提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力是減輕發(fā)展中國家近5億小農(nóng)戶貧困的最有效方法之一。例如，在印度等農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體，研究發(fā)現(xiàn)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率在改善農(nóng)村貧困方面的效果是任何其他同等國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)貢獻(xiàn)的2.9倍。雖然農(nóng)業(yè)效率低下背后有許多因素，包括機(jī)械化程度低和病蟲害管理不力，土壤健康狀況不佳是可以從源頭著手解決的主要因素之一。如果更多的農(nóng)民能夠有效地測試他們的土壤并在測試時(shí)獲得可行的建議，他們將能夠做出更明智的施肥決策，改善土壤健康，并將經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出提高兩倍。除了農(nóng)民的盈利能力受損外，施肥不當(dāng)還會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，過度施肥會(huì)造成嚴(yán)重的下游污染，尤其是在印度和中國等國家，由于政府補(bǔ)貼，硝酸鹽和磷肥的施用量通常是所需量的兩倍。這些做法最終導(dǎo)致下游水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放增加、土壤酸化以及土壤肥力全面下降。因此，土壤診斷解決方案是維持健康和可持續(xù)發(fā)展環(huán)境的關(guān)鍵參與者。土壤離子含量分析技術(shù)必須測量田間目標(biāo)離子養(yǎng)分的濃度，并以清晰和可操作的方式報(bào)告這些測量結(jié)果。土壤測試中最常測量的目標(biāo)離子是對(duì)植物生長最關(guān)鍵的常量營養(yǎng)素：硝酸鹽(N)、磷酸鹽(P)和鉀(K)。鎂(Mg)、銅(Cu)和鋅(Zn)等微量營養(yǎng)素對(duì)植物發(fā)育不太重要，因此測試頻率較低。

對(duì)于常量和微量營養(yǎng)素，普遍的土壤測試方法包括原子吸收光譜法(AAS)、比色法、火焰光度法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)。上述方法通常提供遠(yuǎn)低于可操作土壤健康評(píng)估所需濃度的高精度和檢測限。然而，除了比色法，這些技術(shù)需要訓(xùn)練有素的實(shí)驗(yàn)室人員和昂貴的實(shí)驗(yàn)室儀器（火焰光度法>1000美元，AAS>10,000美元，ICP-AES>50,000美元），需要在集中實(shí)驗(yàn)室設(shè)施進(jìn)行分析，例如農(nóng)業(yè)推廣中心.鑒于這些中心通常還被授權(quán)提供一系列其他服務(wù)，因此它們通常缺乏帶寬來測試所有農(nóng)民的土壤樣本并及時(shí)為即將到來的生長季節(jié)提供施肥建議。比色微流體裝置已被認(rèn)為是分散式土壤化學(xué)分析的潛在方法。從積極的方面來說，它們使用簡單的轉(zhuǎn)導(dǎo)方法（顏色），成本低，并且可以在測試點(diǎn)實(shí)施。然而，由于需要使用專用設(shè)備和對(duì)環(huán)境敏感的化學(xué)品進(jìn)行多步分析，以及由于顏色解釋的固有主觀性而導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性，因此向大規(guī)模使用的過渡受到阻礙。我們團(tuán)隊(duì)在印度的用戶測試進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了這種情緒，因?yàn)檗r(nóng)民發(fā)現(xiàn)田間土壤套件中基于比色法的測試令人困惑且不可靠.為了實(shí)現(xiàn)客觀測量，使用易于轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的檢測方法是有益的，這反過來又有助于直接數(shù)字輸出而無需解釋。在通過微芯片毛細(xì)管電泳分離樣品后，可以通過簡單的電導(dǎo)率測量來實(shí)現(xiàn)電轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)土壤常量營養(yǎng)素的多重檢測。然而，電泳分離需要使用高壓(>1000V)和更復(fù)雜的測量協(xié)議，這限制了在資源有限的環(huán)境中進(jìn)行營養(yǎng)測試的可行性。

離子選擇性電極(ISE)提供了一種更簡單的電子轉(zhuǎn)導(dǎo)方法，它可以與低成本電子儀器結(jié)合使用，提供有前途的使用點(diǎn)土壤分析解決方案，而沒有比色法或毛細(xì)管電泳法的缺點(diǎn)。每年數(shù)十億次ISE測量用于生理分析、制造過程控制和環(huán)境分析中的痕量離子檢測，使用基于電壓的測量系統(tǒng)，無需解釋即可直接輸出數(shù)字。ISE可以測量大量離子，從而實(shí)現(xiàn)多重土壤離子檢測。ISE通常按照中描述的方式構(gòu)建圖1a，輸入來自工作電極和充滿電解質(zhì)溶液的參比電極。在每個(gè)電極內(nèi)，浸入已知氯離子濃度的銀-氯化銀電極（通常是氯化銀線）在Ag/AgCl電極和相應(yīng)的電解質(zhì)之間保持恒定的電位差。參比電極中的電解質(zhì)通過液體接界連接到樣品溶液，這導(dǎo)致液體接界電勢差可以通過亨德森方程等方法計(jì)算。液接部通常含有高濃度的等轉(zhuǎn)移鹽，例如醋酸鋰，以最大限度地減少液接部電位對(duì)樣品分析物濃度的依賴性.工作電極中的電解質(zhì)通過離子選擇性膜(ISM)與樣品溶液分離，離子選擇性膜包含分析物離子的載體，離子選擇性交換在ISM/溶液界面產(chǎn)生電位差，電位差取決于結(jié)果和討論部分中描述的分析物濃度。工作電極中的電解質(zhì)含有已知濃度的分析物離子，這導(dǎo)致電解質(zhì)/ISM界面處的電位差恒定。因此，對(duì)于正確設(shè)計(jì)的ISE，唯一取決于分析物濃度的電位降將是ISM/溶液界面處的電位差，然后ISE可用于分析物離子濃度的電位測量。

審核編輯 黃宇