微電極作為一種具有高空間分辨率和無損檢測特性的分析工具，在環(huán)境科學、生態(tài)學及生物分析等領域發(fā)揮著重要作用。本文將從定義、分類、優(yōu)勢、應用及操作等方面，對微電極技術進行系統(tǒng)闡述。

一、微電極的定義與分類

微電極的核心特征在于其尺度與功能的結(jié)合：電極至少在一個維度上達到微米或納米級（<100微米），能夠?qū)崿F(xiàn)對待測物的無損測量。從廣義上講，微電極包含兩類：一類是微型化的電極，如微型離子選擇性電極，可用于監(jiān)測體液甚至細胞內(nèi)離子活度；另一類是電化學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)測量原理和對象，微電極主要分為以下三類：

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

極譜電極：在固定電勢下，通過測量氧化還原電流（電流值與濃度成正比）實現(xiàn)分析，典型應用為溶解氧（DO）和硫化氫（H?S）的測定。DO微電極極化電壓為-0.8V，測量范圍0-100%，電極探測端直徑與EH微電極類似；H?S微電極極化電壓150mV，測量范圍10-300μmol/L，使用壽命≥60天。

伏安微電極：通過掃描特定電勢范圍并記錄電流變化，利用特征伏安波形的電勢位置和形狀識別離子種類，峰高則反映其濃度，汞電極是常見類型。

二、微電極的技術優(yōu)勢

微電極的技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下四個方面：

高靈敏度與快速響應：能夠快速捕捉待測物質(zhì)濃度的細微變化，適用于動態(tài)過程的監(jiān)測。

細微電極探測端與無損測量：微米級的電極探測端可深入沉積物、生物膜等復雜環(huán)境，避免對被測體系造成顯著擾動，保證測量的真實性。

高時空分辨率：空間上可分辨微米級的濃度梯度，時間上能追蹤快速的動態(tài)變化，為微觀過程研究提供精確數(shù)據(jù)。

操作簡便與便攜性：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，單通道或多通道系統(tǒng)均可快速組裝，操作流程標準化，學習成本較低，便于現(xiàn)場應用。

三、微電極的應用場景

微電極在多個領域的應用已取得顯著成果：

1. 沉積物-水界面研究

通過測量沉積物-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，微電極可用于測定培養(yǎng)孔氧含量、水生植物葉片表面微環(huán)境等；對于生物膜，能夠探測其內(nèi)部的DO、pH、EH等參數(shù)，為研究生物膜的代謝過程提供依據(jù)。如對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)波動存在密切關聯(lián)。

3. 生態(tài)與環(huán)境過程研究

微生物投加方式對底泥DO的影響：通過微電極測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。

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

“黑水團"爆發(fā)機制：微電極監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，藻類腐爛分解會形成低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硝化作用的影響，可通過分析污泥絮體中各物質(zhì)的濃度梯度優(yōu)化運行參數(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、推進器、升降臺、主機及分析軟件組成；多通道系統(tǒng)可實現(xiàn)pH、EH、DO、H?S等多指標的同步測定，提高檢測效率。

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、主機與計算機，固定推進器和升降臺。

2. 電極校準：使用標準緩沖溶液對pH電極進行校準，確保測量精度。

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

微電極技術以其特殊的優(yōu)勢，為微觀尺度下的物質(zhì)監(jiān)測和過程研究提供了強有力的工具。隨著技術的不斷發(fā)展，其在環(huán)境科學、生態(tài)學等領域的應用將更加廣泛，為相關研究的深入開展提供重要支撐。水下高壓環(huán)境，滿足河流、湖泊等自然場景的長期監(jiān)測需求。