土壤中的印刷传感器可以帮助农民提高作物产量并节省成本

发布时间：2024-08-09 14:38:36 栏目：生活

导读 威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们开发出低成本传感器，可以实时、连续监测威斯康星州常见土壤中的硝酸盐。这些印刷电化学传感器可以帮助农

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们开发出低成本传感器，可以实时、连续监测威斯康星州常见土壤中的硝酸盐。这些印刷电化学传感器可以帮助农民做出更明智的养分管理决策并获得经济效益。



“我们的传感器可以让农民更好地了解土壤的养分状况以及植物可用的硝酸盐量，帮助他们更准确地决定真正需要多少肥料，”领导这项研究的威斯康星大学麦迪逊分校机械工程助理教授约瑟夫·安德鲁斯 (Joseph Andrews) 表示。“如果他们可以少买一些肥料，那么大面积农场的成本节省可能会相当可观。”

虽然硝酸盐是农作物生长所必需的营养物质，但过量的硝酸盐会从土壤中渗出并进入地下水。这种污染对饮用受污染井水的人来说很危险，对环境也有害。研究人员的新传感器还可以用作农业研究工具，以监测 硝酸盐的浸出，并帮助指导减轻其有害影响的最佳做法。

目前监测土壤中硝酸盐的方法既费力又昂贵，而且不能提供实时数据。因此，印刷电子专家安德鲁斯和他的团队着手开发一种更好、更便宜的解决方案。

在这个项目中，研究人员使用喷墨打印工艺来制造电位传感器，这是一种薄膜电化学传感器。电位传感器通常用于精确测量液体溶液中的硝酸盐。然而，这些传感器通常不适合在土壤环境中使用，因为土壤中的粗颗粒会划伤它们，干扰获得准确的测量结果。

“我们试图解决的主要挑战是找到一种方法，让这些电化学传感器能够在恶劣的土壤环境中工作并准确感知硝酸根离子，”安德鲁斯说。

该团队的解决方案是在传感器上放置一层由聚偏氟乙烯制成的材料。安德鲁斯说，这种材料有两个关键特点。首先，它有非常小的孔隙，大约 400 纳米大小，可以让硝酸根离子通过，同时阻挡土壤颗粒。其次，它具有亲水性，这意味着它能吸引水并像海绵一样吸收水。

“因此，任何含有硝酸盐的水都会优先渗入我们的传感器，这一点非常重要，因为土壤也像海绵一样，如果你不能匹配土壤的吸水潜力，你就无法让水分进入传感器，”安德鲁斯说。“聚偏氟乙烯层的这些特性使我们能够提取含有硝酸盐的水，将其带到我们的传感器表面，并准确感测硝酸盐。”

研究人员在 2024 年 3 月发表在《先进材料技术》杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的进展。

该团队在两种与威斯康星州相关的不同土壤类型中测试了传感器，即该州中北部常见的沙质土壤和威斯康星州西南部常见的粉砂壤土，并发现传感器产生了准确的结果。

研究人员现在将硝酸盐传感器整合到一个多功能传感系统中，他们称之为“传感贴纸”，其中三种不同类型的传感器安装在柔性塑料表面上，背面涂有粘合剂。这些贴纸还包含湿度和温度传感器。

研究人员将把多个传感贴纸贴在一根杆上，放置在不同的高度，然后将杆埋入土壤中。这种设置使他们能够在土壤的多个深度进行测量。

“通过测量不同深度的硝酸盐、湿度和温度，我们现在可以量化硝酸盐的浸出过程，并捕捉硝酸盐在土壤中的移动方式，这在以前是不可能的，”安德鲁斯说。

2024 年夏天，研究人员计划在威斯康星大学麦迪逊分校的汉考克农业研究站和阿灵顿农业研究站的土壤中部署 30 根传感棒，对他们的传感器进行进一步测试。

研究人员正在通过威斯康星校友研究基金会为他们的技术申请专利。