土壤離子含量電極測定

提高農業生產力是減輕發展中國家近5億小農戶貧困的最有效方法之一。例如，在印度等農業經濟體，研究發現提高農業生產率在改善農村貧困方面的效果是任何其他同等國內生產總值(GDP)貢獻的2.9倍。雖然農業效率低下背后有許多因素，包括機械化程度低和病蟲害管理不力，土壤健康狀況不佳是可以從源頭著手解決的主要因素之一。如果更多的農民能夠有效地測試他們的土壤并在測試時獲得可行的建議，他們將能夠做出更明智的施肥決策，改善土壤健康，并將經濟產出提高兩倍。除了農民的盈利能力受損外，施肥不當還會對周圍環境產生負面影響。例如，過度施肥會造成嚴重的下游污染，尤其是在印度和中國等國家，由于政府補貼，硝酸鹽和磷肥的施用量通常是所需量的兩倍。這些做法最終導致下游水體富營養化、溫室氣體排放增加、土壤酸化以及土壤肥力全面下降。因此，土壤診斷解決方案是維持健康和可持續發展環境的關鍵參與者。土壤離子含量分析技術必須測量田間目標離子養分的濃度，并以清晰和可操作的方式報告這些測量結果。土壤測試中最常測量的目標離子是對植物生長最關鍵的常量營養素：硝酸鹽(N)、磷酸鹽(P)和鉀(K)。鎂(Mg)、銅(Cu)和鋅(Zn)等微量營養素對植物發育不太重要，因此測試頻率較低。

對于常量和微量營養素，普遍的土壤測試方法包括原子吸收光譜法(AAS)、比色法、火焰光度法和電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)。上述方法通常提供遠低于可操作土壤健康評估所需濃度的高精度和檢測限。然而，除了比色法，這些技術需要訓練有素的實驗室人員和昂貴的實驗室儀器（火焰光度法>1000美元，AAS>10,000美元，ICP-AES>50,000美元），需要在集中實驗室設施進行分析，例如農業推廣中心.鑒于這些中心通常還被授權提供一系列其他服務，因此它們通常缺乏帶寬來測試所有農民的土壤樣本并及時為即將到來的生長季節提供施肥建議。比色微流體裝置已被認為是分散式土壤化學分析的潛在方法。從積極的方面來說，它們使用簡單的轉導方法（顏色），成本低，并且可以在測試點實施。然而，由于需要使用專用設備和對環境敏感的化學品進行多步分析，以及由于顏色解釋的固有主觀性而導致的不準確性，因此向大規模使用的過渡受到阻礙。我們團隊在印度的用戶測試進一步強調了這種情緒，因為農民發現田間土壤套件中基于比色法的測試令人困惑且不可靠.為了實現客觀測量，使用易于轉換為電信號的檢測方法是有益的，這反過來又有助于直接數字輸出而無需解釋。在通過微芯片毛細管電泳分離樣品后，可以通過簡單的電導率測量來實現電轉導，從而實現土壤常量營養素的多重檢測。然而，電泳分離需要使用高壓(>1000V)和更復雜的測量協議，這限制了在資源有限的環境中進行營養測試的可行性。

離子選擇性電極(ISE)提供了一種更簡單的電子轉導方法，它可以與低成本電子儀器結合使用，提供有前途的使用點土壤分析解決方案，而沒有比色法或毛細管電泳法的缺點。每年數十億次ISE測量用于生理分析、制造過程控制和環境分析中的痕量離子檢測，使用基于電壓的測量系統，無需解釋即可直接輸出數字。ISE可以測量大量離子，從而實現多重土壤離子檢測。ISE通常按照中描述的方式構建圖1a，輸入來自工作電極和充滿電解質溶液的參比電極。在每個電極內，浸入已知氯離子濃度的銀-氯化銀電極（通常是氯化銀線）在Ag/AgCl電極和相應的電解質之間保持恒定的電位差。參比電極中的電解質通過液體接界連接到樣品溶液，這導致液體接界電勢差可以通過亨德森方程等方法計算。液接部通常含有高濃度的等轉移鹽，例如醋酸鋰，以最大限度地減少液接部電位對樣品分析物濃度的依賴性.工作電極中的電解質通過離子選擇性膜(ISM)與樣品溶液分離，離子選擇性膜包含分析物離子的載體，離子選擇性交換在ISM/溶液界面產生電位差，電位差取決于結果和討論部分中描述的分析物濃度。工作電極中的電解質含有已知濃度的分析物離子，這導致電解質/ISM界面處的電位差恒定。因此，對于正確設計的ISE，唯一取決于分析物濃度的電位降將是ISM/溶液界面處的電位差，然后ISE可用于分析物離子濃度的電位測量。

審核編輯 黃宇