近日，在環(huán)境監(jiān)測與生態(tài)研究領(lǐng)域，平面光極（Planar Optode, PO）技術(shù)憑借其特殊的高分辨率二維成像能力，正成為解析微觀環(huán)境過程的關(guān)鍵工具。該技術(shù)基于光電與熒光分析原理，可實現(xiàn)對溶解氧、pH、CO?等關(guān)鍵環(huán)境指標(biāo)的原位、實時監(jiān)測，為理解水 - 土界面、根際微環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)提供了全新視角。
平面光極技術(shù)的核心是固定有特異性熒光染料的平面?zhèn)鞲心?。在激發(fā)光（如 Xe 燈或 LED）照射下，膜中染料與待測物質(zhì)發(fā)生特異性相互作用，引發(fā)熒光強(qiáng)度、壽命或波長的可量化變化。這些變化經(jīng)高分辨率 CCD 相機(jī)捕捉后，通過算法轉(zhuǎn)化為目標(biāo)參數(shù)的濃度分布圖譜，空間分辨率可達(dá)亞毫米級，時間響應(yīng)快至 1 秒。
針對不同指標(biāo)，技術(shù)原理各有側(cè)重：溶解氧檢測依賴釕（Ⅱ）絡(luò)合物的熒光猝滅效應(yīng)；pH 監(jiān)測基于 HPTS 等染料的質(zhì)子化狀態(tài)變化；CO?則通過膜內(nèi)緩沖體系與熒光信號的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)定量。這種特異性機(jī)制確保了檢測的高選擇性與準(zhǔn)確性。
1996 年，Glud 等人發(fā)明了平面光極，實現(xiàn)沉積物 - 水界面溶解氧的二維分布監(jiān)測，開創(chuàng)了技術(shù)應(yīng)用先河。2010 年后，技術(shù)快速拓展至 pH、CO?、H?S 等多參數(shù)監(jiān)測，應(yīng)用場景從沉積物延伸至土壤、植物根際等領(lǐng)域。2011 年，Larsen 等人提出的顏色比率成像方法進(jìn)一步提升了信號解析穩(wěn)定性，推動技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。
近年來，我國科研團(tuán)隊在該領(lǐng)域持續(xù)突破，南京智感環(huán)境等機(jī)構(gòu)研發(fā)的便攜式原位監(jiān)測設(shè)備，填充了野外長期監(jiān)測的技術(shù)空白，使平面光極從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用場景。
相較于電極法等傳統(tǒng)手段，平面光極技術(shù)的優(yōu)勢顯著：
在水 - 土界面研究中，平面光極清晰呈現(xiàn)了沉積物表層溶解氧的動態(tài)變化，揭示了底棲生物擾動對氧擴(kuò)散的影響。例如，在對某湖泊的研究中，通過平面光極技術(shù)發(fā)現(xiàn)，鉤蝦等底棲生物的活動可使沉積物 - 水界面的氧滲透深度增加 2-3 倍，顯著加速有機(jī)物降解。在藍(lán)藻分解過程監(jiān)測中，白天藻類光合作用使溶解氧增加、pH 值上升，夜間呼吸作用則讓兩者反向變化，其提供的高分辨率數(shù)據(jù)，細(xì)致解析了藻華分解的生物地球化學(xué)過程。
植物根際研究中，該技術(shù)捕捉到苦草根系泌氧引發(fā)的 pH 梯度變化。研究顯示，富氧微環(huán)境可促進(jìn)根際微生物活性，使堿性磷酸酶活性提升 40% 以上。在對超積累植物李氏禾根際的研究中，平面光極技術(shù)精準(zhǔn)呈現(xiàn)了 Cr 脅迫下根際 O?濃度變化規(guī)律，以及這種變化對重金屬遷移的影響，為揭示植物 - 微生物 - 土壤相互作用機(jī)制提供數(shù)據(jù)支撐。
在污染修復(fù)領(lǐng)域，通過監(jiān)測生物炭 - 土壤界面的 pH 變化，證實生物炭可通過調(diào)節(jié)微域酸堿環(huán)境降低重金屬生物有效性。在針對某重金屬污染土壤的修復(fù)實驗中，利用平面光極技術(shù)監(jiān)測到，施加生物炭后，根際區(qū)域 pH 值升高，有效降低了重金屬的生物可利用性，為污染土壤修復(fù)提供了微觀依據(jù)。
目前，智感環(huán)境研發(fā)的 Easysensor 系列包括便攜式分析儀、封閉式實驗設(shè)備及野外原位投放系統(tǒng)，滿足從室內(nèi)模擬到野外監(jiān)測的全場景需求。其中，封閉式平面光極分析儀具備 2000 萬像素分辨率，可實現(xiàn)沉積物樣品的高精度檢測。配套分析軟件支持熒光信號自動校準(zhǔn)、濃度計算與圖譜生成，大幅降低了技術(shù)應(yīng)用門檻。
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