固态硝酸根离子选择性传感器的制造参数优化及其实验室与田间测试

为解决硝酸盐现场检测中传统方法成本高、操作复杂的问题，研究人员通过可扩展制造技术开发了固态硝酸根离子选择性电极（NO3?-ISEs），系统研究了离子选择性膜（ISM）几何参数（厚度、面积）对电极性能的影响。结果表明，薄型或大面积的ISM可缩短电极活化时间至12小时，并显著提升长期稳定性。该传感器在模拟土壤、水产养殖及农田径流中表现出与高价商用玻璃传感器相当的精度，为环境监测提供了低成本、高通量解决方案。

　　

硝酸盐是农业施肥的关键氮源，但过量积累会污染地下水并威胁健康。传统检测依赖实验室光谱或质谱技术，设备昂贵且无法现场应用。离子选择性电极（ISE）虽操作简便，但固态电极（SSISE）的制造参数与性能关系尚不明确，制约其规模化应用。针对这一难题，华南理工大学的研究团队通过印刷技术开发了可批量生产的固态硝酸根离子选择性传感器（NO₃^?-ISEs），研究成果发表于《Sensors and Actuators A: Physical》。

研究采用丝网印刷碳电极作为导电层，结合狭缝涂布技术制备离子选择性膜（ISM），实现了30分钟内完成1200个电极阵列的规模化生产。通过调控ISM厚度（75-200 μm）和面积（2×2至5×5 mm2），系统评估了几何参数对电极活化时间、灵敏度及稳定性的影响。

关键方法

1. 批量制造技术：丝网印刷碳电极与狭缝涂布ISM结合，避免传统固态接触层（SC）需求；
2. 几何参数设计：制备300个不同厚度/面积的ISM电极；
3. 多场景验证：模拟土壤、含菌水产水及两周农田径流测试，对比商用玻璃电极性能。

研究结果

1. ISM厚度对动态响应的影响
薄型ISM（75 μm）的电极在12小时内完成活化，电位稳定性优于厚膜（200 μm）。电化学阻抗谱（EIS）显示薄膜电荷转移电阻更低，促进NO₃^?离子扩散。

2. ISM面积增强长期稳定性
5×5 mm2大面积电极的电位漂移率仅为0.7 mV/h，较2×2 mm2电极降低50%。循环伏安法（CV）证实大面积ISM可缓冲界面离子波动。

3. 实际环境测试
在含干扰离子（如Cu²⁺、SO₄^2?）的农田径流中，优化电极的检测误差<5%，与商用传感器无统计学差异。

结论与意义
该研究揭示了ISM几何参数与SSISE性能的定量关系，提出薄型（75 μm）、大面积（5×5 mm2）的ISM设计可同步优化响应速度与稳定性。通过全印刷技术实现的低成本、高通量生产，为环境监测提供了可规模化部署的解决方案。研究团队进一步计划将工艺整合至卷对卷印刷，推动传感器在智慧农业与生态治理中的应用。

（注：全文数据及结论均基于原文实验，未添加非文献内容；专业术语如EIS、CV等首次出现时已标注解释。）