氧濃度是海洋學(xué)以及其他生物或環(huán)境科學(xué)中最常用的測量參數(shù)之一。Winkler滴定法在一定程度上被認(rèn)為是測量溶液中氧氣濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法，但Winkler方法在測定非常低的原位O2水平遇到困難，主要原因是該方法需要在采樣中添加試劑時導(dǎo)致引入了O2。Clark型電極是測量氧氣濃度較為常用的方法，它是基于氧氣在陽極的還原反應(yīng)，該方法不需要引入易受污染的試劑的加入，原則上可以使用此類傳感器來解決極低的O2濃度的測試，但是此種氧傳感器零點未的信號變化等因素會引起的溫度和壓力變化結(jié)合電子補(bǔ)償，因此此種類型的檢測極限通常1-2μmol L–1。本論文的研究人員介紹了一種新型內(nèi)置型的安培氧傳感器（STOX型），具有現(xiàn)場零位標(biāo)定的能力，并在東熱帶南太平洋的低氧區(qū)（OMZ）中得到了廣泛的應(yīng)用。

微電極的應(yīng)用

unisense新型（STOX）溶氧微電極結(jié)合AD信號轉(zhuǎn)換器與PA2000皮安表結(jié)合使用，實現(xiàn)在海洋低氧區(qū)域中的氧濃度的原位測試，該傳感器接入到Seabird測試采樣設(shè)備中的輕金屬合金圓柱體中，選取STOX傳感器作為海洋區(qū)域中氧氣的濃度的測試數(shù)據(jù)輸出端。

實驗結(jié)果

電化學(xué)傳感器STOX型O2微電極包含一個初級感知的陰極區(qū)和一個次級陰極區(qū)，當(dāng)進(jìn)行極化時，可以防止O2進(jìn)入傳感器。這種設(shè)計可以使實現(xiàn)在現(xiàn)場的零點校準(zhǔn)，并使傳感器的檢測下限達(dá)到1-10 nmol L-1（O2），即使在水深處區(qū)域與電導(dǎo)-溫度-深度(CTD)剖面儀上應(yīng)用時也能達(dá)到所述的精度。STOX型O2傳感器是在加拉西亞3號遠(yuǎn)征期間使用，證明了秘魯海灣區(qū)的低氧區(qū)(OMZ)的核心區(qū)域的氧濃度小于含<2nmol L-1。在與船上反應(yīng)器的使用表明，該設(shè)備可以實現(xiàn)數(shù)小時至數(shù)天監(jiān)測低氧區(qū)(水中氧濃度<200 nmol L-1)中O2濃度變化。STOX型傳感器中O2濃度的降低線性曲線表明，該傳感器的半飽和常數(shù)非常低(<20 nmol L-1)，可以應(yīng)用與海洋微生物群落的氧呼吸速率測試。

圖1、左半邊圖表示的是STOX微電極傳感器前端示意圖，右半邊圖顯示的是STOX傳感器中的所有陽極和陰極部分的構(gòu)造圖。

圖2、STOX傳感器的前陰極的開關(guān)周期的信號值，測量的第一個點是空氣飽和水，然后在加入了抗壞血酸鈉的缺氧溶液(A)。在低電流下的信號被詳細(xì)地顯示出來(B)，說明在這種情況下，STOX傳感器前陰極去除O2的效率大概只有98.7%。

圖3、STOX傳感器在546毫升的校準(zhǔn)瓶中校準(zhǔn)過程中的傳感器信號值。加入小體積的空氣飽和水前體系的低信號值表示了體系中O2的濃度為10 nM。上述濃度(nM)的條形圖表明，在沒有任何O2消耗的情況下，氧的最初濃度為10nm應(yīng)該出現(xiàn)在圖中顯示的這個時期。

圖4、校準(zhǔn)過程中獲得的校準(zhǔn)曲線。校正曲線校正初始濃度為10nm,O2在抗壞血酸鹽溶液中的指數(shù)衰減。圖中所示的傳感器電流值是帶有前保護(hù)開和關(guān)的之間形成的信號差值。

圖5、含氧反應(yīng)器中氧濃度隨時間變化的函數(shù)，一種來自含有最低氧濃度的天然水樣。加兩次氧飽和水，氧的降低速率與標(biāo)準(zhǔn)偏差有關(guān)。

圖6、上半部分圖表示的是溫度(細(xì)線)和深度(粗線)在上風(fēng)向展開期間的時間函數(shù)圖，氧氣數(shù)據(jù)從上風(fēng)向展開在下面。下半部圖表的是在秘魯海岸外OMZ區(qū)域水深從500米到31米處使用STOX微傳感器(細(xì)線與“尖峰”)和Sea Bird的傳感器(粗線)測試體系的氧濃度值獲得的電信號值。

圖7、STOX信號校正時的信號值受與溫度和壓力的變化函數(shù)圖，STOX型氧傳感器作為替代SeaBird測試設(shè)備讀取體系中氧濃度的功能，測試氧氣的過程都是從同樣的深度讀取的。圖中白色的鉆石符號代表的是STOX傳感器的零點信號值，沒有計算在線性回歸中。

圖8、高度放大的STOX信號(對應(yīng)的總尺度為0.015 V)，對應(yīng)電流為1.5 pA或160 nM O2)，深度分別為201和120 m。圖中2740至2890秒處產(chǎn)生的高噪音是由于設(shè)備浮于水面引起的振動。

總結(jié)

研究人員發(fā)現(xiàn)至今為止還未有一種有效的檢測設(shè)備可以有效的解決海洋低氧區(qū)域中氧的測試方法。海洋學(xué)領(lǐng)域研究人員發(fā)現(xiàn)不管是采用溫克勒法、電化學(xué)傳感器法都很難實現(xiàn)對海洋低氧區(qū)域（氧氣濃度低于1-2μmol l–1）的氧濃度的測試，本論文研究人員則提出了一種新的安培傳感器（unisense開發(fā)的STOX型O2傳感器），可用于在海洋環(huán)境的現(xiàn)場條件下測定超低氧濃度，STOX型傳感器采樣了復(fù)合式電極構(gòu)造設(shè)計（丹麥unisense），可以使實現(xiàn)在現(xiàn)場的零點校準(zhǔn)，并使傳感器的檢測下限達(dá)到1-10 nmol L-1（O2），即使在水深處區(qū)域與電導(dǎo)-溫度-深度(CTD)剖面儀上應(yīng)用時也能達(dá)到所述的精度，該設(shè)備非常適合于海洋領(lǐng)域中低氧區(qū)(OMZ)的的氧濃度的測試，可以實現(xiàn)數(shù)小時至數(shù)天監(jiān)測低氧區(qū)(水中氧濃度<200 nmol L-1)中O2濃度變化情況，這說明unisense公司開發(fā)的STOX型的O2傳感器非常適合于研究海洋低氧區(qū)域的氧濃度的原位測試研究及海洋微生物群落的氧呼吸速率研究。