1.摘要

本文檔旨在系統(tǒng)性地介紹氫電極（HydrogenElectrode）的基本原理，并重點聚焦于丹麥Unisense公司生產(chǎn)的氫氣微電極（H?Microsensor）的技術(shù)特點、工作機理、應用領(lǐng)域及操作注意事項。該文檔為研究人員在微生物學、環(huán)境科學、電化學和工業(yè)過程監(jiān)控等領(lǐng)域使用該尖端工具提供理論支持和實踐參考。

2.氫電極基礎理論

氫電極是一種對氫氣分壓（pH?）或濃度具有特異性響應的電化學傳感器。其核心原理基于氫氣的氧化反應。

?經(jīng)典原理-標準氫電極(SHE):

在電化學中，標準氫電極是定義電極電勢基準（E°=0V）的理想電極。其半反應為：

該反應的能斯特方程（NernstEquation）為：

其中E°=0V，R是氣體常數(shù)，T是絕對溫度，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。

?傳感器原理-極化氫電極:

Unisense的氫氣微電極并非用于測量電勢，而是作為電流型（安培型）傳感器。其工作原理是：

1.極化電壓:在工作電極（陽極）和對電極（陰極）之間施加一個固定的正極化電壓（通常為+0.6to+0.8Vvs.內(nèi)部參比電極）。

2.電化學反應:氫氣分子擴散通過選擇性膜到達陽極表面，并被強制氧化：

3.電流信號:上述反應產(chǎn)生的電流與擴散到電極表面的氫氣速率成正比，進而與樣品中的氫氣分壓（濃度）成正比。該電流信號（pA級）被高靈敏度放大器測量并轉(zhuǎn)換為濃度讀數(shù)。

3.丹麥Unisense氫氣微電極技術(shù)詳解

Unisense是專門設計和制造微傳感器系統(tǒng)的世界領(lǐng)先公司，其氫氣微電極以其極高的靈敏度和空間分辨率而聞名。

3.1核心結(jié)構(gòu)與特點:

1.微型化尖端:傳感器尖端直徑可小至10-100μm，使其能夠進行微環(huán)境測量（如生物膜、沉積物、植物根際、單個細胞團），幾乎不對被測體系造成干擾。

2.選擇性膜:尖端覆蓋一層專用的氫氣選擇性膜。該膜允許氫氣快速通過，同時有效排除水、離子、硫化氫（H?S）等常見干擾物質(zhì)，確保測量的高選擇性和穩(wěn)定性。

3.三電極系統(tǒng):內(nèi)置工作電極、對電極和參比電極，構(gòu)成一個完整的電化學電池，確保極化電壓穩(wěn)定，讀數(shù)準確。

4.高靈敏度與低檢測限:得益于精密的電極設計和強大的信號放大器（UnisenseAmpmeter），檢測限可低至納摩爾（nM）甚至皮摩爾（pM）級別，能夠探測微生物產(chǎn)生的微量氫氣。

5.快速響應時間:(T90)通常小于1秒，能夠?qū)崟r監(jiān)測氫氣的動態(tài)變化過程。

3.2典型型號示例(UnisenseH?Microsensor):

?測量范圍:通常提供多種范圍，如0.1-100μM,1-1000μM,最高可達2mM。

?檢測限:低至10-50nM。

?尖端直徑:常見有50μm,100μm等規(guī)格。

?兼容性:可與Unisense的微操作器、顯微鏡安裝座聯(lián)用，進行精確的一維/二維空間剖面掃描。

4.主要科研應用領(lǐng)域

Unisense氫氣微電極的應用極大地推動了多個前沿科學領(lǐng)域的發(fā)展：

1.環(huán)境微生物學與生物地球化學:

?產(chǎn)甲烷作用研究:氫氣是厭氧消化中互營代謝的關(guān)鍵中間產(chǎn)物。微電極用于測量沉積物、污泥中H?的微梯度，研究產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的氫轉(zhuǎn)移。

