From two sensors to a single sensor: Better understanding of oxygen-sulfide interfaces  

從雙傳感器到單傳感器：更好地理解氧-硫化物界面  

來源：Limnol. Oceanogr.: Methods 21, 2023, 606–614

《湖泊與海洋學(xué)：方法》第21卷，2023年，第606-614頁

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：沉積物和生物膜中的生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化常發(fā)生在亞毫米尺度。傳統(tǒng)微傳感器需嚴(yán)格對齊多個(gè)探頭（如H?S和pH傳感器），導(dǎo)致數(shù)據(jù)解讀困難。本研究通過新型總?cè)芙饬蚧铮═DS）傳感器和組合式H?S/O?微傳感器，解決了硫化物環(huán)境中（尤其是氧-硫化物界面）的測量難題。TDS傳感器無需pH校正，組合傳感器實(shí)現(xiàn)了H?S和O?的同步同點(diǎn)測量，提高了通量計(jì)算和界面重疊區(qū)域分析的準(zhǔn)確性。

 

研究目的

解決傳統(tǒng)多傳感器在測量氧-硫化物界面時(shí)因探頭未對齊或空間異質(zhì)性導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差問題。  

 

驗(yàn)證新型TDS傳感器和組合H?S/O?傳感器在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性。  

 

研究思路

傳感器開發(fā)：  

 

設(shè)計(jì)TDS傳感器（酸性轉(zhuǎn)換腔將HS?/S2?轉(zhuǎn)化為H?S，直接檢測總硫化物）。  

 

構(gòu)建組合H?S/O?傳感器（內(nèi)嵌O?探頭，外部涂覆光隔離層）。  

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：  

 

在光照/黑暗條件下，對比傳統(tǒng)多傳感器（H?S+pH、O?+TDS）與組合傳感器的沉積物剖面數(shù)據(jù)。  

 

分析傳感器對硫化物的抗干擾能力（極化電壓、陰極尺寸、預(yù)處理的優(yōu)化）。  

數(shù)據(jù)分析：  

 

通過通量計(jì)算（菲克定律）和化學(xué)計(jì)量比驗(yàn)證界面過程。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

TDS深度剖面（圖2）：  

 

 

意義：驗(yàn)證TDS傳感器在光照/黑暗條件下與傳統(tǒng)方法（H?S+pH計(jì)算）的一致性，證明其無需pH校正的可靠性。  

O?和TDS的共分布剖面（圖3A-C）：  

 

 

意義：傳統(tǒng)方法顯示氧-硫化物界面存在0.3–0.4 mm間隙，暗示非直接氧化過程（如硝酸鹽還原或光合作用）。  

組合傳感器的H?S/O?同步剖面（圖3D-E）：  

 

意義：揭示界面無間隙，氧與H?S實(shí)際重疊，糾正傳統(tǒng)方法的對齊誤差，證實(shí)直接需氧氧化主導(dǎo)。  

O?傳感器對H?S的干擾響應(yīng)（圖4）：

 

 

意義：小陰極設(shè)計(jì)及硫化預(yù)處理可消除H?S引起的假負(fù)氧信號，提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。  

O?與TDS通量比（表1）：  

 

 

意義：平均比值≈2（符合HS?+2O?→SO?2?+H?化學(xué)計(jì)量），支持直接需氧氧化假說。  

 

結(jié)論

TDS傳感器簡化了總硫化物測量，避免pH探頭的空間誤差（傳統(tǒng)pH探頭敏感區(qū)長200μm）。  

 

組合H?S/O?傳感器通過同點(diǎn)測量，證實(shí)氧-硫化物界面無間隙（傳統(tǒng)方法因未對齊誤判間隙）。  

 

H?S對O?傳感器的負(fù)干擾可通過陰極小型化和硫化預(yù)處理消除（圖4C）。  

 

在高度分層環(huán)境中，單傳感器設(shè)計(jì)優(yōu)于多傳感器，但響應(yīng)時(shí)間較慢（TDS：30秒；組合：90秒）。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

 

使用丹麥Unisense電極（TDS傳感器和組合H?S/O?傳感器）測得的數(shù)據(jù)具有以下核心意義：  

解決空間對齊難題：  

 

傳統(tǒng)方法需分別插入H?S、pH、O?傳感器，亞毫米尺度未對齊導(dǎo)致假性"氧-硫化物間隙"（圖3A-C）。組合傳感器通過單點(diǎn)同步測量（圖3D-E），證實(shí)界面實(shí)際重疊，推翻間隙假說，明確直接需氧氧化主導(dǎo)硫循環(huán)。  

消除H?S對O?測量的干擾：  

 

Unisense組合傳感器中，H?S在探頭尖端被鐵氰化物氧化，避免H?S擴(kuò)散至O?陰極引發(fā)假負(fù)信號（傳統(tǒng)O?傳感器暴露于H?S時(shí)讀數(shù)異常，圖4）。  

提升通量計(jì)算精度：  

 

同步同點(diǎn)數(shù)據(jù)（圖3D-E）結(jié)合菲克定律計(jì)算的O?/H?S通量比接近理論值2（表1），支持化學(xué)計(jì)量驗(yàn)證，深化對硫氧化途徑的理解。  

適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境：  

 

TDS傳感器內(nèi)置酸性腔（0.1 mol L?1 HCl），直接轉(zhuǎn)化HS?/S2?，避免沉積物中FeS溶解或硫化物形態(tài)變化的干擾，在光合沉積物（pH梯度陡變）中仍可靠（圖2）。  

推動(dòng)界面過程研究：  

 

高分辨率數(shù)據(jù)（50 μm）揭示微生物活動(dòng)（如電纜細(xì)菌、光合硫細(xì)菌）的精確作用位點(diǎn)，為硫-氧耦合的生物地球化學(xué)模型提供實(shí)證基礎(chǔ)。  

 

綜上，Unisense電極通過技術(shù)創(chuàng)新，解決了沉積物微觀界面研究的核心瓶頸，為硫循環(huán)機(jī)制提供了更精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)工具。