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中科智感(南京)環(huán)境科技有限公司
中級(jí)會(huì)員 | 第4年

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高分辨化學(xué)成像技術(shù):平面光極傳感系統(tǒng)的原理與應(yīng)用研究

時(shí)間:2025/4/22閱讀:120
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       平面光極(Planar Optode)技術(shù)是一種基于光學(xué)傳感原理的高分辨化學(xué)成像技術(shù),主要用于環(huán)境介質(zhì)中關(guān)鍵化學(xué)參數(shù)(如pH、溶解氧、二氧化碳等)的原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該技術(shù)的核心在于將特異性熒光或吸收性染料固定于透明聚合物載體表面,通過(guò)染料分子與目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的特異性相互作用引起的光學(xué)信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。其工作流程主要包括五個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):(1)染料選擇與固定化,依據(jù)目標(biāo)參數(shù)篩選具有特異性響應(yīng)特征的熒光染料;(2)光學(xué)激發(fā),采用特定波長(zhǎng)光源(通常為可見(jiàn)光或紫外光)激發(fā)染料分子;(3)熒光信號(hào)采集,通過(guò)高靈敏度CCD相機(jī)記錄熒光強(qiáng)度或壽命的變化;(4)空間成像,將傳感膜置于待測(cè)介質(zhì)表面或內(nèi)部,獲取化學(xué)參數(shù)的空間分布圖像;(5)定量分析,基于預(yù)先建立的標(biāo)定曲線將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為化學(xué)參數(shù)濃度值。

       該技術(shù)明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在其非破壞性檢測(cè)特性和優(yōu)異的時(shí)空分辨率(可達(dá)亞毫米級(jí)和秒級(jí)),這使其在環(huán)境過(guò)程研究中展現(xiàn)出特殊的價(jià)值。在土壤科學(xué)研究中,平面光極技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)可視化根際微域的pH動(dòng)態(tài)變化,為研究植物-土壤相互作用、污染物遷移轉(zhuǎn)化等過(guò)程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。在水環(huán)境領(lǐng)域,該技術(shù)已成功應(yīng)用于沉積物-水界面溶解氧梯度的精細(xì)刻畫(huà),為水體富營(yíng)養(yǎng)化機(jī)制研究和生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估提供重要技術(shù)手段。此外,在微生物生態(tài)學(xué)研究中,該技術(shù)還能揭示微生物活動(dòng)與微環(huán)境化學(xué)參數(shù)變化的耦合關(guān)系。隨著新型熒光探針的開(kāi)發(fā)和成像算法的優(yōu)化,平面光極技術(shù)正逐步向多參數(shù)同步檢測(cè)、三維成像等方向發(fā)展,為環(huán)境化學(xué)過(guò)程研究提供更強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

案例分享:


ESS:不同鉻暴露條件下李氏禾根際pH的空間動(dòng)態(tài)變化研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容

      超積累植物的根能顯著改變土壤pH值,從而改變根際鉻(Cr)的有效性。目前對(duì)于鉻超積累植物李氏禾根際pH的動(dòng)態(tài)變化尚不清楚。本研究采用平面光極技術(shù)(PO)研究了不同Cr暴露條件下李氏禾根際pH的空間動(dòng)態(tài)變化,以及不同鉻濃度對(duì)土壤生物量、生理參數(shù)和土壤酶活性的影響。研究結(jié)果表明:李氏禾根際pH具有高度的異質(zhì)性,且與根的形狀密切相關(guān)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組的土壤酸化均顯著,對(duì)照組、Cr50和Cr100組的平均pH值分別降低了0.26、0.27和0.35 pH單位。在一定濃度(50 mg kg-1)下,Cr顯著提高了李氏禾的株高和生物量(p < 0.05)。葉片中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素濃度隨Cr濃度的增加而升高。根際酸性磷酸酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均高于周邊土壤。該研究結(jié)果為闡明Cr的超積累機(jī)制和提高植物修復(fù)效率提供了新的思路。

平面光極的應(yīng)用

在本研究中,平面光極(PO)技術(shù)用于生成李氏禾根際中pH的空間分布圖像,這些圖像有助于揭示根際中鉻的活化模式,并為開(kāi)發(fā)針對(duì)性策略提供有價(jià)值的見(jiàn)解。平面光極技術(shù)的應(yīng)用使得研究者能夠在微觀尺度上觀察和量化根際中的生物地球化學(xué)過(guò)程,為理解植物根部如何調(diào)節(jié)根際環(huán)境以及植物與微生物之間的相互作用提供了有力的工具。


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