專利名稱：土壤硝態(tài)氮快速檢測傳感器陣列及其檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及土壤養(yǎng)分快速檢測技術領域，具體涉及一種土壤硝態(tài)氮快速檢測傳感器陣列及其檢測方法。
背景技術：
土壤和水是人類的生命之源，是保障社會文明、經濟發(fā)展的重要前提。進入21世紀，中國人口持續(xù)增長，耕地總量卻逐年遞減，為保障糧食安全，提高經濟作物產量，以“高化肥投入”為特點的集約化農業(yè)生產隨之普及。其中，因氮肥過施而引發(fā)的土壤次生鹽漬化、地表水及地下水硝酸鹽污染、農產品品質下降、溫室氣體排放等問題尤為嚴峻。通過對土壤根層剖面硝態(tài)氮含量的測試，不僅可實現對作物單季氮肥施用量的估算和生育期的追肥診斷，而且可以在一定程度上表征地下水硝酸鹽的污染程度。自20世紀70年代就有文獻報道了在實驗室條件下利用離子選擇性電極直接測定土壤浸提溶液中的硝態(tài)氮含量的方法。但是，傳統基于硝酸根離子選擇性電極的土壤硝態(tài)氮檢測傳感器存在以下問題①檢測傳感器多采用以季氨基化合物為電活性材料的聚氯乙烯離子選擇性膜，田間測量時易受環(huán)境參數及共存陰離子干擾嚴重；②季氨基化合物價格偏高，在使用過程中存在逐漸向表面遷移并流失的趨勢，電極性能易發(fā)生退化，且價格偏高；③電極支架內必須填充一定容量的溶液，不利于傳感器的微小型化和集成。導電聚合物是一類特殊的高分子共軛聚合物，包括聚吡咯、聚乙炔、聚噻吩和聚苯胺等，具有良好的物理穩(wěn)定性、良好的導電性、與基底材料接著力較強、較金屬具有更好的有機相容性，已在燃料電池、化學傳感器、高能電容器、納米材料及電催化等領域表現出較好的應用潛力。通過電化學介導分子印跡技術，在控制的電化學條件下使吡咯基質單體發(fā)生聚合反應，在聚吡咯聚合物薄膜形成過程中，伴隨著硝酸根離子摻雜進入聚吡咯分子聚合物共軛鏈，從而形成高度交聯結構的聚合物。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明所要解決的技術問題是用于土壤硝態(tài)氮檢測傳感器的常規(guī)聚氯乙烯離子選擇性電極存在的選擇性不理想的問題。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種土壤硝態(tài)氮快速檢測傳感器陣列，包括銀-氯化銀參比電極和多個聚吡咯聚合物敏感膜傳感器，所述參比電極和多個傳感器并行排列，所述傳感器包括基底和位于所述基底上的、摻雜有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜。優(yōu)選地，所述傳感器陣列還包括支架，所述參比電極和傳感器均固定在所述支架上。優(yōu)選地，所述基底為石墨碳棒。優(yōu)選地，所述傳感器還包括兩端開口的玻璃管、環(huán)氧樹脂、封帽和導線，所述環(huán)氧樹脂、石墨碳棒以及摻雜有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜均位于所述玻璃管內，所述封帽位于玻璃管一端的封口，所述導線穿過所述封帽與所述石墨碳棒連接。本發(fā)明還提供了一種利用所述的傳感器陣列檢測硝態(tài)氮含量的方法，包括傳感器陣列的標定步驟和土壤硝態(tài)氮的測定步驟；所述傳感器陣列的標定步驟包括S11、清洗所述傳感器陣列，直至所述多個傳感器的電勢測量值與參比電極的電勢測量值之差保持不變，即所述參比電極與傳感器達到反應平衡；S12、選用已知濃度的硝酸鹽溶液作為標定溶液通入多個檢測池，并在各檢測池中插入所述多個傳感器和參比電極，記錄所述參比電極與各傳感器達到反應平衡時，各傳感器的電勢測量值，此時的電勢測量值為平衡電勢；S13、用下式⑴表示各傳感器的電勢測量值與硝態(tài)氮NO3--N摩爾濃度的負對數之間的線性響應關系Ea = -SaIog (Mol)+E0a(1)式中，Mol為硝態(tài)氮NO3--N摩爾濃度；Ea為第a支傳感器的電勢測量值；Sa為第a 支傳感器的電勢響應斜率；Etla為第a支傳感器的標準電勢；a的取值為1 N，N為傳感器的數量；然后將各傳感器的平衡電勢代入式(1)，利用偏最小二乘法，計算得出式(1)中的參數&3、&的值，由此得出傳感器陣列標定方程(1)；第a支傳感器測出的Mol值的計算公式如下式(2)Mol = 10_(Ea_Eoa)/Sa(2)所述土壤硝態(tài)氮的測定步驟包括S21、清洗所述傳感器陣列，直至各傳感器的電勢測量值與參比電極的電勢測量值之差保持不變，即所述參比電極與傳感器達到反應平衡；S22、利用傳感器陣列并行檢測N組待測溶液的電勢測量值；S23、利用已獲取的傳感器陣列檢測方程式0)，測出待測溶液中的硝態(tài)氮Ν03_-Ν 摩爾濃度。(三)有益效果(1)本發(fā)明的傳感器陣列包括多支固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器和1支銀-氯化銀參比電極，通過電位測量法，可并行獲取多路被測土壤浸提溶液在傳感器界面的電勢響應，進而利用回歸模型分析得出待測土壤樣品中的硝態(tài)氮含量。解決了常規(guī)土壤檢測實驗室操作復雜檢測效率低，而現有硝態(tài)氮田間速測方法準確性差，易受干擾影響的問題。(2)本發(fā)明的傳感器陣列的基底電極選用石墨碳棒，選擇性膜材料單體吡咯材料易得，兩種材料的成本較低；聚吡咯薄膜通過電聚合方式緊密鍵合在固態(tài)電極表面，無需內充溶液，易于微小型化，并可通過活化處理“再生”；傳感器陣列的集成方式靈活，易于擴展。 解決了常規(guī)方法因檢測成本高而導致的土壤樣本數少，檢測結果代表性差的問題。(3)由于聚吡咯聚合物敏感膜(即聚吡咯聚合物薄膜)內部存在與硝酸根空間匹配的多重識別“空腔結構”，可實現對硝酸根離子的選擇性識別。解決了傳統以季氨基化合物作為電活性材料的聚氯乙烯離子選擇性膜選擇性差，檢測結果易受干擾的問題?？傊?，本發(fā)明具有選擇性、準確性和穩(wěn)定性好，成本低、可擴展性好，適用性廣等優(yōu)點ο


圖1是摻雜硝酸根的聚吡咯聚合物敏感膜傳感器結構示意圖；圖2是本發(fā)明的傳感器陣列結構示意圖；圖3是支架的結構示意圖；圖4是本發(fā)明的傳感器陣列標定曲線；圖5是傳感器陣列的檢測結果。
具體實施例方式下面對于本發(fā)明所提出的一種土壤硝態(tài)氮快速檢測傳感器陣列及其檢測方法，結合附圖和實施例詳細說明。本發(fā)明構建摻雜硝酸根的固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器(Nitrate doped Polypyrrole (PPy (NO3O) Solid-State knsor)，并以此作為基礎感知單元；傳感器陣列由4 支固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器和1支銀氯化銀參比電極組成；聚吡咯聚合物敏感膜1 通過電化學方法聚合在石墨碳棒基底電極表面；基于電位測量原理，用已知低濃度硝酸鹽溶液對傳感器陣列進行活化后，利用去離子水清洗陣列表面，進而利用已知濃度硝酸鹽溶液對傳感器陣列進行標定，測定土壤浸提溶液中的硝態(tài)氮含量。本發(fā)明可用于土壤養(yǎng)分管理及測土配方施肥工程等應用領域。本發(fā)明的土壤硝態(tài)氮傳感器陣列的制備方法，包括以下步驟Al、石墨碳棒基底的制備及預處理聚吡咯聚合物敏感膜傳感器的基底材料選用石墨碳棒2，其制備過程為首先將石墨碳棒放入玻璃管3中，用環(huán)氧樹脂4灌裝。為控制傳感器的有效反應面積，環(huán)氧樹脂填充過程應緩慢勻速，盡量防止氣泡產生；封裝后，將該傳感器通風晾干3-5天，待環(huán)氧樹脂完全固化后，再對傳感器表面進行處理。傳感器表面預處理步驟如下首先，依次用30 μ m、3 μ m和0. 