土壤pH传感器的应用和原理探讨

在农业生产中,土壤基质既作为植物生长必须的支持介质,同时还能储存植物生长的必须的养分和水分,作物根系从中按需选择吸收,为作物提供所需要的水、气、肥生长环境。pH值是栽培基质重要理化参数之一,对基质肥力和养分有重要影响。实时掌握栽培基质pH值,为调节栽培过程水肥状况提供依据,对实现设施栽培现代化,提高设施农业作物的产量与品质至关重要。传统检测土壤pH值，采用的是取土样，在实验室经过晾晒风干、过滤、称重溶解到一定比例的纯水中，测其悬浮液的pH，得出土壤pH值。这个检测方法检测时间比较久，而且检测过程也相对复杂。对于农业生产来说，显然不太适合。所以人们就研发出固态pH传感器。固态pH传感器不用取土，直接将传感器插入土壤就能出结果，检测速度快，操作也简单，也更能反应出原位土壤pH对于作物生长的影响。
华东师范大学的杜元生老师就曾在新型全固态pH传感器进行研究。他提出两种全固态pH传感器,即掺Y锆酸钡陶瓷pH传感器以及Zr/ZrO_2PH传感器,对制备方法及性能进行了研究。其结果表明,以磷酸为内参比制备的掺Y锆酸钡陶瓷pH传感器,在20℃下响应较慢,但拟合度高,符合线性关系,斜率为-36.5 mV/pH。而在80℃下响应较快,拟合度也较高,但斜率有所下降;以硅钨酸为内参比制备的掺Y锆酸钡陶瓷pH传感器,20℃下响应比磷酸快,拟合度高,达到了 99.18%,符合线性关系,斜率为-29.44mV/pH。(3)通过高温氧化法和电化学氧化法制备了 Zr/ZrO_2PH传感器,并调节制备条件,研究不同方法和不同条件下制备的传感器性能之间的差异。采用高温氧化法制备时,用Na2CO3熔盐氧化制备的传感器性能。在pH为4～12.47范围内,响应值非常稳定,且线性拟合度高,斜率为-28.16mV/pH。采用阳极氧化法制备时,对比了有机电解液和无机电解液对氧化膜表面纳米结构的影响。当采用无机电解液且第二步氧化时间为1h时,线性拟合度好,在pH为1.68～12.47范围内斜率达到了-31.51 mV/pH。
江苏大学徐坤博士对基于修饰膜的全固态pH传感器及其应用进行研究。分析了 pH传感器的研究现状,针对目前pH传感器无法对土壤基质环境实现pH原位检测,结合土壤基质特殊的理化性状,提出了一种由Nafion修饰的pH锑检测电极和壳聚糖-石墨烯修饰的固态Ag/AgCl参比电极组成的全固态pH传感器,并开展其传感机理及土壤基质pH原位检测应用研究。提出以Nafion修饰的锑电极作为检测电极,以壳聚糖-石墨烯修饰的Ag/AgCl参比电极作为参比电极的基于修饰膜的全固态pH传感器;对所研制的基于修饰膜的全固态pH传感器进行了试验研究,结果表明,传感器的灵敏度为52.3mV/pH,接近理想能斯特响应斜率,响应时间在20s左右,短时间连续测量的偏差小于2mV,长时间使用时,其响应斜率偏差小于2mV/pH;将所研制的基于修饰膜的全固态pH传感器应用于常见的样本测试,结果表明,在水系样本中,其测量误差明显小于在土壤基质浸提液中的测量误差,且其在酸性环境下的测量误差要大于中性和碱性环境下的测量误差;相对于数字pH检测仪其测量的误差都保持在0.6个单位以内,相对误差基本保持在10%以内。
想要提高pH传感器的精度，还是需要在原理和材料上下功夫。目前武汉汉林苑研发的土壤pH计HLY-216，采用的电位法，能直接插入土壤检测。其精度能达到0.05pH，这在国产产品中，精度是相对比较高的，带有温度补偿功能。这个产品即可以检测原位pH，用于传统的检测土壤pH的方法也是没问题的。其性价比高，稳定性和重复性都很好。适合科研实验，农业、园艺业和林业等领域应用。