土壤中的印刷传感器可以帮助农民提高作物产量并节省资金

威斯康星大学麦迪逊分校的工程师开发了低成本的传感器，可以实时、连续地监测威斯康星常见的土壤类型中的硝酸盐。这些印刷的电化学传感器可以使农民做出更明智的营养管理决策，并获得经济效益

领导这项研究的华盛顿大学麦迪逊分校机械工程助理教授Joseph Andrews说：“我们的传感器可以让农民更好地了解土壤的营养状况，以及植物可获得的硝酸盐含量，帮助他们更准确地决定真正需要多少肥料。”。“如果他们能少买化肥，那么在大面积农场的成本节约将非常显著。”

虽然硝酸盐是种植作物的基本营养素，但过量的硝酸盐会从土壤中浸出并进入地下水。这种污染对饮用受污染井水的人来说是危险的，对环境有害。研究人员的新传感器还可以用作农业研究工具，监测硝酸盐的浸出情况，并帮助指导减轻其有害影响的最佳实践

目前监测土壤中硝酸盐的方法既费力又昂贵，而且不能提供实时数据。这就是为什么印刷电子专家Andrews和他的团队着手创造一种更好、成本更低的解决方案

在这个项目中，研究人员使用喷墨打印工艺制造电位传感器，这是一种薄膜电化学传感器。电位传感器通常用于精确测量液体溶液中的硝酸盐。然而，这些传感器通常不适用于土壤环境，在土壤环境中，粗糙的土壤颗粒会划伤它们，并干扰获得准确的测量结果

安德鲁斯说：“我们试图解决的主要挑战是找到一种方法，使这些电化学传感器能够在恶劣的土壤环境中良好工作，并准确地感知硝酸根离子。”

该团队的解决方案是在由聚偏二氟乙烯制成的传感器上放置一层。安德鲁斯说，这种材料有两个主要特点。首先，它有非常小的孔隙，大约400纳米大小，可以让硝酸根离子通过，同时阻挡土壤颗粒。其次，它是亲水性的，这意味着它会吸引水分，并像海绵一样吸收水分。

安德鲁斯说：“所以，任何富含硝酸盐的水都会优先浸泡在我们的传感器中，这一点非常重要，因为土壤也像海绵一样，除非你能与土壤的吸水潜力相匹配，否则你将面临一场让水分进入传感器的失败之战。”。“聚偏二氟乙烯层的这些特征使我们能够提取富含硝酸盐的水，将其带到传感器表面，并准确地感知硝酸盐。”

研究人员在2024年3月发表在《先进材料技术》杂志上的一篇论文中详细介绍了他们的进展

该团队在与威斯康星州相关的两种不同土壤类型中测试了传感器——该州中北部常见的沙质土壤和威斯康星州西南部常见的粉壤土——并发现传感器产生了准确的结果

研究人员现在正在将他们的硝酸盐传感器集成到一个多功能传感系统中，他们称之为“传感贴纸”，其中三种不同类型的传感器安装在柔性塑料表面，背面有粘合剂。这些贴纸还包含湿度和温度传感器

研究人员会在一根棍子上贴上几个感应贴纸，将它们定位在不同的高度，然后将棍子埋在土壤中。这种设置允许他们在土壤的多个深度进行测量

安德鲁斯说：“通过测量不同深度的硝酸盐、水分和温度，我们现在可以量化硝酸盐的浸出过程，并捕捉硝酸盐是如何在土壤中移动的，这在以前是不可能的。”

2024年夏天，研究人员计划在华盛顿大学麦迪逊分校汉考克农业研究站和阿灵顿农业研究站的土壤中部署30根传感棒，对他们的传感器进行进一步测试

UW–Madison这篇论文的合著者包括陈宽宇、Aatresha Biswas、蔡硕和土壤科学教授黄静怡