土壤离子含量电极测定

提高农业生产力是减轻发展中国家近5亿小农户贫困的最有效方法之一。例如，在印度等农业经济体，研究发现提高农业生产率在改善农村贫困方面的效果是任何其他同等国内生产总值(GDP)贡献的2.9倍。虽然农业效率低下背后有许多因素，包括机械化程度低和病虫害管理不力，土壤健康状况不佳是可以从源头着手解决的主要因素之一。如果更多的农民能够有效地测试他们的土壤并在测试时获得可行的建议，他们将能够做出更明智的施肥决策，改善土壤健康，并将经济产出提高两倍。除了农民的盈利能力受损外，施肥不当还会对周围环境产生负面影响。例如，过度施肥会造成严重的下游污染，尤其是在印度和中国等国家，由于政府补贴，硝酸盐和磷肥的施用量通常是所需量的两倍。这些做法最终导致下游水体富营养化、温室气体排放增加、土壤酸化以及土壤肥力全面下降。因此，土壤诊断解决方案是维持健康和可持续发展环境的关键参与者。土壤离子含量分析技术必须测量田间目标离子养分的浓度，并以清晰和可操作的方式报告这些测量结果。土壤测试中最常测量的目标离子是对植物生长最关键的常量营养素：硝酸盐(N)、磷酸盐(P)和钾(K)。镁(Mg)、铜(Cu)和锌(Zn)等微量营养素对植物发育不太重要，因此测试频率较低。

    对于常量和微量营养素，普遍的土壤测试方法包括原子吸收光谱法(AAS)、比色法、火焰光度法和电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)。上述方法通常提供远低于可操作土壤健康评估所需浓度的高精度和检测限。然而，除了比色法，这些技术需要训练有素的实验室人员和昂贵的实验室仪器（火焰光度法>1000美元，AAS>10,000美元，ICP-AES>50,000美元），需要在集中实验室设施进行分析，例如农业推广中心.鉴于这些中心通常还被授权提供一系列其他服务，因此它们通常缺乏带宽来测试所有农民的土壤样本并及时为即将到来的生长季节提供施肥建议。比色微流体装置已被认为是分散式土壤化学分析的潜在方法。从积极的方面来说，它们使用简单的转导方法（颜色），成本低，并且可以在测试点实施。然而，由于需要使用专用设备和对环境敏感的化学品进行多步分析，以及由于颜色解释的固有主观性而导致的不准确性，因此向大规模使用的过渡受到阻碍。我们团队在印度的用户测试进一步强调了这种情绪，因为农民发现田间土壤套件中基于比色法的测试令人困惑且不可靠.为了实现客观测量，使用易于转换为电信号的检测方法是有益的，这反过来又有助于直接数字输出而无需解释。在通过微芯片毛细管电泳分离样品后，可以通过简单的电导率测量来实现电转导，从而实现土壤常量营养素的多重检测。然而，电泳分离需要使用高压(>1000V)和更复杂的测量协议，这限制了在资源有限的环境中进行营养测试的可行性。

    离子选择性电极(ISE)提供了一种更简单的电子转导方法，它可以与低成本电子仪器结合使用，提供有前途的使用点土壤分析解决方案，而没有比色法或毛细管电泳法的缺点。每年数十亿次ISE测量用于生理分析、制造过程控制和环境分析中的痕量离子检测，使用基于电压的测量系统，无需解释即可直接输出数字。ISE可以测量大量离子，从而实现多重土壤离子检测。ISE通常按照中描述的方式构建图1a，输入来自工作电极和充满电解质溶液的参比电极。在每个电极内，浸入已知氯离子浓度的银-氯化银电极（通常是氯化银线）在Ag/AgCl电极和相应的电解质之间保持恒定的电位差。参比电极中的电解质通过液体接界连接到样品溶液，这导致液体接界电势差可以通过亨德森方程等方法计算。液接部通常含有高浓度的等转移盐，例如醋酸锂，以最大限度地减少液接部电位对样品分析物浓度的依赖性.工作电极中的电解质通过离子选择性膜(ISM)与样品溶液分离，离子选择性膜包含分析物离子的载体，离子选择性交换在ISM/溶液界面产生电位差，电位差取决于结果和讨论部分中描述的分析物浓度。工作电极中的电解质含有已知浓度的分析物离子，这导致电解质/ISM界面处的电位差恒定。因此，对于正确设计的ISE，唯一取决于分析物浓度的电位降将是ISM/溶液界面处的电位差，然后ISE可用于分析物离子浓度的电位测量。

审核编辑 黄宇