陈根：高性能土壤传感器将为人类解决口粮问题

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文/陈根

日前，河北工业大学研究员杨丽、美国宾州州立大学副教授程寰宇团队发表在《先进材料》上的文章“Vanadium Oxide-Doped Laser-Induced Graphene Multi-Parameter Sensor to Decouple Soil Nitrogen Loss and Temperature”报道了一种能完全解耦氮损失和土壤温度的高性能传感器。该传感器实现了室温下对NO2气体的高性能检测：超低检测限（3*10-9）、高灵敏度（2.929％/ppm）、快速响应/恢复特性（217/650 秒）、良好的选择性以及 16 天以上的稳定性。

“事倍功半”的传统农业生产

中国人有云“人是铁，饭是钢”，所以满足世界人口日益增长的粮食需求，也就成为了一直以来的“当务之急”。而为了提高粮食亩产量，人们向农业系统施用了大量氮肥，但却一直是“事倍功半”，更有甚至，损失严重。

首先，我国粮食作物的氮肥利用率仅为 28～41%，损失主要表现在氨的挥发损失、硝态氮的浸出损失和气体损失。初步统计，农业生产中高达 70% 的氮肥因硝化和反硝化作用流失。

其次，流失的氮肥还造成了严重的环境污染，如水体富营养化、地下水硝酸盐污染、大量氮氧化合物（如NO2、NO 等温室气体）排放及其过量排放所导致的光化学烟雾和酸雨。

再者，温度这一土壤关键参数，也深深地影响着土壤物理、化学和微生物过程以及作物的生长。

VOX/LIG 传感器应需而生

鉴于土壤及其成分参数与温度息息相关，所以对温度和肥料排放等参数的连续和实时监测也就变得尤为重要；同时，也就迫切需要开发一种多参数传感器来监测氮氧化合物排放和土壤温度，以提高资源利用率、最大限度地提高农业产量、减少环境危害。由此，能完全解耦氮损失和土壤温度的高性能传感器——VOX/LIG 传感器应势而生。

该传感器的核心材料为氧化钒（VOX）掺杂的激光诱导石墨烯（LIG）泡沫，高度多孔。其中的氧化钒由激光烧蚀硫化钒（V5S8）掺杂的 Pluronic F127 共聚物-酚醛树脂薄膜在大气环境下一步合成。之所以选择氧化钒掺杂，是因其作为过渡金属氧化物，表现出优异的性能，氧化钒及其复合材料在物理吸附和与多种气体（包括二氧化氮、氨气、氢气和甲烷等）的化学相互作用方面也表现出优异的性能；而掺杂金属配合物的石墨烯则可以提高气体吸附和检测灵敏度。

VOX/LIG 传感器的应用潜力和前景

VOX/LIG 传感器除了进行土壤检测之外，凭借其集成的无线监控系统还可用于监测施肥后氮氧化物的浓度，以及智能农业中促进植物生长的温室土壤温度；另外，还可以与数据处理和无线传输模块结合，形成用于人类健康监测和精准农业的远程环境监测系统。当人体周围的局部环境中NO2超过安全阈值时，实时检测系统会自动触发红灯并向智能手机发送警报。

“计划将该系统投入应用，用于农业监测以及人体呼出气检测。”研究团队介绍，对该系统的进一步研究将涉及检测土壤湿度、检测其他土壤有机挥发性气体（VOCs）、通过检测生物挥发性有机化合物和CO2来反应土壤微生物的活动。