摘要：介绍了微电极技术的概念和优点，从材料选择及电极微型化两方面叙述钴基磷酸盐微电极技术的发展，并归纳出钴基磷酸盐微电极检测活性污泥系统内污泥絮凝体时的影响因素，列举磷酸盐微电极技术的实际应用。

Abstract：The concept and advantages of microelectrode technology are introduced.The development of cobalt-based phosphate microelectrode technology is described in terms of material selection and electrode miniaturization.The factors influencing the detection of sludge flocs in activated sludge system by cobalt-based phosphate microelectrode were also summarized.The practical applications of phosphate microelectrode technology are listed.

关键词：微电极技术;磷酸盐;钴;污泥絮凝体

0引言

近年来，随着水体富营养化问题的凸显，优化与提升废水生物脱氮除磷的工艺与效能显得至关重要。强化生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal，EBPR）因其具有经济、可持续的特性在污水处理厂得到广泛应用。EBPR主要利用聚磷菌在交替的厌氧/好氧环境中释磷及过量吸磷，然后通过排放高磷污泥达到除磷的目的。在环境废水处理过程中，磷酸盐离子分析已成为热点问题[1]。磷酸盐离子的浓度通常采用高效液相色谱法或光谱法测定，方法包括钼蓝反应、磷钼酸盐与基本染料化合物的络合物形成、样品预处理（如过滤和溶液制备）后用氯苯胺镧间接测定[2-4]，因此，难以对磷酸盐离子浓度实现连续监测。同时活性污泥系统中菌群是以污泥絮凝体的形式存在的，其主要反应不是在水中进行，而是在污泥絮凝体中发生。为了更详实地了解生物除磷机理，直接检测污泥絮凝体有助于生物除磷系统的构建、设计和操作。

1微电极技术及优点

微电极技术自20世纪60年代以来逐渐在环境工程领域中得到应用，微电极是一种微米级的检测工具，其尖端只有几微米，能够在满足检测对象不受损害的要求下获得微环境中特征参数的浓度空间分布曲线，而特征参数的浓度分布情况又与微生物的种类、活性、分布以及外环境影响因素紧密相关，从而为探究微生物絮凝体的内部生物处理机理提供了新的视角[5]。微电极技术有如下优点，包括成本低、制造过程简单、可携带性好、可用于直接和间接检测磷[6]，是检测活性污泥絮凝体内功能和结构的可靠工具。

2磷酸盐微电极技术发展

2.1材料选择

为了更详实地了解生物除磷，我们需要用一种微米级的磷酸盐检测工具对活性污泥絮凝体内的磷酸盐浓度进行检测。微电极技术的基础原理是将化学信号（化学反应）转化为电信号（电压或电流）。因此，磷酸盐微电极开发的第一步是选择正确的敏感材料，能与磷酸盐进行化学反应。

BiPO4-薄膜[7]、核苷磷酸化酶和黄嘌呤氧化酶共固定化的双酶膜[8]、二氯化二苄基锡衍生物[9]等都曾用作磷酸盐选择性电极的离子选择材料。与此同时，一种简单的钴基磷酸盐微电极在制药、生物医学研究、临床化学以及工业和环境监测等领域得到广泛应用。根据Xiao等[10]的研究，纯钴丝对磷酸盐离子表现出相对选择性的电位响应，并从氧化钴的主客体化学讨论了磷酸鹽电极的响应机制。Meruva等[11]表明电位响应来源于钴的缓慢氧化和电极表面氧和Co2+的同时还原产生的混合电位，更准确地解释了氧化钴电极在磷酸盐和氧气存在下的行为。磷酸钴的形成会影响钴电极的混合电位。因此，根据Nernst方程，混合电位的偏移与磷酸盐浓度的对数成正比。钴电极对所有三种正磷酸盐离子（H2PO4-、HPO42-、PO43-）都有反应，并根据磷酸盐存在于溶液中时，钴磷酸盐在电极表面形成，反应机理取决于存在的磷酸盐种类，从而取决于pH，最终提出之后得到广泛认可[12，13]的下列三种反应：

综合来看，钴金属是一种相对容易处理和改性的固态材料，且对磷酸盐离子有较好的敏感性。因此可选定钴丝作为磷酸盐微电极的离子选择性材料。

2.2尺寸微型化

磷酸盐微电极制备的第二步是对微电极进行微型化。不同的磷酸盐微电极制造工艺自然有着不同的微型化方式，传统针状磷酸盐微电极的制备步骤是基于固态离子选择性微电极的制备方法[14]，Wang等[15]对制备步骤进行改进，由一个玻璃体包裹着钴金属丝制成的磷酸盐微电极的尖端直径约为5μm。其电极尖端的直径取决于制造过程中的两个步骤，蚀刻钴丝与拉制玻璃管。

