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对话:Beckett Colson 和 Anna Michel 博士

您能谈谈自己目前在伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 的研究工作吗?

Anna:在化学传感器实验室,我们致力于开发各种用于海洋研究的仪器,比如针对海洋中甲烷和温室气体的传感技术。最近,我们对塑料检测产生了兴趣。虽然锁相放大器这类仪器过于庞大,不适合在海洋中实地操作,但可以帮助我们在实验室中开发用于实地检测的仪器。

基于激光的技术在海洋研究中的应用潜力如何?

Anna:我专门研究基于激光的传感技术,这项技术在海洋研究方面有很大的潜力。但是目前还没有多少仪器可以在现场分析海洋环境的化学成分。所以需要由大量研究人员收集样本,然后将样本带回实验室进行分析。我们真正感兴趣的是如何在不依赖于湿化学法的情况下,在海上完成测量。目前可以通过基于光学的传感等技术进行直接测量:我们知道这类技术适用于气体传感,而海洋中有很多值得研究的气体。事实上,我们已经开发出了多款可部署在深海中的碳和甲烷传感器。比如,我们最近展示的一款 基于空芯纤维的光学传感器,可以用于测量溶于液体中的气体。我们已经在分析深海测量的第一批结果,这令我们非常激动。另外,我们并不只使用基于激光的传感技术:Beckett 所研究的塑料微粒阻抗传感项目就是完全不同的传感系统之一。

跨学科背景在这个研究领域带来了什么帮助?跨学科研究很普遍吗?

Anna:相比这个领域的其他许多同行,我想我是更偏向于跨学科背景,但其实我们的大部分研究都属于跨学科研究。当我们要去海上工作时,会组成一支由生物学家、地质学家和化学家组成的团队,很多勘测现场有着比较复杂的环境,因此从多方位的视角来看待问题是很重要的。我们也非常关注技术应用,这自然会推动我们更多地向跨学科方向发展。

Beckett:我主要从事机械工程工作。我认为海洋研究在工程领域绝对属于跨学科研究,因为每当要制造一个适合海洋环境的东西时,都需要处理所有不同的子系统,包括电子、光学、软件和机械设备等。将仪器带到海上去工作,需要考虑到海洋本身就属于跨学科领域,仅仅研究洋流的物理特点是无法真正了解海洋的,因为这同时还涉及到化学和生物学,如果了解得不够全面,就很难理解海洋的运转方式。我们与许多不同领域的科学家合作,这正是我为我们团队感到自豪的一点。

瑞士苏黎世仪器公司的产品在你们的研究中发挥了什么作用?

Beckett:我们一开始用 HF2LI 锁相放大器来进行气体传感实验,后来为了塑料微粒项目又购买了一台配备 HF2LI-MF 多频升级选件的 HF2LI 锁相放大器和 HF2TA 跨阻抗电流放大器。在塑料微粒项目中,我们想要直接观察塑料微粒在水流中的电学特性,而锁相放大器就能帮助我们非常简便地测量阻抗-频率关系曲线。在实际操作中,我们用两个电极夹着一条连续水流的两端,然后监测这两个电极之间的阻抗。微粒在电极之间流过时会引起阻抗变化。我们可以通过这种阻抗变化,来区分生物颗粒和塑料微粒,当然,我们希望能看到大量的生物颗粒。我们主要通过成分明确的水混合物来解读数据,有时还会故意在其中部分混合物中掺入了塑料微粒。我们的最终目的是将这种传感器集成到便携式仪器中,从而测量水体,或是载着仪器在港口巡逻,就像检测其他污染物一样,绘制出塑料微粒的分布图。这个项目仍处于实验室试验阶段,但我们已经做了一些初步的实地测试……

Anna:是的,我们把 HF2LI 以及非常重的电池带到了池塘边(见图 1)。我想给苏黎世仪器的工程师提个建议:小一点的锁相放大器会方便很多!海上的运载工具虽然很大,但所载的每台仪器都需要尽可能的小巧。

Field testing the microplastics sensor.

图 1:在美国法尔茅斯 Grews 池塘对塑料微粒传感器进行实地测试。化学传感器实验室成员 Sarah Youngs 正在测量含有塑料微粒的水样。研究过程中,让水样在重力作用下通过漏斗流入流通模块(图中右侧的亮红色小电路板)。HF2LI 和 HF2TA 都装在黑色的大箱子里,用于测量水样流经流通模块时的阻抗。Sarah 通过安装在笔记本电脑上的 LabOne 软件,来观察微粒通过流通模块时阻抗信号的变化。

你们到海上工作时必带什么?

Beckett:一定要记得将音乐提前下载到手机上,因为在海上无法播放流媒体。

Anna:我建议带上一个好的咖啡杯!

Anna Michel

Anna Michel 博士,WHOI 应用海洋物理与工程部副研究员兼国家深潜设施中心深潜部首席科学家

Beckett Colson

Beckett Colson,WHOI 化学传感器实验室的 MIT-WHOI 联合项目博士生

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