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研究简介：电化学技术为废水处理和化学合成提供了一种清洁而强大的工具。 （生物）电化学系统通过向微生物生长的电极施加电势来催化（微生物）转化。 微生物将施加的能量直接用作电子或间接用作氢气，氢气在阴极由电子和质子形成。 微电极传感器具有细小的尖端（低至 1 μm），这使得能够以与尖端尺寸相同的空间分辨率进行测量。 传感器可以沿轮廓轴移动以测量梯度。 微电极传感器已应用于许多不同的领域，包括生物化学、植物科学、微生物学和生物医学，但它们在电化学系统中的应用仍然有限。

安培微传感器的应用有望使微电极传感器在电化学系统中的应用更加适用，安培微传感器测量微电极表面氧化还原反应产生的电流信号。 在（生物）电化学系统中使用电位微电极分析局部梯度时，需要解决电场干扰问题，解决该问题的最佳方法是尽量减少传感电极和参比电极之间的距离。 在定制传感器中，参考电极和测量电极内置于同一个传感器中并连接到导电液体。 虽然这提供了可靠的结果，但较厚的微传感器尖端不允许传感器移动超过 600 μm 的距离而不穿透生物膜中毫米宽的孔隙。 短距离足以测量 2D 电极上生物膜的内部，但不能测量通常用于生物阳极或生物阴极的毫米甚至厘米厚的 3D 多孔电极。

在这项研究中，提出了一种微电极传感器（unisense）应用程序来开发（生物）电化学系统来测量电解质中的梯度，并首次测量整个多孔 3D 电极。 方法开发包括三个步骤。 首先设计的反应器具有关键特征，允许在几厘米范围内进行微观测量，保持厌氧条件和 10 L/h 的连续无泄漏液体电解质再循环。 便于使用和小心处理微传感器的实用技巧和协议。 其次，反应器被设计成呈现H的微观分布。第三，提出并验证了克服电位微传感器测量过程中电场干扰的校正方法。 通过这种方法，电位微传感器最终可以应用于（生物）电化学系统中梯度的精确测量，即使在高电流（- 10 kA / m）下也是如此。 校准方法用于显示电场电位、ORP和pH的梯度分布。 研究中的分布显示电极表面的全局和局部条件之间存在显着差异，这突出了所提出方法的重要性及其在传质研究中的可能应用。

Unisense微电极研究系统在丹麦的应用

结合实验室工作台 (LS18)、显微操作器 (MM33-2)、电机驱动显微操作器平台 (MMS) 和电机控制器 (MC-232)，以精确操作微传感器 (Unisense)。 H2 微电极传感器 (H2 - 50)、pH 微电极 (pH-50)、氧化还原电位微电极 (RD-50)、参比微电极 (REF-100) 和微模压电位电极 (EP-100)，所有尖端尺寸 40 - 60 μm（全部来自 Unisense，确定宏下的相对传感器长度，以便能够在图中组合不同的传感器测量值。对于电位微传感器，将两个外部毛细管安装在反应器阴极下方 5mm 和 7mm 处，毛细管被填充凝胶化 3M KCl，并通过充满液体 3M KCl 的管连接到 Ag/AgCl 参比电极。

实验结果：成功应用 unisense 微传感器测量电化学系统中的梯度。 反应器的测量井垂直于剖面方向，允许剖面电解液无泄漏再循环条件。 提供的手册和视频说明将帮助未来的用户应用此方法。 分析了电解质中的局部 H2、电势、pH 和 ORP，并且首次分析了整个多孔电极。 对于电位微传感器，局部电场电位校正是校正电场扰动的可靠方法。 这些传感器的应用可以扩展到电化学系统中生物膜梯度和局部反应器条件的研究。

图 1. 带再循环、进水、出水和 pH 控制的电化学电池设置。 阳极电解液再循环以绿色显示以便于查看。

图 2. 在（生物）电化学反应器中制作显微剖面的设置。 将电化学反应器放在以 17° 倾角 (A) 连接到接地板的升降板 (D) 上。 为了制作微轮廓，将微传感器放置在电机工具头支架 (B) 中，并通过套筒 (C) 进入反应器。 为了测量微观轮廓，阴极电解液循环会短暂停止以“套入”（图 2C）到微传感器中。 用硅脂润滑微传感器颈部，以确保颈部和插管之间的防水密封。 硅脂可使电解液无泄漏地移动传感器。 将微传感器固定在插管中后，再次开启再循环ph传感器ph传感器，即可形成微切片，在此期间微电极传感器被移除，步长为100μm）（图2B）刺穿石墨电极并形成通过阴极层到插入电池的膜的梯度。

