用于水肥系统的养分离子快检装置研制与试验

2022-04-19张俊卿陈翔宇王儒敬李梦雅

农业工程学报 2022年2期

张俊卿，陈翔宇，王儒敬※，刘宜，李伟，李梦雅

（1. 中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所，合肥 230031；2. 中国科学技术大学，合肥 230026）

0 引言

现代农业生产的核心要素之一是养分管理。结合灌溉与施肥的水肥一体化技术被认为是目前提高养分利用率的最有效方法之一，其显著优势在于施肥均匀、准确，可以稳定、高精度地控制灌水量和施肥量等参数，提高了水和肥的利用效率，同时有利于环境保护。然而目前使用的水肥系统注重在配比环节通过检测水肥溶液的pH值和电导率值进行浓度的控制，并不能精确获取各种养分离子的浓度，这就难以根据作物在不同生长时期的养分需求，进行精准变量施肥；另一方面，针对盆栽种植的作物，浇灌尾水中过多的养分会造成肥料的浪费，流入环境还会导致富营养化。因此，快速精准地检测水肥溶液和浇灌尾水中养分离子具有重要意义。

水肥中可被植物根系直接吸收且需求量最大的养分离子主要为K、NO、NH、PO。目前针对养分离子的传统实验室检测方法是色谱分析法，需要定期送样到实验室进行定量分析，数据的时效性较差，无法在现场指导水肥溶液的配制。李加念等采用了离子选择电极直接对水肥溶液中的氮素浓度进行在线检测，通过建立了温度参数模型与优化，其相对误差最大为5.2%。然而由于水源和杂质的原因，水肥溶液的成分较为复杂，其他非待测离子如氯离子产生的干扰难以避免，同时电极在连续使用的过程中，随着材料的损耗，输出响应存在漂移现象，难以保证检测的结果的准确性，也影响电极使用寿命。因此，开发适应于水肥系统的现场快检设备迫在眉睫。

电容耦合非接触电导检测（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，C4D）由Fracassi首次提出，优势是检测电极与待测样品物理隔绝，形成非接触式检测，具有灵敏度高、成本低、电极寿命长等优势，可以很好满足水肥系统的检测需求。Rocha等采用此方法可以对雨水中的硝酸根、铵根、硫酸根离子进行检测，灵敏度分别达到1.6、0.58、1.2mol/L。Chaneam等将C4D方法应用到水质分析中，对自来水、河水以及海水的样品进行了测量，可以同时获取盐度、碳酸盐和氨态氮3个参数。由于C4D方法具有复杂的频率响应特性，需要根据待检对象进行特定的设计和优化，这阻碍了C4D方法在水肥系统中的应用。

本研究面向水肥系统配比后的水肥溶液与浇灌尾水的现场快速检测需求，提出一种结合了毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE）技术和C4D技术的养分离子检测装置。为了获得K、NO、NH、PO4种离子的最佳检测效果，该装置在电路设计上引入了锁相放大技术，针对待测养分离子的种类进行工作参数的优化，设计了专用的缓冲液配方。使用4种养分离子的标准溶液测试了装置的检测限，进一步地，在安装水肥系统的草莓盆栽种植温室中进行了现场测试，以验证装置的现场使用性能。

1 检测原理与装置设计

1.1 装置工作原理

为实现水肥溶液和浇灌尾水等样品中养分离子的快速分离和精准检测，装置将C4D技术和毛细管电泳（CE）技术相结合。工作流程如图1所示，首先将待测样品中的离子以电进样的方式注入充满缓冲溶液的毛细管通道中，并在其两端施加高压。不同的养分离子在电泳和电渗的共同作用下，朝着毛细管末端的C4D检测器方向移动，由于迁移速率的不同，会逐步分离成不同的离子集团，到达C4D检测器的时间也不同，以此区分不同养分离子，C4D检测器输出的信号强度反应离子浓度。上位机通过数据采集卡实时记录检测器输出的C4D信号（图 2），会在不同的时间获得离子的C4D信号响应峰，根据对应的峰面积可以快速分析计算出各种养分离子的含量。

图1 养分离子快检装置的工作流程 Fig.1 Operation process of the rapid detection device of nutrient ion

图2 C4D信号曲线 Fig.2 C4D (Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection) signal curve

本文提出的装置配置了一根毛细管进行电泳分离检测，水肥溶液和浇灌尾水等样品中的阳离子可以在同一种缓冲溶液中由正高压驱动进行分离检测。检测完所有样品的阳离子后，重新在毛线管内注入阴离子缓冲溶液，并将正高压驱动切换为负高压驱动，实现阴离子的检测。

