中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中科合肥智慧農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)、研究員王儒敬，院長(zhǎng)助理、副研究員陳翔宇課題組與安徽理工大學(xué)教授唐超禮團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)了用于土壤磷酸鹽現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)的電化學(xué)微流體系統(tǒng)。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《IEEE傳感器雜志》。
采用電化學(xué)微流控新型傳感器實(shí)現(xiàn)小麥田土壤磷酸鹽現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院供圖
磷是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)和代謝的最重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一。土壤中磷酸鹽含量較低會(huì)導(dǎo)致土壤肥力下降，作物生長(zhǎng)緩慢且產(chǎn)量下降。磷酸鹽含量過(guò)多時(shí)，未被吸收的磷元素會(huì)通過(guò)地表徑流進(jìn)入水體中，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，對(duì)土壤中磷酸鹽含量現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)時(shí)獲取養(yǎng)分必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)調(diào)整當(dāng)?shù)厥┓什呗浴⑻岣咿r(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)保障我國(guó)糧食安全戰(zhàn)略具有重要意義。
目前，土壤磷酸鹽的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備有分光光度法測(cè)量設(shè)備、離子色譜法測(cè)量設(shè)備、毛細(xì)管電泳法測(cè)量設(shè)備等，然而這些測(cè)量設(shè)備不僅操作復(fù)雜，而且體積過(guò)大、不易用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，更難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。電化學(xué)分析因其高靈敏度、高特異性、快速響應(yīng)、低成本和可集成性等優(yōu)點(diǎn)在磷酸鹽測(cè)定中得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器僅限于進(jìn)行單次磷酸鹽測(cè)定，難以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)土壤磷酸鹽監(jiān)測(cè)的要求。
為實(shí)現(xiàn)土壤磷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電化學(xué)傳感技術(shù)和微流控系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，成功研發(fā)出一種新型的高靈敏、高穩(wěn)定性、便攜式及易于操作的土壤磷酸鹽連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成試劑現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)反應(yīng)，用于土壤磷酸鹽的現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，具有成本低、操作簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。借助3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種經(jīng)濟(jì)、高效、快速且可批量生產(chǎn)的電化學(xué)微流控芯片制造方法，檢測(cè)過(guò)程是通過(guò)在傳感器電極上加載激勵(lì)電壓使得溶液中的待測(cè)離子在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)磷酸鹽的濃度檢測(cè)，并通過(guò)循環(huán)伏安法對(duì)土壤中的磷酸鹽進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。
陳翔宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員采用新型土壤磷傳感系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的檢測(cè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量一系列磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，研發(fā)的傳感器實(shí)現(xiàn)了5至100 微摩爾的線(xiàn)性磷酸鹽濃度范圍，檢測(cè)極限為4.2 微摩爾；結(jié)果表明，該新型傳感系統(tǒng)具有良好便攜性、抗干擾性、可重復(fù)性，使用壽命長(zhǎng)，磷酸鹽回收率高達(dá)91.1至110.48%，已成功應(yīng)用于實(shí)際土壤環(huán)境中的磷酸鹽連續(xù)測(cè)定，在田間精細(xì)化養(yǎng)分管理方面具有很大的潛力。
陳翔宇表示，“未來(lái)，我們將進(jìn)一步完善傳感系統(tǒng)性能，拓展適用范圍，推動(dòng)土壤養(yǎng)分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3348807
本文鏈接：新型傳感器實(shí)現(xiàn)土壤磷酸鹽現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)http://www.lensthegame.com/show-11-2788-0.html
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