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1.3平面光电极系统及图像处理方法
平面光电极系统由激发光源、平面感应膜、图片获取装置以及图片处理装置构成（图1）。本研究采用中心波长为400和450 nm的LED灯（20 W，深圳天耀）作为激发光源。图片获取装置采用佳能600 D相机，配置Sigma 50 mm F2.8 EX DG微距镜头，镜头前加装540 nm长波通滤光片（深圳激埃特光学）。pH值感应薄膜经激发光照射后，释放560 nm波长的光，经过滤光片过滤后被相机获取。目前平面光电极技术采用的定量方法主要有3种：荧光强度定量、强度比率定量和荧光寿命定量。荧光强度定量方法简单易行，但缺点也很明显，容易受到背景光的干扰；荧光寿命定量方法虽然精确，但是其设备体系复杂、造价过高、操作不便。本实验采用的是基于荧光强度比率定量的RGB三色参比法进行图形数据处理方法。该方法主要是通过获取RAW图像，利用图像处理软件将拍摄图像的G通道的荧光强度值提取出来。将两个不同波长激发光源（400和450 nm）照射后产生的释放光图片G通道荧光强度做比率值，得到的比率值与pH值相对应作标准曲线，以上操作通过计算机使用ImageJ软件进行。本实验中相机的有效像素分辨率为5184×3456，成像传感器尺寸为22.3 mm×14.9 mm，拍照时放大倍数为5倍，因此可以获得图片分辨率为21.5μm×21.5μm的pH值二维分布图。与传统的pH值测定方法如微电极相比，本方法可以获取二维pH值分布特征图像并提供更高的分辨率，有利于检测微尺度内pH值的变化。
图1平面光电极系统装置示意
2实验设置
研究样点位于太湖梅梁湾（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层沉积物，并利用重力采水器采集深度1.2 m处的水样。采样后立即运回实验室，将沉积物和水样一起放入聚乙烯材质的整理箱中，将湿沉积物过300目的筛网以去除水丝蚓，对上覆水进行曝气培养，光照比为12 h∶12 h，白天开启日光灯强度约为100 lx，晚上测试室用遮光布遮挡住外部光线。室温控制在20±2℃。
霍甫水丝蚓和沉积物一同从太湖中采集，带回实验室对上覆水进行曝气培养以保证上覆水中的溶解氧充足，培养一周后连同沉积物取出放入300目的筛网中，将沉积物洗净，筛网中的剩余物（主要为植物残体和底栖动物）倒入托盘中，挑取其中体长约3——4 cm、生长程度相对均一、活性较强的霍甫水丝蚓成虫装入5 ml离心管中，20℃保温待用。
装有沉积物的有机玻璃盒子尺寸为10 cm（长）×8 cm（宽）×10 cm（高），盒子的前端挡板材质为透紫外光石英玻璃（10 cm×10 cm×2 mm）。实验开始时将HPTS平面感应膜贴在石英玻璃上，排除所有气泡，并在膜边缘处用防水胶带密封。将充分混匀的沉积物缓慢放入有机玻璃盒子中以保证沉积物中没有气泡，填充后沉积物的深度约为5 cm.通过虹吸方法缓慢加入湖水，然后将黑色有机玻璃挡板（10 cm×10 cm）在石英玻璃后2 mm处缓慢插入沉积物，以这2 mm宽度空间作为霍甫水丝蚓活动区域。将挑选好的霍甫水丝蚓个体（共5条）加入沉积物中，定期观察其扰动对沉积物界面二维pH值变化的影响。分别在不同的时间通过光学系统（图1）获取沉积物~水界面平面感应膜荧光图片。荧光图片经计算机处理后得到沉积物~水界面二维pH值图像。
3结果与讨论
3.1霍甫水丝蚓扰动对沉积物~水界面pH值二维分布的影响
霍甫水丝蚓投加前，沉积物和上覆水有明显分层，形成稳定的沉积物~水界面。霍甫水丝蚓放入后，第2 d在石英玻璃板面开始有水丝蚓洞穴结构出现（图2），经过霍甫水丝蚓扰动2 d后的沉积物~水界面开始模糊，最大扰动深度约为3 cm.相对于传统研究方法，本实验采用的方法能够更直观、清楚地观察到水丝蚓洞穴结构以及扰动轨迹。
图2霍甫水丝蚓扰动前后荧光照片对比
图3霍甫水丝蚓扰动作用对沉积物~水界面二维pH值分布变化，图3A到图3H分别为第0 d（即未投放霍甫水丝蚓）至第7 d的二维pH值图像
霍甫水丝蚓扰动后对沉积物~水界面的二维pH值影响如图3所示。总体而言，上覆水的pH值较高，最高值达到8.4，而沉积物底部的pH值较低，只有6.6，在2——3 cm深度内pH值降低了约1.8个单位。未加霍甫水丝蚓时，沉积物~水界面上下的pH值分布特征非常明显，呈现上覆水高、沉积物低的趋势（图3A），pH值变化梯度十分剧烈，在界面处约0.5 cm深度内降低约1.2个pH值单位。加入霍甫水丝蚓后（图3B），由于霍甫水丝蚓短时间内需要适应新环境，所以沉积物pH值并没有明显变化，但是沉积物~水界面已经开始变得模糊，这是由于霍甫水丝蚓的扰动增大了沉积物~水界面面积，为沉积物和上覆水中物质交换提供了场地条件。第2 d开始，霍甫水丝蚓的生命活动强度明显增加，石英玻璃板壁出现明显的水丝蚓洞穴轨迹，上覆水进入沉积物中并引起了部分沉积物pH值的升高，之后的5 d内，由于霍甫水丝蚓生命活动的不断进行，沉积物~水界面的pH值分布特征已经有明显改变，最终在表层沉积物中形成了1 cm深的pH值缓冲区域。
