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）的原位動態(tài)監(jiān)測。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，通過染料分子與目標化學(xué)物質(zhì)的特異性相互作用引起的光學(xué)信號變化實現(xiàn)定量檢測。其工作流程主要包括五個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：（1）染料選擇與固定化，依據(jù)目標參數(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)，采用特定波長光源（通常為可見光或紫外光）激發(fā)染料分子；（3）熒光信號采集，通過高靈敏度CCD相機記錄熒光強度或壽命的變化；（4）空間成像，將傳感膜置于待測介質(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)先建立的標定曲線將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)參數(shù)濃度值。

       該技術(shù)明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在其非破壞性檢測特性和優(yōu)異的時空分辨率（可達亞毫米級和秒級），這使其在環(huán)境過程研究中展現(xiàn)出特殊的價值。在土壤科學(xué)研究中，平面光極技術(shù)能夠?qū)崟r可視化根際微域的pH動態(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刻畫，為水體富營養(yǎng)化機制研究和生態(tài)系統(tǒng)健康評估提供重要技術(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、三維成像等方向發(fā)展，為環(huán)境化學(xué)過程研究提供更強大的技術(shù)支撐。

案例分享：

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

研究內(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。目前對于鉻超積累植物李氏禾根際pH的動態(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的空間動態(tài)變化，以及不同鉻濃度對土壤生物量、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)。每個實驗組的土壤酸化均顯著，對照組、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，并為開發(fā)針對性策略提供有價值的見解。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。