专利名称：一种温室作物氮钾测量微电极的制作方法
技术领域：
本实用新型属于温室制造技术领域，特别涉及一种温室作物氮钾测量微电极及测量方法，对温室作物中的氮钾含量进行测量。
背景技术：
温室生产的作物，出产量大、需肥量多且土壤肥力消耗高，施肥主要由人工控制，经常会出现氮、钾等主要营养元素比例失调和缺素症状，直接影响作物的产量和品质。有些生产者为了避免缺素问题的发生，过量施用氮、钾肥，不仅造成肥料的浪费和环境污染，而且也会引起作物品质的降低，甚至减产。传统的作物营养诊断方式都是以生产者经验和实验室常规测试为主。凭经验诊断 营养是否丰缺的不足之处是需要到症状比较明显时才能做出判断，而此时可能已经对作物造成了伤害。有些因为肥料过量或不足造成的伤害不可逆转；因此，人工诊断存在主观性和个体差异性，容易发生误诊。实验室常规测试方法主要有叶色卡片法、化学诊断法、肥料窗口施用诊断法和酶学诊断法等，这些传统的测试手段会对作物产生破坏，影响作物生长，而且在取样、测定、数据分析等方面需要耗费大量的人力、物力，时效性差。微电极测量营养离子浓度快速、方便，如中国专利号为200820228434. 7，名称为“一种硝酸根离子选择性微电极”;中国专利号为200820228429. 6，名称为“一种铵离子选择性复合微电极”；尹晓明等2009年在《植物营养与肥料学报》第15卷第3期公开的一种双阻铵根离子选择性微电极测定水稻叶片细胞中铵根离子的浓度；贾莉君等2005年在《土壤学报》第42卷第3期公开的一种双阻离子选择性测定活体不结球小白菜叶片细胞中硝酸根离子的浓度；上述这些公开的技术方案的不足之处是只能检测铵根离子或硝酸根离子单一离子的浓度，而由于作物体内同时存在多种离子，其它离子会给选择性电极带来干扰，营养亏缺会引起植株体内营养元素离子发生显著的变化，且营养元素离子浓度之间相互影响明显，所以检测单一离子浓度，无法消除主要干扰离子的影响，无法反应作物真实的营养状况。
发明内容本实用新型的目的是为了克服上述现有技术的缺陷而提供一种温室作物氮钾测量微电极，可以同时快速、高精度地测量作物体内微小区域硝酸根离子、铵根离子和钾离子的浓度。本实用新型采用的技术方案是多管微玻璃管是由四根微玻璃管轴向平行地紧密形成，下端拉制成锥形，多管微玻璃管的第一、第三、第四根微玻璃管内的下端锥端处分别充有硝酸根尚子敏感剂、铵根尚子敏感剂、钾尚子敏感剂，第二根微玻璃管内整个充有参比内充液，硝酸根离子敏感剂、铵根离子敏感剂、钾离子敏感剂上部液面相连地分别充有硝酸根尚子内充液、铵根尚子内充液、钾尚子内充液；硝酸根尚子内充液、参比内充液、铵根尚子内充液、钾离子内充液中分别插有硝酸根离子信号线、参比信号线、铵根离子信号线、钾离子信号线；各所述信号线分别从多管微玻璃管外部伸入且通过密封胶固定连接多管微玻璃管的上口 ；硝酸根离子信号线、铵根离子信号线、钾离子信号线分别连接高阻微电极放大器第二通道输入端，参比信号线连接同一台高阻微电极放大器第一通道输入端。本实用新型采用上述技术方案后，具有的有益效果是I、可以同时快速地测量温室作物微小区域硝酸根离子、铵根离子和钾离子的浓度，检测精度高，并对这三种离子之间的相互影响进行修正。2、对三种营养成分同时测量，可以对作物硝酸根离子、铵根离子和钾离子营养元素之间的拮抗作用进行解耦，为精确判断作物营养状态提供检测方法和工具。3、可以对作物进行活体测量。
图I为本实用新型的结构示意图。图中1.硝酸根尚子敏感剂；2.铵根尚子敏感剂；3.钾尚子敏感剂；4.多管微玻璃管；5.硝酸根尚子内充液；6.参比内充液；7.铵根尚子内充液；8.钾尚子内充液；9.硝酸根离子信号线；10.参比信号线；11.铵根离子信号线；12.钾离子信号线；13.密封胶。
具体实施方式
本实用新型由四根分别充有参比、硝酸根离子、铵根离子、钾离子内充液的微玻璃管轴向平行地紧密形成多管微玻璃管，每内充液中分别插有连接同一台高阻微电极放大器的信号线，硝酸根离子、铵根离子、钾离子信号线分别与参比信号线之间产生硝酸根离子浓度、铵根离子浓度、钾离子浓度信号电压，利用公式分别计算出各离子浓度，可同时快速精确地测量温室作物微小区域硝酸根离子、铵根离子和钾离子的活度，并对这三种离子之间的相互影响进行修正。具体如下如图I所示，将四根微玻璃管轴向平行地紧密连接在一起，形成一根多管微玻璃管，使用可编程多管拉针器将多管微玻璃管拉制成下端为锥形的多管微玻璃管4，多管微玻璃管4的锥形尖端处的最小直径为2 μ m 10 μ m。将拉制好的多管微玻璃管4的内壁进行常规硅烷化处理，并在150°C温度下连续烘烤60分钟 120分钟。