专利名称：土壤硝态氮快速检测传感器阵列及其检测方法
技术领域：
本发明涉及土壤养分快速检测技术领域，具体涉及一种土壤硝态氮快速检测传感器阵列及其检测方法。
背景技术：
土壤和水是人类的生命之源，是保障社会文明、经济发展的重要前提。进入21世纪，中国人口持续增长，耕地总量却逐年递减，为保障粮食安全，提高经济作物产量，以“高化肥投入”为特点的集约化农业生产随之普及。其中，因氮肥过施而引发的土壤次生盐渍化、地表水及地下水硝酸盐污染、农产品品质下降、温室气体排放等问题尤为严峻。通过对土壤根层剖面硝态氮含量的测试，不仅可实现对作物单季氮肥施用量的估算和生育期的追肥诊断，而且可以在一定程度上表征地下水硝酸盐的污染程度。自20世纪70年代就有文献报道了在实验室条件下利用离子选择性电极直接测定土壤浸提溶液中的硝态氮含量的方法。但是，传统基于硝酸根离子选择性电极的土壤硝态氮检测传感器存在以下问题①检测传感器多采用以季氨基化合物为电活性材料的聚氯乙烯离子选择性膜，田间测量时易受环境参数及共存阴离子干扰严重；②季氨基化合物价格偏高，在使用过程中存在逐渐向表面迁移并流失的趋势，电极性能易发生退化，且价格偏高；③电极支架内必须填充一定容量的溶液，不利于传感器的微小型化和集成。导电聚合物是一类特殊的高分子共轭聚合物，包括聚吡咯、聚乙炔、聚噻吩和聚苯胺等，具有良好的物理稳定性、良好的导电性、与基底材料接着力较强、较金属具有更好的有机相容性，已在燃料电池、化学传感器、高能电容器、纳米材料及电催化等领域表现出较好的应用潜力。通过电化学介导分子印迹技术，在控制的电化学条件下使吡咯基质单体发生聚合反应，在聚吡咯聚合物薄膜形成过程中，伴随着硝酸根离子掺杂进入聚吡咯分子聚合物共轭链，从而形成高度交联结构的聚合物。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是用于土壤硝态氮检测传感器的常规聚氯乙烯离子选择性电极存在的选择性不理想的问题。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤硝态氮快速检测传感器阵列，包括银-氯化银参比电极和多个聚吡咯聚合物敏感膜传感器，所述参比电极和多个传感器并行排列，所述传感器包括基底和位于所述基底上的、掺杂有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜。优选地，所述传感器阵列还包括支架，所述参比电极和传感器均固定在所述支架上。优选地，所述基底为石墨碳棒。优选地，所述传感器还包括两端开口的玻璃管、环氧树脂、封帽和导线，所述环氧树脂、石墨碳棒以及掺杂有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜均位于所述玻璃管内，所述封帽位于玻璃管一端的封口，所述导线穿过所述封帽与所述石墨碳棒连接。本发明还提供了一种利用所述的传感器阵列检测硝态氮含量的方法，包括传感器阵列的标定步骤和土壤硝态氮的测定步骤；所述传感器阵列的标定步骤包括S11、清洗所述传感器阵列，直至所述多个传感器的电势测量值与参比电极的电势测量值之差保持不变，即所述参比电极与传感器达到反应平衡；S12、选用已知浓度的硝酸盐溶液作为标定溶液通入多个检测池，并在各检测池中插入所述多个传感器和参比电极，记录所述参比电极与各传感器达到反应平衡时，各传感器的电势测量值，此时的电势测量值为平衡电势；S13、用下式⑴表示各传感器的电势测量值与硝态氮NO3--N摩尔浓度的负对数之间的线性响应关系Ea = -SaIog (Mol)+E0a(1)式中，Mol为硝态氮NO3--N摩尔浓度；Ea为第a支传感器的电势测量值；Sa为第a 