基于上转换纳米膏与 3D 打印手机相机装置的土壤植物可利用 Fe2+传感研究：精准检测新方法

传统 DTPA 法检测土壤有效铁需先进仪器且耗时。研究人员开发基于上转换纳米膏与 3D 打印手机装置的方法，通过 Fe2+/BPDS 复合物淬灭绿光，比率法检测 Fe2+，LOD 达 3.62 μM，线性范围 10-500 μM，结果与 ICP-MS 一致，为作物营养精准管理提供便捷工具。

　　

铁（Fe）是植物生长不可或缺的微量营养素，参与光合作用关键结构组成，其缺乏会导致植物黄化病，严重限制产量。而植物作为人类饮食中铁的主要来源，作物铁缺乏会引发人类贫血 —— 世界卫生组织 2023 年报告显示，全球 30%-45% 的儿童和女性受此困扰。尽管地壳富含铁，但植物仅能吸收特定形态的铁，其中 Fe²⁺是重要指标。传统农业中盲目补铁易致土壤 Fe²⁺浓度超 500 μM，引发根系生长停滞和活性氧（ROS）积累导致的铁毒性。理想浓度 1-100 μM 的精准把控，凸显传统检测方法的不足：DTPA 提取结合 ICP-MS 或 AAS 分析需专业仪器、耗时且操作复杂，难以满足现场快速检测需求。

为此，研究人员开展了一项创新研究，旨在开发一种便捷、精准的土壤植物可利用 Fe²⁺检测方法，相关成果发表在《Analytica Chimica Acta》。

该研究采用的主要关键技术方法包括：合成 pH 稳定的核壳结构 NaYF₄:Yb(45%)/Er(5%)@NaYF₄上转换纳米颗粒（UCNP），其具有 520 nm、540 nm 和 654 nm 波长的发射特性；将 UCNP 掺入聚乙烯醇（PVA）制备透明上转换智能纳米膏；利用 bathophenanthroline disulphonic acid disodium salt（BPDS）与 Fe²⁺特异性螯合形成发光淬灭复合物；设计并制作 3D 打印智能手机配件固定传感装置，通过手机相机捕获绿光淬灭与红光发射信号，采用比率法（I_R/I_G）进行定量分析，同时将新方法与传统 ICP-MS 分析结果对比验证。

研究背景

铁是植物光合作用的核心元素，参与光合系统 I、II 及细胞色素等组成，其缺乏直接影响作物产量与品质，并通过食物链加剧人类贫血问题。然而，植物对铁的吸收具有高度选择性，仅能通过特定机制吸收 Fe²⁺或形成螯合物的 Fe³⁺。传统土壤铁检测依赖 DTPA 提取后结合 ICP-MS/AAS，操作繁琐且成本高。现有比色法与荧光传感技术虽有应用，但在土壤这类复杂基质中易受 autofluorescence 干扰，且缺乏便携性。

研究结果

研究成功构建了基于上转换纳米膏与 3D 打印手机装置的检测系统。Fe²⁺与 BPDS 形成的复合物进入 PVA 基上转换纳米膏后，特异性淬灭 520 nm 和 540 nm 的绿光发射，而 654 nm 的红光发射不受影响。通过闭比比率发射（I_R/I_G）处理，该系统对 Fe²⁺的检测限（LOD）达 3.62 μM，线性范围为 10-500 μM，覆盖植物生长所需的 1-100 μM 理想区间。将该方法应用于土壤样品分析，结果与传统 ICP-MS 分析高度一致，验证了其准确性与适用性。

研究意义

该研究首次将上转换纳米颗粒与智能手机相机结合，实现了土壤植物可利用 Fe²⁺的精准、便携检测。其创新性体现在：利用 UCNP 的低 autofluorescence 特性提升灵敏度，通过比率法校正减少误差；3D 打印配件确保检测稳定性，手机平台实现现场快速分析，无需专业仪器。该系统填补了土壤 Fe²⁺现场精准检测的技术空白，为可持续农业中的精准施肥提供了关键工具，有助于平衡作物铁营养、避免铁缺乏与毒性，对保障粮食安全和人类健康具有重要意义。

研究结论表明，基于上转换纳米膏和 3D 打印手机相机装置的检测方法，成功解决了传统土壤 Fe²⁺检测的局限。其通过 Fe²⁺/BPDS 复合物的发光淬灭效应与 UCNP 的比率发射特性，实现了高灵敏度与特异性检测，线性范围和检测限完全满足农业需求。与 ICP-MS 的一致性验证了方法的可靠性，而便携化设计突破了实验室检测的时空限制。这一成果不仅为土壤微量营养素检测提供了新思路，更推动了纳米传感技术在农业现场监测中的实际应用，为精准农业和作物营养管理奠定了技术基础，有望在全球农业可持续发展中发挥重要作用。