CN112816534B - 一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法，该传感器包括：微针阵列电极，其用于固定于植物上，并检测植物活性小分子浓度；土壤环境传感电极，其用于位于土壤内，并检测土壤参数；柔性衬底，其一侧固定所述微针阵列电极，另一侧固定所述土壤环境传感电极，并且所述微针阵列电极和土壤环境传感电极呈对角设置；多个信号传导电路，其用于输出检测结果，并且所述信号传导电路包括与所述微针阵列电极连接的第一信号传导电路和与所述土壤环境传感电极连接的第二信号传导电路。本发明可以实现土壤微环境参数和植物根部活性氧水平同步持续监测的目的。

Description

一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法

技术领域

本发明属于植物传感器领域，尤其涉及一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法。

背景技术

植物根系由于在土壤等介质中，根-土系统隐蔽，与植物地上部分相比，观察监测难度大大增加。例如，针对土壤湿度/含水量的检测，传统的根系土壤水分测量采用水分测量仪，测定需要采样烘干校正等破坏式测定，难以对植物根系环境进行实时检测。又如现有的根系pH测量仪器，以非破坏的方式进行检测，核心传感器件为微电极、电子探针等，而这些传感器件极易受到根际微生物的干扰，而这些微生物一旦在传感器件敏感表面富集，将污染传感元件，导致其失效。同样的，目前植物根系离子实时测量系统，其核心主要为基于直接电化学传感原理的微电极形态的传感器，其具有响应迅速、选择性好、设备简单与易操作、可实时动态检测、可在线活体测量等优点，受到广泛研究。但大部分的研究集中在构建比表面积大的纳米结构、合成新的催化材料或进行线下检测，而忽略了植物根系在土壤环境下受高湿度、根际微生物等因素的影响，因此现有植物根系传感器件进行长期监测的测量精度难以得到保障。综上所述，现有植物根系传感器件难以在复杂的根系土壤环境中实现长期稳定的检测监控。

另一方面，活性氧(ROS)是一类含有氧的化学反应基团，如羟自由基、超氧化物和过氧化物。在植物应答环境压力中，ROS水平通常急剧升高，引起脂质过氧化和其他反应而导致对细胞结构造成相当大的损害。因此ROS水平的升高被认为是植物受胁迫的典型指标。此外，ROS是由特定酶催化产生，如NADPH氧化酶(呼吸突发氧化酶同源物，RBOHs)，并作为信号分子参与植物的生长发育过程(例如，Singh et al.2016)。由不同的生物和非生物刺激所引起的ROS水平变化在植物细胞信号传导中起着重要作用。植物促生根际细菌可以影响抗氧化系统的酶，并减少微生物病原体的感染(例如，Garcia-Cristobal et al.2015)。在时空动力学上，RBOHs产生的ROS在植物免疫中起着至关重要的作用。虽然现有出现了大量基于微纳传感器件的动植物ROS传感器，基于微针阵列电极的ROS传感器因其微创、原位检测、高效透皮等特点，被认为是极具应用潜力的新型植物传感器形态，但是该传感器仍是以单一功能的ROS传感器为主。

总体而言，植物根际土壤微区环境复杂，其中微生物分布密集，并且存在温度、水分、pH、无机离子水平的不断变化，作为复杂的多相系统，其微环境状态会直接影响植物根系对水分、有机质等营养物质的有效摄取、运输等，其与植物的生长发育紧密相关。研究植物根际土壤微区环境状态，对关键性环境因素如湿度、pH等进行准确检测意义重大。而根系土壤环境随植物生长代谢会处于动态变化中，水分、pH等众多方面影响着根际环境，其变化机制较为复杂。例如，在胁迫条件特别是土壤环境特定营养物质的缺乏，极易影响根系物质分泌，引发根际pH波动变化。不仅如此，根系分泌物种类繁多，根系周围富集大量微生物如真菌、细菌、放线菌等。因此，对根系土壤环境生态特征的监控，不仅可即时反馈根系生态特征，也有助于进一步了解植物根系生态学，揭示土壤结构与植物生长的深层互作机制。同时，植物促生根际细菌可以生成影响抗氧化系统的酶，并减少微生物病原体的感染，因此对植物根系活性氧水平的监测能够直接地反映植物受促生根际细菌影响的水平。然而现阶段无论是商用传感器，抑或是实验室报道的植物根部传感技术，均罕有涉及同时测量植物根部内外两种环境下的相关生物参数的传感技术，使得现有的技术无法满足要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种检测植物根系和土壤参数的传感器及制备方法，可以实现土壤微环境参数和植物根部活性氧水平同步持续监测的目的。

