基于铂修饰丝网印刷电极检测土壤中铵态氮的电化学传感器

doi:10.7503/cjcu20230390

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 20230390.doi: 10.7503/cjcu20230390

• 分析化学 • 上一篇

基于铂修饰丝网印刷电极检测土壤中铵态氮的电化学传感器

陈珊¹, 陈劲虎², 徐郭海林³, 柳军¹, 钱明艳¹, 陈敬文¹(), 方一民²

^1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所, 江苏省生物质复合材料与增材制造技术工程研究中心, 农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室, 南京 210014
^2.南京医科大学药学院, 南京 211166
^3.江苏大学农业工程学院, 镇江 212013

收稿日期:2023-09-01 出版日期:2023-12-10 发布日期:2023-10-20
通讯作者: 陈敬文 E-mail:chenjingwen@jaas.ac.cn
基金资助:
江苏省农业科技自主创新资金（批准号: CX(21)3064）资助

Electrochemical Sensor for Ammonium Nitrogen in Soil Based on Platinum Modified Screen-printed Electrodes

CHEN Shan¹, CHEN Jinhu², XU Guohailin³, LIU Jun¹, Qian Mingyan¹, CHEN Jingwen¹(), FANG Yimin²

^1.Institute of Agricultural Facilities and Equipment，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Jiangsu Engineering Technology Research Center of Biomass Composites and Addictive Manufacturing，Key Laboratory for Protected Agricultural Engineering in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Nanjing 210014，China
^2.School of Pharmacy，Nanjing Medical University，Nanjing 211166，China
^3.Jiangsu University，School of Agricultural Engineering，Zhenjiang 212013

Received:2023-09-01 Online:2023-12-10 Published:2023-10-20
Contact: CHEN Jingwen E-mail:chenjingwen@jaas.ac.cn
Supported by:
the Jiangsu Agricultural Science and Technology Innovation Fund, China(No.CX(21)3064）

1. ESM to 20230390.pdf(269KB)

摘要/Abstract

摘要：

土壤中铵态氮（NH₄⁺）含量的现场检测对于提高氮肥的利用率、减少环境污染, 从而实现精准农业具有重要意义. 针对目前土壤检测方法存在的周期长、成本高及时效性差等问题, 本文基于铂粒子对NH₄⁺具有特异性电催化响应, 通过在丝网印刷电极（SPE）表面电沉积铂颗粒, 制备了一种电化学传感器. 采用碳酸盐排除土壤中未知离子的干扰, 结合土壤铵态氮快速提取装置, 实现了对土壤中铵态氮的现场快速检测. 该传感器对NH₄⁺检测的线性范围为0.1~5 mmol/L（R²=0.997）, 检出限为13 μmol/L（S/N=3）, 检测时间约5 min；并且对土壤中NH₄⁺具有良好的选择性和稳定性, 可应用于实际土壤样品中NH₄⁺的快速检测. 相比于传统的检测方法, 该方法无需大型仪器、操作便捷、检测速度快, 可望为土壤中铵态氮的快速检测提供新方法, 为精准农业提供重要的数据支持.

关键词: 土壤, 铵态氮, 电化学, 丝网印刷电极

Abstract:

Rapid detection of ammonium nitrogen（NH₄⁺） in soil is quit important for precise agriculture as it can significantly increase the utilization of soil fertility and reduce the environmental pollution. Compared with the traditional detection methods for NH₄⁺ which are time-consuming and expensive， here we developed a rapid and sensitive electrochemical sensor by platinum deposited screen printed electrodes（Pt-SPEs） as sensing components. Owing to the specific catalysis to NH₄⁺， using the carbonate to precipitate the metal ions， coupling with the ammonium extraction syringe， NH₄⁺ in soil can be detected in 5 min for the first time， with a detection range of 0.1—5 mmol/L（R²=0.997）and a detection limit of 13 μmol/L（S/N=3）. This sensors can be applied for on-site detection of NH₄⁺ in soil due to its rapidity， simplicity， high selectivity and stability without large equipment， providing an important data support for precise agriculture.

Key words: Soil, Ammonium nitrogen, Electrochemistry, Screen printed electrode

中图分类号:

O657.15

TrendMD:

陈珊, 陈劲虎, 徐郭海林, 柳军, 钱明艳, 陈敬文, 方一民. 基于铂修饰丝网印刷电极检测土壤中铵态氮的电化学传感器. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230390.

CHEN Shan, CHEN Jinhu, XU Guohailin, LIU Jun, Qian Mingyan, CHEN Jingwen, FANG Yimin. Electrochemical Sensor for Ammonium Nitrogen in Soil Based on Platinum Modified Screen-printed Electrodes. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230390.

