用于钾和氮相关离子土壤养分监测的离子选择性电极技术开发与应用

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Ion-selective electrodes for soil nutrient monitoring of potassium and nitrogen-related ions

本文报道了用于土壤钾离子（K+）和氮相关离子（NH4+、NO3?、NO2?）实时监测的离子选择性电极（ISE）研究。该电极在模拟土壤pH环境（pH 6.5）中表现出近能斯特响应（54.00-60.92 mV/decade）和高选择性，通过土壤提取液验证显示其性能优于传统方法（ICP-AES/IC），13天连续监测成功揭示氮转化动态，为精准农业提供了快速、经济的原位监测方案。

　　

研究亮点

液膜离子选择性电极原理

液膜离子选择性电极（ISE）的离子选择性膜（ISM）通常由聚合物基质、离子载体、增塑剂和亲脂性添加剂组成。聚合物基质作为疏水性离子选择性膜的支架，确保与待测溶液接触时能进行稳定的电位测量。离子载体是专门设计用于高选择性识别目标离子的分子，其灵敏度和选择性显著影响ISE的检测性能。增塑剂赋予膜流动性并溶解膜组分，而亲脂性添加剂通过减少膜电阻和优化离子载体性能来提升电极响应特性。

结论

本研究成功开发并优化了用于土壤环境中钾离子和氮相关离子检测的液膜离子选择性电极。四种制备的电极在目标离子浓度范围内表现出线性且接近能斯特方程的灵敏度：K⁺为54.00 mV/十倍浓度变化，NH₄⁺为57.30 mV/十倍浓度变化，NO₃^?为?59.05 mV/十倍浓度变化，NO₂^?为?60.92 mV/十倍浓度变化。这些电极表现出与商业ISE相当或更优的性能。

全面的选择性评估证实了电极在复杂土壤基质中准确检测目标离子的能力。通过农业和园艺田间土壤提取溶液进行的验证实验表明，所制备的ISE在检测钾和氮相关离子方面优于传统分析方法（包括商业ISE、电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）和离子色谱（IC））。此外，对氮相关离子进行的13天连续监测成功揭示了土壤中氮转化的动态过程。开发的ISE为精准农业提供了快速、经济高效且稳健的检测工具，有助于优化肥料管理和减少环境影响。