土壤中的大量元素（氮、磷、鉀）在作物生長和農業生產過程中起著至關重要的作用，快速定量地現場檢測其含量對指導精確施肥具有重要意義。傳統C?D微流控器件的傳感電極通常為平面電極配置，表現出靈敏度不足的問題，而3D微電極通過與微流控通道實現多面耦合的方式，增大壁電容，提高信號響應，具有成本低、制作簡單等優點。


據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院合肥物質院智能所王儒敬、陳翔宇課題組與安徽理工大學洪炎課題組合作，研發了集成3D微電極的新型電容耦合非接觸電導檢測微流控芯片，實現了土壤大量養分離子的現場快速定量檢測。相關研究成果以“A novel capacitively coupled contactless conductivity detection(C?D)microfluidic chip integrated 3D microelectrodes for on-site determination of soil nutrients”為題發表在Computers and Electronics in Agriculture期刊上。

集成3D微電極的C?D微流控芯片結構示意圖


科研團隊設計了集成3D微電極的新型電容耦合非接觸電導檢測微流控芯片，包含通過MEMS工藝一體制造的十字交叉型電泳通道和3D通道構成的C?D微電極系統。3D微電極系統是由側壁電極和底面電極構成，側壁電極通過向電極通道中注入液態金屬鎵實現。微流控芯片對鉀離子、銨根離子、硝酸根離子和磷酸根離子具有較低的檢測限，分別為5.24×10??g/L、2.81×10??g/L、2.35×10??g/L和2.38×10??g/L；相對標準偏差小于5%。此外，對鉀離子和銨根離子表現出高分辨率，且具有良好的回收率。


此項研究成果將新型性能優異的3D微電極配置方案及低成本工藝引入至C?D微流控芯片，提出的集成3D微電極的C?D微流控芯片實現了對土壤大量養分離子穩定、多指標和高靈敏度的現場檢測，將有效解決農場中土壤養分現場快檢的需求。