[发明专利]一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种GO‑Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法，包括基底、工作电极、参比电极和电极引线；基底为氧化铝陶瓷材料；工作电极为Ir/IrO₂金属氧化物电极，参比电极为Ag/AgCl电极；电极修饰层采用GO与Nafion双层膜修饰；传感器制备方法为：制作基底，在基底正面开工作电极安装槽、参比电极安装槽及电极引线安装槽；在工作电极安装槽上依次沉积Cr_1连接层与Ni_1过渡层，沉积Ir层与IrO₂层，涂覆Nafion_1层，涂得GO_1层；在参比电极安装槽上依次沉积Cr_2连接层与Ni_2过渡层，沉积Ag层，获得AgCl层，涂覆Nafion_2层，获得GO_2层；GO_1层和GO_2层制作微纳织构亲水表面；本发明传感器可同时检测基质pH、含水量等理化参数，适用于土壤栽培基质等非均相体系的pH、含水量的原位测量。

技术领域

本发明属于土壤基质新型电化学传感器的应用领域，尤其涉及一种微纳织构化GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量一体化传感器及其制备方法，用于实现对一定量含水量土壤、栽培基质含水量与pH值的原位测量。

背景技术

土壤和栽培基质是矿物和有机物的混合组成部分，主要是固态颗粒，但是在固体颗粒间隙中存在着一定气体和液体，属于非均相体系。其复杂的组成，以及非均相混合态，使得土壤基质表现出众多不同的物化特性。此外，由于部分土壤和基质本身比较松散，会引起检测接触不良，导致对参数检测适应性差，检测灵敏度低、误差大、稳定性不好等问题，为土壤基质pH、含水量的原位测量带来难度。

研究表明，在土壤栽培基质等非均相体系中，氢离子都是以水合氢离子H₃O⁺的形式存在的。因此，土壤中栽培基质等的氢离子浓度与土壤中的水有很大关系，要实现土壤基质等非均相体系的pH原位测量，就必须找到一种方法能够快速吸附土壤中的水分，进而吸附氢离子的方法。同时，通过检测土壤基质中含水量对pH值进行修正补偿，增加其准确性。因此，非常有必要在检测pH值同时，检测含水量。

传统采用玻璃电极测量浸提液pH值的间接测量方法，过程繁琐，耗时费力。而且，因为在自然条件下土壤与环境处于动态平衡，所以取样测定的结果往往不能代表土壤的自然状况。近年来，对全固态复合pH电极的研究越来越多，在一定程度上，有效提升了pH电极的灵敏度、稳定性、抗干扰性等性能，但电极稳定性、含水量较低时测量结果的准确度等方面，仍有很多不足之处，而修饰膜对解决这些问题有重要作用。

目前，土壤含水量检测方法有烘干法、中子散射法、电阻法和电容法。烘干法是获取土壤含水量的标准做法，对基质参数检测适应性较好，但是不能在土壤原位实时检测且需大量人力物力，不能及时获得土壤的墒情。中子散射法不需进行土壤取样，对基质参数检测适应性较好，但是存在成本高昂、辐射等不足。电阻法利用湿敏电阻的电阻值与含水量之间的对应关系，具有成本低、简单快速的优点，但是滞后性、灵敏度和准确度较差，尤其对基质参数检测适应性较差。电容法将被测土壤物质作为电容器电介质的一部分，并结合土壤含水量和总的介电常数之间的对应关系得到土壤的含水量，其结构简单、易于实现，但是灵敏度不高，且存在边缘效应导致的非线性问题。

超亲水表面研究取得很大进展，并且在工业生产和实际生活中有广泛应用。表面浸润性是固体表面的一个重要特征，通常以接触角(contact angle，CA)表征液体对固体的浸润程度。通常把通过表面改性获得跟水滴接触角>150°称为超疏水性表面，接触角<5°称为超亲水表面。科研人员通过对不同材料的超亲水性研究，认为超亲水性与材料的电子空穴对及材料表面粗超度有关。一般来说制备超亲水表面可以通过两种途径，一是光引发超亲水；另一种是在亲水材料表面构造粗糙结构。各类织构表面具有不同的界面效应，通过合适的织构表面提高表面亲水性，使传感器能够快速吸附水分子，提高检测灵敏性。