1.2 C4D检测原理

与毛细管耦合的C4D检测器示意图如图3所示。

图3 C4D检测器示意图 Fig.3 Schematic diagram of C4D detector

C4D检测器由贴合在毛细管表面的两个管状环形电极以及连接电极上的激励电路和接收电路组成。两个电极之间的部分为检测池，由毛细管壁和其内部的溶液组成，其等效电路如图4所示。

图4 检测池等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of detection cell

通过在电极之间增加屏蔽层和优化激励电路的工作频率，可以忽略由C产生的影响，此时检测池的阻抗可以表示为

式中为检测池的阻抗，Ω；为检测器的工作频率，Hz；为检测池内溶液的电导，S；C为由电极和溶液之间毛细管壁形成的耦合电容，F，j为虚数单位。

如图3所示，在激励电极上施加频率为的正弦激励电压时，接收电极会输出反馈电流。随着频率的提高，由C产生的容抗趋向于0，此时检测池的阻抗仅取决于溶液电导。反馈电流与激励电压的关系为

式中I表示反馈电流，A；表示激励电压，V。已知溶液电导是离子浓度的函数。因此，可以通过对I的测量来实现对养分离子含量的检测。

1.3 检测电路的设计与优化

检测器的激励电路用于产生激励电压，它有两个重要参数：输出幅值V和工作频率。

输出幅值V直接作用于反馈电流I的幅度，由文献[30]可知，增加V大小可以显著提高检测器的输出信噪比。然而受运算放大器输出性能和内部电源轨等原因限制，常规信号发生模块的V最高只能达到10 V。传统的方法是外接高压放大器，进行信号的二次放大。此类方案虽然具有较高输出稳定度，但是由于设备内部包含高压线性器件和大功率散热片，导致成本高昂、体积大，不便于现场使用。因此制作一个变比为1∶20，工作频率为10～1 000 kHz的升压变压器来实现V 的放大。虽然变压器的引入会大比例降低激励电路的额定输出电流，但是在C4D的实际应用中，检测池作为激励电路的负载，具有很高的交流阻抗，输出电流会始终保持在纳安（nA）以下。这里通过合理设计升压变压器的工作频率范围，还可以对激励信号中的高次谐波起到滤波的效果，从源头上削弱系统噪声的强度，提高检测器的灵敏度。

工作频率是C4D检测器最核心的参数，由式（1）可知，提高工作频率可以增加反馈电流I与溶液电导之间的线性度，检测器的线性区工作区间会随之变大。但是随着频率的提高，接收电路因受放大器增益带宽的限制，导致器件选型和电路设计受到严重制约。当工作频率超过一定范围时，杂散电容C对电导检测所产生的干扰将变得不可忽略，如图4所示，C所在的支路随着频率升高，容抗的相应减小，成为反馈电流的主要通路，这将严重影响检测器的准确性。

为获取C4D检测器的最优工作参数，需要针对K、NO、NH、PO的检测条件，通过编写测试代码，进行全工作频率和全输出幅度范围内的输出扫描测试，再结合采集电路的动态输入范围进行合理选择。

当激励电压加载在激励电极上时，接收电极会输出一个流过检测池的反馈电流I。由于I信号微弱，且为交流电流信号，需要C4D检测器的接收电路经过多级信号转换放大，才可以被上位机通过数据采集卡进行有效的数据采集分析。

本文设计的接收电路如图5所示，为了保证复杂电磁背景下的现场检测效果，使用了锁相放大技术。P1口作为接收电路的待测信号输入端，通过同轴电缆连接接收电极。运算放大器U1、电阻R1、电容C1构成跨阻型电流前置放大电路，将反馈电流I放大并转化成交流电压信号U。为了减小偏置电流和电阻热噪声带来干扰，同时保证放大电路具有足够的工作带宽，U1选择具有高输入阻抗的FET型运算放大器OPA657。C1用于相位补偿，保证了放大器反馈环路的稳定性。精密运放U3、电阻R2、R3、R4、电容C4、C5组成巴特沃斯低通滤波器，它和调制器U2一起构成锁相放大电路。激励电路给出的矩形波参考信号U输入P2口，U同正弦激励信号的具有相同频率f。当U和U通过耦合电容C2和C3分别输入具有乘法器功能的调制器U2时，U中的各种信号分量中，只有跟U频率相同的分量可以被转化成直流电压U，进而通过低通滤波器。其它频率的分量被转化成频率不为零的交流信号，绝大部分无法通过低通滤波器，从而实现噪声信号的过滤。P3口输出最终的C4D信号，通过连接数据采集卡，在上位机进行记录分析。相对常用的峰值检波方案，锁相放大技术的引入可以使检测器输出基线噪声的峰峰值由1 mV下降到0.08 mV，配合上位机分析软件，可以有效地识别和分析峰高在1 mV以上的C4D信号响应峰。

