Shuohao Cai, doktorand i markvetenskap, placerar en sensorstav med en multifunktionell sensoretikett som möjliggör mätningar på olika djup ner i jorden vid University of Wisconsin-Madison Hancock Agricultural Research Station.
MADISON — Ingenjörer vid University of Wisconsin-Madison har utvecklat lågkostnadssensorer som kan ge kontinuerlig realtidsövervakning av nitrat i vanliga jordtyper i Wisconsin. Dessa tryckta elektrokemiska sensorer kan hjälpa jordbrukare att fatta mer välgrundade beslut om näringshantering och realisera ekonomiska fördelar.
”Våra sensorer kan ge jordbrukare en bättre förståelse för jordens näringsstatus och mängden nitrat som är tillgängligt för deras växter, vilket hjälper dem att mer exakt avgöra hur mycket gödselmedel de faktiskt behöver”, säger Joseph Andrews, biträdande professor vid Harvard University. Studien leddes av School of Mechanical Engineering vid University of Wisconsin-Madison. ”Om de kan minska mängden gödselmedel de köper kan kostnadsbesparingarna bli betydande för större gårdar.”
Nitrater är ett viktigt näringsämne för grödors tillväxt, men överskott av nitrater kan läcka ut från jorden och komma in i grundvattnet. Denna typ av förorening är skadlig för människor som dricker förorenat brunnsvatten och är skadlig för miljön. Forskarnas nya sensor skulle också kunna användas som ett jordbruksforskningsverktyg för att övervaka nitratläckage och bidra till att utveckla bästa praxis för att mildra dess skadliga effekter.
Nuvarande metoder för att övervaka nitrathalten i marken är arbetsintensiva, dyra och ger inte realtidsdata. Det är därför Andrews, expert på tryckt elektronik, och hans team bestämde sig för att skapa en bättre och billigare lösning.
I det här projektet använde forskarna en bläckstråleutskriftsprocess för att skapa en potentiometrisk sensor, en typ av tunnfilmselektrokemisk sensor. Potentiometriska sensorer används ofta för att noggrant mäta nitrat i flytande lösningar. Dessa sensorer är dock generellt sett inte lämpliga för användning i jordmiljöer eftersom stora jordpartiklar kan repa sensorerna och förhindra noggranna mätningar.
"Den största utmaningen vi försökte lösa var att hitta ett sätt att få dessa elektrokemiska sensorer att fungera korrekt i svåra jordförhållanden och exakt detektera nitratjoner", sa Andrews.
Teamets lösning var att placera ett lager polyvinylidenfluorid på sensorn. Enligt Andrews har detta material två viktiga egenskaper. För det första har det mycket små porer, cirka 400 nanometer stora, som släpper igenom nitratjoner samtidigt som de blockerar jordpartiklar. För det andra är det hydrofilt, det vill säga att det drar till sig vatten och absorberar det som en svamp.
"Så allt nitratrikt vatten kommer företrädesvis att sippra in i våra sensorer, vilket är väldigt viktigt eftersom jorden också är som en svamp och du kommer att förlora kampen mot fukt som kommer in i sensorn om du inte kan få samma vattenabsorption. Jordens potential", sa Andrews. "Dessa egenskaper hos polyvinylidenfluoridlagret gör att vi kan extrahera nitratrikt vatten, leverera det till sensorytan och exakt detektera nitrat."
Forskarna redogjorde i detalj för sina framsteg i en artikel som publicerades i mars 2024 i tidskriften Advanced Materials Technology.
Teamet testade sin sensor på två olika jordtyper som är förknippade med Wisconsin – sandiga jordar, vanliga i norra och centrala delar av delstaten, och siltiga lerjordar, vanliga i sydvästra Wisconsin – och fann att sensorerna gav korrekta resultat.
Forskarna integrerar nu sin nitratsensor i ett multifunktionellt sensorsystem som de kallar ett "sensorklistermärke", där tre olika typer av sensorer monteras på en flexibel plastyta med hjälp av ett självhäftande bakstycke. Klistermärkena innehåller även fuktighets- och temperatursensorer.
Forskarna kommer att fästa flera sensoriska klistermärken på en stolpe, placera dem på olika höjder och sedan begrava stolpen i jorden. Denna uppställning gjorde det möjligt för dem att göra mätningar på olika jorddjup.
"Genom att mäta nitrat, fukt och temperatur på olika djup kan vi nu kvantifiera nitratlakningsprocessen och förstå hur nitrat rör sig genom jorden, vilket inte var möjligt tidigare", sa Andrews.
Sommaren 2024 planerar forskarna att placera 30 sensorstavar i jord vid Hancock Agricultural Research Station och Arlington Agricultural Research Station vid University of Wisconsin-Madison för att ytterligare testa sensorn.
Publiceringstid: 9 juli 2024