在多管微玻璃管4的第一根微玻璃管内的下端锥端处充有硝酸根离子敏感剂1，硝酸根离子敏感剂I的液柱长度为O. Imm 1mm，硝酸根离子敏感剂I上部充有硝酸根离子内充液5,硝酸根尚子内充液5与硝酸根尚子敏感剂I液面相连，硝酸根尚子内充液5的液柱长度为5mm 30mm。硝酸根离子信号线9从多管微玻璃管4外部伸入内部，并且插入硝酸根尚子内充液5中。在多管微玻璃管4的第二根微玻璃管内整个充有参比内充液6,参比内充液6的液柱长度为5mm 31mm，参比信号线10从多管微玻璃管4外部伸入内部，且插入参比内充液6中。在多管微玻璃管4的第三根微玻璃管内的下端锥端处充有铵根尚子敏感剂2,铵根尚子敏感剂2的液柱长度为O. Imm Imm,铵根尚子敏感剂2上部充有铵根尚子内充液7,铵根尚子内充液7与铵根尚子敏感剂2液面相连,铵根尚子内充液7的液柱长度为5mm 30_，铵根尚子信号线11从多管微玻璃管4外部伸入并插入铵根尚子内充液7中。[0018]在多管微玻璃管4的第四根微玻璃管内的下端锥端处充有钾离子敏感剂3，钾离子敏感剂3的液柱长度为O. Imm 1mm，钾离子敏感剂3上部充有钾离子内充液8，钾离子内充液8与钾尚子敏感剂3液面相连,钾尚子内充液8的液柱长度为5mm 30mm,钾尚子信号线12从多管微玻璃管4外部伸入并插入钾离子内充液8中。多管微玻璃管4的上口处用密封胶13，并且将上述的硝酸根离子信号线9、参比信号线10、铵根离子信号线11和钾离子信号线12在多管微玻璃管4的上口处均以密封胶13固定。上述硝酸根离子敏感剂I米用Sigma-Aldrich公司的Ammonium ionophore I-cocktail A,铵根离子敏感剂 2 米用 Sigma-Aldrich 公司的 Nitrate ionophore -cocktail A,钾离子敏感剂3米用 Sigma-Aldrich 公司的 Sodium ionophore I - cocktailA,多管微玻璃管4采用Hilgenberg公司的四管微玻璃管，硝酸根离子内充液5采用50mM 的KCl和50mM的KNO3的混合溶液；参比内充液6采用200mM的KCl溶液；铵根离子内充液7采用50mM的KCl溶液；钾离子内充液8采用50mM的KCl溶液；硝酸根离子信号线9、参比 信号线10、铵根离子信号线11和钾离子信号线12均为Ag/AgCl丝，Ag/AgCl丝使用纯度为99%、直径为0. 3mm的银线用常规电镀方法制成，密封胶13采用环氧树脂。将硝酸根离子信号线9、铵根离子信号线11、钾离子信号线12、分别与高阻微电极放大器第二通道输入端进行连接，参比信号线10与同一台高阻微电极放大器第一通道输入端进行连接，分别组成差分输入方式，可分别读出硝酸根离子浓度信号电压VI、铵根离子浓度信号电压V2、钾离子浓度信号电压V3。高阻微电极放大器采用成都仪器厂生产的SffF-IB型高阻微电极放大器。在用本实用新型温室作物氮钾测量微电极插入不同浓度或不同成分的标准溶液前，应先用电阻率大于18ΜΩ · cm的超纯水清洗干净并擦干。将多管微玻璃管4的下端锥端插入温室作物待测部位后，在硝酸根离子信号线9与参比信号线10之间产生硝酸根离子浓度信号电压VI，在铵根离子信号线11与参比信号线10之间产生铵根离子浓度信号电压V2，在钾离子信号线12与参比信号线10之间产生钾离子浓度信号电压V3，利用VI、V2和V3分别计算各电极部分的离子浓度Ig(硝酸根离子浓度)=kllXVl + kl2XV2 + kl3XV3 + ell + e12 + e13 (I)其中kll为硝酸根离子敏感系数，kl2为铵根离子对硝酸根离子的干扰系数，kl3为钾离子对硝酸根离子的干扰系数，ell为硝酸根离子误差项，el2为铵根离子对硝酸根离子的干扰误差项，el3为钾离子对硝酸根离子的干扰误差项；lg(铵根离子浓度)=k21XVl + k22XV2 + k23XV3 + e21 + e22 + e23 (2)其中k21为硝酸根离子对铵根离子的干扰系数，k22为铵根离子敏感系数，k23为钾离子对铵根离子的干扰系数，e21为硝酸根离子对铵根离子的干扰误差项，e22为铵根离子误差项，e23为钾离子对铵根离子的干扰误差项；4(钾离子浓度)=1^31\￥1+1^32\￥2 + 1^33\￥3 + 631 + 632 + 633(3)其中k31为硝酸根离子对钾离子的干扰系数，k32为铵根离子对钾离子的干扰系数，k33为钾离子敏感系数，e31为硝酸根离子对钾离子的干扰误差项，e32为铵根离子对钾离子的干扰误差项，e33为钾离子误差项。上述公式(I) - (3)中硝酸根离子电极部分的各个参数kll、kl2、kl3、ell、el2、el3、kll、k21、k22、e21、e22、e23、k31、k32、e31、e32、e33 的确定方法如下将微电极插入不同浓度或不同成分的标准溶液前，应先用电阻率大于18ΜΩ · cm的超纯水清洗干净并擦干。对于硝酸根离子测量电极部分，先利用浓度已知的硝酸根离子标准溶液对公式