图5 检测器的接收电路原理图 Fig.5 Schematic diagram of receiving circuit for detector

1.4 高压系统的设计

高压系统主要实现毛细管电泳和样品进样两个功能，采用模块化的设计方法，由升压模块、控制模块和输出模块构成，以保证装置对多种养分离子的准确进样和高效分离，同时兼顾现场使用的便携性和安全性。

高压系统的结构图如图6所示，升压模块内部包含由的MOS管、高频变压器、二极管和高压瓷片电容等模拟器件组成的倍压整流电路，可以实现几百倍的电压放大。整体被隔离在金属外壳中，外壳进行了接地处理，可以有效地抑制由高频开关导致的电磁噪声。同时内部还加入了基于占空比控制的增益调节电路和输出电压、电流采样电路，并将对应的电路接口以端子的方式引出。控制模块由控制器、触摸屏和外围接口组成，是整个系统的核心。控制器通过编程，可以根据用户在触摸屏上的设置，对升压模块的增益进行给定，同时对其实际输出的电压、电流值进行反馈监测，通过PID（Proportion Integral Differential）算法实时修正给定值，保证高压系统的输出稳定度和负载调整率。在高压系统的输出端设计了输出模块，其内部集成由干簧继电器组成的高压开关阵列，在控制器的操控下，可以实现正负电压的自动切换、高精度的定时输出。输出模块还包含硬件过流和漏电保护电路，防止由设备受潮和人员误操作所带来的触电风险。开关电源用于各模块的供电，高压端子则用于连接毛细管的两端。

图6 高压系统结构图 Fig.6 Structure diagram of high voltage system

测试结果表明：该高压系统可以实现输出电压-15 kV到15 kV连续可调、小于0.05%的低输出纹波和毫秒级的输出定时精度。

1.5 装置搭建

本文提出养分离子快检装置整体结构如图7a所示，主要由高压系统、C4D检测器（包含耦合的毛细管通道）和上位机三个部分组成。使用触摸屏控制高压系统，谱图数据在上位机记录和分析。毛细管采用熔融石英毛细管，长度40 cm，内径50m，外壁涂覆聚酰亚胺薄层，增强韧性，在现场操作中不易被折断。高压系统通过铂金电极连接毛细管两端。C4D检测池位于毛细管上接近铂金电极地线的一端，距离毛细管出口为5 cm，对应的检测电路在安装板的背面，两者通过同轴电缆连接。C4D检测器的内部结构图如图7b所示，上半部分是拆开屏蔽外壳的检测池，可以看到使用铜箔在毛细管上绕制的检测电极，两个电极长度均为8 mm，间隔1.5 mm。下半部分是检测电路，其中信号发生器和高频变压器组成激励电路，前置放大电路连接锁相放大电路构成接收电路，线性电源为运算放大器提供超低纹波的正负电压。数据采集卡连接接收电路的输出端，采集的C4D信号通过以太网接口发送至上位机。

图7 养分离子快检装置 Fig.7 Rapid detection device of nutrient ion concentrations

2 试验设计与方案

2.1 仪器与试剂

使用仪器包括：MT10土壤含水率电导率传感器（大连哲勤科技有限公司）；AWL-100-M艾科浦超纯水系统（重庆颐洋企业发展有限公司），养分离子快检装置（本文提出）。

水溶肥：21-21-21型（山西奇星农药有限公司），13-6-40型（江苏剑牌农化股份有限公司）；超纯水；针头式过滤器（0.45m/25 mm）、150 mm定量滤纸（生工生物工程（上海）股份有限公司）。

三羟甲基氨基甲烷（Tris（hydroxymethyl）methyl aminomethane，Tris）、乙二胺四乙酸（Ethylene Diamine Tetraacetic Acid，EDTA）、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone，PVP）、硝酸钾、氢氧化钠（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；冰醋酸、氯化铵、硝酸钾、L-组氨酸（DL-histidine，His）、2-（N-吗啡啉）乙磺酸（2-（N-morpholino）ethanesulfonic acid，MES）（分析纯，国药集团）；10 mg/L的K、NO、NH、PO标准溶液（广电计量检测（合肥）有限公司），由标准溶液分别配制对应离子的标准系列溶液，浓度分别为1、2.5、5、10、15、20/L。