另一种磷酸盐微电极微型化的方法是Lee等[16]人利用微电子机械系统开发出一种新型的小尖端钴基微电极阵列传感器，传感器的制造过程包括切割、蚀刻、金属化、封装和传感器尖端的形成。其电极微型化的关键制造技术是将电极尖端插入氟化氢酸中进行腐蚀，根据腐蚀液弯液面的高度形成一个锥体的几何形状。

2.3影响因素

2.3.1 pH值

Meruva和Meyerhoff[11]研究了不同pH值（4.0、8.0和11.0）下钴基磷酸盐电极响应值的变化，得出电位响应与pH值有关的结论。但Li[17]发现在活性污泥系统中，污泥絮凝体的pH值变化范围在0.5个pH单位内。之后Wang等[18]选取两个pH值（7.5和8.0）作为活性污泥絮凝体的典型pH值，结果表明，pH值在7.5～8.0之间变化对电极响应无明显影响。因此，在钴基磷酸盐微电极应用可以直接用于活性污泥样品的测定，对于其它种类的样品进行检测时，应对pH值的变化进行持续监测，若pH变化幅度超过0.5个pH单位，则在钴基磷酸盐微电极使用前重新测量与pH值相适应的标准曲线。

2.3.2离子强度

磷酸盐的反应也取决于样品溶液的离子强度。离子强度（I）的表达式为：式中（mol·kg-1）和分别为第I种物质的浓度和电荷[19]。Wang等[18]通过加入氢氧化钾调节电阻率18.2MΩ的纯水pH，其离子强度认为是0，与pH为7.5，正磷酸盐（H2PO4-、HPO42-）浓度为10-3mol·kg-1的溶液来绘制标准曲线，可知在磷酸盐最大浓度时，水的离子强度为0.0018mol·kg-1。之后配制离子强度为0.0087mol·kg-1的待测溶液，并根据该待测溶液的校准曲线显示，电极响应与磷酸盐浓度之间存在良好的线性关系。为了再次确认干扰来自离子强度而不是选择性系数，Wang等分别测试了离子强度为0.0087mol·kg-1的氯离子溶液和硝酸盐离子溶液，实验显示三种标定曲线斜率相似，纯水的斜率与三种溶液的斜率明显分离。结果表明，离子强度是造成干扰的主要原因。因此在磷酸盐微电极校准过程中，必须使用离子强度相同，pH值相等的标准溶液。

2.3.3溶解氧

钴基磷酸盐微电极的电位响应来源于钴的缓慢氧化和电极表面氧和Co2+的同时还原产生的混合电位，在这个过程中有两个或者两个以上的电化学反应同时发生，特别是钴的氧化还原反应和磷酸化在电位区共存。Xu等[20]通过实验证明钴基磷酸盐微电极的零电流电位与DO浓度有关，原因在于DO浓度影响了磷酸化。与磷酸盐离子相比，随着DO浓度的增加，零电流电位向相反方向（正电位）移动，这种趋势可能是由于氧化层的形成对磷酸化的抑制。由于DO确实干扰了磷酸盐微电极，因此，必须在实际测量之前确定DO值，并将标准溶液调整到相应的DO水平。

2.3.4干扰离子

微电极的尖端有时会受到所测样品环境中的特定例子影响，发生电极“中毒”，从而导致微电极工作效果下降甚至完全失效的情况。例如，亚硝酸盐微电极易受硫化物污染导致中毒，氧电极易受到基质中钙镁离子的沉积影响。对于磷酸盐微电极而言，通过电位离子干扰的研究表明，废水处理系统中主要的离子如SO42-、Cl-、NO3-、CH3COO-对微电极的磷酸盐选择性影响不大。

3磷酸盐微电极技术应用

磷酸盐微电极技术引起越来越多的关注，并在实际检测中得到应用。Lee等[21]利用磷酸盐微电极检测出EBPR厌氧末端污泥絮凝体内磷酸盐浓度随深度增加，在污泥絮凝体中心处达到峰值，随后浓度逐渐降低，并由污泥絮凝体内磷酸盐分布可知PAOs在絮凝体中分布较均匀。Ding等[22]应用磷酸盐微电极在不干扰沉积物结构的情况下很好地测量沉积物剖面上可溶性磷的含量，并在缺氧和缺氧条件下测定泥沙中磷酸盐的扩散系数。Wang等[15]使用微电极检测从城市污水处理厂采集的活性污泥絮凝体样本生成中心带有峰值的磷酸盐剖面。Bai等[23]对通过调整电沉积方法的参数制作的磷酸盐微电极进行电化学表征，得出结论：沉积参数的改变引起的电极表面形貌差异对磷酸盐的响应影响不大。吕永涛等[24]人利用磷酸盐微电极定量研究了污水厂A2/O工艺中各阶段污泥絮凝体内部磷酸盐浓度的空间分布特征，获得了除磷菌原位活性的变化规律。

4结论与展望

磷酸盐微电极技术作为一种可靠的检测技术，以其独特的优势，极大地拓宽人们对于水处理领域中微观层面的认知，在实际污水处理与水资源保护工作中发挥重要的作用。建议今后研究工作可从以下方面深入进行：

①磷酸盐微电极技术的使用寿命是限制其进一步发展的主要原因，未来研究可考虑从制造工艺、使用流程及保存方法进行优化，以便延长磷酸盐微电极技术的使用寿命，从而使磷酸盐微电极技术具备更广阔的实际应用意义。②磷酸盐微电极技術结合其它技术探索活性污泥内部微环境中物质的迁移、降解、转化。将多种研究技术相结合，从宏观层次、微观层次、分子生物层次共同研究科学问题，构成一套全面、系统的验证分析方法。

参考文献：

[1]Tafesse F，Enemchukwu M.Fabrication of new solid state phosphate selective electrodes for environmental monitoring[J].Talanta，2011，1491-1495.