图/表 7

Schem 1　Schematic illustration of NH4+ detection in soil

Fig.1 SEM images of SPE(A) and Pt⁃SPE(B), EDS(C), XRD pattern(D) and high resolution XPS(E) of Pt⁃SPE

Fig.2 CV curves of SPE/Pt⁃SPE in solution with/without 1 mmol/L NH4+ in 0.5 mol/L KClScan range: -1.0—0.5 V(vs. Ag/AgCl); scan rate: 0.1 V/s.

Fig.3 CV curves of Pt⁃SPE in solution with different concentrations of NH4+ in 0.5 mol/L KCl(A) and the calibration curve of NH4+ concentration vs. catalytic peak current(B)Scan range: -1.0—0.5 V(vs. Ag/AgCl); scan rate: 0.1 V/s. (B) The linear range is 0.1—5 mmol/L.

Fig.4 Voltammetric response to NH4+ for 20 days(A), the repeatability of different Pt⁃SPEs(B), voltammetric response with addition of different anions(1 mmol/L NH4+ , 10 mmol/L NO3- , 10 mmol/L CO32-, Cl-, 10 mmol/L ClO4- , 10 mmol/L SO42-, 10 mmol/L PO43-) and cations(0.5 μmol/L Hg2+, 0.5 μmol/L Cd2+, 1.2 mmol/L Cr3+, 0.8 mmol/L Zn2+), NH4+ detection in soil by Pt⁃SPE with/without 0.5 mol/L K2CO3 in 0.5 mmol/L KCl(D)Scan range: -1.0 V—0.5 V(vs. Ag/AgCl), scan rate: 0.1 V/s. （C) a. NH4+; b. NO3-; c. CO32-; d. ClO4-; e. SO42-; f. PO43-; g. Cl-; h. Hg2+; i. Cd2+; j. Cr3+; k. Zn2+.

Table 1 Comparison of the detected NH4+ concentration by Pt-SPE(c1) and UV-Vis(c2) methods

Sample

Pt⁃SPE

c₁/（mg·kg^-1）

UV⁃Vis

c₂/（mg·kg^-1）

c₁/c₂

Fig.5 Ratio of NH4+ concentration extracted by Pt⁃SPE method(c1) to UV⁃Vis method(c2) for 5 different samples

参考文献 27

1	Hillel D.， Encyclopedia of Soils in the Environment（2nd Ed.）， Elsevier， Amsterdam， 2023
2	Post W. M.， Pastor J.， Zinke P. J.， Stangenberger A. G.， Nature， 1985， 317（6038）， 613—616
3	Wang Z. H.， Miao Y. F.， Li S. X.， Field Crop. Res.， 2015， 183， 211—224
4	Bijay S.， Craswell E.， SN Appl. Sci.， 2021， 3， 519
5	Matassa S.， Batstone D. J.， Hülsen T.， Schnoor J.， Verstraete W.， Environ. Sci. Technol.， 2015， 49（9）， 5247—5254
6	Cui M.， Zeng L.， Qin W.， Feng J.， Environ. Pollut.， 2020， 263， 114553
7	Cameron K. C.， Di H. J.， Moir J. L.， Ann. Appl. Biol.， 2013， 162（2）， 145—173
8	Kumar R. R.， Cho J. Y.， Environ. Sci. Pollut. Res.， 2014， 21（16）， 9569—9577
9	Zhang L.， Wan J.， Li J.， Cui Q.， He D.， Zhao C.， Suo H.， J. Electrochem. Soc.， 2020， 167（2）， 027537
10	Krupa S. V.， Environ. Pollut.， 2003， 124（2）， 179—221
11	Tian D.， Niu S.， Environ. Res. Lett.， 2015， 10（2）， 024019
12	Borrelli P.， Panagos P.， Ballabio C.， Lugato E.， Weynants M.， Montanarella L.， Land Degrad. Dev.， 2016， 27（4）， 1093—1105
13	Cai T.， Park S. Y.， Li Y.， Renew. Sustain. Energy Rev.， 2013， 19， 360—369
14	Van Rooyen I. L.， Nicol W.， Environ. Technol. Innov.， 2022， 26， 102360
15	Vitousek P. M.， Aber J. D.， Howarth R. W.， Likens G. E.， Matson P. A.， Schindler D. W.， Schlesinger W. H.， Tilman D. G.， Ecol. Appl.， 1997， 7（3）， 737—750
16	Dong J. X.， Gao Z. F.， Zhang Y.， Li B. L.， Li N. B.， Luo H. Q.， Biosens. Bioelectron.， 2017， 91， 155—161
17	Popiel S.， Sankowska M.， J. Chromatogr. A， 2011， 1218（47）， 8457—8479
18	Kientz C. E.， J. Chromatogr. A， 1998， 814， 1—23
19	Mishra S.， Singh V.， Jain A.， Verma K. K.， Analyst， 2001， 126（10）， 1663—1668
20	Ricci F.， Adornetto G.， Palleschi G.， Electrochim. Acta， 2012， 84， 74—83
21	Wagner F. T.， Lakshmanan B.， Mathias M. F.， J. Phys. Chem. Lett.， 2010， 1（14）， 2204—2219
22	Huang Y.， Li J.， Yin T.， Jia J.， Ding Q.， Zheng H.， Chen C. T. A.， Ye Y.， J. Electroanal. Chem.， 2015， 741， 87—92
23	Li M.， Li Y. T.， Li D. W.， Long Y. T.， Anal. Chim. Acta， 2012， 734， 31—44
24	Renedo O. D.， Alonso-Lomillo M. A.， Martínez M. J. A.， Talanta， 2007， 73（2）， 202—219
25	Zhao H.， Li Y.， Cong A.， Tong J.， Bian C.， Micromachines， 2023， 14（3）， 629
26	Chen S.， Chen J.， Qian M.， Liu J.， Fang Y.， Electrochim. Acta， 2023， 446， 142077
27	Wasmus S.， Vasini E. J.， Krausa M.， Mishima H. T.， Vielstich W.， Electrochim. Acta， 1994， 39， 23—31

