平面光極案例：pH感應(yīng)光極封裝與光學(xué)釋放及其現(xiàn)場使用壽命評估

    本次為您分享一篇由加州理工學(xué)院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在《Journal of Soils and Sediments》上發(fā)表的一篇學(xué)術(shù)論文"Improving planar optode lifetime: encapsulation and optical release  of pH?sensing optodes and assessment of their lifetime in situ"。主要研究了關(guān)于如何提高平面光極（planar optode）在土壤中的使用壽命。平面光極是一種重要的工具，用于探測土壤中的pH值、氧氣（O₂）水平和二氧化碳（CO₂）水平等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)與根際（rhizosphere）的生物學(xué)和生化過程密切相關(guān)。然而，現(xiàn)有的光極存在一個重要的限制，即由于材料在土壤中的降解，導(dǎo)致其使用壽命較短。為了解決這個問題，本文提出了一種新的方法，即通過將光極封裝在黑色染料石蠟中來延長其使用壽命。這種方法允許在不同的土壤條件下進(jìn)行長期測量。具體來說，研究人員使用了商業(yè)上可獲得的平面pH感應(yīng)光極，并將其封裝在平均厚度為700微米的黑色染料石蠟中。封裝的光極只在特定的時間通過控制的光脈沖暴露在環(huán)境中。此外，研究人員設(shè)計(jì)了一個3D打印的支架，其中包含多個微通道，用于支撐光極并在釋放期間幫助吸收融化的石蠟。

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，封裝的光極在土壤中的使用壽命顯著延長，與未封裝的光極相比，觀察到傳感器在土壤中的使用壽命延長了15倍。封裝方法有效地保護(hù)了光極不受降解，保持了它們的響應(yīng)和準(zhǔn)確性。在另一項(xiàng)為期7天的現(xiàn)場研究中，研究人員展示了這種封裝方法使光極能夠在pH值從6.22到7.91的不同類型的土壤中一致且可靠地工作。總之，本文提出的新型封裝方法顯著延長了平面光極在土壤中的使用壽命，這種方法使根際的長期監(jiān)測成為可能，提供了高空間分辨率的非侵入性、實(shí)時測量。

       智感環(huán)境團(tuán)隊(duì)基于平面光極技術(shù)開發(fā)了封閉式平面光極設(shè)備，并成功將其應(yīng)用于沉積物-水微界面、水生動植物和土壤植物根際環(huán)境的研究。這些設(shè)備具備以下特點(diǎn)：

1. 實(shí)時、快速地獲取區(qū)域DO/pH/CO₂的分布。

2. 設(shè)備自帶封閉式箱體，滿足測定所需的暗室條件。

3. 設(shè)備與軟件配套使用，可集成校準(zhǔn)、獲取圖像、處理圖像于一體。

4. 非侵入性成像測量，不破壞原生環(huán)境。

5. 配備高像素CMOS相機(jī)，實(shí)現(xiàn)時間分辨率毫秒級，空間分辨率亞毫米級。

此外，還有便攜式平面光極檢測儀PO1100，它小巧輕便、便于移動和攜帶，同樣能夠?qū)崟r、快速地獲取區(qū)域O2/pH/CO2的分布。使用前，熒光傳感膜需要標(biāo)定并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，工作環(huán)境和存儲環(huán)境對溫度和濕度有一定要求。