化學(xué)傳感器在二十世紀(jì)的發(fā)展極其迅猛,在醫(yī)療、生物、化學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用?;瘜W(xué)傳感器在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的重視。本課題研究主要針對(duì)不同的海洋研究對(duì)象,分別研制了探測(cè)珊瑚內(nèi)部微環(huán)境的液膜微電極以及探測(cè)熱液溶解H2S的固體電極。研究結(jié)果對(duì)于研究海洋生物對(duì)海洋酸化的響應(yīng),多因素培養(yǎng)條件對(duì)珊瑚鈣化和生長(zhǎng)的影響,珊瑚的鈣化機(jī)制,以及探尋淺海熱液分布規(guī)律都有著重要的意義。


本課題研究了基于中性載體的pH液膜微電極、Ca2+液膜微電極以及C032-液膜微電極,液膜微電極具有體積極小、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),液膜微電極的尖端直徑僅有5μm,適合應(yīng)用于生物組織、細(xì)胞層面的離子濃度探測(cè)。本課題自主設(shè)計(jì)制造了三維微電極操縱器和全自動(dòng)控制程序,能夠控制微電極移動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)傳輸記錄數(shù)據(jù)的功能。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)制備液膜微電極的技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。制作的pH液膜微電極Ca2+液膜微電極以及C032-液膜微電極滿足能斯特定律,具有線性相關(guān)系數(shù)好,響應(yīng)范圍寬,靈敏度高,壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。這三種傳感器能夠滿足觀測(cè)珊瑚內(nèi)部微化學(xué)環(huán)境的要求。結(jié)合液膜微電極和三維微電極操縱器,對(duì)不同種類(lèi)珊瑚內(nèi)部的pH、Ca2+和C032-濃度、分布、轉(zhuǎn)運(yùn)以及鈣化機(jī)制進(jìn)行了考察。領(lǐng)域內(nèi)首次獲得珊瑚內(nèi)部完整的pH、Ca2+、CO32-剖面數(shù)據(jù),使用微電極觀測(cè)到了珊瑚的鈣化層。


實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)珊瑚內(nèi)部腔體的pH隨著深度的增加,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);珊瑚內(nèi)部腔體的Ca2+呈現(xiàn)一直減小的趨勢(shì);珊瑚內(nèi)部腔體的C032-呈現(xiàn)先增加,后減小的趨勢(shì);在控制光照條件下,在珊瑚內(nèi)固定位置的pH和C032-濃度呈現(xiàn)周期性變化;結(jié)合腔體底部觀測(cè)到的pH極低值和Ca2+的剖面數(shù)據(jù),驗(yàn)證了質(zhì)子泵理論;探討了珊瑚鈣化的機(jī)理;將pH和C032-剖面數(shù)據(jù)結(jié)合,首次計(jì)算了腔體內(nèi)的總?cè)芙鉄o(wú)機(jī)碳(DIC)和文石飽和度Ωar。設(shè)計(jì)了為期兩年的多因素實(shí)驗(yàn),使用液膜微電極考察珊瑚對(duì)改變pC02、改變溫度、改變營(yíng)養(yǎng)鹽水平等培養(yǎng)條件的響應(yīng)。這一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)考察了珊瑚在面對(duì)未來(lái)的海洋酸化、氣候變暖以及人類(lèi)生活環(huán)境干擾時(shí)會(huì)發(fā)生如何的變化,對(duì)珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、海洋環(huán)境的治理以及人類(lèi)海洋交互影響提供了科學(xué)的依據(jù)。


研究了固體微電極的制備以及優(yōu)化,創(chuàng)新性的使用電鍍技術(shù)提升了溶解H2S電極的探測(cè)下限,從10-4mol/L提升到了10-7mol/L。并且將改進(jìn)過(guò)后的溶解H2S電極集成到自主設(shè)計(jì)研發(fā)的多參數(shù)化學(xué)傳感器上,和pH電極、Eh電極、碳酸根電極等聯(lián)合探測(cè)熱液海水系統(tǒng)的化學(xué)異常值。在2011年5月25日臺(tái)灣龜山島的海試中,多參數(shù)化學(xué)傳感器探測(cè)到了熱液區(qū)域的化學(xué)異常值,并在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中,確定了新熱液噴口可能出現(xiàn)的位置。臺(tái)灣探海公司根據(jù)這一依據(jù),結(jié)合海流情況探測(cè)到了4處新的熱液噴口。