3 μ m的砂紙打磨傳感器表面，打磨完成后，用無水乙醇沖洗；然后，將傳感器浸入去離子水中，利用超聲波進行清洗，除去電極表面吸附的砂紙顆粒。經過試驗優(yōu)化，本發(fā)明中超聲波清洗時間為5分鐘。A2、傳感器鍍膜聚合溶液由0. 5mol/L吡咯單體(預提純)和lmol/L NaNO3混合溶液組成。在聚合反應前，通入氮氣10分鐘，以除去電解質溶液中的氧氣；電聚合過程中，在電解質溶液上方不斷通入氮氣，以排除反應環(huán)境中的空氣，防止吡咯單體氧化。電聚合過程采用恒電流儀，在水溶液中進行聚吡咯制備。在二電極體系中，工作電極采用自制碳棒電極，輔助電極選用鉬片電極，在工作電極與輔助電極間通入80 μ A恒定聚合電流。通電時間為40分鐘后，棕黑色的摻雜硝酸根的聚吡咯導電聚合物薄膜沉積在基底電極表面。電聚合后，需用去離子水緩慢沖洗傳感器表面，然后將其放置于硝酸鹽溶液中活化，活化溶液濃度為1 X 10-3mol/LNaN03,活化時間為M 小時。本發(fā)明中，基底電極選用石墨碳棒，碳棒截面直徑為2mm，長度為IOOmm ；傳感器封帽5采用塑料材質，利用環(huán)氧樹脂黏貼于玻璃管表面；玻璃管與石墨碳棒之間利用環(huán)氧樹脂填充，摻雜硝酸根的聚吡咯聚合物敏感膜采用電聚合方式沉積于碳棒表面。單支傳感器的結構如圖1所示，其中6表示導線。A3、組成傳感器陣列傳感器陣列由4支固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器，1支銀-氯化銀參比電極和支架組成陣列中微小型銀-氯化銀參比電極可提供穩(wěn)定且重現性較好的參比電勢；4支固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器所組成的感知陣列可并行檢測4路土壤浸提溶液中的硝態(tài)氮含量，并將溶液中的硝酸根離子濃度轉換為電勢測量值；傳感器和電極由支架固定，支架間用螺栓固定。傳感器陣列結構如圖2所示，支架結構如圖3所示。下面論述5本發(fā)明的工作過程；本發(fā)明基于能斯特原理對土壤樣品浸提溶液中的硝態(tài)氮測量，利用電位測量的方法，分別記錄4支傳感器與參比電極之間的電位差，依據預先獲取的傳感器陣列標定曲線， 計算得知待測土壤浸提溶液中的硝態(tài)氮含量，具體工作過程如下；Si、傳感器陣列的標定S11、利用去離子水清洗傳感器陣列，直至各路傳感器的電勢測量值與參比電極的電勢測量值之差保持不變，即所述參比電極與傳感器達到反應平衡；si2、選用已知濃度硝酸鹽溶液通入各檢測池，如Io-5Uo-4Uo-3Uo-2Uo-1Iii0Vl NaNO3,插入傳感器陣列，記錄參比電極與各傳感器之間的達到反應平衡時，各傳感器的電勢測量值，此時的電勢測量值為平衡電勢；S13、用下式(1)表示各傳感器的電勢測量值與Ν03_-Ν摩爾濃度(用符號Mol表示)的負對數之間的線性響應關系Ea-SaIog (Mol)+E0a(1)上式的回歸模型中，Ea為第a支傳感器的電勢測量值，單位為mV Ja為第a支傳感器的電勢響應斜率，單位為mV/decade ；Etla為第a支傳感器的標準電勢，單位為mV ；a的取值為1到4。然后將各傳感器的平衡電勢代入式(1)，利用偏最小二乘法，計算得出式(1)中的參數&a、Sa的值，由此得出傳感器陣列標定方程(1)；由此可知第a支傳感器檢測出的Mol = 10_(Ε『ΕΜ)&(2)依據上述實驗方法，即可得出如式(1)形式的傳感器陣列標定方程，并可依據式 (2)推導得出溶液中的硝態(tài)氮含量。S2、土壤硝態(tài)氮的測定S21、利用去離子水清洗傳感器陣列，直至各路傳感器的電勢測量值與參比電極的電勢測量值之差保持不變，即所述參比電極與傳感器達到反應平衡；S22、利用傳感器陣列并行檢測4路土壤樣品浸提溶液的硝態(tài)氮含量，獲得各組溶液的檢測電勢；S23、利用已獲取的傳感器陣列檢測方程式O)，即可測出待測樣品中的硝態(tài)氮含量。本發(fā)明可進行并行連續(xù)測量，連續(xù)測量時重復步驟S21。