(I)中kll、kl2、kl3、ell、el2和el3进行标定，则公式(I)变化为Ig (硝酸根离子标准溶液浓度)=kll XVl + kl2XV2 + kl3XV3 + ell + el2+ el3 (4)将制作好的温室作物氮钾测量微电极按次序依次插入浓度为O. 01mM、0. ImMUmMUO mM和100 mM的硝酸根离子标准溶液中，待硝酸根离子浓度信号电压Vl稳定后，记录硝酸根离子标准溶液浓度和对应的Vl值，共5组标定数据。溶液中不存在铵根离子和钾离子，可令公式(4)中kl2、kl3、el2和el3为O，则公式(4)简化为Ig (硝酸根离子标准溶液浓度)=kll X Vl + ell(5)这样，公式(5)转化为确定kll和ell，将测量得到的Vl值代入公式(5)，不同的kll和ell，可以得到不同的硝酸根离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即5组标定数据的硝酸根离子浓度计算值与对应的硝酸根离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出kll和ell。在O. 01mM、0. ImMU mM、10 mM和100 mM的硝酸根离子标准溶液中加入铵根离子，使溶液中铵根离子浓度达到O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM,在每种浓度组合下均记录一次硝酸根离子浓度、硝酸根离子浓度信号电压Vl值和铵根离子浓度信号电压V2值，共25组标定数据。溶液中不存在钾离子，可令公式(4)中kl3和el3为O，则公式(4)简化为Ig (硝酸根离子标准溶液浓度)=kllXVl + kl2XV2 + ell + el2 (6)由于上述已经确定了 kll和ell，这样，公式(6)化为确定kl2和el2。将测量得到的Vl值和V2值代入公式(6)，不同的kl2和el2，可以得到不同的硝酸根离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即25组标定数据的硝酸根离子浓度计算值与对应的硝酸根离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出kl2和el2。在O. 01mM、0. ImMU mM、10 mM和100 mM的硝酸根离子标准溶液中加入钾离子，使溶液中钾离子浓度达到O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM,在每种浓度组合下均记录一次硝酸根离子浓度、硝酸根离子浓度信号电压Vl值、铵根离子浓度信号电压V2值和钾离子浓度信号电压V3值，共25组标定数据，代入已确定的kl I、kl2、e 11和e 12到公式(4 )中，问题转化为kl3和el3的确定。将测量得到的Vl值、V2值和V3值代入公式(4)，不同的kl3和el3，可以得到不同的硝酸根离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原贝U，即25组标定数据的硝酸根离子浓度计算值与对应的硝酸根离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出kl3和el3。同理，参数k21、k22、e21、e22、e23、k31、k32、e31、e32、e33 的确定方法与上述的kll、kl2、kl3、ell、el2、el3、kll的确定方法类似，以下分别作说明铵根离子测量电极部分，利用浓度已知的铵根离子标准溶液对公式(2)中k21、k22、k23、e21、e22和e23进行确定，公式(2)变化为Ig (铵根离子标准溶液浓度)=k21XVl + k22XV2 + k23XV3 + e21 + e22 + e23 (7)将制作好的温室作物氮钾测量微电极按次序依次插入浓度为O. 01mM、0. ImMUmMUO mM和IOO mM的铵根离子标准溶液中，待铵根离子浓度信号电压V2稳定后，记录铵根离子标准溶液浓度和对应的V2值，共5组标定数据。