平面光极技术：蓝藻分解过程中监测DO和pH值高分辨变化的研究

一、引言

蓝藻分解是湖泊、河流等水体中常见的生态过程，它对于水体的营养循环、生态健康乃至富营养化状态都具有重要影响。在这一过程中，溶解氧（DO）和pH值的变化是评估蓝藻分解进程及其环境效应的关键指标。近年来，平面光极技术以其高分辨率、非侵入性和实时性等特点，在蓝藻分解过程监测中展现出巨大潜力。本文将介绍平面光极技术在蓝藻分解过程中监测DO和pH值高分辨率变化的研究。

二、技术概述

平面光极技术是一种基于荧光成像原理的光学测量技术。它通过在透明载体（如聚合物薄膜）上涂覆特定的荧光或吸收性染料，检测环境中目标化学物质（如DO、pH值等）的浓度变化。这些染料的荧光特性会随着目标化学物质浓度的变化而改变，从而通过测量荧光的变化来推断出化学参数的浓度。平面光极技术具有非侵入性、高时空分辨率和实时性等优点，能够实现对水体中DO和pH值等参数的快速、准确监测。

三、平面光极技术在蓝藻分解过程中的应用

在蓝藻分解过程中，DO和pH值的变化受到多种因素的共同影响，包括藻类的光合作用、呼吸作用以及迁移行为等。为了准确监测这些参数的变化，研究人员利用平面光极技术进行了深入研究。

首先，通过构建实验室微宇宙系统，模拟自然水体中的蓝藻分解过程。在系统中设置平面光极传感器，实时监测水-沉积物界面（SWI）上DO和pH值的动态变化。平面光极技术的高分辨率成像能力使得研究人员能够观察到DO和pH值在SWI处的细微变化，以及它们在不同时间和空间尺度上的分布特征。

其次，通过分析DO和pH值的日变化特征，研究人员揭示了蓝藻分解过程中不同阶段的特定模式。白天，随着光照增强和藻类光合作用的进行，DO浓度逐渐升高，pH值也相应上升。夜间，由于藻类呼吸作用导致水体中CO2含量增加，DO浓度逐渐降低，pH值也相应下降。此外，当光合作用和呼吸作用受到抑制或不顺畅时，DO和pH值的变化也会表现出有限增加和不确定性的特点。

最后，研究人员还利用平面光极技术分析了沉积物中DO和pH值的垂直梯度。他们发现，即使在蓝藻分解的后期阶段，沉积物中也并非无氧，DO和pH值仍能渗透到较深的沉积物层。这表明沉积物在蓝藻分解过程中扮演着重要的角色，它们作为碱性环境的储库，可能对水体富营养化构成潜在风险。

平面光极技术在蓝藻分解过程中监测DO和pH值高分辨率变化的研究为我们提供了宝贵的数据和见解。通过实时监测和分析这些参数的变化，我们能够更深入地了解蓝藻分解过程的机制及其对水环境的影响。未来，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，平面光极技术有望在更多领域发挥重要作用，为环境保护和生态修复提供有力支持。

智感环境团队基于平面光极技术开发了封闭式平面光极设备，并成功将其应用于沉积物-水微界面、水生动植物和土壤植物根际环境的研究。这些设备具备以下特点：

1. 实时、快速地获取区域DO/pH/CO₂的分布。

2. 设备自带封闭式箱体，满足测定所需的暗室条件。

3. 设备与软件配套使用，可集成校准、获取图像、处理图像于一体。

4. 非侵入性成像测量，不破坏原生环境。

5. 配备高像素CMOS相机，实现时间分辨率毫秒级，空间分辨率亚毫米级。

此外，还有便携式平面光极检测仪PO1100，它小巧轻便、便于移动和携带，同样能够实时、快速地获取区域O2/pH/CO2的分布。使用前，荧光传感膜需要标定并绘制标准曲线，工作环境和存储环境对温度和湿度有一定要求。