支传感器的电势响应斜率；Etla为第a支传感器的标准电势；a的取值为1 N，N为传感器的数量；然后将各传感器的平衡电势代入式(1)，利用偏最小二乘法，计算得出式(1)中的参数&3、&的值，由此得出传感器阵列标定方程(1)；第a支传感器测出的Mol值的计算公式如下式(2)Mol = 10_(Ea_Eoa)/Sa(2)所述土壤硝态氮的测定步骤包括S21、清洗所述传感器阵列，直至各传感器的电势测量值与参比电极的电势测量值之差保持不变，即所述参比电极与传感器达到反应平衡；S22、利用传感器阵列并行检测N组待测溶液的电势测量值；S23、利用已获取的传感器阵列检测方程式0)，测出待测溶液中的硝态氮Ν03_-Ν 摩尔浓度。(三)有益效果(1)本发明的传感器阵列包括多支固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器和1支银-氯化银参比电极，通过电位测量法，可并行获取多路被测土壤浸提溶液在传感器界面的电势响应，进而利用回归模型分析得出待测土壤样品中的硝态氮含量。解决了常规土壤检测实验室操作复杂检测效率低，而现有硝态氮田间速测方法准确性差，易受干扰影响的问题。(2)本发明的传感器阵列的基底电极选用石墨碳棒，选择性膜材料单体吡咯材料易得，两种材料的成本较低；聚吡咯薄膜通过电聚合方式紧密键合在固态电极表面，无需内充溶液，易于微小型化，并可通过活化处理“再生”；传感器阵列的集成方式灵活，易于扩展。 解决了常规方法因检测成本高而导致的土壤样本数少，检测结果代表性差的问题。(3)由于聚吡咯聚合物敏感膜(即聚吡咯聚合物薄膜)内部存在与硝酸根空间匹配的多重识别“空腔结构”，可实现对硝酸根离子的选择性识别。解决了传统以季氨基化合物作为电活性材料的聚氯乙烯离子选择性膜选择性差，检测结果易受干扰的问题。总之，本发明具有选择性、准确性和稳定性好，成本低、可扩展性好，适用性广等优点ο
图1是掺杂硝酸根的聚吡咯聚合物敏感膜传感器结构示意图；图2是本发明的传感器阵列结构示意图；图3是支架的结构示意图；图4是本发明的传感器阵列标定曲线；图5是传感器阵列的检测结果。
具体实施例方式下面对于本发明所提出的一种土壤硝态氮快速检测传感器阵列及其检测方法，结合附图和实施例详细说明。本发明构建掺杂硝酸根的固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器(Nitrate doped Polypyrrole (PPy (NO3O) Solid-State knsor)，并以此作为基础感知单元；传感器阵列由4 支固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器和1支银氯化银参比电极组成；聚吡咯聚合物敏感膜1 通过电化学方法聚合在石墨碳棒基底电极表面；基于电位测量原理，用已知低浓度硝酸盐溶液对传感器阵列进行活化后，利用去离子水清洗阵列表面，进而利用已知浓度硝酸盐溶液对传感器阵列进行标定，测定土壤浸提溶液中的硝态氮含量。本发明可用于土壤养分管理及测土配方施肥工程等应用领域。本发明的土壤硝态氮传感器阵列的制备方法，包括以下步骤Al、石墨碳棒基底的制备及预处理聚吡咯聚合物敏感膜传感器的基底材料选用石墨碳棒2，其制备过程为首先将石墨碳棒放入玻璃管3中，用环氧树脂4灌装。为控制传感器的有效反应面积，环氧树脂填充过程应缓慢勻速，尽量防止气泡产生；封装后，将该传感器通风晾干3-5天，待环氧树脂完全固化后，再对传感器表面进行处理。传感器表面预处理步骤如下首先，依次用30 μ m、3 μ m和0. 