溶液中不存在硝酸根离子和钾离子，可令公式(7)中k21、k23、e21和e23为O，则公式(7)简化为Ig (铵根离子标准溶液浓度)=k22XV2 + e22(8)转化为确定k22和e22。将测量得到的V2值代入公式(8)，不同的k22和e22，可 以得到不同的铵根离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即5组标定数据的铵根离子浓度计算值与对应的铵根离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原贝IJ，计算出k22和e22 ；在O. 01mM、0. ImMU mM、10 mM和100 mM的铵根离子标准溶液中加入硝酸根离子，使溶液中硝酸根离子浓度达到O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM,在每种浓度组合下均记录一次铵根离子浓度、硝酸根离子浓度信号电压Vl值和铵根离子浓度信号电压V2值，共25组标定数据。溶液中不存在钾离子，可令公式(7)中k23和e23为O，则公式(7)简化为Ig (铵根离子标准溶液浓度)=k21XVl + k22XV2 + e21 + e22 (9)k22和e22已经确定，问题转化为确定k21和e21。将测量得到的Vl值和V2值代入公式(9)，不同的k21和e21，可以得到不同的铵根离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即25组标定数据的铵根离子浓度计算值与对应的铵根离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出k21和e21 ；在O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM的铵根离子标准溶液中加入钾离子,使溶液中钾离子浓度达到O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM,在每种浓度组合下均记录一次铵根离子浓度、硝酸根离子浓度信号电压Vl值、铵根离子浓度信号电压V2值和钾离子浓度信号电压V3值，共25组标定数据，代入已确定的k21、k22、e21和e22到公式(7)中，问题转化为k23和e23的确定。将测量得到的Vl值、V2值和V3值代入公式(7)，不同的k23和e23，可以得到不同的铵根离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即25组标定数据的铵根离子浓度计算值与对应的铵根离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出k23和e23 ；钾离子测量电极部分，利用浓度已知的钾离子标准溶液对公式(3)中k31、k32、k33、e31、e32和e33进行确定，公式(3)变化为lg(钾离子标准溶液浓度)=k31XVl + k32XV2 + k33XV3 + e31 + e32 + e33 (10)将制作好的温室作物氮钾测量微电极按次序依次插入浓度为O. 01mM、0. ImMUmM、10 mM和100 mM的钾离子标准溶液中，待钾离子浓度信号电压V3稳定后，记录钾离子标准溶液浓度和对应的V3值，共5组标定数据。溶液中不存在硝酸根离子和铵根离子，可令公式(10)中k31、k32、e31和e32为O，则公式(10)简化为Ig (钾离子标准溶液浓度)=k33XV3 + e33(11)转化为确定k33和e33。将测量得到的钾离子浓度信号电压V3值代入公式(11)，不同的k33和e33，可以得到不同的钾离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即5组标定数据的钾离子浓度计算值与对应的钾离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出k33和e33 ；在O. 01mM、0. ImMU mM、10 mM和100 mM的钾离子标准溶液中加入硝酸根离子，使溶液中硝酸根离子浓度达到O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM,在每种浓度组合下均记录一次钾离子浓度、硝酸根离子浓度信号电压Vl值和钾离子浓度信号电压V3值，共25组标定数据。溶液中不存在铵根离子，可令公式(10)中k32和e32为0，则公式(10)简化为Ig (钾离子标准溶液浓度)= k31XVl + k33XV3 + e31 + e33 (12)k33和e33已经确定，问题转化为确定k31和e31。