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    土壤pH傳感器的應用和原理探討

    發表時間: 2020-12-01 12:02:49    點擊:334

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         在農業生產中,土壤基質既作為植物生長必須的支持介質,同時還能儲存植物生長的必須的養分和水分,作物根系從中按需選擇吸收,為作物提供所需要的水、氣、肥生長環境。pH值是栽培基質重要理化參數之一,對基質肥力和養分有重要影響。實時掌握栽培基質pH值,為調節栽培過程水肥狀況提供依據,對實現設施栽培現代化,提高設施農業作物的產量與品質至關重要。傳統檢測土壤pH值,采用的是取土樣,在實驗室經過晾曬風干、過濾、稱重溶解到一定比例的純水中,測其懸浮液的pH,得出土壤pH值。這個檢測方法檢測時間比較久,而且檢測過程也相對復雜。對于農業生產來說,顯然不太適合。所以人們就研發出固態pH傳感器。固態pH傳感器不用取土,直接將傳感器插入土壤就能出結果,檢測速度快,操作也簡單,也更能反應出原位土壤pH對于作物生長的影響。
         華東師范大學的杜元生老師就曾在新型全固態pH傳感器進行研究。他提出兩種全固態pH傳感器,即摻Y鋯酸鋇陶瓷pH傳感器以及Zr/ZrO_2PH傳感器,對制備方法及性能進行了研究。其結果表明,以磷酸為內參比制備的摻Y鋯酸鋇陶瓷pH傳感器,在20℃下響應較慢,但擬合度高,符合線性關系,斜率為-36.5 mV/pH。而在80℃下響應較快,擬合度也較高,但斜率有所下降;以硅鎢酸為內參比制備的摻Y鋯酸鋇陶瓷pH傳感器,20℃下響應比磷酸快,擬合度高,達到了 99.18%,符合線性關系,斜率為-29.44mV/pH。(3)通過高溫氧化法和電化學氧化法制備了 Zr/ZrO_2PH傳感器,并調節制備條件,研究不同方法和不同條件下制備的傳感器性能之間的差異。采用高溫氧化法制備時,用Na2CO3熔鹽氧化制備的傳感器性能最佳。在pH為4~12.47范圍內,響應值非常穩定,且線性擬合度高,斜率為-28.16mV/pH。采用陽極氧化法制備時,對比了有機電解液和無機電解液對氧化膜表面納米結構的影響。當采用無機電解液且第二步氧化時間為1h時,線性擬合度好,在pH為1.68~12.47范圍內斜率達到了-31.51 mV/pH。
         江蘇大學徐坤博士對基于修飾膜的全固態pH傳感器及其應用進行研究。分析了 pH傳感器的研究現狀,針對目前pH傳感器無法對土壤基質環境實現pH原位檢測,結合土壤基質特殊的理化性狀,提出了一種由Nafion修飾的pH銻檢測電極和殼聚糖-石墨烯修飾的固態Ag/AgCl參比電極組成的全固態pH傳感器,并開展其傳感機理及土壤基質pH原位檢測應用研究。提出以Nafion修飾的銻電極作為檢測電極,以殼聚糖-石墨烯修飾的Ag/AgCl參比電極作為參比電極的基于修飾膜的全固態pH傳感器;對所研制的基于修飾膜的全固態pH傳感器進行了試驗研究,結果表明,傳感器的靈敏度為52.3mV/pH,接近理想能斯特響應斜率,響應時間在20s左右,短時間連續測量的偏差小于2mV,長時間使用時,其響應斜率偏差小于2mV/pH;將所研制的基于修飾膜的全固態pH傳感器應用于常見的樣本測試,結果表明,在水系樣本中,其測量誤差明顯小于在土壤基質浸提液中的測量誤差,且其在酸性環境下的測量誤差要大于中性和堿性環境下的測量誤差;相對于數字pH檢測儀其測量的絕對誤差都保持在0.6個單位以內,相對誤差基本保持在10%以內。
         想要提高pH傳感器的精度,還是需要在原理和材料上下功夫。目前武漢漢林苑研發的土壤pH計HLY-216,采用的電位法,能直接插入土壤檢測。其精度能達到0.05pH,這在國產產品中,精度是相對比較高的,帶有溫度補償功能。這個產品即可以檢測原位pH,用于傳統的檢測土壤pH的方法也是沒問題的。其性價比高,穩定性和重復性都很好。適合科研實驗,農業、園藝業和林業等領域應用。

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