[2]Crouch S R，Malmstadt H.Mechanistic investigation of molybdenum blue method for determination of phosphate[J].Analytical Chemistry，1967，1084-1089.

[3]Hayashi K，Danzuka T，Ueno K.Spectrophotometric determination of phosphate using lanthanum chloranilate[J].Talanta，1960，244-249.

[4]Lopez-Ruiz B.Advances in the determination of inorganic anions by ion chromatography[J].J Chromatogr，2000，607-627.

[5]宋慧敏，周小红，张永明，等.基于微电极技术的反硝化滤池生物膜特性分析[J].中国环境科学，2012：850-854.

[6]Korostynska O，Mason A，Al-Shammaa A I.Monitoring pollutants in wastewater：traditional lab based versus modern real-time approaches[M]//Smart sensors for real-time water quality monitoring.Berlin：Springer，2013，1-24.

[7]Grabner E W，Vermes I，K？觟nig K-H.A phosphate-sensitive electrode based on BiPO4-modified glassy carbon[J].Journal of electroanalytical chemistry and interfacial electrochemistry，1986，135-140.

[8]D'urso E，Coulet P.Phosphate-sensitive enzyme electrode：a potential sensor for environment control[J].Anal Chim Acta，1990，1-5.

[9]Glazier S A，Arnold M A.Selectivity of membrane electrodes based on derivatives of dibenzyltin dichloride[J].Analytical chemistry，1991，754-759.

[10]Xiao D，Yuan H-Y，Li J，Yu R-Q.Surface-modified cobalt-based sensor as a phosphate-sensitive electrode[J].Analytical Chemistry，1995，288-291.

[11]Meruva R K，Meyerhoff M E.Mixed potential response mechanism of cobalt electrodes toward inorganic phosphate[J].Analytical Chemistry，1996，2022-2026.

[12]Chen Z，Grierson P，Adams M A.Direct determination of phosphate in soil extracts by potentiometric flow injection using a cobalt wire electrode[J].Anal Chim Acta，1998，191-197.

[13]Engblom S O.Determination of inorganic phosphate in a soil extract using a cobalt electrode[J].Plant Soil，1999，173.

[14]Yu T，Bishop P L.Stratification and Oxidation Reduction Potential Change in an Aerobic and Sulfate Reducing Biofilm Studied Using Microelectrodes[J].Water Environ Res，2001，368-373.

[15]Wang J J，Bishop P.Development of a phosphate ion-selective microelectrode and its use in studies of the enhanced biological phosphorus removal（EBPR）process[J].Environ Technol，2005，381-388.

[16]Lee W H，Lee J-H，Bishop P L，Papautsky I.Biological application of micro-electro mechanical systems microelectrode array sensors for direct measurement of phosphate in the enhanced biological phosphorous removal process[J].Water Environ Res，2009，748-754.

[17]Li B.Redox potential（ORP）regulation of nutrient removal in wastewater treatment processes and the structure-function analysis of activated sludge floc[J].2003.

[18]Wang J J，Bishop P L.Fabrication，calibration and evaluation of a phosphate ion-selective microelectrode[J].Environ Pollut，2010，3612-3617.

[19]Pankow J F.Aquatic chemistry concepts[M].London：Lewis Pulishers，2018.

[20]Xu K，Kitazumi Y，Kano K，Shirai O.Phosphate ion sensor using a cobalt phosphate coated cobalt electrode[J].Electrochimica Acta，2018，242-246.

[21]Lee W H，Seo Y，Bishop P L.Characteristics of a cobalt-based phosphate microelectrode for in situ monitoring of phosphate and its biological application[J].Sensors Actuators B：Chem，2009，121-128.

[22]Ding X，Behbahani M，Gruden C，Seo Y.Characterization and evaluation of phosphate microsensors to monitor internal phosphorus loading in Lake Erie sediments[J].J Environ Manage，2015，193-200.

[23]Bai Y，Tong J H，Bian C，Xia S H.Fabrication and characterization of cobalt nanostructure-based microelectrodes for phosphate detection[C].Key Engineering Materials，2011，559-564.

[24]呂永涛，徒彦，吴浩伟，程军，徐超，王磊.A～2/O工艺中污泥聚集体内部除磷菌的原位活性研究[J].中国给水排水，2019：31-36，55.