微电极作为一种具有高空间分辨率和无损检测特性的分析工具，在环境科学、生态学及生物分析等领域发挥着重要作用。本文将从定义、分类、优势、应用及操作等方面，对微电极技术进行系统阐述。
一、微电极的定义与分类
微电极的核心特征在于其尺度与功能的结合：电极至少在一个维度上达到微米或纳米级（<100微米），能够实现对待测物的无损测量。从广义上讲，微电极包含两类：一类是微型化的电极，如微型离子选择性电极，可用于监测体液甚至细胞内离子活度；另一类是电化学分析中电极面积微小但整体并非微型化的电极，如极谱法中的滴汞电极、悬汞电极等。
根据测量原理和对象，微电极主要分为以下三类：
电位电极：基于能斯特方程，通过电极电位变化与待测成分浓度的对数成正比关系实现测量，主要用于测定pH值和氧化还原电位（EH）。以pH微电极为例，其测量范围为2-10（线性范围4-9.18），电极探测端直径100-200μm（玻璃电极），温度适应范围0-50℃，使用寿命≥90天；EH微电极测量范围为±1000mV，电极探测端直径可根据需求选择100-500μm（玻璃电极）或1.5mm（钢针电极）。
极谱电极：在固定电势下，通过测量氧化还原电流（电流值与浓度成正比）实现分析，典型应用为溶解氧（DO）和硫化氢（H₂S）的测定。DO微电极极化电压为-0.8V，测量范围0-100%，电极探测端直径与EH微电极类似；H₂S微电极极化电压150mV，测量范围10-300μmol/L，使用寿命≥60天。
伏安微电极：通过扫描特定电势范围并记录电流变化，利用特征伏安波形的电势位置和形状识别离子种类，峰高则反映其浓度，汞电极是常见类型。
二、微电极的技术优势
微电极的技术优势主要体现在以下四个方面：
高灵敏度与快速响应：能够快速捕捉待测物质浓度的细微变化，适用于动态过程的监测。
细微电极探测端与无损测量：微米级的电极探测端可深入沉积物、生物膜等复杂环境，避免对被测体系造成显著扰动，保证测量的真实性。
高时空分辨率：空间上可分辨微米级的浓度梯度，时间上能追踪快速的动态变化，为微观过程研究提供精确数据。
操作简便与便携性：系统结构相对简单，单通道或多通道系统均可快速组装，操作流程标准化，学习成本较低，便于现场应用。
三、微电极的应用场景
微电极在多个领域的应用已取得显著成果：
1. 沉积物-水界面研究
通过测量沉积物-水界面处DO、H₂S、pH、EH等参数的垂向分布，可揭示该区域的物质交换规律。例如，在厌氧与好氧环境下，沉积物柱样中H₂S含量的垂向变化差异可通过微电极清晰表征。
2. 气液相与生物膜分析
在气液相体系中，微电极可用于测定培养孔氧含量、水生植物叶片表面微环境等；对于生物膜，能够探测其内部的DO、pH、EH等参数，为研究生物膜的代谢过程提供依据。如对沉水植物生物膜的研究发现，活性氧（ROS）的产生与DO、EH的光-暗循环波动存在密切关联。
3. 生态与环境过程研究
微生物投加方式对底泥DO的影响：通过微电极测量不同投加方式下底泥DO的纵向梯度，可确定最佳的微生物加入方式。
生物扰动对沉积物微环境的影响：研究表明，颤蚓活动可加强沉积物与上覆水的混合，缩小pH值的垂直差异，并促进DO向深层渗透。
“黑水团"爆发机制：微电极监测发现，藻类腐烂分解会形成低DO、低pH和低ORP环境，为环境敏感元素的形态转化及厌氧微生物代谢创造条件。
污水处理工艺优化：在SBR系统中，利用微电极研究曝气量对硝化作用的影响，可通过分析污泥絮体中各物质的浓度梯度优化运行参数。
四、微电极系统与操作流程
微电极系统分为单通道和多通道。单通道系统由微电极、参比电极、推进器、升降台、主机及分析软件组成；多通道系统可实现pH、EH、DO、H₂S等多指标的同步测定，提高检测效率。
以pH微电极操作为例，主要流程包括：
1. 系统组装：连接微电极、参比电极、主机与计算机，固定推进器和升降台。
2. 电极校准：使用标准缓冲溶液对pH电极进行校准，确保测量精度。
3. 样品测定：将电极探测端缓慢插入待测环境，通过分析软件记录不同深度的参数值，生成浓度梯度曲线。
微电极技术以其特殊的优势，为微观尺度下的物质监测和过程研究提供了强有力的工具。随着技术的不断发展，其在环境科学、生态学等领域的应用将更加广泛，为相关研究的深入开展提供重要支撑。水下高压环境，满足河流、湖泊等自然场景的长期监测需求。
咨询电话