毛细管电泳缓冲溶液配制：先配制Buffer母液：分别称取3.03 g Tris和0.18 g EDTA，加入约40 mL超纯水，充分溶解后，再加入0.3 mL冰醋酸，充分溶解，用超纯水定容至50 mL容量瓶内；称取0.6 g PVP，用适量超纯水溶解后，转移至100 mL容量瓶中，再加入2 mL Buffer母液，然后用超纯水定容至刻度，配制完成阳离子缓冲溶液。称取0.465 g His 和0.426 g MES溶解后移到100 mL 容量瓶中定容，配制完成阴离子缓冲溶液。

水样采集与前处理：采集安徽省合肥市双凤开发区池塘水作为水肥配比用水，用定量滤纸进行过滤，滤液作为水肥系统试验的水。

2.2 离子检测分析步骤

清洗准备：每日首次使用前，用超纯水清洗毛细管两端及铂金电极等，再用待测离子对应的缓冲液清洗储液瓶和检测池3次，并向其中各加入适量的缓冲液。毛细管内部采用特制注射器清洗，若毛细管内有略微堵塞，则依次用氢氧化钠溶液、超纯水与缓冲液各清洗5 min，若无堵塞无需使用氢氧化钠溶液清洗。冲洗完毕后，将毛细管的两端完全浸没在检测池和储液瓶中的缓冲液中，且尽量保持两端在同一水平上。

基线采集：启动高压电源，使用数据采集软件记录采集的数据，5 min后停止采集，并关闭高压电源。若基线稳定，后续连续测试中不需要再进行清洗和基线采集步骤。准备进样；若基线不稳定则需排除原因，再进行基线测试；基线中出现杂质峰后需再次清洗后进行基线测试。

电进样模式：取下储液瓶，将样品架上待测样品溶液移入毛细管进样口位置。设置进样电压+10 kV，时间为5 s。启动仪器电进样程序，待电压值重新归零后，将样品架移出，重新装上储液瓶，并保证电极与毛细管末端浸入运行液中。

样品测试模式：钾离子和铵根离子检测时，设置电泳电压+14.5 kV；硝酸根和磷酸根离子检测时，设置电泳电压为-14 kV。样品体积为2 mL，样品测试时间为5 min以内，样品测试完成后向样品中加入对应标准溶液的体积为0.05 mL，再进行测试，单个指标总检测时间低于10 min。测试同步启动仪器触摸屏上的电泳程序，自动触发上位机开始记录采集的数据。

2.3 试验方案

1）C4D检测器的工作参数调试：首先进行C4D检测器的最优工作参数测试，针对检测过程中阳离子（K、NH）、阴离子（NO、PO）分别使用的缓冲体系，扫描测试C4D检测器在不同幅值V和工作频率下的输出V，根据输出结果，选取最优V和后续的试验都在此参数下进行。

2）装置检测灵敏度验证：使用的4种离子（K、NH、NO、PO）的标准溶液进行养分离子快检装置的测试分析，4种离子的检测时间均在5 min内。每个标准样品在每种浓度下分别进行4次重复测试，测得每种离子的C4D信号响应峰面积，以4次测试结果的平均值与对应浓度进行标准曲线拟合。若4种离子拟合曲线为线性，则本文所研制的装备对4种离子的检测限可以使用公式（3）计算：

式中LOD（Limit of Detection）为检测限，g/L；SD为低浓度试样响应的标准偏差，g/L；为线性拟合曲线的斜率。

3）装置对复合水溶肥的检测性能试验：选择市面常见的21-21-21型和13-6-40型两种水溶肥，考虑到水肥系统中肥料配比一般采用当地自然水体，选择了和后续现场试验同样的当地自然水体来配比水肥溶液。配比比例按照复合肥说明书推荐的肥水1∶1 000的质量比。采用本文研制的养分离子快检装置对自然水体和配制的水肥溶液中的4种离子含量进行测试，每个指标测试3次，并计算标准偏差（Standard Deviation，SD）和相对标准偏差（Relative Standard Deviation，RSD）。

