薄膜指间电极传感器结合机器学习技术，能够高效且精确地测量土壤和水样中的离子浓度

《Sensors and Actuators A: Physical》：Thin Film Interdigital Electrode Sensors for Cost Efficient and Accurate Measurement of Ionic Concentrations in Soil and Water Samples Using Machine Learning

薄层叉指电极传感器结合机器学习用于土壤和水样中离子浓度低成本高精度检测，通过PMMA涂层优化电极性能，阻抗测量验证最佳工作频率为2kHz，重复性和再现性RSD分别<0.93%和<4.8%，长期稳定性达115天<3.83%。KNN模型预测土壤总溶解盐（TDS）与电导率仪结果相关系数0.974，检测范围0.1-25ppm。

　　

摘要

本研究提出了一种新颖的方法，利用薄膜指状电极（IDE）传感器结合机器学习（ML），能够准确且经济高效地测量土壤和水样中的离子浓度。热沉积的铜（Cu）和银（Ag）IDE传感器表面涂覆了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），并通过电化学测量评估了涂层的有效性。在标准离子溶液中，对PMMA涂层的IDE传感器在50至10 kHz频率范围内的阻抗性能进行了测试，发现2 kHz是校准的最佳频率。这些传感器表现出优异的精度，重复性和再现性测试的相对标准偏差（RSD）分别小于0.93%和4.8%。通过115天内阻抗值的最小变化（<3.83%）验证了传感器的可靠性。基于K-最近邻算法（K-Nearest Neighbours）开发了一个机器学习模型来预测总溶解盐分（TDS）。该模型使用标准溶液及其混合物的测量数据进行了训练，对土壤盐度的预测准确性很高。对15个土壤样本的测量结果显示，预测的TDS值与使用电导率计（EC meter）获得的值之间存在强相关性，皮尔逊相关系数为0.974（p < 0.001）。此外，最适宜的检测范围为0.1 ppm至25 ppm。

章节摘录

引言

土壤盐度是指土壤中所有可溶性盐的浓度，它对全球农业用地的健康和生产力、水质以及生态系统有着显著影响[1]。它与土壤中的总盐量有关，主要的可溶性离子包括阳离子如钠（Na⁺）、钾（K⁺）、镁（Mg₂⁺）、钙（Ca₂⁺），以及阴离子如氯（Cl^?）、硝酸盐（NO₃^?）、硫酸盐（SO₄^2?）、碳酸盐（CO₃^2?）和碳酸氢盐（HCO₃^?）等。

电极材料与制备

传感器的电极采用物理气相沉积（PVD – 热蒸发）技术制造。图1(a)展示了所制备的IDE传感器片的详细结构。设计的电极有4对指状电极，每个电极的宽度为W（0.9 mm），长度为L（10 mm），相邻电极之间的间隙为S（0.6 mm）。不锈钢（SS）掩模通过线切割电火花加工（Wire EDM）在尺寸为28 mm × 26 mm × 0.5 mm的SS板上制成。

结构表征

图2中的Cu-Ag衍射图在2θ值为38.29°、44.26°、64.43°和77.93°处出现了四个峰，这些峰分别对应于Ag的（h k l）面（(111)、(200)、(220)和(311)（JCPDS，Ag文件编号04-0783）[46]、[47]。Cu-Ag-PMMA光谱中约20°处的宽峰则对应于PMMA薄膜[48]。所有由金属Cu引起的布拉格反射出现在2θ值为43.35°、50.49°和74.38°处，分别对应于(111)、(200)和(220)面。

结论

本文成功讨论了铜-银-聚甲基丙烯酸甲酯（Cu-Ag-PMMA）IDE的设计、制备及其在测量土壤和水样中溶解离子浓度中的应用。薄膜IDE具有光滑的形态，处于金属状态，暴露表面仅有轻微氧化。已经证实PMMA涂层有效减少了活性表面积和腐蚀电流密度。

作者声明

感谢您给我们机会向贵期刊《Sensors and Actuators: A. Physical》提交题为“利用机器学习实现低成本高效准确测量土壤和水样中离子浓度的薄膜指状电极传感器”的手稿修订稿。我们非常感谢您和审稿人花费的时间和精力为我们提供宝贵的反馈，我们已经采纳了所有建议的修改意见。

作者贡献声明

Somsubhra Chakraborty：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金筹措、概念构思。Debamalya Banerjee：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金筹措、概念构思。Swarup Sutar：撰写初稿、数据可视化、验证、方法论研究、数据分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢印度理工学院Kharagpur分校的物理系、农业与食品工程系、化学系以及中央研究设施（CRF）提供的实验室设备、材料和表征设施，以便进行这项研究工作。

Swarup Sutar于2011年在印度Durgapur的国家理工学院（NIT）获得机械工程学士学位，2020年在印度Shibpur的M. N. Dastur材料科学与工程学院获得材料工程硕士学位。他目前是印度理工学院Kharagpur分校先进技术发展中心的高级研究员，正在攻读博士学位。