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，陈劲虎，徐郭海林，柳 军，钱明艳，陈敬文，方一民

（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）

近年来，耕地土壤质量持续退化，人多地少、人增地减的矛盾日益突出［1］.因此，提高土壤肥力、保障耕地质量，实现粮食增产且保障粮食安全势在必行.氮素作为土壤肥力的重要指标之一［2］，在作物生长过程中的需求量大，为提高作物产量，主要通过施加化肥来增加土壤的氮素［3］.过去几十年里，全球的化肥总使用量骤增，且主要以氮肥为主［4］，过量施用氮肥导致其有效利用率锐减，目前氮肥当季利用率不足50%［5］，造成大量的经济损失.更严重的是，由于雨水淋洗等外界因素会造成土壤中过量的氮素流失［6，7］，从而引发地表水富营养化［8，9］、大气污染［10］和土壤酸化［11，12］等环境问题.因此，对土壤中氮素含量进行测定，实施精准施肥，对保障耕地质量和生态环境的可持续发展具有重要意义［13，14］.

电化学法是一种检测速度快且操作便捷的方法［20，21］.目前主要使用离子选择性电极（ISE，电位检测法）对铵态氮进行检测［22］，但由于ISE价格昂贵（约5000元/根），且电极表面的离子选择性膜需要定期维护和更换，因此限制了其实际应用.与电位检测法相比，伏安检测法所使用的电极，如丝网印刷电极（SPE）由于具有成本低（＜10元/根）、操作简单且即抛（无需维护）等优势［23，24］，十分适用于农业检测场景.然而，由于在溶液中较稳定，其伏安响应较低，关于土壤中伏安检测法的报道较少［25］.此外，由于土壤样本中存在各种干扰离子，目前还未将其有效应用于土壤中的检测.本文旨在发展一种土壤中铵态氮快速稳定的电化学传感装置，利用伏安法检测速度快、操作便捷及可微型化等优点，使用成本低的丝网印刷电极作为电极基底，通过电沉积方法在其表面沉积铂颗粒，制备了铂修饰丝网印刷电极（Pt-SPE）.利用铂颗粒的高稳定性及其对溶液中的特异性电催化响应，采用碳酸盐有效排除土壤中的离子干扰，结合土壤铵态氮的快速提取装置，实现了土壤中的快速检测，每个样品的检测时间约5 min.该方法的建立为土壤中铵态氮含量的快速、低成本农业场景检测提供了新策略，可望得到进一步的推广应用.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

氯铂酸［H2PtCl6·（H2O）6］购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氢氧化钾（KOH）、碳酸钾（K2CO3）、氯化钾（KCl）及氢氧化铵（NH4OH）均购自国药集团化学试剂有限公司；过滤滤膜购于天津津滕公司［直径25 mm，孔径0.45 μm，聚醚砜（PES）］.所用试剂均为分析纯，实验用水为去离子水，所有实验均在室温（25 ℃）下进行.

EC-1550A型mini电化学工作站（武汉介观生物科技有限责任公司）；UV-2600i型紫外-可见分光光度计［岛津（上海）实验器材有限公司］；Regulus 8100型电子扫描显微镜（日本日立公司）；D2 Phaser X射线衍射仪（德国布鲁克公司）；K-alpha+型X射线光电子能谱仪（美国赛默飞公司）；TG16型离心机（上海卢湘仪离心机有限公司）；TC 201型丝网印刷电极［波探科技（威海）有限公司］.

1.2 土壤样品的采集

土壤样品采集于江苏省农业科学院农业设施与装备研究所大棚蔬菜种植地.

1.3 土壤样品的处理

土壤样品的标准法处理及其中铵态氮的提取和测定按照国家环境保护标准HJ 634—2012执行.

1.4 传感电极的制备

SPE 法的示意图如Scheme 1所示，电极芯片集成了工作电极、参比电极和对电极，其中参比电极为Ag/AgCl 电极.在SPE表面滴加100 μL 0.2 mol/L NaOH，连接电极与工作站，循环伏安法（CV）扫描范围为0～0.8 V，扫描速率为0.05 V/s，连续扫描20 个循环使电极活化，之后用去离子水冲洗电极表面，吸干水分备用.

Schem 1 Schematic illustration of NH4+ detection in soil

在活化后的SPE 表面滴加100 μL 质量分数分别为0.03%，0.1%，0.3%，0.5%和1%的H2PtCl6溶液，CV扫描范围为0.5～-0.5 V，扫描速率为0.1 V/s，连续扫描不同循环圈数（15，30和50）后，用离子水冲洗电极表面残留的氯铂酸溶液，得到的Pt-SPE于室温下晾干，备用.

