基于方波伏安法的原位土壤有机碳定量传感技术开发与应用研究

为解决土壤有机碳实时监测的技术瓶颈，西澳大利亚大学团队创新性地开发了一种基于方波伏安法(SWV)的低成本电化学传感器。该研究通过复合膜（聚甲基丙烯酸甲酯树脂/水凝胶）设计，实现了0-0.05 wt%富里酸浓度的线性检测，并验证了温度补偿模型，使传感器在水溶液中寿命超过1个月。这项技术为土壤碳汇策略的实效评估提供了新型原位监测工具。

　　

土壤作为地球最大的陆地碳库，其有机碳动态监测对评估碳汇策略和土壤健康至关重要。然而，传统实验室燃烧分析法耗时昂贵，近红外光谱技术又易受水分干扰且成本较高。这些局限性严重制约了土壤碳循环研究的时空分辨率。西澳大利亚大学（The University of Western Australia, UWA）的Matthew Myers团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》发表的研究，开创性地将电化学传感技术引入该领域。

研究人员采用方波伏安法(Square Wave Voltammetry, SWV)结合复合膜设计，开发出可原位监测的传感器。关键技术包括：1）构建Nafion/室温离子液体(RTIL)导电复合膜，集成碳黑和Amberlite XAD7HP树脂实现富里酸选择性吸附；2）引入2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)水凝胶层增强机械稳定性；3）建立温度-响应线性校正模型（20°C基准）。通过系统优化脉冲频率(1Hz)和振幅(100mV)，在0-0.05 wt%浓度范围获得R²=0.98的线性响应。

研究结果部分显示：

3.1. 传感表面设计

采用15:1碳黑/Nafion质量比和60:1树脂/Nafion比的复合膜，通过π-π堆积和疏水作用实现富里酸特异性吸附。

3.2. 初始测试

在pH 6.71时氧化还原反应可逆性最佳，而pH 12.23强碱性条件下出现不可逆降解，这与富里酸自氧化特性相符。

3.3. 机械稳定性

纯墨水涂层在100次循环后响应下降65%，而水凝胶混合涂层将使用寿命延长至30天以上，日均衰减<0.3%。温度实验揭示响应值与温度呈强线性相关（R²>0.9），经校正后4天内波动<8.7%。

这项研究的突破性在于：首次将SWV技术成功应用于土壤可溶性有机碳的原位监测，通过创新的水凝胶-墨水复合涂层设计解决了传统电化学传感器在土壤环境中的机械稳定性难题。虽然碱性土壤(pH>12)的应用仍受限，但该传感器为评估碳汇策略（如生物炭改良、岩粉风化等）提供了实时数据支持。未来研究需进一步验证传感器响应与实际土壤有机碳组分的相关性，这或将推动农业碳汇交易的精准计量革命。