4）现场试验：为了验证养分离子快检装置的实用性，在安装水肥系统的草莓种植温室中进行现场试验，如图8所示。现场测试环境中的草莓以盆栽方式种植，将21-21-21型水溶肥按照1∶1 000的质量比配制成水肥溶液，配比后的水肥溶液由水肥机经过各行排列的草莓种植架上的滴灌带滴入。尾水由塑料盆底部汇流至浇灌尾水管排出，每隔24 h收集一次浇灌后的尾水过滤后约10 mL作为待测样品。在盆栽土中放置含水率和电导率传感器，每15 min采集一次数据，用以监测试验中的土壤水和盐的信息。

图8 试验装置及现场测试环境 Fig.8 Experiment device and its on-site testing environment

3 结果与分析

3.1 C4D检测器的最优工作参数

C4D检测器的最优工作参数的测试结果如图9所示，频率范围为10～1 000 kHz，记录点间隔10 kHz，不同线型的曲线对应不同V值。

图9 最优工作参数的测试结果 Fig.9 Test results of optimal operating parameters

测试结果表明：检测器输出曲线在470～520 kHz区间内达到峰值。考虑到数据采集卡的最大输入范围为0～2 000 mV，同时还要为电导检测预留200 mV以上的输出变化裕量，选择检测器的工作频率为490 kHz，同时针对阳离子（K、NH），V设置为75 V，针对阴离子（NO、PO），V设置为60 V，此时可以获取最佳的检测信号输出。

3.2 四种离子的检测限

4种离子（K、NH、NO、PO）标准溶液的C4D信号响应峰面积的4次测试结果平均值与对应浓度进行标准曲线拟合，如图10所示。4种离子的拟合系数R均在0.99以上，其中K的R达到了0.998 9。

图10 K+、NH4+、NO3-、PO43-四种离子的C4D信号响应峰面积与浓度关系的拟合标准曲线 Fig.10 Fitting curves of the relationship between the C4D signal peak area and concentration of K+、NH4+、NO3-、PO43-

由测试结果得知，K、NH、NO、PO在低浓度1g/L进行检测的标准偏差SD分别为223.07、817.46、699.63、6 902.46，可以计算出装置对四种离子K、NH、NO、PO的检测限依次为0.429、0.455、0.463、0.432g/L。试验中，实际测试的样品最低浓度均为1g/L，因此，对K、NH、NO、PO的检测限应定为1g/L。上述结果表明，本文研制的装置可以实现高灵敏度的定量检测，为满足水肥的精准检测需求做好了装置储备。

3.3 两种复合水溶肥的离子浓度测试分析

采用本文提出的快检装置对自然水体中的测试结果：K浓度为2.49 mg/L、NH浓度为0.98 mg/L、NO浓度为1.06 mg/L、PO浓度为1.09 mg/L，各离子浓度较低，但均能检出。

采用快检装置分别对两种复合水溶肥配比后的水溶肥料进行K、NH、NO、PO四个离子指标的测试结果展示在表1。由表1可知，其最小相对标准偏差RSD为1.75%，最大RSD为5.92%，表示装置在测试水肥溶液时具有较高的稳定性。其中13-6-40型水溶肥中K含量和PO含量显著高于21-21-21型水溶肥；两种肥料的无机氮形态均是NO高于NH。测试结果表明，本文研制的装置可以直接精准检测配比后的水肥溶液中K、NH、NO、PO四种离子的浓度，可以在配肥前向施肥决策者提供不同种类水肥溶液中的各离子浓度数据，为其决策提供数据基础。

表1 两种水溶肥与自然水体按照1∶1 000稀释后的溶液中各离子浓度 Table 1 The ion concentration of the two water-soluble fertilizers diluted 1∶1 000 in natural water

3.4 尾水样品含量连续分析

土壤含水率和土壤电导率的数据展示在图11中。在滴灌试验开始的500 min内，土壤电导率和含水率变化较小，该过程应该是滴灌的水肥溶液逐渐在土壤中渗透至土壤传感器附近。从500 min开始数值显著增高，在随后的2 500 min内逐渐升高至饱和值。

图11 土壤含水率与电导率动态变化图 Fig.11 Dynamic changes of soil moisture and conductivity

每份尾水样品中，K、NH、NO、PO四种离子的浓度采用本文提出的装置分别检测3次，检测结果展示在表2中，所有尾水样品的四种离子均可直接检出，其中最小RSD为1.68%，最大RSD为6.96%。尾水样品中K浓度在连续三日内逐步提升，其他3种离子在第四日浓度也显著高于前三日。本文研制的装置可以在现场快速检测各生产环节中K、NH、NO、PO4种离子的浓度。