微電極是用于量化水系統(tǒng)中微觀尺度界面反應(yīng)的強(qiáng)大且非破壞性工具。它們提供了本體溶液測量無法獲得的信息。其小尺寸尖端以及以高時(shí)空分辨率測量化合物的能力，對(duì)于確定目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)的（隨時(shí)間變化的）傳質(zhì)過程至關(guān)重要，而這正是理解許多工程系統(tǒng)所必需的。本論文中展示的工作證明了微電極在數(shù)個(gè)環(huán)境工程研究領(lǐng)域中的獨(dú)特貢獻(xiàn)。

首先，我們證明了微電極可用于表征在新型微藻處理系統(tǒng)中生長的混合生物膜，其中使用溶解氧微電極來量化位于硝化生物膜上方的藻類生物膜所提供的光合曝氣。氨微剖面也表明，在生物膜上層沒有氨的消耗，這表明上層生物膜的藻類部分并不消耗氨。因此，藻類生物膜在MAIFAS反應(yīng)器中的作用主要是輔助光合增氧。總體而言，這項(xiàng)研究證明了微藻光合作用可作為為高級(jí)廢水處理提供充足氧氣的一種方式（在MAIFAS反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)>99%的氨和51%的磷去除），并代表了一種在滿足嚴(yán)格出水標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)降低能源成本的新策略。

其次，我們將pH、溶解氧和氧化還原電位微電極應(yīng)用于艙底水乳化液，以證明傳質(zhì)與乳化液隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性之間的關(guān)系。對(duì)乳化液進(jìn)行的微電極表征被證明是一種用于原位監(jiān)測跨越油水界面?zhèn)髻|(zhì)的有用工具，因此當(dāng)與表面張力和粒度分析相結(jié)合時(shí)，可作為馬蘭戈尼穩(wěn)定性的極佳預(yù)測指標(biāo)。研究表明，通常由非離子表面活性劑穩(wěn)定的乳化液比由SDS穩(wěn)定的乳化液更不穩(wěn)定。然而，SDS乳化液比Triton X-100乳化液對(duì)鹽度更敏感。此外，鹽度對(duì)SDS乳化液中傳質(zhì)的影響比對(duì)Triton X-100乳化液更大。這使我們相信，與Triton X-100乳化液相比，馬蘭戈尼不穩(wěn)定性對(duì)艙底水中的SDS乳化液有更顯著的影響。這種多尺度的乳化液表征方法被證明有利于更好地理解乳化液的穩(wěn)定性。通過結(jié)合創(chuàng)新的乳化液表征方法（例如CLSM和微電極），結(jié)果使人們更好地理解了表面活性劑類型和鹽度對(duì)乳化液形成和穩(wěn)定性的影響，從而有助于更好地管理船舶應(yīng)用中的艙底水。

第三，我們討論了使用微電極表征一種新型光催化劑。結(jié)果表明，MoS2的耗氧速率與ROS產(chǎn)率（使用XTT法測量）呈線性關(guān)系。因此，微電極是表征光催化劑的有用工具，可以在幾分鐘內(nèi)而非數(shù)天內(nèi)評(píng)估光催化劑的性能。利用微電極技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)MoS2樣品的ROS產(chǎn)率并不均勻，并且不同樣品之間的活性表面積可能存在差異。我們還發(fā)現(xiàn)，與摻雜Au或Cu的MoS2或單獨(dú)的MoS2相比，摻雜Au/Pd和Pt的MoS2在ROS產(chǎn)率方面表現(xiàn)出顯著提高。總體而言，我們能夠證明具有垂直排列二維層的MoS2薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光響應(yīng)光催化活性，可有效降解污染水中的有機(jī)化合物，如有害藻華。我們還展示了可見光驅(qū)動(dòng)下對(duì)微囊藻毒素-LR（藻華產(chǎn)生的最具毒性的化合物之一）的快速降解，并揭示通過摻入貴金屬可以顯著提高降解效率。這項(xiàng)研究展示了這些新興二維材料在水處理方面的巨大潛力，顯著拓寬了其在廣泛能源和環(huán)境應(yīng)用中的多功能性。

開發(fā)用于植物中Zn2+原位監(jiān)測的微電極。我們開發(fā)并表征了一種固態(tài)接觸式微型離子選擇電極，用于通過非侵入性微電極離子流估計(jì)技術(shù)測定酸橙幼苗中的鋅運(yùn)輸。該SC-μ-ISE顯示出26.05 ± 0.13 mV/十倍濃度的能斯特響應(yīng)，檢測限為(3.96 ± 2.09) ×10?? M。結(jié)果表明，當(dāng)本體濃度高于5.99 mM時(shí)，酸橙幼苗的葉片和根部存在顯著的Zn2+吸收。高于此濃度時(shí)，觀察到通量與本體Zn2+濃度之間的線性關(guān)系。這種關(guān)系表明被動(dòng)擴(kuò)散可能是Zn2+轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入植物的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。然后，我們將方波陽極溶出伏安法微型化到一個(gè)微電極平臺(tái)上，用于測量柑橘植物維管束內(nèi)的Zn2+。我們的結(jié)果表明，Bi/Pt微電極的固體金屬尖端（直徑110 μm）足夠堅(jiān)固，能夠穿透柑橘葉片的厚表皮，并且所開發(fā)的Bi/Pt微電極能夠?qū)Ω涕偃~片中脈中的Zn2+產(chǎn)生響應(yīng)，并能以高分辨率區(qū)分經(jīng)Zn2+處理和未處理樣品之間的Zn2+濃度。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過優(yōu)化尖端尺寸來減少傳質(zhì)限制并改善檢測限。這些新穎工具可用于進(jìn)一步了解營養(yǎng)療法和疾病進(jìn)程對(duì)感染HLB的柑橘植物的影響。

更廣泛的影響與展望

總體而言，本論文所展示的研究證明了理解傳質(zhì)在環(huán)境工程中的重要性，以及微電極在擴(kuò)展我們目前對(duì)自然和工程系統(tǒng)中機(jī)制與關(guān)鍵因素理解方面的實(shí)用性。

這項(xiàng)研究的影響超越了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。在廢水處理工程領(lǐng)域，微電極的應(yīng)用有助于增進(jìn)我們對(duì)藻類-細(xì)菌生物膜相互作用的理解，這可能在未來帶來更可持續(xù)的廢水處理方案。在乳化液化學(xué)領(lǐng)域，獲得的關(guān)于傳質(zhì)如何影響乳化液穩(wěn)定性的信息，不僅有助于從科學(xué)上加深對(duì)乳化液穩(wěn)定性的理解，也可能促進(jìn)含油廢水處理的改進(jìn)。在材料科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)光催化劑的微電極表征使得能夠快速測定活性氧的產(chǎn)生，并可能改變光催化劑的研究方式。最后，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，所開發(fā)的Zn2+微電極首次證明了柑橘植物中鋅的葉面吸收速率，而SWASV傳感器則顯示了鋅在植物維管束中的運(yùn)輸。這項(xiàng)工作有朝一日可能為感染HLB的柑橘樹帶來改進(jìn)的治療方案。

未來的研究可以進(jìn)一步發(fā)展藻類生物膜模型，以便在光合曝氣和高級(jí)營養(yǎng)物去除方面進(jìn)行放大。對(duì)光催化系統(tǒng)中氧傳質(zhì)的進(jìn)一步研究，結(jié)合材料的發(fā)展，也可以改進(jìn)高級(jí)氧化工藝。最后，可以將在柑橘植物中使用微電極的研究擴(kuò)展到微電極尚未得到重視的植物和農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域。