图 3 在-200 mA 和无电流条件下，两个电化学反应器（1 和 2）中的氢气浓度随距离变化的曲线。 左图是反应器的示意图，每个反应器（1和2）的曲线图都绘制了两次。 在没有电流施加到电化学电池的情况下，没有检测到氢气。 在施加电流的情况下，最靠近对电极的阴极电解液中的氢浓度较低（图 3，距离为 20-25 毫米），而在最靠近对电极的阴极处氢浓度最高。

图 4. pH 微传感器测量。 (A) 体积 pH 值与放置在阴极室体积入口点的 pH 微传感器报告的 pH 值之间的偏差，相对于顶部固定的不同阴极电流振幅。参考物质测量 pH 信号。 (B, C) 在 -50 mA 下运行的电化学反应器中的 pH 值与距离曲线。 相对于顶部固定参比电极测量 pH 值，并相对于底部固定参比电极测量两次。 使用 EP 顶部（B，绿色）和底部（B，浅蓝色）参考曲线校准（B，黑色）和底部（B，黄色）参考电极以获得校正的 pH 曲线。 还使用开孔（C，蓝色）测量了 pH 曲线。 在 pH 顶部参考曲线形成后，立即将 pH 微传感器尖端放置在底部参考电极旁边并记录 7 分钟（C，黄色十字）。 当没有电流施加到系统时，再循环中的 pH 值和微传感器 pH 值（图 6A）。 施加电流后，pH 微传感器报告的 pH 值低于再循环 pH 值。 该偏移量以半线性趋势随着电流的增加而增加。 在 -100 mA 或更负的电流值下，pH 微传感器甚至会报告负 pH 值。 因此，信号明显偏离施加电流时的再循环 pH 值。

图 5. 氧化还原电位的重复曲线。 在 -200 mA 下运行的电化学反应器内随距离变化的氧化还原电位 (ORP)。 氧化还原电位是相对于顶部固定参比电极测量的。 氧化还原电位测量的原始数据是相对于顶部参比电极测量的。 （A，黑色和灰色）使用 EP 顶部参考曲线进行校准（A，绿色）以获得校正后的 ORP 曲线（B，红色）。 在不同的反应器（1 和 2）中重复两次用开电池电压测量 ORP 分布，并且仅显示一个反应器（1）的阴极位置用于观察目的。

摘要：本研究开发了一种基于使用微传感器测量微生物电合成中 pH 和 H2 梯度的技术。 使用三维电极（生物）电化学系统可能会导致从本体条件到电极的梯度出现。 由于这些梯度（例如，关于 pH 和反应物/产物浓度）决定了电极的性能，因此能够准确测量它们至关重要。 除了这些参数之外，还确定了电解质和整个 3D 多孔电极中的局部氧化还原电位和电场电位。 关键是要认识到电场的存在会干扰使用电位微传感器 (unisense) 获得的测量结果。 为了克服对 pH 测量的干扰，演示了一种用电位微传感器测量系统（unisense）的局部电场校正信号的方法，为电极设计、反应器工程、电活性生物膜梯度测量和（生物）电化学系统提供了有用的工具用于研究三维多孔电极内部和周围的流体动力学。

18101621848 王磊

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丹麦Unisense微电极可以穿透水体、生物膜、颗粒污泥、植物根系、树叶、土壤和液固扩散边界层，研究微区域和微生态研究系统。 微电极尖端只有几微米，可以深入样品，测量微环境，不破坏被测对象的结构和生理活动，在极短的时间内达到平衡，对流动不敏感。 可深入物体，检测不同深度（ppb级）O2、H2、H2S、NO、N2O、Redox、pH、温度等指标的变化。

水沙界面物质交换通量、植物水下叶片光合作用、呼吸作用、沉水植物根系氧气分泌和芦苇曝气、藻垫、湿地生态循环、水体恢复、富营养化、动植物、微生物与沉积物沉积剖面微生物的协同作用代谢、硝化和反硝化等。