第一方面，本发明提供一种检测植物根系和土壤参数的传感器，包括：

微针阵列电极，其用于固定于植物上，并检测植物活性小分子浓度；

土壤环境传感电极，其用于位于土壤内，并检测土壤参数；

柔性衬底，其一侧固定所述微针阵列电极，另一侧固定所述土壤环境传感电极，并且所述微针阵列电极和土壤环境传感电极呈对角设置；

多个信号传导电路，其用于输出检测结果，并且所述信号传导电路包括与所述微针阵列电极连接的第一信号传导电路和与所述土壤环境传感电极连接的第二信号传导电路。

其中，所述微针阵列电极为片状结构，并且其包括构成电化学三电极传感体系的工作电极、对电极和参比电极。

其中，所述土壤环境传感电极包括湿度传感电极、pH传感电极和离子传感电极，所述pH传感电极和离子传感电极均包括共用的共用对电极和共用参比电极。

第二方面，本发明还提供一种制备上述传感器的方法，包括：

制备所述微针阵列电极；

制备所述土壤环境传感电极；

将所述微针阵列电极和土壤环境传感电极通过信号传导电路集成为检测电路，并将所述微针阵列电极封装于所述柔性衬底的一侧，将所述土壤环境传感电极封装于所述柔性衬底的另一侧。

其中，所述微针阵列电极包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极采用以下方法制备：

在微针阵列电极双面依次沉积过渡金属层和贵金属层；

将质量分数为0.5～1.5％的牛血清蛋白溶液与质量分数为0.25～0.75％的戊二醛溶液或L-赖氨酸溶液，按照体积比8：1～10：1混合，并加入相对上述混合溶液质量百分比为0.5～1.5％的超氧化物歧化酶；

将最后的混合溶液滴涂至已完成金属层沉积的微针阵列电极，得到工作电极；

在微针阵列电极双面沉积一定厚度的贵金属层，获得对电极；

将微针阵列电极浸入Ag/AgCl浆料并捞出干燥，获得参比电极。

其中，所述土壤环境传感电极包括湿度传感电极，所述湿度传感电极采用以下方法制备：

在一定厚度的聚酰亚胺薄膜上，沉积金属叉指电极，以得到湿度传感电极。

其中，所述土壤环境传感电极包括用于检测pH的pH传感电极，并且所述pH传感电极包括第一工作电极，所述pH传感电极的第一工作电极采用以下方法制备：

取金属片作为第一电极基片；

将40～60mg的聚苯胺溶解在10～30mL的二甲亚砜中，得到混合溶液；

取2～8μL混合溶液滴涂于第一电极基片，并与1～3mL盐酸同时放入真空室中反应形成聚苯胺翡翠盐；

待第一电极基片表面颜色变至橄榄绿时，得到pH传感电极的第一工作电极。

其中，所述土壤环境传感电极包括用于离子浓度的离子传感电极，并且所述离子传感电极包括第二工作电极，所述离子传感电极的第二工作电极采用以下方法制备：

取金属片作为第二电极基片；

将70～130mg的离子选择混合物溶解于300～700μL的有机化合物溶液中，得到离子选择性薄膜的混合溶液，其中，所述离子选择混合物包括质量百分比分别为0.2～2.5％的离子载体、0.3～0.6％的亲脂性大分子、60～70％的增塑剂和28～38％的聚合物材料；

取20～40μL混合溶液，滴涂于第二电极基片上形成离子选择性薄膜，干燥后得到离子传感电极的第二工作电极。

其中，所述土壤环境传感电极包括用于检测pH的pH传感电极和用于离子浓度的离子传感电极，并且所述pH传感电极和离子传感电极均包括共用的共用对电极和共用参比电极，所述共用对电极和共用参比电极，采用以下方法制备：

