一种土壤磷酸盐现场原位在线监测方法与流程

本发明涉及土壤养分检测，具体涉及一种土壤磷酸盐现场原位在线监测方法。

背景技术：

1、在农业生产中实现土壤中良好的磷管理是提升养分利用效率、提高粮食产量、减少环境污染的有效途径，对植物以及粮食的生产至关重要。为减少环境污染、提高农业效率，土壤中磷酸盐的有效监测对了解土壤肥力、合理制定施肥策略具有现实意义。

2、现有技术中，土壤磷元素的传统检测方法主要有分光光度法、比色法、色谱法等，但是这些方法的检测过程繁琐、耗时长、化学试剂使用量大，检测结果往往具有滞后性。目前电化学分析方法是一种快速、灵敏、准确的检测分析手段，通过将溶液中待测液产生的化学信号转换为电信号，实现对待测组分的检测，因此受到了广泛的关注。然而，该方法仍需要人工进行取样，从而增加了工作的复杂性以及时间和人力成本，这限制了电化学分析方法在现场原位土壤磷酸盐自动化在线监测中的实际应用。此外，电化学传感器通常只能进行单次检测，无法满足实时、连续监测的需求。

3、微流控技术由于具有自动化、集成化和连续检测等优势，可以满足现场原位土壤磷酸盐实时监测的需求，克服了预处理复杂、手动配样等缺陷。与现有的土壤磷酸盐在线监测技术相比，将电化学法运用到微流控技术中，样品进样、反应、检测等步骤都在微流控芯片中自动化进行，显著缩短了检测时间，提高了检测效率，具有良好的检测效果。因此，迫切需要一种新的结合了微流控技术和电化学分析手段的方法，来实现简单化、低成本、自动一体化的快速土壤磷酸盐现场原位在线监测。

技术实现思路

1、本发明提出的一种土壤磷酸盐现场原位在线监测方法，是为了解决现有技术中尚无快速且精准监测土壤磷酸盐的自动化现场装置的缺陷，提供一种基于电化学分析法的微流控装置及检测方法来解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种土壤磷酸盐现场原位在线监测方法，包括以下步骤，

4、首先将土壤过滤装置直接放置在田地的土壤间隙液中，土壤过滤装置连接在peek毛细管上，peek毛细管另一头连接在蠕动泵上，另一根peek毛细管直接插入在烧杯中的酸性钼酸盐试剂中，通过蠕动泵以100μl/min的速率同时抽取试剂与土壤间隙液，土壤间隙液通过过滤器过滤后，与试剂在电化学微流控芯片传感器的通道内均匀混合，之后发生反应，所生成的待测液流入检测区中；

5、所述电化学微流控芯片传感器包括把丝网印刷电极嵌入在微流控芯片的基底上构成；

6、微流控芯片包括两个进液口和一个出液口，进液口和出液口之间设置蛇形通道；出液口连通检测区；丝网印刷电极的检测端连接检测区，丝网印刷电极的导线端连接便携式电化学工作站。

7、进一步地，丝网印刷电极包含工作电极、辅助电极和参比电极；工作电极和辅助电极的材料是石墨，在工作电极的表面修饰了炭黑纳米颗粒，其中炭黑纳米颗粒在工作电极表面呈阵列式排布，参比电极的材料是银/氯化银；电极与电极之间由银/氯化银导线连接。

8、进一步地，所述炭黑纳米颗粒在工作电极表面呈阵列式排布具体通过有序阵列的纳米颗粒膜将炭黑纳米颗粒填充到模板中，并随后通过模板的去除或剥离，得到阵列式排布的炭黑纳米颗粒修饰电极表面。

9、进一步地，电化学工作站对待测液中所检测的信号进行放大并采集，通过内部核心单片机进行数据处理，然后利用蓝牙与手机连接，提供检测数据可视化结果的界面，所检测过的废液由出液口输出到废液收集瓶中。

