)排水曬(shai)田(tian)後，Eh 值回升至 + 50mV 以(yi)上(shang)，這(zhe)壹動態(tai)變化為(wei)優(you)化灌溉制(zhi)度(du)提(ti)供了科學(xue)支撐。在沈(chen)積(ji)物 - 水界(jie)面(mian)研究(jiu)中(zhong)，Eh 微電(dian)極(ji)以(yi) 100μm 垂(chui)直(zhi)分辨率(lv)繪(hui)制(zhi)的(de)剖(pou)面(mian)數據(ju)，揭示了 “DO 消(xiao)耗(hao)→Eh 下(xia)降(jiang)→硫(liu)酸(suan)鹽還原" 的(de)鏈(lian)式反(fan)應。

4. 營(ying)養物(wu)和(he)汙染物(wu)分(fen)析

通過(guo)功(gong)能(neng)化修(xiu)飾(shi)的(de)微電(dian)極(ji)，可實現營(ying)養鹽與(yu)汙染物(wu)的(de)痕量(liang)檢(jian)測。例(li)如(ru)，金(jin)納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)修(xiu)飾(shi)的(de)微型(xing)伏安(an)電(dian)池，僅需 20-40μL 樣(yang)品即可檢(jian)測河水中(zhong)的(de)亞硝酸(suan)鹽，線(xian)性響應範(fan)圍 20-1200μmol/L，適用(yong)於農業面(mian)源汙染的(de)現場監(jian)測(ce)。在東(dong)巢(chao)湖(hu)沈積(ji)物研(yan)究(jiu)中(zhong)，Unisense 磷(lin)微電(dian)極(ji)精(jing)準(zhun)測(ce)量了孔隙水中(zhong)磷(lin)酸(suan)鹽的(de)釋放(fang)速率(lv)，證(zheng)實 DO 穿(chuan)透深(shen)度(du)越(yue)低，磷釋(shi)放(fang)通量越(yue)高，為(wei)湖(hu)泊富營(ying)養化防控(kong)提(ti)供了機制(zhi)依據(ju)。

5. 微生(sheng)物(wu)活動監(jian)測(ce)

微電(dian)極(ji)通(tong)過(guo)捕捉(zhuo)微生(sheng)物(wu)代(dai)謝引發(fa)的(de)化學(xue)信(xin)號(hao)變(bian)化，量(liang)化其活動強度(du)。在土(tu)壤(rang)碳循(xun)環(huan)研究(jiu)中(zhong)，碳(tan)纖維(wei)微電(dian)極(ji)監(jian)測(ce)顯(xian)示，免耕土(tu)壤(rang)的(de)微生(sheng)物(wu)呼(hu)吸速率(lv)比頻繁(fan)耕作(zuo)土壤(rang)高 30%，對應 Eh 值(zhi)維(wei)持在較(jiao)高水平，反映(ying)了土壤(rang)通氣(qi)性對微生(sheng)物(wu)活性的(de)調控(kong)作(zuo)用。在富(fu)營(ying)養化水體(ti)中(zhong)，微電(dian)極(ji)同(tong)步監(jian)測(ce) DO 與(yu)葉綠(lv)素(su)熒(ying)光，揭示了藻類光(guang)合(he)作(zuo)用與(yu)好(hao)氧(yang)微生(sheng)物(wu)硝化作(zuo)用的(de)微尺度(du)耦(ou)合(he)關(guan)系，藻類周(zhou)圍 100-300μm 的(de) “氧化圈(quan)" 為(wei)硝化細菌(jun)提(ti)供了適宜(yi)生(sheng)境。

6. 沈積(ji)物和(he)土壤(rang)分析

微電(dian)極(ji)是(shi)解析沈積(ji)物 - 水界(jie)面(mian)物質遷(qian)移(yi)的(de)核心(xin)工具。在東(dong)巢(chao)湖(hu)研究(jiu)中(zhong)，Unisense 微電(dian)極(ji)系(xi)統(tong)測(ce)量發(fa)現(xian)，沈(chen)積(ji)物中(zhong) DO 穿(chuan)透深(shen)度(du)與(yu)氮、磷釋(shi)放(fang)通量呈(cheng)負(fu)相關(guan)，夏季(ji)高溫(wen)時，沈(chen)積(ji)物內(nei)源磷(lin)釋放(fang)通量顯(xian)著(zhu)增(zeng)加(jia)，這壹發(fa)現(xian)為(wei)湖(hu)泊富營(ying)養化機(ji)理(li)研究(jiu)提(ti)供了直(zhi)接(jie)證據(ju)。在黑(hei)臭河道治理(li)中，H₂S 微電(dian)極(ji)以(yi) 0.1mm 空間分(fen)辨率(lv)鎖定(ding)了表層(ceng) 5-10mm 的(de) “厭氧熱(re)點"（DO＜0.1mg/L、Eh＜-100mV），為(wei)靶(ba)向清淤提(ti)供了精準(zhun)定位(wei)。

7. 生(sheng)物(wu)膜(mo)和(he)微生(sheng)物(wu)群(qun)落(luo)研究(jiu)