取金属片作为第三电极基片；

在第三电极基片两面依次沉积过渡金属和贵金属，获得共用对电极；

将第三电极基片浸入Ag/AgCl浆料并捞出干燥，获得共用参比电极。

其中，所述土壤环境传感电极上具有抗微生物污染涂层，其采用以下方法制备：

将湿度传感电极和共用对电极置于2-巯基乙醇内；

然后将湿度传感电极和共用对电极分别与聚二甲氧基硅氧烷反应；

待反应完毕后，得到经聚二甲氧基硅氧烷修饰的电极；

将第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极分别与聚二甲氧基硅氧烷反应；

待反应完毕后，得到经聚二甲氧基硅氧烷修饰的第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极。

与现有技术相比，本发明通过设置的微针阵列电极，可以使得传感器固定于植物上；并且由于柔性衬底的柔性特点，可以使得该传感器适应植物根、茎叶部位的形状。另外，设置的土壤环境传感电极可以检测植物根系周围土壤的环境参数，从而使得该传感器达到同时检测植物内活性小分子和土壤参数的目的。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据本发明实施例的一种检测植物根系和土壤参数的传感器的结构示意图；

图2是示出根据本发明某一实施例的传感器的立体结构示意图；

图3是示出根据本发明某一实施例的传感器的爆炸结构示意图；

图4是示出根据本发明某一实施例的传感器的立体结构示意图；

图5是示出根据本发明某一实施例的传感器的爆炸结构示意图；以及

图6是示出根据本发明实施例的一种检测植物根系和土壤参数的传感系统的示意图。

具体实施方式

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述…，但这些…不应限于这些术语。这些术语仅用来将…区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一…也可以被称为第二…，类似地，第二…也可以被称为第一…。

本发明设计、开发了一种能够同时反映土壤微环境参数和植物根部活性氧水平的传感器，可以同步、原位地了解并研究土壤微环境对植物直接的影响和相互作用。本发明的传感器用于土壤微环境监测的部分面向土壤，通过对传感器表面进行功能修饰，构建能够测量土壤湿度、pH和几种典型无机离子水平(Na+，K+，Ca2+，P5+等)的传感检测结构，同时本发明结合抗微生物干扰的涂层技术，使传感结构能抵御富集微生物的干扰，实现对土壤微区环境因素的长期稳定检测；本发明的传感器用于根部活性氧监测的部分面向植物根系，通过功能化修饰的微针阵列电极，透过植物根部表皮同根系组织直接接触，构建直接电化学测量ROS(活性氧)的传感结构。本发明将土壤环境监测和织物根系监测的两部分结构整合在同一传感器件上，实现土壤微环境参数和根部活性氧水平同步持续监测的目的。

下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。

实施例一

参见图1所示，本发明实施例提供一种检测植物根系和土壤参数的传感器10，包括：

微针阵列电极11，其用于固定于植物上，并检测植物活性小分子浓度；

土壤环境传感电极12，其用于位于土壤内，并检测土壤参数；

柔性衬底13，其一侧固定所述微针阵列电极11，另一侧固定所述土壤环境传感电极12，并且所述微针阵列电极11和土壤环境传感电极12呈对角设置；

多个信号传导电路14，其用于输出检测结果，并且所述信号传导电路14包括与所述微针阵列电极11连接的第一信号传导电路和与所述土壤环境传感电极12连接的第二信号传导电路。

其中，所述微针阵列电极为片状结构，并且其包括构成电化学三电极传感体系的工作电极、对电极和参比电极；所述土壤环境传感电极包括湿度传感电极、pH传感电极和离子传感电极，所述pH传感电极和离子传感电极均包括共用的共用对电极和共用参比电极。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施还可以包括以下内容：

本发明实施例还提供一种制备上述传感器10的方法，包括：

制备所述微针阵列电极11的工作电极、对电极和参比电极；

制备所述土壤环境传感电极12的湿度传感电极121、pH传感电极和离子传感电极；

将所述工作电极、对电极、参比电极、湿度传感电极121、pH传感电极和离子传感电极通过信号传导电路14集成为检测电路(如图1至图5所示)，并将所述工作电极、对电极和参比电极封装于所述柔性衬底13的一侧，将所述湿度传感电极121、pH传感电极和离子传感电极封装于所述柔性衬底13的另一侧。

本发明实施例将修饰、优化后的微针阵列电极11、土壤环境传感电极12进行集成，并采用柔性光固树脂进行封装，将微针阵列电极11封装于柔性衬底13一侧，将用于根系的土壤环境传感电极12封装于另一侧，连接各电极进行信号传递的信号传导电路14则直接封装于柔性衬底13内部再引出至于外部的接收装置连接。