10、进一步地，丝网印刷电极的圆形检测区域直接与微流控芯片检测区位置对应；微流控芯片和pdms基底都是通过将pdms胶液导入模具槽，在真空干燥箱中固化制备获得；模具槽通过3d打印技术打印，其材料为abs树脂材料。

11、进一步地，所述电化学微流控芯片传感器的制备步骤包括两个步骤，分别是微流控芯片的制备，以及嵌有丝网印刷电极的pdms基底的制备；微流控芯片的制备步骤是，首先将pdms胶液倒入到模具槽内，微流控芯片模具槽内刻有微流控通道，于真空干燥箱中50℃，8h固化获得微流控芯片；

12、pdms基底槽针对微流控芯片检测区对应位置设有圆柱形凸台，槽边位置对应高度也一样，目的是为了放置丝网印刷电极；

13、嵌有丝网印刷电极的pdms基底的制备步骤是，将丝网印刷电极放置在模具槽特定位置处，按照槽内的体积计算并加入的pdms胶液，此时pdms胶液与丝网印刷电极表面齐平，之后在除去圆形检测区域以外的丝网印刷电极表面均匀涂上pdms，于真空干燥箱中50℃，8h固化，获得嵌有丝网印刷电极的pdms基底；最后，将微流控芯片和嵌有丝网印刷电极的pdms基底进行密封键合，获得电化学微流控芯片传感器。

14、由上述技术方案可知，本发明的土壤磷酸盐现场原位在线监测方法，与现有技术相比解决了检测时间长、稳定性差、精准性低、设备操作复杂等缺陷。本发明设计了一种基于电化学分析的便携式土壤磷酸盐微流控芯片现场原位快检装置与方法，利用磷酸盐与钼酸盐结合生成具有电化学活性的磷钼酸盐络合物，使其在电极表面发生还原反应，从而检测磷酸盐的含量。本发明减少了人工参与配样过程，具有便携、操作简单、检测快速等特点。

15、本发明提供了一种用于土壤磷酸盐现场原位在线监测的电化学微流控装置与检测方法，采用磷酸盐电化学传感器，结合微流控芯片与蠕动泵组合的方式，实现化学反应及连续检测的集成与自动化，易于操作与携带。

16、本发明是一种基于电化学微流控芯片的土壤磷酸盐现场原位在线监测方法，与现有技术相比，操作简单、稳定性高、准确性好、检测速度快、成本低、便于携带，满足土壤磷酸盐现场原位在线监测的需求。

17、具体说，本发明的电化学微流控装置与现有的技术相比，拥有以下优势：

18、1)能够实现现场原位在线监测土壤中的磷酸盐。通过进样端口设置的过滤装置将土壤间隙液过滤到微流控芯片内，并进行自动化快速检测。

19、2)电化学传感器表面通过炭黑纳米颗粒修饰，其中炭黑纳米颗粒在工作电极表面呈阵列式排布,通过有序阵列的纳米颗粒膜将炭黑纳米颗粒填充到模板中，并随后通过模板的去除或剥离，得到阵列式排布的炭黑纳米颗粒修饰电极表面。可以提供更多的反应位点、增加反应的比表面积、提高反应效率、传递速率以及导电性，从而有效地提高了检测灵敏度。修饰的炭黑纳米颗粒制备步骤简单，无需复杂的制备工艺流程和大量的材料合成，且具有高灵敏度和稳定性。

20、3)检测快速且成本低廉的电化学微流控芯片制备方法，解决了丝网印刷电极与检测区之间存在漏液的问题。通过3d打印技术打印用于制备电化学微流控芯片传感器的模具，之后分别制备微流控芯片以及嵌有丝网印刷电极的pdms基底，再将两者进行密封键合，获得电化学微流控芯片传感器。对比于常规印刷在玻璃或其它基底上的丝网印刷电极，本设计中嵌在pdms内部的丝网印刷电极不仅工艺简单、成本更低，而且还具有更高的稳定性和灵敏性，更易于和微流控芯片进行密封检测，解决了常规芯片密封不稳定导致的漏液问题。电极尾部所露出三分之一部分用于连接便携式电化学工作站。