集成式传感器平台实现水生环境中硝酸盐、铵盐、温度及pH的实时多参数监测

为解决传统水质监测技术无法实时多参数联测的问题，研究人员开发了一种基于铜电极(Cu)和聚苯胺(PANI)的集成电化学传感器平台，可同步检测硝酸盐(NO3 ? ，1-100 mg/L)、铵盐(NH4 + ，0.05-10 mg/L)、温度及pH。该平台通过3D打印防水封装实现现场部署，在循环水产养殖系统中验证显示：硝酸盐传感器均方根误差2.64 mg/L (R2 =0.83)，铵盐传感器0.41 mg/L (R2 =0.84)，为水产环境管理提供创新解决方案。

　　

研究背景
水体中硝酸盐(NO₃
^?
)和铵盐(NH₄
⁺
/NH₃
)的过量积累会引发水体富营养化，导致水生生物缺氧甚至死亡。硝酸盐通过"蓝婴综合征"威胁人类健康，而铵盐在封闭水产系统中对鱼类具有直接毒性。传统检测依赖实验室色谱法或比色法，存在设备笨重、操作复杂、无法实时监测等缺陷。尤其温度与pH波动会显著影响离子检测准确性，但现有传感器罕有集成多参数联测功能。

研究概述
美国农业部资助的研究团队在《Talanta》发表成果，开发出集成铜电极(Cu)硝酸盐传感器和聚苯胺(PANI)铵盐传感器的柔性平台，结合温度/pH补偿算法，通过3D打印防水外壳实现水产环境连续监测。关键技术包括：电化学沉积铜纳米簇增强硝酸盐还原灵敏度、PANI质子化机制优化铵盐选择性、多传感器数据融合校正环境干扰、物联网实时数据传输。

研究结果

1. 材料与形貌表征
   SEM显示电沉积铜纳米簇均匀分布(直径0.5 μm)，PANI层呈现粗糙颗粒结构，比表面积增大提升离子吸附能力。XRD证实Cu电极优先暴露(111)晶面，促进硝酸盐电催化还原。

2. 传感器性能
   硝酸盐传感器在1-100 mg/L范围内线性响应(R²
   =0.98)，检出限0.84 mg/L；铵盐传感器在0.05-10 mg/L范围线性优异(R²
   =0.98)，检出限0.02 mg/L。干扰实验表明10倍浓度Cl^?
   、Na⁺
   等共存离子下信号偏差<5%。

3. 实地验证
   在鲶鱼循环养殖系统24小时监测中，相比商业试剂盒，硝酸盐传感器RMSE为2.64 mg/L NO₃
   ^?
   -N，铵盐传感器RMSE 0.41 mg/L NH₃
   –N。温度/pH补偿使离子测量误差降低38%。

结论与意义
该研究首创将硝酸盐、铵盐、温度、pH传感器集成于单一柔性基底，通过电化学信号校正模型实现环境自适应检测。3D打印封装技术突破传统传感器野外部署瓶颈，为智慧水产养殖提供实时决策支持。未来可通过机器学习进一步优化多参数交叉干扰消除，推动水环境监测从"事后分析"转向"过程管控"范式变革。专利布局显示该技术已进入产业化准备阶段。