實施例從北京市小湯山某實驗基地采集春小麥試驗田100組土壤樣品。采集土壤樣品均在55°C下低溫烘干8小時，利用土壤粉碎機碾磨后過40目分析篩。浸提過程中，取IOg 土壤樣品加入25ml浸提劑振蕩30分鐘，使之均質化。再將振蕩后的土壤浸提懸濁液靜置2 小時后，用中速定量分析濾紙過濾，獲取澄清的土壤浸提液。分析測量前，首先進行傳感器陣列的標定利用去離子水清洗傳感器陣列，直至4 路傳感器的電勢測量值與參比電極之間的檢測電勢值達到穩(wěn)定；然后，選用10-5、10_4、10_3、 10_2、KT1moVL NaNO3,依次通過傳感器陣列，記錄參比電極與各傳感器達到反應平衡時，傳感器的平衡電勢。以溶液中NO3--N濃度的負對數為橫軸，以各傳感器的檢測電勢為縱軸，傳感器標定曲線如圖4所示。根據檢測結果，得出各傳感器的平衡電勢與Ν03_-Ν摩爾濃度Mol的負對數之間的線性響應關系，然后根據所測出的傳感器的平衡電勢值利用偏最小二乘回歸方法，得出回歸模型式⑴中的參數^laAa的值，即可得出檢測陣列中的四支傳感器陣列的標定方程，分
別如式(3)、(4)、(5)、(6)所示E1 = -47. 3 X log (Mol) +37. 2(3)E2 = -47. 6 X log (Mol) +43. 3(4)E3 = -47. 3 X log (Mol)+42. 8(5)E4 = -47. 7 X log (Mol) +40. 2(6) 式(3) - (6)中的E1-I分別為第1支到第4支傳感器的平衡電勢，單位為 mV ；-log (Mol)代表NO3--N摩爾濃度的負對數。 依據上述公式，轉換得出傳感器陣列的檢測方程如式(7) 式(10)，所示第1支傳感器檢測出的Mol=IO^E1-37.2)/47.3 [(7)
第2支傳感器檢測出的Mol==10_(e243.3)/47.6⑶
第3支傳感器檢測出的Mol==10_(e2-42.8)/47.3(9)
第4支傳感器檢測出的Mol==10_(e2-40.2)/47.7(10)根據以上公式(7) (10)，代入待測浸提溶液的檢測電勢Ea，即可得到待測溶液中的硝態(tài)氮含量Mol。土壤硝態(tài)氮的測定利用去離子水清洗傳感器陣列，直至各路傳感器的電勢測量值與參比電極之間的檢測電勢值達到穩(wěn)定；利用傳感器陣列并行檢測4路土壤樣品浸提溶液的硝態(tài)氮含量，獲得各組溶液的檢測電勢；利用已獲取的電極陣列檢測標準方程⑴，即可測出待測樣品中的硝態(tài)氮含量。本次樣品采集量為100個，本發(fā)明可實時并行檢測4組，則傳感器陣列連續(xù)測量25次。100個代表性土樣的硝態(tài)氮檢測結果如圖5所示。在圖5中，黑色散點表示傳感器的檢測結果(C1檢樣 C4檢樣)。根據檢測結果， 所有測量點的濃度測量結果都集中在3 5之間(見橫軸)，由于橫軸單位為待測溶液的 Ν03_-Ν摩爾濃度的負對數，所以該組土樣的硝態(tài)氮含量在10_510_3mol/L，并行檢測效率較高，檢測穩(wěn)定性、可靠性和準確性較好，系統成本較低。由以上實施例可以看出，本發(fā)明以低成本石墨碳棒作為基底電極，基于恒電流法制備全固態(tài)聚吡咯離子選擇性電極傳感器件，并對電極表面預處理及離子選擇性膜制備過程參數進行了優(yōu)化；利用4支固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器和1支微小型銀氯化銀參比電極組成硝態(tài)氮傳感器檢測陣列，通過電位測量法，并行獲取4路被測土壤浸提溶液在傳感器界面的檢測電勢，利用檢測模型分析得出待測土壤樣品中的硝態(tài)氮含量；經檢測，檢測陣列的并行檢測效率較高，檢測穩(wěn)定性、可靠性和準確性較好，系統成本較低。由以上實施例可以看出，與傳統以季氨基化合物作為電活性材料的聚氯乙烯離子選擇性膜相比，聚吡咯聚合敏感膜內部存在與硝酸根空間匹配的多重識別“空腔結構”，可實現對硝酸根離子的選擇性識別；基質單體吡咯材料易得，成本較低，可通過電聚合方式緊密鍵合在固態(tài)電極表面，改善了 PVC敏感膜存在的“離子躍遷”勢壘影響，并可通過活化處理“再生”，提高電極壽命；固態(tài)聚吡咯聚合物敏感膜傳感器無需內充溶液，更易于微小型化和集成。