微電(dian)極(ji)可穿(chuan)刺至生(sheng)物(wu)膜(mo)內(nei)部 50-200μm 區域，測(ce)定(ding)關(guan)鍵參(can)數(shu)分布(bu)。在汙水處理(li)廠的(de)生(sheng)物(wu)膜(mo)工藝(yi)中(zhong)，微電(dian)極(ji)檢(jian)測發(fa)現(xian)，生(sheng)物(wu)膜(mo)內(nei)部存在明(ming)顯(xian)的(de)厭氧層(ceng)（H₂S 累(lei)積(ji)區），其厚度(du)與(yu)曝氣(qi)強度(du)直(zhi)接(jie)相關(guan)，基(ji)於該(gai)數據(ju)優(you)化曝氣(qi)參數(shu)後(hou)，膜(mo)脫落風險降(jiang)低(di) 60%。

8. 環(huan)境修(xiu)復(fu)效果評(ping)估

微電(dian)極(ji)的(de)實時監(jian)測(ce)能(neng)力為(wei)修(xiu)復(fu)效果提(ti)供量化依(yi)據(ju)。在黑(hei)臭河道 “靶(ba)向清淤 + 夜(ye)間曝氣(qi)" 治理(li)中，微電(dian)極(ji)數(shu)據(ju)顯(xian)示，治理(li)後沈積(ji)物中(zhong) H₂S 濃度(du)從(cong) 0.5mg/L 降(jiang)至＜0.01mg/L，清(qing)淤量(liang)較(jiao)傳統(tong)模式減少(shao) 70%，實現了精準(zhun)高效(xiao)治理(li)。在土(tu)壤(rang)生(sheng)物(wu)修(xiu)復(fu)中，微電(dian)極(ji)通(tong)過(guo)監(jian)測(ce) Eh 與(yu) DO 的(de)動態(tai)變化，及(ji)時調(tiao)整(zheng)氧化劑(ji)投加(jia)量，確(que)保微生(sheng)物(wu)降(jiang)解有機汙染物(wu)的(de)最(zui)佳環(huan)境條(tiao)件(jian)。

9. 環(huan)境監(jian)測(ce)傳感器集成

微電(dian)極(ji)被廣泛(fan)集(ji)成(cheng)於(yu)在線(xian)監(jian)測(ce)系統(tong)，實現長期(qi)實時數(shu)據(ju)采集。例(li)如(ru)，基(ji)於 DO、pH、Eh 三參數(shu)微電(dian)極(ji)的(de)水質(zhi)傳(chuan)感器，已應用於(yu)河流(liu)斷(duan)面(mian)的(de)連續監(jian)測(ce)，數據(ju)傳輸頻(pin)率(lv)達(da) 1 次(ci) / 分鐘(zhong)，為(wei)水環(huan)境管(guan)理(li)提(ti)供了高頻(pin)次(ci)數據(ju)支撐。

10. 氣(qi)候(hou)變(bian)化研(yan)究(jiu)

在氣(qi)候(hou)變(bian)化影(ying)響(xiang)評(ping)估中，微電(dian)極(ji)用(yong)於(yu)量(liang)化土(tu)壤(rang)碳循(xun)環(huan)對溫(wen)度(du)升高(gao)的(de)響應(ying)。研究(jiu)發(fa)現(xian)，溫(wen)度(du)每升高(gao) 1℃，微電(dian)極(ji)檢(jian)測到(dao)的(de)土壤(rang)微生(sheng)物(wu)呼(hu)吸速率(lv)增(zeng)加(jia) 8%-12%，伴隨 CO₂釋(shi)放(fang)通量上(shang)升，這(zhe)壹數據(ju)為(wei)校(xiao)準碳循環(huan)模型(xing)提(ti)供了微觀尺度(du)的(de)實測依據(ju)。

智感(gan)環(huan)境微電(dian)極(ji)分(fen)析系統(tong)（Easysensor® 系(xi)列）是(shi)壹款國(guo)產化精(jing)密分(fen)析設備(bei)，基(ji)於電(dian)化學(xue)原理(li)與(yu)微納(na)制造(zao)技術(shu)研(yan)發(fa)，集(ji)成(cheng)硬件(jian)終(zhong)端(duan)與(yu)軟件(jian)分(fen)析功能(neng)，核(he)心(xin)包(bao)含多類型(xing)功(gong)能(neng)化微電(dian)極(ji)、高(gao)精(jing)度(du)升降(jiang)臺(tai)等(deng)硬(ying)件(jian)模塊(kuai)及(ji)數據(ju)可視(shi)化軟件(jian)，具備多參數(shu)同(tong)步監(jian)測(ce)、微米(mi)級(ji)空間分(fen)辨率(lv)、原位(wei)無(wu)損(sun)測(ce)量及(ji)高效(xiao)數(shu)據(ju)處理(li)優(you)勢，可廣泛(fan)應用(yong)於(yu)沈(chen)積(ji)物 - 水界(jie)面(mian)、土壤(rang)微域、生(sheng)物(wu)膜(mo)等(deng)微觀尺度(du)環(huan)境研究(jiu)，為(wei)環(huan)境科學、生(sheng)態(tai)學(xue)及(ji)汙染治理(li)領域提(ti)供精準(zhun)數據(ju)支撐。