实施例三

在上述实施例的基础上，本实施例还可以包括以下内容：

所述微针阵列电极11为片状结构，并且其包括构成电化学三电极传感体系的工作电极、对电极和参比电极。

所述微针阵列电极11采用以下方法制备：

利用激光微刻蚀技术对厚度在0.1-0.3mm范围的不锈钢薄板衬底进行微加工，得到平面(片状)金属微针阵列电极，优选地，所述微针阵列电极11的整体尺寸为5×5mm至8×8mm，每片微针阵列电极11具有10-15根微针，微针的长度为600-800μm，单根微针的宽度为100-300μm；

对微针阵列电极11进行表面功能化修饰可以获得用于电化学直接传感的工作电极、对电极和参比电极(如图3至图5所示)。

进一步，所述工作电极、对电极和参比电极分别采用以下方法制备：

在微针阵列电极双面依次沉积过渡金属层和贵金属层，优选的，过渡金属层为铬、钛或镍，贵金属层为铂、金或钯，另外，过渡金属层的作用在于和不锈钢及贵金属层具有较高的结合力。

将质量分数为0.5～1.5％的牛血清蛋白溶液与质量分数为0.25～0.75％的戊二醛溶液或L-赖氨酸溶液，按照体积比8：1～10：1混合，并加入相对上述混合溶液质量百分比为0.5～1.5％的超氧化物歧化酶，该超氧化物歧化酶为干粉；

将最后的混合溶液滴涂至已完成金属层沉积的微针阵列电极，得到工作电极；

在微针阵列电极双面沉积一定厚度的贵金属层(优选为金属铂层)，获得对电极，进一步地，贵金属层厚度为80～120nm；

将微针阵列电极浸入Ag/AgCl浆料并捞出干燥，获得参比电极。

本发明实施例通过在工作电极、对电极和参比电极上沉积很薄的贵金属，其所能达到的效果为：可以避免不锈钢的工作电极、对电极和参比电极长期使用导致出现腐蚀的情况。

在一个应用场景中，所述工作电极、对电极和参比电极可以采用以下方法制备：

本发明实施例采用射频磁控溅射工艺在微针阵列电极的双面依次沉积金属层铬和铂，沉积的厚度分别为10nm和30nm。随后将质量分数为1％的牛血清蛋白溶液与质量分数为0.5％的戊二醛或L-赖氨酸溶液，按照体积比9：1混合，再加入相对上述混合溶液质量百分比为1％的超氧化物歧化酶，待充分混合后，将其滴涂至已完成铬、铂沉积的金属微针阵列电机上，并在低温(4℃)干燥环境下静置一定时间(24小时)，以得到完成传感修饰的工作电极；

采用射频磁控溅射工艺在微针阵列电机双面沉积100nm厚度的金属铂层，获得对电极；

采用浸泡法，将金属微针阵列电极浸入商用Ag/AgCl浆料中30分钟，随后捞出并置于40℃的加热装置(烘箱)一定时间(12小时)，使浆料干燥并固定在微针阵列电极上，获得参比电极。

实施例四

在上述实施例的基础上，本实施例还可以包括以下内容：

所述土壤环境传感电极12包括用于检测湿度的湿度传感电极121、用于检测pH的pH传感电极和用于检测离子浓度的离子传感电极，所述pH传感电极包括第一工作电极122，所述离子传感电极包括第二工作电极123，并且pH传感电极和离子传感电极均包括共用的共用对电极124和共用参比电极125(如图1至图3所示)。

进一步，所述湿度传感电极121采用以下方法制备：

在一定厚度的聚酰亚胺薄膜上，沉积金属叉指电极(如图3和图5所示)，以得到湿度传感电极121，优选地，聚酰亚胺薄膜的厚度为50-200μm。

所述pH传感电极的第一工作电极122采用以下方法制备：

取金属片作为第一电极基片；

将40～60mg的聚苯胺溶解在10～30mL的二甲亚砜中，得到混合溶液；

第一电极基片首先滴涂2～8μL混合溶液，然后与1～3mL盐酸同时放入真空室中，反应形成聚苯胺翡翠盐，其中，第一电极基片和盐酸为不接触的放于真空室中，让挥发的盐酸与第一电极基片上的混合溶液反应，待第一电极基片表面颜色变至橄榄绿时，生成检测pH值的传感材料(聚苯胺翡翠盐)，得到pH传感电极的第一工作电极。

