用于硝酸根测定的特异性及优化的PVC薄膜基离子选择性场效应晶体管

《IEEE Sensors Journal》：Specific and Optimized PVC Membrane-Based Ion-Selective Field-Effect Transistors for Determination of Nitrate

　　摘要：硝酸根离子 (NO??) 监测对于精准农业和环境保护至关重要，然而固态离子传感器通常由于聚合物膜配方未优化而表现出低于能斯特方程的理论灵敏度。在本工作中，我们提出了一种系统性的比例优化策略，用于硝酸根选择性聚氯乙烯 (PVC) 膜，以提高 Ta?O? 栅极离子敏场效应晶体管 (ISFETs) 的界面电势耦合效率。通过精确调节 PVC 基质、o-NPOE 增塑剂和 TDDAN 离子载体的化学计量质量比，离子萃取的热力学能垒被最小化。优化后的传感器 (配方 B: 13.5 wt% TDDAN, 41.0 wt% PVC, 45.5 wt% o-NPOE) 在从 10?? 到 10?1 M 的宽浓度范围内实现了接近能斯特方程的灵敏度 59.0 mV/decade，且具有优异的线性度 (R2 = 0.999)，检测限为 3.7 × 10?? M。该传感器对常见干扰阴离子表现出稳健的选择性，对数选择性系数范围为 -2.7 至 -4.7，与经典的霍夫迈斯特序列一致。长期稳定性测试显示，在 8 小时内电位漂移低至 0.166 mV/h，相比未处理器件提高了 88.3%。灵敏度提升的潜在机制从增塑剂与 PVC 的比例及其对离子迁移率和界面粘附性的影响角度进行了讨论。使用自来水、湖水和土壤浸出液进行的实际样品验证确认了令人满意的准确性，回收率在 93.2%–120.5% 之间。本工作为高性能固态离子传感器的设计提供了可靠的参考，并展示了其在物联网 (IoT) 使能的环境监测网络中可扩展部署的潜力。一、引言硝酸根离子 (NO??) 是农作物的必需大量营养元素，但其在土壤和径流中的过度积累已导致严重的环境和公共卫生问题，包括水体富营养化和高铁血红蛋白血症 (蓝婴综合征) [1], [2]。因此，部署稳健的平台以连续、原位监测硝酸根变化，已成为推进精准农业和管理水生生态系统的基本要求 [3], [4]。最近，将稳健的电化学传感器集成到便携式阵列和灵活的物联网 (IoT) 平台中，以实现大规模和分布式土壤监测的需求日益增长 [5], [6]。