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種土壤硝態(tài)氮快速檢測傳感器陣列，其特征在于，包括銀-氯化銀參比電極和多個聚吡咯聚合物敏感膜傳感器，所述參比電極和多個傳感器并行排列，所述傳感器包括基底和位于所述基底上的、摻雜有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜。
2.如權利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述傳感器陣列還包括支架，所述參比電極和傳感器均固定在所述支架上。
3.如權利要求1所述的傳感器陣列，其特征在于，所述基底為石墨碳棒。
4.如權利要求3所述的傳感器陣列，其特征在于，所述傳感器還包括兩端開口的玻璃管、環(huán)氧樹脂、封帽和導線，所述環(huán)氧樹脂、石墨碳棒以及摻雜有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜均位于所述玻璃管內，所述封帽位于玻璃管一端的封口，所述導線穿過所述封帽與所述石墨碳棒連接。
5.一種利用權利要求1 4中任一項所述的傳感器陣列檢測硝態(tài)氮含量的方法，其特征在于，包括傳感器陣列的標定步驟和土壤硝態(tài)氮的測定步驟；所述傳感器陣列的標定步驟包括s11、清洗所述傳感器陣列，直至所述多個傳感器的電勢測量值與參比電極的電勢測量值之差保持不變，即所述參比電極與傳感器達到反應平衡；s12、選用已知濃度的硝酸鹽溶液作為標定溶液通入多個檢測池，并在各檢測池中插入所述多個傳感器和參比電極，記錄所述參比電極與各傳感器達到反應平衡時，各傳感器的電勢測量值，此時的電勢測量值為平衡電勢；s13、用下式⑴表示各傳感器的電勢測量值與硝態(tài)氮NO3--N摩爾濃度的負對數之間的線性響應關系Ea-SaIog (Mol)+E0a(1)式中，Mol為硝態(tài)氮NO3--N摩爾濃度；Ea為第a支傳感器的電勢測量值;Sa為第a支傳感器的電勢響應斜率；Etla為第a支傳感器的標準電勢；a的取值為1 N，N為傳感器的數量；然后將各傳感器的平衡電勢代入式(1)，利用偏最小二乘法，計算得出式(1)中的參數 &3、&的值，由此得出傳感器陣列標定方程⑴；第a支傳感器測出的Mol值的計算公式如下式Mol = i0-(Ea-Eoa)/Sa(2)所述土壤硝態(tài)氮的測定步驟包括s21、清洗所述傳感器陣列，直至各傳感器的電勢測量值與參比電極的電勢測量值之差保持不變，即所述參比電極與傳感器達到反應平衡；s22、利用傳感器陣列并行檢測N組待測溶液的電勢測量值；s23、利用已獲取的傳感器陣列檢測方程式，測出待測溶液中的硝態(tài)氮N03_-N摩爾濃度。
全文摘要
本發(fā)明涉及土壤養(yǎng)分快速檢測技術領域。公開了一種土壤硝態(tài)氮快速檢測傳感器陣列，包括銀-氯化銀參比電極和多個聚吡咯聚合物敏感膜傳感器，所述參比電極和多個傳感器并行排列，所述傳感器包括基底和位于所述基底上的、摻雜有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜。本發(fā)明還提供了一種利用上述傳感器陣列檢測硝態(tài)氮含量的方法。本發(fā)明能解決用于土壤硝態(tài)氮檢測傳感器的常規(guī)聚氯乙烯離子選擇性電極存在的選擇性不理想等問題。
文檔編號G01N27/416GK102435656SQ20111026995
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權日2011年9月13日
發(fā)明者張麗楠, 張淼, 汪懋華, 盛明婭 申請人:中國農業(yè)大學