[發(fā)明專利]一種集成仿生的栽培基質(zhì)離子濃度在線檢測裝置及方法

有效

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• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN112255286B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳成;張西良;宗圣康;蘇小青;毛天宇;倪夢瑤
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30;G01N27/333
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本發(fā)明提供一種集成仿生的栽培基質(zhì)離子濃度在線檢測裝置及方法，包括仿生葉、仿生莖、主干、仿生根、電極單元、儲水排水單元和控制單元；所述仿生葉底部設(shè)有連通孔，仿生莖為中空管道結(jié)構(gòu)，所述主干內(nèi)設(shè)有儲水排水單元，所述仿生莖的一端與連通孔連通，另一端通過主干與儲水排水單元連通，所述仿生根設(shè)置在主干的下部、且與儲水排水單元連通；所述儲水排水單元底部設(shè)有電極單元；本發(fā)明通過仿生結(jié)構(gòu)收集環(huán)境中的水分、精確控制水分遷移，讓處于非均相體系內(nèi)的傳感器電極表面形成足夠量的離子微溶液，滿足離子濃度檢測條件，從而實(shí)現(xiàn)栽培基質(zhì)離子濃度在線檢測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)栽培信息檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種集成仿生的栽培基質(zhì)離子濃度在線檢測裝置及方法。

背景技術(shù)

基質(zhì)栽培是設(shè)施園藝生產(chǎn)的主要方式之一，為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向，設(shè)施園藝對栽培土壤基質(zhì)養(yǎng)分信息的實(shí)時采集和管理提出了要求，以便按植物生長所需，精準(zhǔn)調(diào)控土壤基質(zhì)肥力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效，同時減低污染、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

栽培用土壤基質(zhì)是由多種礦物質(zhì)、有機(jī)無機(jī)物顆粒，一定量水分和空氣混合而成的一種非均相體系。目前在線測定非均相體系內(nèi)某種離子的濃度困難較大，這是因?yàn)槟壳暗碾x子濃度傳感器主要基于的離子選擇性電極是針對溶液環(huán)境開發(fā)的，其敏感層與溶液充分接觸后可進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量。而傳感器浸入非均相體系后，其敏感層與非均相體系內(nèi)的固體、液體、氣體都有接觸，接觸形式和檢測環(huán)境極為復(fù)雜，因此相對誤差較大，準(zhǔn)確性和適應(yīng)性較差。已有的研究指出，在容積含水量80％的基質(zhì)樣本中在線測定的pH值的相對誤差已達(dá)15％，隨著含水量減少，誤差進(jìn)一步增大；而常見栽培基質(zhì)的容積含水量在20％-40％，因此目前還沒有針對栽培基質(zhì)離子濃度的有效的在線檢測手段。

針對這種現(xiàn)狀，張西良、徐坤等人于2016年提出構(gòu)建超親水pH傳感器，進(jìn)行栽培基質(zhì)的pH值實(shí)時檢測。如在中國專利ZL201610301183.X和PCT專利US16078038中，利用飛秒激光對工作電極和參比電極表面進(jìn)行微織構(gòu)化，實(shí)現(xiàn)了表面的超親水性，水滴能夠迅速鋪展在電極表面，改善電極檢測環(huán)境；但其僅對傳感器電極部分進(jìn)行了微織構(gòu)加工，因此僅有電極具有超親水性能，只能對電極接觸到的溶液及氫離子進(jìn)行吸附檢測，吸水及檢測適應(yīng)能力有限。此外，對于一部分適合干燥環(huán)境生長的植物的栽培基質(zhì)的容積含水量會低至10％，傳感器超親水表面無法從這樣的栽培基質(zhì)中獲得足夠的水分鋪展在電極表面，限制了其的進(jìn)一步應(yīng)用。

在目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，收集和儲存環(huán)境水分并加以利用、從而實(shí)現(xiàn)水資源高效利用的技術(shù)非常多：如中國專利CN201610991915.2公開的一種仿生樹木蒸騰作用的室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過屋頂?shù)亩嗫撞牧衔窄h(huán)境水分，再通過樹狀導(dǎo)管收集到指定容器；再如中國專利CN201620193339.2也公開了一種仿生式空氣取水灌溉裝置。這些技術(shù)能夠有效收集空氣中的水分，并在需要的時候補(bǔ)充到土壤環(huán)境中，但都忽略了地表水的收集利用，并存在水分調(diào)控不夠準(zhǔn)確的問題。這是因?yàn)樵谠耘嗷|(zhì)離子濃度檢測過程中，補(bǔ)充過量水分到傳感器電極附近，雖有利于形成離子溶液環(huán)境，但會稀釋此區(qū)域的離子濃度，造成檢測結(jié)果失真；而補(bǔ)充水分不足則會導(dǎo)致電極表面無法形成溶液環(huán)境，造成檢測結(jié)果誤差較大。

2017年徐坤在《基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器及應(yīng)用研究》，2018年耿妙妙在《平板式全固態(tài)pH傳感器及其響應(yīng)特性研究》通過溫濕度雙補(bǔ)償法對多種混合基質(zhì)的pH測定值進(jìn)行修正。

綜上所述，現(xiàn)有的離子濃度傳感器和農(nóng)作物水分收集利用裝置并不能完全滿足栽培基質(zhì)的離子濃度在線檢測的要求，主要存在兩方面的問題：第一，現(xiàn)有電極表面吸水能力有限，導(dǎo)致電極水分不足、離子溶液形成不充分的問題；第二，水分無法適量、精確地補(bǔ)充到電極區(qū)域，導(dǎo)致栽培基質(zhì)離子濃度檢測誤差較大的問題。

發(fā)明內(nèi)容