3 μ m的砂纸打磨传感器表面，打磨完成后，用无水乙醇冲洗；然后，将传感器浸入去离子水中，利用超声波进行清洗，除去电极表面吸附的砂纸颗粒。经过试验优化，本发明中超声波清洗时间为5分钟。A2、传感器镀膜聚合溶液由0. 5mol/L吡咯单体(预提纯)和lmol/L NaNO3混合溶液组成。在聚合反应前，通入氮气10分钟，以除去电解质溶液中的氧气；电聚合过程中，在电解质溶液上方不断通入氮气，以排除反应环境中的空气，防止吡咯单体氧化。电聚合过程采用恒电流仪，在水溶液中进行聚吡咯制备。在二电极体系中，工作电极采用自制碳棒电极，辅助电极选用钼片电极，在工作电极与辅助电极间通入80 μ A恒定聚合电流。通电时间为40分钟后，棕黑色的掺杂硝酸根的聚吡咯导电聚合物薄膜沉积在基底电极表面。电聚合后，需用去离子水缓慢冲洗传感器表面，然后将其放置于硝酸盐溶液中活化，活化溶液浓度为1 X 10-3mol/LNaN03,活化时间为M 小时。本发明中，基底电极选用石墨碳棒，碳棒截面直径为2mm，长度为IOOmm ；传感器封帽5采用塑料材质，利用环氧树脂黏贴于玻璃管表面；玻璃管与石墨碳棒之间利用环氧树脂填充，掺杂硝酸根的聚吡咯聚合物敏感膜采用电聚合方式沉积于碳棒表面。单支传感器的结构如图1所示，其中6表示导线。A3、组成传感器阵列传感器阵列由4支固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器，1支银-氯化银参比电极和支架组成阵列中微小型银-氯化银参比电极可提供稳定且重现性较好的参比电势；4支固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器所组成的感知阵列可并行检测4路土壤浸提溶液中的硝态氮含量，并将溶液中的硝酸根离子浓度转换为电势测量值；传感器和电极由支架固定，支架间用螺栓固定。传感器阵列结构如图2所示，支架结构如图3所示。下面论述5本发明的工作过程；本发明基于能斯特原理对土壤样品浸提溶液中的硝态氮测量，利用电位测量的方法，分别记录4支传感器与参比电极之间的电位差，依据预先获取的传感器阵列标定曲线， 计算得知待测土壤浸提溶液中的硝态氮含量，具体工作过程如下；Si、传感器阵列的标定S11、利用去离子水清洗传感器阵列，直至各路传感器的电势测量值与参比电极的电势测量值之差保持不变，即所述参比电极与传感器达到反应平衡；si2、选用已知浓度硝酸盐溶液通入各检测池，如Io-5Uo-4Uo-3Uo-2Uo-1Iii0Vl NaNO3,插入传感器阵列，记录参比电极与各传感器之间的达到反应平衡时，各传感器的电势测量值，此时的电势测量值为平衡电势；S13、用下式(1)表示各传感器的电势测量值与Ν03_-Ν摩尔浓度(用符号Mol表示)的负对数之间的线性响应关系Ea-SaIog (Mol)+E0a(1)上式的回归模型中，Ea为第a支传感器的电势测量值，单位为mV Ja为第a支传感器的电势响应斜率，单位为mV/decade ；Etla为第a支传感器的标准电势，单位为mV ；a的取值为1到4。然后将各传感器的平衡电势代入式(1)，利用偏最小二乘法，计算得出式(1)中的参数&a、Sa的值，由此得出传感器阵列标定方程(1)；由此可知第a支传感器检测出的Mol = 10_(Ε『ΕΜ)&(2)依据上述实验方法，即可得出如式(1)形式的传感器阵列标定方程，并可依据式 (2)推导得出溶液中的硝态氮含量。S2、土壤硝态氮的测定S21、利用去离子水清洗传感器阵列，直至各路传感器的电势测量值与参比电极的电势测量值之差保持不变，即所述参比电极与传感器达到反应平衡；S22、利用传感器阵列并行检测4路土壤样品浸提溶液的硝态氮含量，获得各组溶液的检测电势；S23、利用已获取的传感器阵列检测方程式O)，即可测出待测样品中的硝态氮含量。