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：方法》第21卷，2023年，第606-614頁

 

摘要內容

 

摘要指出：沉積物和生物膜中的生物地球化學轉化常發生在亞毫米尺度。傳統微傳感器需嚴格對齊多個探頭（如H?S和pH傳感器），導致數據解讀困難。本研究通過新型總溶解硫化物（TDS）傳感器和組合式H?S/O?微傳感器，解決了硫化物環境中（尤其是氧-硫化物界面）的測量難題。TDS傳感器無需pH校正，組合傳感器實現了H?S和O?的同步同點測量，提高了通量計算和界面重疊區域分析的準確性。

 

研究目的

解決傳統多傳感器在測量氧-硫化物界面時因探頭未對齊或空間異質性導致的數據誤差問題。  

 

驗證新型TDS傳感器和組合H?S/O?傳感器在復雜環境中的可靠性。  

 

研究思路

傳感器開發：  

 

設計TDS傳感器（酸性轉換腔將HS?/S2?轉化為H?S，直接檢測總硫化物）。  

 

構建組合H?S/O?傳感器（內嵌O?探頭，外部涂覆光隔離層）。  

實驗驗證：  

 

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

 

分析傳感器對硫化物的抗干擾能力（極化電壓、陰極尺寸、預處理的優化）。  

數據分析：  

 

通過通量計算（菲克定律）和化學計量比驗證界面過程。  

 

測量數據及研究意義

TDS深度剖面（圖2）：  

 

 

意義：驗證TDS傳感器在光照/黑暗條件下與傳統方法（H?S+pH計算）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實際重疊，糾正傳統方法的對齊誤差，證實直接需氧氧化主導。  

O?傳感器對H?S的干擾響應（圖4）：

 

 

意義：小陰極設計及硫化預處理可消除H?S引起的假負氧信號，提升數據準確性。  

O?與TDS通量比（表1）：  

 

 

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

 

結論

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pH探頭敏感區長200μm）。  

 

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

 

H?S對O?傳感器的負干擾可通過陰極小型化和硫化預處理消除（圖4C）。  

 

在高度分層環境中，單傳感器設計優于多傳感器，但響應時間較慢（TDS：30秒；組合：90秒）。  

 

Unisense電極數據的研究意義詳細解讀

 

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

解決空間對齊難題：  

 

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

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擴散至O?陰極引發假負信號（傳統O?傳感器暴露于H?S時讀數異常，圖4）。  

提升通量計算精度：  

 

同步同點數據（圖3D-E）結合菲克定律計算的O?/H?S通量比接近理論值2（表1），支持化學計量驗證，深化對硫氧化途徑的理解。  

適應復雜環境：  

 

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

推動界面過程研究：  

 

高分辨率數據（50 μm）揭示微生物活動（如電纜細菌、光合硫細菌）的精確作用位點，為硫-氧耦合的生物地球化學模型提供實證基礎。  

 

綜上，Unisense電極通過技術創新，解決了沉積物微觀界面研究的核心瓶頸，為硫循環機制提供了更精準的實驗工具。