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1.3平面光電極系統(tǒng)及圖像處理方法
平面光電極系統(tǒng)由激發(fā)光源、平面感應(yīng)膜、圖片獲取裝置以及圖片處理裝置構(gòu)成（圖1）。本研究采用中心波長(zhǎng)為400和450 nm的LED燈（20 W，深圳天耀）作為激發(fā)光源。圖片獲取裝置采用佳能600 D相機(jī)，配置Sigma 50 mm F2.8 EX DG微距鏡頭，鏡頭前加裝540 nm長(zhǎng)波通濾光片（深圳激埃特光學(xué)）。pH值感應(yīng)薄膜經(jīng)激發(fā)光照射后，釋放560 nm波長(zhǎng)的光，經(jīng)過(guò)濾光片過(guò)濾后被相機(jī)獲取。目前平面光電極技術(shù)采用的定量方法主要有3種：熒光強(qiáng)度定量、強(qiáng)度比率定量和熒光壽命定量。熒光強(qiáng)度定量方法簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)也很明顯，容易受到背景光的干擾；熒光壽命定量方法雖然精確，但是其設(shè)備體系復(fù)雜、造價(jià)過(guò)高、操作不便。本實(shí)驗(yàn)采用的是基于熒光強(qiáng)度比率定量的RGB三色參比法進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)處理方法。該方法主要是通過(guò)獲取RAW圖像，利用圖像處理軟件將拍攝圖像的G通道的熒光強(qiáng)度值提取出來(lái)。將兩個(gè)不同波長(zhǎng)激發(fā)光源（400和450 nm）照射后產(chǎn)生的釋放光圖片G通道熒光強(qiáng)度做比率值，得到的比率值與pH值相對(duì)應(yīng)作標(biāo)準(zhǔn)曲線，以上操作通過(guò)計(jì)算機(jī)使用ImageJ軟件進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)中相機(jī)的有效像素分辨率為5184×3456，成像傳感器尺寸為22.3 mm×14.9 mm，拍照時(shí)放大倍數(shù)為5倍，因此可以獲得圖片分辨率為21.5μm×21.5μm的pH值二維分布圖。與傳統(tǒng)的pH值測(cè)定方法如微電極相比，本方法可以獲取二維pH值分布特征圖像并提供更高的分辨率，有利于檢測(cè)微尺度內(nèi)pH值的變化。
圖1平面光電極系統(tǒng)裝置示意
2實(shí)驗(yàn)設(shè)置
研究樣點(diǎn)位于太湖梅梁灣（31°30′31″N,120°10′31″E），于2014年10月12日用彼得森采泥器抓取表層沉積物，并利用重力采水器采集深度1.2 m處的水樣。采樣后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，將沉積物和水樣一起放入聚乙烯材質(zhì)的整理箱中，將濕沉積物過(guò)300目的篩網(wǎng)以去除水絲蚓，對(duì)上覆水進(jìn)行曝氣培養(yǎng)，光照比為12 h∶12 h，白天開啟日光燈強(qiáng)度約為100 lx，晚上測(cè)試室用遮光布遮擋住外部光線。室溫控制在20±2℃。
霍甫水絲蚓和沉積物一同從太湖中采集，帶回實(shí)驗(yàn)室對(duì)上覆水進(jìn)行曝氣培養(yǎng)以保證上覆水中的溶解氧充足，培養(yǎng)一周后連同沉積物取出放入300目的篩網(wǎng)中，將沉積物洗凈，篩網(wǎng)中的剩余物（主要為植物殘?bào)w和底棲動(dòng)物）倒入托盤中，挑取其中體長(zhǎng)約3——4 cm、生長(zhǎng)程度相對(duì)均一、活性較強(qiáng)的霍甫水絲蚓成蟲裝入5 ml離心管中，20℃保溫待用。
