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平面光电极技术在沉积物微界面过程应用研究取得重要进展
【发布时间:2016-11-07 】 【 】【打印】【关闭

  沉积物微界面过程的发生大都是以微尺度体现的各种物理、化学和生物效应,二维原位研究手段是科学阐释这些过程的关键。平面光电极技术(简称PO)是当前快速发展的一种新型原位、实时监测技术。PO基于荧光分析原理,通过将敏感的荧光指示剂附在平面基质上,在激发光源照射下,光敏物质与目标物相互作用并伴随荧光信号(强度、寿命)变化,利用数字成像技术实时记录其二维特征发射光谱,从而测量目标物的二维空间分布信息。该技术具有极高的灵敏度(高出传统方法2~3个数量级),能够携带多种光学特性参数如量子产率、激发波长、释放波长、荧光寿命及荧光偏振等,可提供独特的多路复用功能,具有非常优异的信号选择性。此外,PO系统具有设备简单,操作简便,响应时间快(ns-s级),重现性高等优势。PO技术最早应用于医学、生物科学、航空动力学及分子生物学等研究,近年来逐步引入到环境监测领域。 

  在国家自然科学基金和中科院南京地理与湖泊研究所人才引进基金的资助下,我所湖泊环境与工程研究室韩超博士在国内湖泊研究领域率先引入PO,研制出三种PO系统并成功应用于沉积物微界面过程研究。相关研究成果发表在Scientific Reports, Science of the Total Environment Water Research上面,取得主要研究进展如下: 

  (1)构建新型CPIPA-PO系统,该系统具有较宽响应区间pH 7.5-pH 10.5、快速响应时间(t < 90 s), 高分辨率(22 μm)及良好抗干扰能力, 可适用于碱性基质(沉积物、水体和土壤等)监测。利用该技术进一步研究了苦草光合作用对根际pH二维分布特征影响(1-I),结果表明苦草根际区域pH呈显著异质性分布,光合作用会导致上覆水中pH > 9.0,而苦草根际分泌的小分子有机酸可以导致苦草根际区域pH降低0.3pH单位。 

  (2)构建PtOEP-PO系统研究了苦草根系泌氧动力学过程,该研究从微尺度首次报道了苦草根际泌氧形式并且原位测量不同生长期苦草根系氧释放通量变化(1-II)。结果表明根际泌氧过程发生在整条根表面,根系氧的释放量在靠近根基区域最为强烈而根尖最低;苦草36天生长期间根际泌氧通量为8.80 ± 7.32 to 30.34 ± 17.71 nmol m-2 s-1,显著高于多数沉水植物,因此具备很强的环境适应能力;此外,研究还直接证实光照条件是控制苦草根际泌氧的重要控制因子。 

  (3)构建新型复式传感器(DOS)可同步、高分辨获取沉积物微界面DO和活性磷释放通量二维分布信息,利用DOS系统研究苦草根际界面DO和活性磷的同步变化特征(1-III),结果表明苦草根际区域DO和活性磷通量二维分布特征具有明显异质性且具有很好的同步性;苦草根际泌氧过程所形成的根际好氧层可明显促进活性磷向非活性磷转化。 

  1. 苦草根际pH (I), 根际泌氧(II)DO-P (III) 二维分布特征 

  全文链接如下: 

  (1) http://www.nature.com/articles/srep26417 

  (2) http://sciencedirect.com/science/ article/pii/S0048969716313857

  (3) http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313541630834X

 

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