不同H2PtCl6浓度和不同循环圈数制备的Pt-SPE电极数据如图S1和S2所示（见本文支持信息）.从图S1（A）可见，随着浓度增加Pt-SPE对NH4+的响应曲线先显著升高，当H2PtCl6浓度高于0.1%时，的特征催化氧化峰信号（-0.4 V）增加缓慢，且CV曲线在更高电位（0 V）附近出现明显的氧化峰而抬高基线，从而直接影响特征催化氧化峰信号读取的准确性.并且，随着H2PtCl6浓度的增加，电极表面沉积的铂颗粒数量明显增多，使表面的均匀性受到影响，如图S1（B）所示，当使用1% H2PtCl6进行电沉积后，SPE表面有一层明显的灰色铂颗粒沉积物，表示沉积的铂颗粒数量明显增多，但其在电极边缘处并分布不均.同时，考虑H2PtCl6的成本问题，选择使用0.1% H2PtCl6作为沉积液.

对不同扫描圈数（15，30和50）制备的Pt-SPE的实验结果如图S2所示.随着沉积扫描圈数的增加，所制备的Pt-SPE对的催化响应也相应增强，但当扫描圈数为50圈时，其对的催化响应与扫描30圈制备的电极相比无显著增强，考虑到扫描圈数增加会影响电极表面沉积的铂颗粒均匀度，选择循环伏安法扫描圈数为30圈作为Pt-SPE的最佳制备条件.

1.5 土壤中NH4+的检测

参照文献［26］方法，取适量土壤加入到铵态氮快速提取装置中（Scheme 1），加入9 mL 1 mol/L KCl溶液后均匀摇晃2 min后，而挤压出待测溶液滴于电极表面，确保完全覆盖，设置扫描参数如下：CV扫描范围-1.0～0.5 V，扫描速率0.1 V/s，扫描1个循环.实验均在室温（25 ℃）下进行.

2 结果与讨论

2.1 Pt-SPE的表征

Pt-SPE的扫描电子显微镜（SEM）照片及能量色散X射线光谱（EDS）图分别如图1所示.可见，未沉积铂颗粒前SPE的表面较为粗糙［图1（A）］；通过电化学法沉积铂颗粒后，SPE表面附着了球形颗粒状的铂颗粒，其尺寸约为1 μm［图1（B）］.为进一步验证该球形颗粒为铂颗粒，进行了EDS表征.图1（C）结果表明，沉积在SPE表面的粒子为铂颗粒.X射线衍射（XRD）表征结果如图1（D）所示，衍射峰分别位于2θ=39.8°，46.3°和67.5°处，与JCPDS No.04-0802卡片所示Pt单质的（111），（200）和（220）晶面相对应，由此可知单质铂已修饰在SPE 表面.X 射线光电子能谱图（XPS）如图1（E）所示，位于71.3 和74.7 eV 处的峰分别对应表明电极表面沉积的铂以零价的形式存在.上述结果证明，通过电沉积方法可在SPE表面均匀修饰球形铂颗粒.

2.2 Pt-SPE对溶液中NH4+的传感检测机理研究

2.3 Pt-SPE对溶液中NH4+的检测

Fig.2 CV curves of SPE/Pt-SPE in solution with/without 1 mmol/L NH4+ in 0.5 mol/L KCl

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)

2.4 Pt-SPE的性能考察

电极的稳定性和选择性决定了其实际检测效果，尤其是土壤环境复杂，从中提取的铵态氮溶液中通常含有复杂的离子组成，为此分别考察Pt-SPE 的稳定性及其对土壤中常见离子的选择性.单根Pt-SPE 的稳定性的考察结果如图4（A）所示，其对1 mmol/L的信号响应在前4 d 呈轻微下降，在5～20 d 内，响应信号趋于稳定，连续15 d 信号变化的RSD=5.06%，因此该电极在制备完成静置4 d 后使用最为稳定.

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 ,10 mmol/L 10 mmol/L ,Cl-,10 mmol/L ,10 mmol/L ,10 mmol/L ) 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)

按照相同的方法制备5根Pt-SPE，对1 mmol/L的进行检测，对比获得的催化还原电流，从而考察电极之间的稳定性.由图4（B）可见，5 根电极获得的催化还原电流之间仅存在细微差异（RSD=9.85%），呈现良好的稳定性.选取土壤中常见的离子作为干扰离子，考察了该修饰电极的抗干扰能力.

2.5 实际样品分析

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

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

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

3 结论

通过电沉积法制备了铂修饰丝网印刷网极（Pt-SPE），并利用该修饰电极对的特异性电化学催化性能及其良好的稳定性和抗干扰性，实现了对0.1～5 mmol/L范围内的检测，且在该检测区间内呈现良好的线性关系，检出限为13 μmol/L（S/N=3）.同时，该方法采用碳酸盐进一步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，实现了土壤提取液中的快速检测，检测结果与标准法结果相近.该方法操作简便、检测速度快（每个样品约5 min），将有助于缩短土壤中铵态氮含量信息获取周期，为土壤肥力信息的获取和精准施肥提供重要的技术支撑.