[发明专利]土壤化学传感器

说明书

发明领域

本发明涉及土壤化学传感器，尤其是用于感测硝酸盐水平，并且涉及这种传感器的制造和使用。

发明背景

无机肥料，尤其是氮基肥料，彻底改变了农业。然而，由于很多原因，对在土地上的肥料用量的有效管理是重要的，这些原因包括经济效益和环境管理——从农业流失的过量氮可以进入饮用水，导致显著的人类健康的担忧，并且还可以破坏淡水和海洋生态系统。已知多种技术用于监测土壤中的硝酸盐水平。典型地，采集土样，萃取氮，并随后将其用于预测土壤中对植物的根而言可获得的氮量。然而，这是耗时的过程，通常包括采集很多土样，并且等待结果从实验室返回平均要两周。基于该结果，农民将决定例如在春季和/或秋季施用中使用多少硝酸盐基肥料。

该过程是麻烦、缓慢且昂贵的，并且对改善的技术存在着需求，尤其是有效但相对便宜的技术。这种技术在发展中世界也会是有用的。

Adamchuk等人(Adamchuk，V.，Lund，E.，Sethuramasamyraja、b.，Morgan，M.，Dobermann，A.和Marx，D.，2005.使用离子选择性电极的发展中的土壤化学性质的直接管理(Direct Measurement of Soil Chemical Properties on-the-Go using Ion-Selective Electrodes).Computers and Electronics in Agriculture，第48卷，第3号，第272-294页)提供了比较新近的土壤感测技术的综述，但那里描述的所有技术都包括萃取土壤样品并之后在水溶液中分析它。Ito等人(Ito，S.，Baba，K.，Asano，Y.，Takesako，H.，1996.基于漆母体膜的硝酸根离子选择性电极的发展和它对高地土壤中的硝酸盐氮的直接管理的应用(Development of a Nitrate Ion-Selective Electrode Based onan Urushi Matrix Membrane and its Application to the Direct Measurement of Nitrate Nitrogen in Upland Soils).Talanta，第43卷，第11号，第1869-1881页)描述了一种基于Urushi(一种天然东方漆)的硝酸根离子选择性电极。本发明人之一的早期工作(Miller，A.J.和Zhen R-G.，使用硝酸盐选择性微电极的对Chara中的细胞内硝酸盐浓度的测量(Measurement of intracellular nitrate concentrations in Chara using nitrate-selective microelectrodes)，Planta1991184：47-52)描述了用于测量植物细胞中硝酸盐浓度的硝酸盐选择性微电极的制造。

在测量/监测硝酸盐(和其它植物营养物)水平方面，存在着改善的需要。

发明概述

根据本发明，因此提供[为权利要求1]。

对于土壤化学的原位感测，本发明人已经建立了这样的方法，通过直接将探针插入土壤来感测，实践中的一个关键困难是保证参比电极的有效操作。在实施方案中，通过与用于离子选择性电极插头(plug)/膜类似的方式制造参比电极插头或膜，尤其是通过将聚合物材料溶剂流铸在管腔末端中，例如高分子量PVC(聚氯乙烯)，来解决该困难。在一些优选的实施方案中，这种材料包括一种以上添加剂以降低其电阻。

还已经发现，保持离子选择性电极和保持参比电极(更特别是其多孔插头)彼此临近(例如分开小于20、15、10、5、3、或最优选2毫米)，是重要的。这是因为土壤水分含量可以改变，并且随着更宽的间隔结果可能不可靠，变得过分依赖于土壤湿度水平。在优选的实施方案中，在电极的远端周围设置紧固工具，以阻止它们在插入土壤过程中移动分开。

由于相关原因，还已经发现，使传感器防水(除了多孔插头外)是重要的。因此优选地，在由冷收缩管(cold-shrink tubing)制造的实施方案中，将离子感测电极和参比电极密封在防水罩壳内：这种材料能够在不使用加热的情况下实现紧密密封，其对于实践的探针制造是重要的。