本发明可进行并行连续测量，连续测量时重复步骤S21。实施例从北京市小汤山某实验基地采集春小麦试验田100组土壤样品。采集土壤样品均在55°C下低温烘干8小时，利用土壤粉碎机碾磨后过40目分析筛。浸提过程中，取IOg 土壤样品加入25ml浸提剂振荡30分钟，使之均质化。再将振荡后的土壤浸提悬浊液静置2 小时后，用中速定量分析滤纸过滤，获取澄清的土壤浸提液。分析测量前，首先进行传感器阵列的标定利用去离子水清洗传感器阵列，直至4 路传感器的电势测量值与参比电极之间的检测电势值达到稳定；然后，选用10-5、10_4、10_3、 10_2、KT1moVL NaNO3,依次通过传感器阵列，记录参比电极与各传感器达到反应平衡时，传感器的平衡电势。以溶液中NO3--N浓度的负对数为横轴，以各传感器的检测电势为纵轴，传感器标定曲线如图4所示。根据检测结果，得出各传感器的平衡电势与Ν03_-Ν摩尔浓度Mol的负对数之间的线性响应关系，然后根据所测出的传感器的平衡电势值利用偏最小二乘回归方法，得出回归模型式⑴中的参数^laAa的值，即可得出检测阵列中的四支传感器阵列的标定方程，分
别如式(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分别为第1支到第4支传感器的平衡电势，单位为 mV ；-log (Mol)代表NO3--N摩尔浓度的负对数。 依据上述公式，转换得出传感器阵列的检测方程如式(7) 式(10)，所示第1支传感器检测出的Mol=IO^E1-37.2)/47.3 [(7)
第2支传感器检测出的Mol==10_(e243.3)/47.6⑶
第3支传感器检测出的Mol==10_(e2-42.8)/47.3(9)
第4支传感器检测出的Mol==10_(e2-40.2)/47.7(10)根据以上公式(7) (10)，代入待测浸提溶液的检测电势Ea，即可得到待测溶液中的硝态氮含量Mol。土壤硝态氮的测定利用去离子水清洗传感器阵列，直至各路传感器的电势测量值与参比电极之间的检测电势值达到稳定；利用传感器阵列并行检测4路土壤样品浸提溶液的硝态氮含量，获得各组溶液的检测电势；利用已获取的电极阵列检测标准方程⑴，即可测出待测样品中的硝态氮含量。本次样品采集量为100个，本发明可实时并行检测4组，则传感器阵列连续测量25次。100个代表性土样的硝态氮检测结果如图5所示。在图5中，黑色散点表示传感器的检测结果(C1检样 C4检样)。根据检测结果， 所有测量点的浓度测量结果都集中在3 5之间(见横轴)，由于横轴单位为待测溶液的 Ν03_-Ν摩尔浓度的负对数，所以该组土样的硝态氮含量在10_510_3mol/L，并行检测效率较高，检测稳定性、可靠性和准确性较好，系统成本较低。由以上实施例可以看出，本发明以低成本石墨碳棒作为基底电极，基于恒电流法制备全固态聚吡咯离子选择性电极传感器件，并对电极表面预处理及离子选择性膜制备过程参数进行了优化；利用4支固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器和1支微小型银氯化银参比电极组成硝态氮传感器检测阵列，通过电位测量法，并行获取4路被测土壤浸提溶液在传感器界面的检测电势，利用检测模型分析得出待测土壤样品中的硝态氮含量；经检测，检测阵列的并行检测效率较高，检测稳定性、可靠性和准确性较好，系统成本较低。