裝有沉積物的有機(jī)玻璃盒子尺寸為10 cm（長(zhǎng)）×8 cm（寬）×10 cm（高），盒子的前端擋板材質(zhì)為透紫外光石英玻璃（10 cm×10 cm×2 mm）。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將HPTS平面感應(yīng)膜貼在石英玻璃上，排除所有氣泡，并在膜邊緣處用防水膠帶密封。將充分混勻的沉積物緩慢放入有機(jī)玻璃盒子中以保證沉積物中沒(méi)有氣泡，填充后沉積物的深度約為5 cm.通過(guò)虹吸方法緩慢加入湖水，然后將黑色有機(jī)玻璃擋板（10 cm×10 cm）在石英玻璃后2 mm處緩慢插入沉積物，以這2 mm寬度空間作為霍甫水絲蚓活動(dòng)區(qū)域。將挑選好的霍甫水絲蚓個(gè)體（共5條）加入沉積物中，定期觀察其擾動(dòng)對(duì)沉積物界面二維pH值變化的影響。分別在不同的時(shí)間通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)（圖1）獲取沉積物~水界面平面感應(yīng)膜熒光圖片。熒光圖片經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到沉積物~水界面二維pH值圖像。
3結(jié)果與討論
3.1霍甫水絲蚓擾動(dòng)對(duì)沉積物~水界面pH值二維分布的影響
霍甫水絲蚓投加前，沉積物和上覆水有明顯分層，形成穩(wěn)定的沉積物~水界面。霍甫水絲蚓放入后，第2 d在石英玻璃板面開始有水絲蚓洞穴結(jié)構(gòu)出現(xiàn)（圖2），經(jīng)過(guò)霍甫水絲蚓擾動(dòng)2 d后的沉積物~水界面開始模糊，最大擾動(dòng)深度約為3 cm.相對(duì)于傳統(tǒng)研究方法，本實(shí)驗(yàn)采用的方法能夠更直觀、清楚地觀察到水絲蚓洞穴結(jié)構(gòu)以及擾動(dòng)軌跡。
圖2霍甫水絲蚓擾動(dòng)前后熒光照片對(duì)比
圖3霍甫水絲蚓擾動(dòng)作用對(duì)沉積物~水界面二維pH值分布變化，圖3A到圖3H分別為第0 d（即未投放霍甫水絲蚓）至第7 d的二維pH值圖像
霍甫水絲蚓擾動(dòng)后對(duì)沉積物~水界面的二維pH值影響如圖3所示。總體而言，上覆水的pH值較高，最高值達(dá)到8.4，而沉積物底部的pH值較低，只有6.6，在2——3 cm深度內(nèi)pH值降低了約1.8個(gè)單位。未加霍甫水絲蚓時(shí)，沉積物~水界面上下的pH值分布特征非常明顯，呈現(xiàn)上覆水高、沉積物低的趨勢(shì)（圖3A），pH值變化梯度十分劇烈，在界面處約0.5 cm深度內(nèi)降低約1.2個(gè)pH值單位。加入霍甫水絲蚓后（圖3B），由于霍甫水絲蚓短時(shí)間內(nèi)需要適應(yīng)新環(huán)境，所以沉積物pH值并沒(méi)有明顯變化，但是沉積物~水界面已經(jīng)開始變得模糊，這是由于霍甫水絲蚓的擾動(dòng)增大了沉積物~水界面面積，為沉積物和上覆水中物質(zhì)交換提供了場(chǎng)地條件。第2 d開始，霍甫水絲蚓的生命活動(dòng)強(qiáng)度明顯增加，石英玻璃板壁出現(xiàn)明顯的水絲蚓洞穴軌跡，上覆水進(jìn)入沉積物中并引起了部分沉積物pH值的升高，之后的5 d內(nèi)，由于霍甫水絲蚓生命活動(dòng)的不斷進(jìn)行，沉積物~水界面的pH值分布特征已經(jīng)有明顯改變，最終在表層沉積物中形成了1 cm深的pH值緩沖區(qū)域。
霍甫水絲蚓擾動(dòng)沉積物~水界面處pH值梯度、分布變化（一）
