【摘 要】
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无机离子是农作物植株生长环境中的重要成分。在植株生长过程中,获得离子吸收动力学特征参数可以为作物品种选育、高效栽培提供动力学基础和理论依据。常规动力学特征参数的获取通常采用人工取样方式:先通过光谱法或色谱法对溶液中离子浓度进行离线测定,再根据离子耗竭法反演。其过程费时费力、效率低下。为此,本文研发一款基于离子选择电极法的离子吸收多参数检测系统:先通过二电极测量体系结合离子校正与测量模型获取水培液中
【基金项目】
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国家自然基金项目“基于液态离子选择微电极技术的农作物离子吸收动力学特征在线检测方法研究”（No.32001410）； 广东省重点领域研发项目“动植物体与环境物质交换传感器开发”（No.2019B020219003）；
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无机离子是农作物植株生长环境中的重要成分。在植株生长过程中,获得离子吸收动力学特征参数可以为作物品种选育、高效栽培提供动力学基础和理论依据。常规动力学特征参数的获取通常采用人工取样方式:先通过光谱法或色谱法对溶液中离子浓度进行离线测定,再根据离子耗竭法反演。其过程费时费力、效率低下。为此,本文研发一款基于离子选择电极法的离子吸收多参数检测系统:先通过二电极测量体系结合离子校正与测量模型获取水培液中的离子浓度;再采用递推最小二乘拟合离子耗竭曲线,并结合根系表面积反演离子吸收动力学特征参数。（1）基于离子选择电极法的二电极测量体系,推导电极电势响应与离子浓度间的能斯特关系。根据常规离子耗竭曲线的获取方式,采用递推最小二乘在线辨识离子耗竭模型系数,并通过Hofstee法和改进后的Michaelis-Menten方程反演出植株根系离子吸收时的各项动力学参数以及离子流速。（2）研究能斯特方程线性计量模型,利用校正手段抵抗电极在非理论条件下以及在连续检测过程中产生的电势漂移。为抑制多离子混合溶液对电极响应产生的非线性变化,采用多元线性回归与支持向量回归,通过小样本建模从数值上建立混合电极响应与离子浓度间的关系。最后经实验设计对比检验三种测量模型的评价指标。（3）离子吸收多参数检测系统以STM32微控制器为主控单元,采用离子选择微电极阵列,设计具有精密二电极体系接口的多路信号调理与采集电路;增加TDS与水温检测单元和ESP8266无线通讯模组;设计配合电极检测的根系水培观测箱,并搭建可见光成像装置。在STM32上完成下位机固件程序与硬件驱动的编写,并在Lab VIEW平台下基于操作者框架完成上位机的开发,实现了多传感器的信号采集、能斯特模型校正、根系表面积测量以及离子吸收多参数获取等功能。（4）系统硬件上完成了接口输入阻抗、测量相对误差以及稳定性测试,其输入阻抗接近1013（?）,测量精度基本在±0.5%以内,5小时重复测试的最大绝对差值小于1m V。离子浓度检测试验上完成了电极电势响应检验和电极斜率校正检验,四种电极检测下限范围在10-5～10-7mol/L,线性区相关系数为0.99,标定液校正后的能斯特斜率转换率分别在80%或90%以上。根系表面积测量结果与Win RHIZO软件作对比验证,相关系数R~2为0.97。最后对四种离子吸收时的多参数实验检测结果进行展示。
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