所述离子传感电极的第二工作电极123采用以下方法制备：

取金属片作为第二电极基片；

将70～130mg的离子选择混合物溶解于300～700μL的有机化合物溶液中，得到离子选择性薄膜的混合溶液，其中，所述离子选择混合物包括质量百分比分别为0.2～2.5％的离子载体、0.3～0.6％的亲脂性大分子、60～70％的增塑剂和28～38％的聚合物材料；

取20～40μL混合溶液，滴涂于第二电极基片上形成离子选择性薄膜，干燥后得到离子传感电极的第二工作电极。

在一个应用场景中，离子载体为缬氨霉素、钠离子载体X(Na ionophore X)或钙离子载体II(ETH-129)等，亲脂性大分子为四苯硼钠(NaTPB)或四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠(Na-TFPB)，增塑剂为癸二酸二辛酯(DOS)或邻硝基苯辛醚(O-NPOE)，聚合物材料为聚氯乙烯(PVC)，有机化合物溶液为环己酮或四氢呋喃。

所述共用对电极124和共用参比电极125，采用以下方法制备：

取金属片作为第三电极基片；

在第三电极基片两面依次沉积金属钛和金，获得共用对电极，优选地，金属钛的厚度为5～15nm，金的厚度为80～120nm；

将第三电极基片浸入Ag/AgCl浆料并捞出干燥，获得共用参比电极。

实施例五

在实施例四的基础上，本实施例可以包括以下内容：

湿度传感电极121可以采用以下方法制备：

在厚度50-200μm的聚酰亚胺薄膜上，采用射频磁控溅射工艺配合掩模版进行沉积金属叉指电极。沉积的金属依次为3nm厚度的钛、10nm厚度的镍和200nm厚度的金，沉积的叉指电极的线宽为100-150μm，间距为100-150μm，整体尺寸为10×10mm。

pH传感电极的第一工作电极122可以采用以下方法制备：

以316L不锈钢金属片作为第一电极基片；

将50mg的聚苯胺充分溶解在20mL的二甲亚砜中，得到均一性的深蓝色混合溶液，密封后于低温(4℃)保存；

在第一电极基片上滴涂5μL混合溶液，然后与2mL盐酸(6M)同时放入真空室干燥中5小时，第一电极基片表面成膜，其颜色变至橄榄绿，形成具有较高导电性的聚苯胺翡翠盐，即获得pH传感电极的第一工作电极。

离子传感电极可以根据需要检测需要选择对应的方法制备，在一个应用场景中，本发明实施例以检测钾离子的离子传感电极为例，该离子传感电极的第二工作电极123可以采用以下方法制备：

以316L不锈钢金属片作为第二电极基片；

配置钾离子(K+)选择性膜：将100mg的钾离子选择混合物充分溶解在350μL的环己酮中，得到钾离子选择性薄膜混合溶液，密封后于低温(4℃)保存，其中，钾离子选择混合物包括质量百分比分别为2％的缬氨霉素、0.5％的四苯硼钠、32.7％的聚氯乙烯和64.7％的癸二酸二辛酯；

随后取30μL该混合溶液，滴涂于第二电极上形成钾离子选择性薄膜，待干燥后得到离子传感电极的第二工作电极，从而可以通过该第二工作电极进行钾离子浓度测试。

在另一个应用场景中，以检测钠离子的离子传感电极为例，该离子传感电极的第二工作电极123可以采用以下方法制备：

以316L不锈钢金属片作为第二电极基片；

配置钠离子(Na+)选择性膜：将100mg的钠离子选择混合物充分溶解在660μL的四氢呋喃中，得到钠离子选择性薄膜混合溶液，密封后于低温(4℃)保存，其中，钠离子选择混合物包括质量百分比分别为1％的钠离子载体X、0.55％的四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、33％的聚氯乙烯和65.45％的癸二酸二辛酯；

