平面光極（Planar Optode）技術(shù)是一種基于光學傳感原理的高分辨化學成像技術(shù)，主要用于環(huán)境介質(zhì)中關(guān)鍵化學參數(shù)（如pH、溶解氧、二氧化碳等）的原位動態(tài)監(jiān)測。該技術(shù)的核心在于將特異性熒光或吸收性染料固定于透明聚合物載體表面，通過染料分子與目標化學物質(zhì)的特異性相互作用引起的光學信號變化實現(xiàn)定量檢測。其工作流程主要包括五個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：（1）染料選擇與固定化，依據(jù)目標參數(shù)篩選具有特異性響應(yīng)特征的熒光染料；（2）光學激發(fā)，采用特定波長光源（通常為可見光或紫外光）激發(fā)染料分子；（3）熒光信號采集，通過高靈敏度CCD相機記錄熒光強度或壽命的變化；（4）空間成像，將傳感膜置于待測介質(zhì)表面或內(nèi)部，獲取化學參數(shù)的空間分布圖像；（5）定量分析，基于預先建立的標定曲線將光學信號轉(zhuǎn)換為化學參數(shù)濃度值。

       該技術(shù)明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在其非破壞性檢測特性和優(yōu)異的時空分辨率（可達亞毫米級和秒級），這使其在環(huán)境過程研究中展現(xiàn)出特殊的價值。在土壤科學研究中，平面光極技術(shù)能夠?qū)崟r可視化根際微域的pH動態(tài)變化，為研究植物-土壤相互作用、污染物遷移轉(zhuǎn)化等過程提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。在水環(huán)境領(lǐng)域，該技術(shù)已成功應(yīng)用于沉積物-水界面溶解氧梯度的精細刻畫，為水體富營養(yǎng)化機制研究和生態(tài)系統(tǒng)健康評估提供重要技術(shù)手段。此外，在微生物生態(tài)學研究中，該技術(shù)還能揭示微生物活動與微環(huán)境化學參數(shù)變化的耦合關(guān)系。隨著新型熒光探針的開發(fā)和成像算法的優(yōu)化，平面光極技術(shù)正逐步向多參數(shù)同步檢測、三維成像等方向發(fā)展，為環(huán)境化學過程研究提供更強大的技術(shù)支撐。

案例分享：

ESS：不同鉻暴露條件下李氏禾根際pH的空間動態(tài)變化研究內(nèi)容

研究內(nèi)容

      超積累植物的根能顯著改變土壤pH值，從而改變根際鉻（Cr）的有效性。目前對于鉻超積累植物李氏禾根際pH的動態(tài)變化尚不清楚。本研究采用平面光極技術(shù)(PO)研究了不同Cr暴露條件下李氏禾根際pH的空間動態(tài)變化，以及不同鉻濃度對土壤生物量、生理參數(shù)和土壤酶活性的影響。研究結(jié)果表明：李氏禾根際pH具有高度的異質(zhì)性，且與根的形狀密切相關(guān)。每個實驗組的土壤酸化均顯著，對照組、Cr50和Cr100組的平均pH值分別降低了0.26、0.27和0.35 pH單位。在一定濃度(50 mg kg-1)下，Cr顯著提高了李氏禾的株高和生物量(p < 0.05)。葉片中葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素濃度隨Cr濃度的增加而升高。根際酸性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性均高于周邊土壤。該研究結(jié)果為闡明Cr的超積累機制和提高植物修復效率提供了新的思路。

平面光極的應(yīng)用

在本研究中，平面光極（PO）技術(shù)用于生成李氏禾根際中pH的空間分布圖像，這些圖像有助于揭示根際中鉻的活化模式，并為開發(fā)針對性策略提供有價值的見解。平面光極技術(shù)的應(yīng)用使得研究者能夠在微觀尺度上觀察和量化根際中的生物地球化學過程，為理解植物根部如何調(diào)節(jié)根際環(huán)境以及植物與微生物之間的相互作用提供了有力的工具。