新型傳感器實現土壤磷酸鹽現場連續監測

　　中國科學院合肥物質科學研究院、中科合肥智慧農業協同創新研究院院長、研究員王儒敬，院長助理、副研究員陳翔宇課題組與安徽理工大學教授唐超禮團隊合作，研發了用于土壤磷酸鹽現場連續監測的電化學微流體系統。相關研究成果日前發表于《IEEE傳感器雜志》。

　　采用電化學微流控新型傳感器實現小麥田土壤磷酸鹽現場連續監測。中國科學院合肥物質院供圖

　　磷是影響農作物生長和代謝的最重要營養物質之一。土壤中磷酸鹽含量較低會導致土壤肥力下降，作物生長緩慢且產量下降。磷酸鹽含量過多時，未被吸收的磷元素會通過地表徑流進入水體中，導致水體富營養化。因此，對土壤中磷酸鹽含量現場連續監測是農業生產中實時獲取養分必不可少的一個環節，對調整當地施肥策略、提高農作物產量和質量具有現實意義，對保障我國糧食安全戰略具有重要意義。

　　目前，土壤磷酸鹽的傳統實驗室檢測設備有分光光度法測量設備、離子色譜法測量設備、毛細管電泳法測量設備等，然而這些測量設備不僅操作復雜，而且體積過大、不易用于現場監測，更難以實現連續監測。電化學分析因其高靈敏度、高特異性、快速響應、低成本和可集成性等優點在磷酸鹽測定中得到了廣泛應用。但是傳統電化學傳感器僅限于進行單次磷酸鹽測定，難以滿足現場連續土壤磷酸鹽監測的要求。

　　為實現土壤磷的現場監測，研究團隊通過電化學傳感技術和微流控系統的有機結合，成功研發出一種新型的高靈敏、高穩定性、便攜式及易于操作的土壤磷酸鹽連續監測系統，該系統集成試劑現場流動反應，用于土壤磷酸鹽的現場連續監測，具有成本低、操作簡便、實時性強的優勢。借助3D打印技術實現了一種經濟、高效、快速且可批量生產的電化學微流控芯片制造方法，檢測過程是通過在傳感器電極上加載激勵電壓使得溶液中的待測離子在電極表面發生氧化還原反應從而產生電信號，通過檢測電信號來實現磷酸鹽的濃度檢測，并通過循環伏安法對土壤中的磷酸鹽進行連續監測。

　　陳翔宇帶領團隊成員采用新型土壤磷傳感系統進行了一系列的檢測驗證實驗，通過測量一系列磷酸鹽標準溶液，研發的傳感器實現了5至100 微摩爾的線性磷酸鹽濃度范圍，檢測極限為4.2 微摩爾；結果表明，該新型傳感系統具有良好便攜性、抗干擾性、可重復性，使用壽命長，磷酸鹽回收率高達91.1至110.48%，已成功應用于實際土壤環境中的磷酸鹽連續測定，在田間精細化養分管理方面具有很大的潛力。

　　陳翔宇表示，“未來，我們將進一步完善傳感系統性能，拓展適用范圍，推動土壤養分現場監測技術在我國農業生產中的廣泛應用。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3348807