由以上实施例可以看出，与传统以季氨基化合物作为电活性材料的聚氯乙烯离子选择性膜相比，聚吡咯聚合敏感膜内部存在与硝酸根空间匹配的多重识别“空腔结构”，可实现对硝酸根离子的选择性识别；基质单体吡咯材料易得，成本较低，可通过电聚合方式紧密键合在固态电极表面，改善了 PVC敏感膜存在的“离子跃迁”势垒影响，并可通过活化处理“再生”，提高电极寿命；固态聚吡咯聚合物敏感膜传感器无需内充溶液，更易于微小型化和集成。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种土壤硝态氮快速检测传感器阵列，其特征在于，包括银-氯化银参比电极和多个聚吡咯聚合物敏感膜传感器，所述参比电极和多个传感器并行排列，所述传感器包括基底和位于所述基底上的、掺杂有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜。
2.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述传感器阵列还包括支架，所述参比电极和传感器均固定在所述支架上。
3.如权利要求1所述的传感器阵列，其特征在于，所述基底为石墨碳棒。
4.如权利要求3所述的传感器阵列，其特征在于，所述传感器还包括两端开口的玻璃管、环氧树脂、封帽和导线，所述环氧树脂、石墨碳棒以及掺杂有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜均位于所述玻璃管内，所述封帽位于玻璃管一端的封口，所述导线穿过所述封帽与所述石墨碳棒连接。
5.一种利用权利要求1 4中任一项所述的传感器阵列检测硝态氮含量的方法，其特征在于，包括传感器阵列的标定步骤和土壤硝态氮的测定步骤；所述传感器阵列的标定步骤包括s11、清洗所述传感器阵列，直至所述多个传感器的电势测量值与参比电极的电势测量值之差保持不变，即所述参比电极与传感器达到反应平衡；s12、选用已知浓度的硝酸盐溶液作为标定溶液通入多个检测池，并在各检测池中插入所述多个传感器和参比电极，记录所述参比电极与各传感器达到反应平衡时，各传感器的电势测量值，此时的电势测量值为平衡电势；s13、用下式⑴表示各传感器的电势测量值与硝态氮NO3--N摩尔浓度的负对数之间的线性响应关系Ea-SaIog (Mol)+E0a(1)式中，Mol为硝态氮NO3--N摩尔浓度；Ea为第a支传感器的电势测量值;Sa为第a支传感器的电势响应斜率；Etla为第a支传感器的标准电势；a的取值为1 N，N为传感器的数量；然后将各传感器的平衡电势代入式(1)，利用偏最小二乘法，计算得出式(1)中的参数 &3、&的值，由此得出传感器阵列标定方程⑴；第a支传感器测出的Mol值的计算公式如下式Mol = i0-(Ea-Eoa)/Sa(2)所述土壤硝态氮的测定步骤包括s21、清洗所述传感器阵列，直至各传感器的电势测量值与参比电极的电势测量值之差保持不变，即所述参比电极与传感器达到反应平衡；s22、利用传感器阵列并行检测N组待测溶液的电势测量值；s23、利用已获取的传感器阵列检测方程式，测出待测溶液中的硝态氮N03_-N摩尔浓度。
全文摘要
本发明涉及土壤养分快速检测技术领域。公开了一种土壤硝态氮快速检测传感器阵列，包括银-氯化银参比电极和多个聚吡咯聚合物敏感膜传感器，所述参比电极和多个传感器并行排列，所述传感器包括基底和位于所述基底上的、掺杂有硝酸根的聚吡咯聚合物薄膜。本发明还提供了一种利用上述传感器阵列检测硝态氮含量的方法。本发明能解决用于土壤硝态氮检测传感器的常规聚氯乙烯离子选择性电极存在的选择性不理想等问题。
文档编号G01N27/416GK102435656SQ20111026995
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者张丽楠, 张淼, 汪懋华, 盛明娅 申请人:中国农业大学