微電極作為一種具有高空間分辨率和無(wú)損檢測(cè)特性的分析工具，在環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)及生物分析等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文將從定義、分類(lèi)、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用及操作等方面，對(duì)微電極技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

一、微電極的定義與分類(lèi)

微電極的核心特征在于其尺度與功能的結(jié)合：電極至少在一個(gè)維度上達(dá)到微米或納米級(jí)（<100微米），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)待測(cè)物的無(wú)損測(cè)量。從廣義上講，微電極包含兩類(lèi)：一類(lèi)是微型化的電極，如微型離子選擇性電極，可用于監(jiān)測(cè)體液甚至細(xì)胞內(nèi)離子活度；另一類(lèi)是電化學(xué)分析中電極面積微小但整體并非微型化的電極，如極譜法中的滴汞電極、懸汞電極等。

根據(jù)測(cè)量原理和對(duì)象，微電極主要分為以下三類(lèi)：

電位電極：基于能斯特方程，通過(guò)電極電位變化與待測(cè)成分濃度的對(duì)數(shù)成正比關(guān)系實(shí)現(xiàn)測(cè)量，主要用于測(cè)定pH值和氧化還原電位（EH）。以pH微電極為例，其測(cè)量范圍為2-10（線性范圍4-9.18），電極探測(cè)端直徑100-200μm（玻璃電極），溫度適應(yīng)范圍0-50℃，使用壽命≥90天；EH微電極測(cè)量范圍為±1000mV，電極探測(cè)端直徑可根據(jù)需求選擇100-500μm（玻璃電極）或1.5mm（鋼針電極）。

極譜電極：在固定電勢(shì)下，通過(guò)測(cè)量氧化還原電流（電流值與濃度成正比）實(shí)現(xiàn)分析，典型應(yīng)用為溶解氧（DO）和硫化氫（H?S）的測(cè)定。DO微電極極化電壓為-0.8V，測(cè)量范圍0-100%，電極探測(cè)端直徑與EH微電極類(lèi)似；H?S微電極極化電壓150mV，測(cè)量范圍10-300μmol/L，使用壽命≥60天。

伏安微電極：通過(guò)掃描特定電勢(shì)范圍并記錄電流變化，利用特征伏安波形的電勢(shì)位置和形狀識(shí)別離子種類(lèi)，峰高則反映其濃度，汞電極是常見(jiàn)類(lèi)型。

二、微電極的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

微電極的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

高靈敏度與快速響應(yīng)：能夠快速捕捉待測(cè)物質(zhì)濃度的細(xì)微變化，適用于動(dòng)態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

細(xì)微電極探測(cè)端與無(wú)損測(cè)量：微米級(jí)的電極探測(cè)端可深入沉積物、生物膜等復(fù)雜環(huán)境，避免對(duì)被測(cè)體系造成顯著擾動(dòng)，保證測(cè)量的真實(shí)性。

高時(shí)空分辨率：空間上可分辨微米級(jí)的濃度梯度，時(shí)間上能追蹤快速的動(dòng)態(tài)變化，為微觀過(guò)程研究提供精確數(shù)據(jù)。

操作簡(jiǎn)便與便攜性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，單通道或多通道系統(tǒng)均可快速組裝，操作流程標(biāo)準(zhǔn)化，學(xué)習(xí)成本較低，便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

三、微電極的應(yīng)用場(chǎng)景

微電極在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已取得顯著成果：

1. 沉積物-水界面研究

通過(guò)測(cè)量沉積物-水界面處DO、H?S、pH、EH等參數(shù)的垂向分布，可揭示該區(qū)域的物質(zhì)交換規(guī)律。例如，在厭氧與好氧環(huán)境下，沉積物柱樣中H?S含量的垂向變化差異可通過(guò)微電極清晰表征。

2. 氣液相與生物膜分析

在氣液相體系中，微電極可用于測(cè)定培養(yǎng)孔氧含量、水生植物葉片表面微環(huán)境等；對(duì)于生物膜，能夠探測(cè)其內(nèi)部的DO、pH、EH等參數(shù)，為研究生物膜的代謝過(guò)程提供依據(jù)。如對(duì)沉水植物生物膜的研究發(fā)現(xiàn)，活性氧（ROS）的產(chǎn)生與DO、EH的光-暗循環(huán)波動(dòng)存在密切關(guān)聯(lián)。

3. 生態(tài)與環(huán)境過(guò)程研究

微生物投加方式對(duì)底泥DO的影響：通過(guò)微電極測(cè)量不同投加方式下底泥DO的縱向梯度，可確定最佳的微生物加入方式。

生物擾動(dòng)對(duì)沉積物微環(huán)境的影響：研究表明，顫蚓活動(dòng)可加強(qiáng)沉積物與上覆水的混合，縮小pH值的垂直差異，并促進(jìn)DO向深層滲透。

“黑水團(tuán)”爆發(fā)機(jī)制：微電極監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，藻類(lèi)腐爛分解會(huì)形成低DO、低pH和低ORP環(huán)境，為環(huán)境敏感元素的形態(tài)轉(zhuǎn)化及厭氧微生物代謝創(chuàng)造條件。

污水處理工藝優(yōu)化：在SBR系統(tǒng)中，利用微電極研究曝氣量對(duì)硝化作用的影響，可通過(guò)分析污泥絮體中各物質(zhì)的濃度梯度優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。

四、微電極系統(tǒng)與操作流程

微電極系統(tǒng)分為單通道和多通道。單通道系統(tǒng)由微電極、參比電極、推進(jìn)器、升降臺(tái)、主機(jī)及分析軟件組成；多通道系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)pH、EH、DO、H?S等多指標(biāo)的同步測(cè)定，提高檢測(cè)效率。

以pH微電極操作為例，主要流程包括：

1. 系統(tǒng)組裝：連接微電極、參比電極、主機(jī)與計(jì)算機(jī)，固定推進(jìn)器和升降臺(tái)。

2. 電極校準(zhǔn)：使用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液對(duì)pH電極進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量精度。

3. 樣品測(cè)定：將電極探測(cè)端緩慢插入待測(cè)環(huán)境，通過(guò)分析軟件記錄不同深度的參數(shù)值，生成濃度梯度曲線。

微電極技術(shù)以其特殊的優(yōu)勢(shì)，為微觀尺度下的物質(zhì)監(jiān)測(cè)和過(guò)程研究提供了強(qiáng)有力的工具。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其在環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，為相關(guān)研究的深入開(kāi)展提供重要支撐。水下高壓環(huán)境，滿足河流、湖泊等自然場(chǎng)景的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)需求。