土壤科学博士生Shuohao Cai在威斯康星大学麦迪逊分校汉考克农业研究站的土壤中放置了一个传感棒

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们已经开发出低成本的传感器，可以实时、连续地监测威斯康星常见的土壤类型中的硝酸盐。这些印刷的电化学传感器可以使农民做出更明智的营养管理决策，并获得经济效益。

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·安德鲁斯说:“我们的传感器可以让农民更好地了解他们土壤的营养状况，以及植物可以获得多少硝酸盐，帮助他们更准确地决定他们真正需要多少肥料。”“如果他们能少买些化肥，那么在大面积的农场里，节省的成本可能会相当可观。”

虽然硝酸盐是作物生长所必需的营养物质，但过量的硝酸盐会从土壤中滤出，进入地下水。这种污染对饮用受污染井水的人来说是危险的，而且对环境有害。研究人员的新传感器还可以用作农业研究工具来监测硝酸盐的浸出，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。这就是为什么印刷电子专家安德鲁斯和他的团队着手创造一种更好、成本更低的解决方案。

在这个项目中，研究人员使用喷墨打印工艺制造电位传感器，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，因为粗糙的土壤颗粒会划伤它们并干扰获得准确的测量结果。

安德鲁斯说:“我们试图解决的主要挑战是找到一种方法，使这些电化学传感器在恶劣的土壤环境中工作良好，并准确地检测硝酸盐离子。”

该团队的解决方案是在由聚偏二氟乙烯制成的传感器上放置一层。安德鲁斯说，这种材料有两个关键特征。首先，它有非常小的孔，大约400纳米大小，允许硝酸盐离子通过，同时阻挡土壤颗粒。其次，它是亲水的，这意味着它能吸水，并像海绵一样吸收水分。

原理图描述的工作原理背后的开路电位传感使PVDF膜。影片来源:《先进材料技术》(2024)

安德鲁斯说:“因此，任何含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，除非你能匹配土壤的吸水潜力，否则让水分进入传感器将是一场失败的战斗。”“聚偏氟乙烯层的这些特征使我们能够提取含有硝酸盐的水，将其送到传感器的表面，并准确地检测硝酸盐。”

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。

研究小组在两种不同的土壤类型中测试了传感器，这两种土壤类型与威斯康辛州有关——沙土，常见于该州中北部，淤泥壤土，常见于威斯康辛州西南部——发现传感器产生了准确的结果。

研究人员现在正在将他们的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”，在这个系统中，三种不同的传感器被安装在一个柔性塑料表面上，背面有粘合剂。这些贴纸还包含湿度和温度传感器。

研究人员将把几个传感贴纸贴在一根杆子上，把它们放在不同的高度，然后把杆子埋在土壤里。这个装置允许他们在土壤的多个深度进行测量。

安德鲁斯说:“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浸出的过程，并捕捉硝酸盐如何在土壤中移动，这在以前是不可能的。”

2024年夏天，研究人员计划在威斯康星大学麦迪逊分校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，用他们的传感器进行进一步的测试。

威斯康星大学麦迪逊分校的论文合著者包括陈冠宇、Aatresha Biswas、蔡硕豪和土壤科学教授黄景怡。