作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/5 14:12:37
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新型传感器实现土壤磷酸盐现场连续监测

 

中国科学院合肥物质科学研究院、中科合肥智慧农业协同创新研究院院长、研究员王儒敬,院长助理、副研究员陈翔宇课题组与安徽理工大学教授唐超礼团队合作,研发了用于土壤磷酸盐现场连续监测的电化学微流体系统。相关研究成果日前发表于《IEEE传感器杂志》。

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采用电化学微流控新型传感器实现小麦田土壤磷酸盐现场连续监测。中国科学院合肥物质院供图

磷是影响农作物生长和代谢的最重要营养物质之一。土壤中磷酸盐含量较低会导致土壤肥力下降,作物生长缓慢且产量下降。磷酸盐含量过多时,未被吸收的磷元素会通过地表径流进入水体中,导致水体富营养化。因此,对土壤中磷酸盐含量现场连续监测是农业生产中实时获取养分必不可少的一个环节,对调整当地施肥策略、提高农作物产量和质量具有现实意义,对保障我国粮食安全战略具有重要意义。

目前,土壤磷酸盐的传统实验室检测设备有分光光度法测量设备、离子色谱法测量设备、毛细管电泳法测量设备等,然而这些测量设备不仅操作复杂,而且体积过大、不易用于现场监测,更难以实现连续监测。电化学分析因其高灵敏度、高特异性、快速响应、低成本和可集成性等优点在磷酸盐测定中得到了广泛应用。但是传统电化学传感器仅限于进行单次磷酸盐测定,难以满足现场连续土壤磷酸盐监测的要求。

为实现土壤磷的现场监测,研究团队通过电化学传感技术和微流控系统的有机结合,成功研发出一种新型的高灵敏、高稳定性、便携式及易于操作的土壤磷酸盐连续监测系统,该系统集成试剂现场流动反应,用于土壤磷酸盐的现场连续监测,具有成本低、操作简便、实时性强的优势。借助3D打印技术实现了一种经济、高效、快速且可批量生产的电化学微流控芯片制造方法,检测过程是通过在传感器电极上加载激励电压使得溶液中的待测离子在电极表面发生氧化还原反应从而产生电信号,通过检测电信号来实现磷酸盐的浓度检测,并通过循环伏安法对土壤中的磷酸盐进行连续监测。

陈翔宇带领团队成员采用新型土壤磷传感系统进行了一系列的检测验证实验,通过测量一系列磷酸盐标准溶液,研发的传感器实现了5至100 微摩尔的线性磷酸盐浓度范围,检测极限为4.2 微摩尔;结果表明,该新型传感系统具有良好便携性、抗干扰性、可重复性,使用寿命长,磷酸盐回收率高达91.1至110.48%,已成功应用于实际土壤环境中的磷酸盐连续测定,在田间精细化养分管理方面具有很大的潜力。

陈翔宇表示,“未来,我们将进一步完善传感系统性能,拓展适用范围,推动土壤养分现场监测技术在我国农业生产中的广泛应用。” 

相关论文信息:https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3348807

 
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