土壤中的大量元素（氮、磷、钾）在作物生长和农业生产过程中起着至关重要的作用，快速定量地现场检测其含量对指导精确施肥具有重要意义。传统C?D微流控器件的传感电极通常为平面电极配置，表现出灵敏度不足的问题，而3D微电极通过与微流控通道实现多面耦合的方式，增大壁电容，提高信号响应，具有成本低、制作简单等优点。


据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院合肥物质院智能所王儒敬、陈翔宇课题组与安徽理工大学洪炎课题组合作，研发了集成3D微电极的新型电容耦合非接触电导检测微流控芯片，实现了土壤大量养分离子的现场快速定量检测。相关研究成果以“A novel capacitively coupled contactless conductivity detection(C?D)microfluidic chip integrated 3D microelectrodes for on-site determination of soil nutrients”为题发表在Computers and Electronics in Agriculture期刊上。

集成3D微电极的C?D微流控芯片结构示意图


科研团队设计了集成3D微电极的新型电容耦合非接触电导检测微流控芯片，包含通过MEMS工艺一体制造的十字交叉型电泳通道和3D通道构成的C?D微电极系统。3D微电极系统是由侧壁电极和底面电极构成，侧壁电极通过向电极通道中注入液态金属镓实现。微流控芯片对钾离子、铵根离子、硝酸根离子和磷酸根离子具有较低的检测限，分别为5.24×10??g/L、2.81×10??g/L、2.35×10??g/L和2.38×10??g/L；相对标准偏差小于5%。此外，对钾离子和铵根离子表现出高分辨率，且具有良好的回收率。


此项研究成果将新型性能优异的3D微电极配置方案及低成本工艺引入至C?D微流控芯片，提出的集成3D微电极的C?D微流控芯片实现了对土壤大量养分离子稳定、多指标和高灵敏度的现场检测，将有效解决农场中土壤养分现场快检的需求。