背景介紹:一氧化二氮（N2O）是最重要的溫室氣體之一，每分子溫室的升溫潛力約為二氧化碳的300倍。大氣中N2O的濃度正在快速增加，這主要是由于集約化農(nóng)業(yè)，同時施用了大量的動物糞便和人工肥料。一氧化二氮會在硝化過程中（尤其是在低O2濃度下）和反硝化過程中在土壤中形成。諸如污水處理廠的人造設(shè)施以及各種工業(yè)和運輸設(shè)施也是造成N2O上升的原因。在環(huán)境中對N2O進行電化學(xué)微電極分析已有30年的歷史。最初的電化學(xué)微電極壽命短且易碎，但后來的發(fā)展導(dǎo)致微電極更加穩(wěn)定。本論文研究人員此探索了構(gòu)造類似于STOX微電極的可切換N2O微電極的可能性，因為這種微電極將在監(jiān)測水，土壤和空氣中N2O濃度方面得到廣泛的應(yīng)用。這種微電極的優(yōu)勢在于它可以通過使用簡單而緊湊的儀器來確定接近環(huán)境的納摩爾濃度，而無需進行頻繁的校準(zhǔn)。

Unisense新型超低N2O微電極應(yīng)用

該電化學(xué)微電極，可以在納摩爾范圍內(nèi)量化N2O。N2O微電極原理取決于放置在測量陰極前面的前保護陰極。該陰極用于周期性地阻止N2O朝向測量陰極的通量，從而在信號中產(chǎn)生振幅。該信號幅度不受基線電流漂移的影響，可以非常高分辨率讀取，結(jié)果靈敏度為2 nM N2O用于新建微電極。通過將前保護陰極放置在耗氧的電解質(zhì)中，可以防止氧氣干擾。通過在墨西哥海岸附近的東部熱帶北太平洋海洋（ETNP）的最小氧氣帶中測量N2O剖面至120 m深度，對該微電極進行了現(xiàn)場測試。

實驗結(jié)果

結(jié)果表明，研究人員可以設(shè)計和構(gòu)造出可切換的N2O微電極，該微電極可用于監(jiān)視低的環(huán)境N2O濃度/分壓。足夠穩(wěn)定且靈敏的可切換N2O微電極與定量低強度但大規(guī)模的大氣N2O源（如農(nóng)田和海洋地表水）密切相關(guān)。在這里介紹的設(shè)計中，它甚至可以用于土壤和水團的深度剖析。我們通過測量墨西哥附近海水中的濃度分布圖證明了這種微電極的潛力。

圖1、可切換N2O微電極的照片及相應(yīng)的原理圖?？汕袚Q的一氧化二氮微電極（圖1）的構(gòu)造步驟與STOX微電極相同。將前保護陰極鍍在涂覆有特氟隆的0.025mm鉑-銥線的裸露金屬尖端上。鉑-銥的使用提供了更高的機械強度，與最初描述的STOX微電極相比，聚四氟乙烯涂層的柔韌性大大提高了抗機械沖擊性

圖2、微電極信號跟蹤(藍(lán)線)，在工作前180秒和400秒間隔(運行信號平均超過10秒)（運行信號平均10 s以上）。紅線顯示前護板打開（高）和關(guān)閉（低）的時間段。最初，將微電極浸入含有約9.6 nM一氧化二氮的氣泡水中。在100分鐘時，通過注入少量濃縮水將N2O濃度增加28 nM（總計37.6 nM）。在約170分鐘時，用N2鼓氣（0 nM N2O）。插圖顯示了極化開/關(guān)循環(huán)期間信號幅度相對于濃度的相應(yīng)校準(zhǔn)曲線，平均值為4個循環(huán)的平均值，并標(biāo)出了標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖3、校準(zhǔn)與用于圖2中數(shù)據(jù)的微電極相同，但現(xiàn)在沒有前陽極預(yù)極化噪音等級（檢出限）。

圖4、溫度從11°C穩(wěn)定升高到27°C時，微電極信號（藍(lán)色，運行平均值為5 s，運行平均值為450 nM一氧化二氮），同時以與原位相同的頻率切換（紅色）。該微電極已使用了4個月，與新制造的微電極相比，零信號已增加了約40倍。從圖4所示的溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以看出，用了四個月的微電極的零信號在室溫下以相對較高的噪聲水平增加了40倍，達(dá)到1000 pA以上。

圖5、墨西哥西部ETNP區(qū)域上部120 m（1740.99 N，10221.02W，底部深度1040 m）的N2O深度剖面于2018年4月15日通過可切換的N2O微電極（藍(lán)星）現(xiàn)場測量），然后通過氣相色譜法對回收的水樣進行處理（藍(lán)色圓圈）。另外，繪制了溫度（黑色）和O 2（紅色，平均1s）的數(shù)據(jù)。

結(jié)論與展望

一氧化二氮是一種重要的溫室氣體，需要一種敏感的技術(shù)來研究其在環(huán)境中的分布，其濃度接近大氣平衡（在20°C的水中為9.6 nM）。研究人員介紹了一種電化學(xué)微電極，可以在納摩爾范圍內(nèi)量化N2O。微電極原理取決于放置在測量陰極前面的前保護陰極。該陰極用于周期性地阻止一氧化二氮朝向測量陰極的通量，從而在信號中產(chǎn)生振幅。該信號幅度不受基線電流漂移的影響，可以非常高分辨率讀取，結(jié)果靈敏度為2 nM一氧化二氮用于新建微電極。通過將前保護陰極放置在耗氧的電解質(zhì)中，可以防止氧氣干擾。通過在墨西哥海岸附近的東部熱帶北太平洋海洋（ETNP）的最小氧氣帶中測量N2O剖面至120 m深度，對該微電極進行了現(xiàn)場測試?？汕袚Q型N2O的主要優(yōu)點與傳統(tǒng)的N2O微電極相比，微電極對信號的基線漂移不敏感，從而可以長時間監(jiān)測納摩爾一氧化二氮濃度，而無需進行零校準(zhǔn)。使用更耐用的膜可大大延長使用壽命，從而為能夠在相關(guān)環(huán)境水平下常規(guī)監(jiān)測N2O的緊湊儀器開辟了道路。