平面光极技术在pH研究中的应用：从微界面到生态过程的精准解析

在环境科学与生态研究领域，pH值作为关键的理化参数，其微小变化往往反映着复杂的生物地球化学过程。平面光极技术凭借其特殊的光学传感原理与高时空分辨率优势，为pH研究提供了全新的技术手段，在水/沉积物体系、植物根际微环境以及生物扰动效应等研究中发挥着重要的作用。

1. 实时监测水/沉积物体系中pH的分布和变化：

通过改进传感膜制备方法和图像采集与定量方法，建立了基于平面光极的pH二维分布实时监测系统，应用于生物扰动存在下淡水/沉积物模拟体系pH时空分布规律的监测。

该系统具有响应pH范围宽（6.2～8.6）、响应快速（响应时间<30 s）、准确性高、可逆性和抗干扰性强、稳定性好等优点，可用于监测有扰动生物存在的水/沉积物模拟体系微环境的pH，直观反映pH的时空变化规律。

监测结果表明，沉积物自身pH时空变化虽较小，但其对上覆水pH有重要影响，上覆水pH存在显著而复杂的变化，体系pH的变化规律是多种机制作用的结果，而生物扰动对这些作用均有影响。

2. 研究植物根际pH值和O₂的同步变化特征：

采用自主构建的平面光极技术，以凹凸棒石黏土钝化土壤-根系微界面为研究对象，精细刻画土壤-根系微界面pH值和O₂的同步变化特征。

3. 测定植物根际中的pH值：

平面光极技术基于光电效应和荧光分析原理，能够实时捕获并转化光信号为电信号，实现对植物根际环境中pH值的精确测量。

与传统的pH值测量方法相比，该技术具有非侵入性、无损检测的特点，能够在不破坏植物和土壤原生环境的前提下，实时监测根际区域的pH值变化。

能够揭示植物根系与微生物之间复杂的相互作用关系，包括根系分泌的有机酸导致的根际环境酸化，以及植物根系对营养元素的吸收过程。

具有高时空分辨率，可以捕捉到根际区域pH值的微小变化，这对于理解植物如何在微尺度上调节其生长环境具有重要意义。

已被用于多种植物根际环境的研究，包括湿地植物根际修复过程、蓝藻分解过程以及土壤生物地球化学过程的研究。

4. 研究生物扰动下水/沉积物体系中pH、DO和pCO₂的变化规律：

利用平面光极技术，制备pH、溶解氧（DO）和CO₂分压（pCO₂）荧光传感膜，构建集3种膜于一体的水/沉积物模拟体系，并研究颤蚓扰动作用下体系中pH、DO、pCO₂的二维分布。

平面光极技术在pH研究中的优势如下：

1. 实时、快速获取微区pH的分布：能够实时、快速地获取区域pH的分布，实现时间分辨率毫秒，空间分辨率亚毫米。

2. 非侵入性成像测量：不破坏原生环境，可进行非侵入式成像测量。

3. 配备高像素CMOS相机：如配备1250w（便携式）/2000w（封闭式）像素的CMOS相机。

4. 满足测定所需的暗室条件：如PO2100设备自带封闭式箱体。

5. 配套软件集成校准、获取图像、处理图像于一体：操作简单。

6. 与其他高分辨技术具有互补性。

平面光极分析仪（PO）是二维、亚毫米级检测水土环境多种指标的高新技术设备。智感环境积极从事平面光极设备开发和商业化推广，开发了封闭式PO系统，可实现pH、DO和CO2的精准和秒级实时检测。2020年智感环境的PO设备成功走进法国波尔多大学，为“中国制造"赢得了世界的尊重。