将测量得到的Vl值和V3值代入公式(12)，不同的k31和e31，可以得到不同的钾离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即25组标定数据的钾离子浓度计算值与对应的钾离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出k31和e31 ；在O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM的钾离子标准溶液中加入铵根离子,使溶液中铵根离子浓度达到O. 01mM、0. lmM、l mM、10 mM和100 mM,在每种浓度组合下均记录一次钾离子浓度、硝酸根离子浓度信号电压Vl值、铵根离子浓度信号电压V2值和钾离子浓度 信号电压V3值，共25组标定数据，代入已确定的k31、k33、e31和e33到公式(10)中，问题转化为k32和e32的确定。代入已获得的k31、k33、e31和e33，将测量得到的Vl值、V2值和V3值代入公式(10)，不同的k32和e32，可以得到不同的钾离子浓度计算值。采用最小二乘法，以误差平方和最小为原则，即25组标定数据的钾离子浓度计算值与对应的钾离子标准溶液浓度的差值的平方和最小为原则，计算出k32和e32。确定了参数1^11、1^12、1^13、611、612、613、1^11、1^21、1^22、621、622、623、1^31、1^32、e31、e32、e33之后，将多管微玻璃管4的下端锥端尖端插入温室作物待测部位，待读数稳定后读出硝酸根离子浓度信号电压VI、铵根离子浓度信号电压V2和钾离子浓度信号电压V3，将确定的参数 kll、kl2、kl3、ell、el2、el3、kll、k21、k22、e21、e22、e23、k31、k32、e31、e32、e33分别代入前述公式(I) - (3)中，计算获得作物待测部位的硝酸根、铵根离子和钾离子浓度信息。
权利要求1.一种温室作物氮钾测量微电极，具有一根多管微玻璃管(4)，多管微玻璃管(4)是由四根微玻璃管轴向平行地紧密形成，下端拉制成锥形，其特征是多管微玻璃管(4)的第一、第三、第四根微玻璃管内的下端锥端处分别充有硝酸根离子敏感剂(I)、铵根离子敏感剂(2)、钾离子敏感剂(3)，第二根微玻璃管内整个充有参比内充液(6)，硝酸根离子敏感剂(I)、铵根离子敏感剂(2)、钾离子敏感剂(3)上部液面相连地分别充有硝酸根离子内充液(5)、铵根尚子内充液(7)、钾尚子内充液(8)；硝酸根尚子内充液(5)、参比内充液(6)、铵根离子内充液(7)、钾离子内充液(8)中分别插有硝酸根 离子信号线(9)、参比信号线(10)、铵根离子信号线(11)、钾离子信号线(12);各所述信号线分别从多管微玻璃管(4)外部伸入且通过密封胶(13)固定连接多管微玻璃管(4)的上口 ；硝酸根离子信号线(9)、铵根离子信号线(11 )、钾离子信号线(12)分别连接高阻微电极放大器第二通道输入端，参比信号线(10)连接同一台高阻微电极放大器第一通道输入端。
2.根据权利要求I所述的一种温室作物氮钾测量微电极，其特征是硝酸根离子敏感剂(I)、铵根离子敏感剂(2)、钾离子敏感剂(3)的液柱长均是O. Imm Imm,硝酸根离子内充液(5)、铵根尚子内充液(7)、钾尚子内充液(8)的液柱长度均是5mm 30mm,参比内充液(6)的液柱长度是5mm 31mm。
3.根据权利要求I所述的一种温室作物氮钾测量微电极，其特征是多管微玻璃管(4)的下端锥端处的最小直径为2 μ m 10 μ m。
专利摘要本实用新型公开了一种温室作物氮钾测量微电极，由四根微玻璃管轴向平行地紧密形成多管微玻璃管，下端拉制成锥形，第一、第三、第四根微玻璃管内的下端锥端处分别充有硝酸根离子、铵根离子、钾离子敏感剂，第二根微玻璃管内整个充有参比内充液，各敏感剂上部液面相连地分别充有硝酸根离子、铵根离子、钾离子内充液，各内充液中分别插有信号线，各信号线分别连接高阻微电极放大器，可同时快速精确地测量温室作物微小区域硝酸根离子、铵根离子和钾离子的活度，并对这三种离子之间的相互影响进行修正。
文档编号G01N27/36GK202383105SQ20112045638
公开日2012年8月15日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者倪纪恒, 姚舟华, 左志宇, 张晓东, 朱文静, 毛罕平, 胡静, 邹升, 韩绿化 申请人:江苏大学