[1]	赵环宇, 米洪田, 常月琪, 周冬雪, 张立国, 杨穆. Ni/TiO₂-V_O纳米线自支撑薄膜的界面工程与电催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230057.
[2]	陈亚锋, 曾刘莉, 郭伟. 质子交换膜燃料电池阴极侧不同部位水淹对性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230003.
[3]	王斯阳, 敬稳, 常江伟, 卢思宇. 碳点的制备及电化学能源应用进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220733.
[4]	杜磊, 刘兆清. 非贵金属催化剂在羟甲基糠醛电氧化增值中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220710.
[5]	巴迪迪, 赵海洲, 张志明, 于良民. 电纺聚苯胺涂层表面浸润性和表面荷电对微生物附着的影响[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220615.
[6]	胡诗颖, 沈佳艳, 韩峻山, 郝婷婷, 李星. CoO纳米颗粒/石墨烯纳米纤维复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220462.
[7]	孙竹梅, 傅杰, 李鑫, 王海芳, 卢静, 童天星, 朱明飞, 舒余德, 王云燕. 电吸附除氯过程的电化学阻抗谱及动力学研究[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220528.
[8]	王前, 魏祎, 贾洪声. Mo₂C/PE隔膜对锂硫电池性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(11): 20230223.
[9]	范建玲, 唐灏, 秦凤娟, 许文静, 谷鸿飞, 裴加景, 陈文星. 氮掺杂超薄碳纳米片复合铂钌单原子合金催化剂的电化学析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220366.
[10]	江博文, 陈敬轩, 成永华, 桑微, 寇宗魁. 单原子材料在电化学生物传感中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220334.
[11]	王瑞娜, 孙瑞粉, 钟添华, 池毓务. 大尺寸石墨烯量子点组装体的制备及电化学发光性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220161.
[12]	李玉龙, 谢发婷, 管燕, 刘嘉丽, 张贵群, 姚超, 杨通, 杨云慧, 胡蓉. 基于银离子与DNA相互作用的比率型电化学传感器用于银离子的检测[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220202.
[13]	王丽君, 李欣, 洪崧, 詹新雨, 王迪, 郝磊端, 孙振宇. 调节氧化镉-炭黑界面高效电催化CO₂还原生成CO[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220317.
[14]	李祎頔, 田晓春, 李俊鹏, 陈立香, 赵峰. 半导体-微生物界面电子传递及其在环境领域的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220089.
[15]	龚妍熹, 王建兵, 柴歩瑜, 韩元春, 马云飞, 贾超敏. 钾掺杂g-C₃N₄薄膜光阳极的制备及光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220005.

基于铂修饰丝网印刷电极检测土壤中铵态氮的电化学传感器

Electrochemical Sensor for Ammonium Nitrogen in Soil Based on Platinum Modified Screen-printed Electrodes

RichHTML

PDF (PC)

补充材料

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 27

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价