?硫酸鹽還原研究:監(jiān)測硫酸鹽還原菌對H?的消耗。

?反硝化作用:研究氫氣作為電子供體驅(qū)動反硝化過程。

2.醫(yī)學與腸道微生物組研究:

?腸道菌群代謝:探測人類或動物腸道（體外模擬系統(tǒng)或體內(nèi)）中微生物發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣，研究其與健康、疾病（如炎癥性腸病）的關(guān)系。

?呼氣氫測試研究:為臨床呼氣氫測試提供更直接、空間分辨的體內(nèi)驗證手段。

3.生物技術(shù)與工業(yè)過程監(jiān)控:

?發(fā)酵過程優(yōu)化:實時監(jiān)測發(fā)酵罐中氫氣作為副產(chǎn)品或底物的濃度，優(yōu)化菌株性能和工藝條件。

?生物氫生產(chǎn):在線監(jiān)測產(chǎn)氫微生物（如梭菌、藻類）的產(chǎn)氫速率和效率，篩選高效菌株。

4.植物與土壤科學:

?根際微生物互作:測量植物根際周圍由于固氮菌、產(chǎn)氫菌活動造成的H?微環(huán)境變化。

?共生固氮:研究豆科植物根瘤中固氮酶反應產(chǎn)生的氫氣及其再氧化過程。

5.材料與腐蝕科學:

?氫滲透研究:監(jiān)測金屬材料在腐蝕過程中表面析出的氫氣，用于評估材料的氫脆敏感性。

5.操作注意事項與校準

1.校準至關(guān)重要:微電極在使用前必須進行校準。

?零點溶液:使用連二亞硫酸鈉（Sodiumdithionite,Na?S?O?）溶液化學除氧除氫，作為“零點”。

?標定點:使用用已知濃度氫氣飽和的溶液（通過用特定分壓的H?/N?混合氣鼓泡）進行校準。通常至少需要兩個標定點。

2.避免尖端損壞:玻璃封裝的傳感器尖端極其脆弱，操作需格外小心，避免觸碰任何堅硬物體。

3.溫度穩(wěn)定性:校準和測量時的溫度應保持恒定，因為溫度影響氫氣的溶解度、擴散速率和傳感器靈敏度。

4.避免干擾物質(zhì):盡管有選擇性膜，極高濃度的某些還原性物質(zhì)（如H?S）仍可能產(chǎn)生輕微干擾。需了解待測體系的化學成分。

5.正確儲存:長期不使用時，應按照說明書要求將電極尖端置于專用儲存液中，以保持膜和電極的活性。

6.總結(jié)與展望

丹麥Unisense的氫氣微電極代表了微傳感器技術(shù)的頂峰，它將經(jīng)典的氫電極原理與先進的微制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對氫氣濃度前所未有的高分辨率、高靈敏度、實時原位測量。

它已成為探索微觀世界氫循環(huán)不可或缺的工具，從深海沉積物到人類腸道，從實驗室發(fā)酵罐到植物根瘤，極大地深化了我們對微生物代謝途徑、生態(tài)系統(tǒng)功能以及工業(yè)生物過程的理解。隨著技術(shù)的不斷進步，其應用邊界將繼續(xù)拓展，為科學發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新提供強大支撐。

參考文獻與推薦閱讀

1.UnisenseA/S官方網(wǎng)站:https://www.unisense.com/

2.Revsbech,N.P.,&J?rgensen,B.B.(1986).Microelectrodes:theiruseinmicrobialecology.AdvancesinMicrobialEcology,9,293-352.

3.Petersen,S.P.,&Revsbech,N.P.(2018).HydrogenMicrosensorsforEnvironmentalandBiologicalApplications.InMicrosensorsforEnvironmentalandBiologicalApplications*(pp.1-20).Springer,Cham.

4.Kjerulf,P.etal.(2022).ApplicationofH?microsensorsinananaerobicmovingbedbiofilmreactor.WaterResearch,216,118320.

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