随后取30μL该混合溶液，滴涂于第二电极上形成钠离子选择性薄膜，待干燥后得到离子传感电极的第二工作电极，从而可以通过该第二工作电极进行钠离子浓度测试。

还存在一个应用场景，以检测钙离子的离子传感电极为例，该离子传感电极的第二工作电极123可以采用以下方法制备：

以316L不锈钢金属片作为第二电极基片；

配置钙离子(Ca2+)选择性膜：将100mg的钙离子选择混合物充分溶解在500μL的四氢呋喃中，得到钙离子选择性薄膜混合溶液，密封后于低温(4℃)保存，其中，钙离子选择混合物包括质量百分比分别为0.46％的钙离子载体II、0.48％的四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠、66.04％的邻硝基苯辛醚和33.2％的聚氯乙烯；

随后取30μL该混合溶液，滴涂于第二电极上形成钠离子选择性薄膜，待干燥后得到离子传感电极的第二工作电极，从而可以通过该第二工作电极进行钠离子浓度测试。

pH传感电极和离子传感电极共用的共用对电极124和共用参比电极125，可以采用以下方法制备

以316L不锈钢金属片作为第三电极基片；

采用射频磁控溅射工艺，在第三电极基片两面依次沉积金属钛和金，沉积的厚度分别为10nm和100nm，获得共用对电极；

采用浸泡法制备参比电极，其体现于，将第三电极基片浸入商用Ag/AgCl浆料中一定时间(30分钟)，随后捞出并置于40℃的加热装置(烘箱)一定时间(12小时)，使浆料干燥并固定于第三电极基片上，获得共用参比电极。

实施例六

在上述实施例的基础上，本实施例可以包括以下内容：

所述土壤环境传感电极12上具有抗微生物污染涂层，其采用以下方法制备：

将湿度传感电极121和共用对电极124置于2-巯基乙醇内；

然后将湿度传感电极121和共用对电极124分别与聚二甲氧基硅氧烷反应；

待反应完毕后，得到经聚二甲氧基硅氧烷修饰的电极；

将第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极分别与聚二甲氧基硅氧烷反应；

待反应完毕后，得到经聚二甲氧基硅氧烷修饰的第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极。

在一个应用场景中，具有抗微生物污染涂层的土壤环境传感电极12可以采用以下制备：

将湿度传感电极和共用对电极与2-巯基乙醇在室温下共同浸泡一定时间(12小时)；

浸泡完成后，用乙醇洗涤多次(3次)，干燥，随后在120℃下将湿度传感电极和共用对电极分别与聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)反应一定时间(24小时)；

待反应完毕后，将湿度传感电极和共用对电极用甲苯洗涤多次(3次)，以去除过量的未反应聚二甲基硅氧烷(PDMS)，得到经聚二甲基硅氧烷成功修饰的电极；

将第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极，在120℃下分别与聚二甲氧基硅氧烷反应24小时；

待反应完毕后，将第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极用甲苯洗涤多次(3次)，以去除过量的未反应聚二甲基硅氧烷，得到经聚二甲基硅氧烷成功修饰的电极。

实施例七

在上述实施例的基础上，本实施例可以包括以下内容：

参见图6所示，本发明实施例还提供一种检测植物根系和土壤参数的传感系统20，包括：

上述的传感器10，其固定于植株根部，并且部分位于土壤中；

电化学工作站21，其通过信号传输线缆与所述传感器10连接，以实现植物ROS浓度以及周围土壤的参数信息进行采集和信号处理(包括滤波、放大、数模转换等)。

进一步地，电化学工作站21还可以包括PC端，通过将监测的信息传递至PC端，可以对所采集的传感信息进行分析和整理，从而实现植物根部组织ROS浓度和根部土壤环境参数的原位、连续监测。

本发明实施例将植物根系内部和外部环境的传感功能集成于同一个电化学传感器，其体现于：

电化学传感器适合开发为实现原位、实时、活体植物传的器件，但现有植物电化学类传感器多为单一功能，无法全面地反映植物根部各项生理指标。本发明实施例将根部组织ROS浓度、根部土壤湿度、pH值、离子浓度等多项指标的监测集成于同一传感器，且同时兼顾植物根系本身(内部)和周围土壤环境(外部)的生理指标监测，能够多角度地直接反映根部土壤环境对植物根部的影响，且便于开展原位、持续的监测。

本发明实施例的抗微生物污染涂层能够保障传感器长期监测的性能稳定性，其主要原因在于：

土壤环境中存在大量微生物，电化学类传感器在土壤环境下长时间连续工作，其传感电极极易受到微生物的干扰，如微生物的附着和生长，从而影响传感性能的稳定性。现有植物根部相关传感器或为单一时间点测量类型，或在传感电极抗微生物干扰、污染方面并无对应的处理。

本发明实施例微针阵列电极11和柔性衬底13的设计有利于原位持续监测，使其具有该特点的原因为：

本发明使用微针阵列电极11用于根部ROS测量，能够实现微创且高效的透皮传感，这样在实现在对根部组织直接传感的同时，能够最大限度降低对根部损伤，此外还可以通过微针阵列电极11将传感器固定在植物根部，避免植物根部生长等变化导致传感器无法持续监测同一位置。传感器整体的柔性封装，能够一定程度抵消土壤和根部各种应力作用，同样保障了长时间持续原位传感的稳定性，并且对于直根系植物，柔性的传感器能够更好地贴敷主根。而现有的根部传感器多以刚性探针的形式为主，在长时间监测的情况下，难以定位根部固定位置进行原位、持续地监测。

总体而言，本发明实施例所涉及的植物根部传感器，相较现有商用或研究所报道的施用于植物根部的传感器，可实现植物根部内外环境多生理参数原位、同步和持续监测，同时还具备抗微生物污染能力和整体柔性的特点，可实现持续且性能稳定的传感。实现这样的传感效果主要通过三方面的技术解决方案：多种传感电极(微针阵列电极11和土壤环境传感电极12)的集成，传感电极表面的抗微生物污染涂层，以及柔性的整体结构和微针阵列传感电极。本发明提供的传感器及其监测方案，能够为研究土壤微环境对植物的直接影响和相互作用提供技术策略，也能为精准农业技术的推广应用提供必须的传感技术基础。

实施例八

在上述实施例的基础上，本实施例可以包括以下内容：

本发明实施例中所涉微针阵列电极、pH传感电极和离子传感电极，其工作电极均通过功能化修饰获得检测一种特定标志物分子(如活性氧ROS、氢离子、钠离子、钾离子、钙离子等)的能力。工作电极与对应的对电极和参比电极，构成三电极传感器以电化学测量的方式工作，当微针阵列电极、pH传感电极或离子传感电极对应检测到植物根部皮下或土壤中特定标志物分子信号时，在其对应的工作电极和对电极上发生电化学反应产生的电流信号，沿对应的电极-信号传导电路-电化学工作站的回路传导至电化学工作站，由电化学工作站测量出电流的大小，再根据电流-浓度标准曲线换算出特定标志物分子的浓度值。

本发明实施例中所涉湿度传感电极，以叉指电极作为电极构型，叉指电极对间隙和表面的含水量的变化能够引起叉指电极阻抗值的显著变化，据此测量其所在环境湿度。叉指电极-信号传导电路-电化学工作站形成回路，由电化学工作站测量出回路的阻抗大小，再根据阻抗-湿度标准曲线换算出土壤环境的湿度值。

实施例九

在上述实施例的基础上，本实施例可以包括以下内容：

在一个实际应用场景中，选取开花期的大豆植株，在其主根上施加一片柔性根系该传感器，并用细导线(信号传导电路14)将各传感电极(微针阵列电极11和土壤环境传感电极12)连接至便携式多通道电化学工作站。每6小时采集一次电化学信号测定植株根部的ROS水平，以及植株根部周围的土壤湿度、pH值以及无机离子浓度，每次采集持续时间10分钟。连续采集2-3周，根据监测到的各项参数趋势评估大豆植株根部营养情况和微生物互作情况，并采取对应的水、肥等调控措施，再继续监测1-2周至结荚期。

以上介绍了本发明的较佳实施方式，旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种检测植物根系和土壤参数的传感器的制备方法，其特征在于，所述传感器包括：

微针阵列电极，其用于固定于植物上，并检测植物活性小分子浓度；

土壤环境传感电极，其用于位于土壤内，并检测土壤参数；

柔性衬底，其一侧固定所述微针阵列电极，另一侧固定所述土壤环境传感电极；

多个信号传导电路，其用于输出检测结果，并且所述信号传导电路包括与所述微针阵列电极连接的第一信号传导电路和与所述土壤环境传感电极连接的第二信号传导电路；

所述制备方法包括：

制备微针阵列电极；

制备土壤环境传感电极；

将所述微针阵列电极和土壤环境传感电极通过信号传导电路集成为检测电路，并将所述微针阵列电极封装于柔性衬底的一侧，将所述土壤环境传感电极封装于所述柔性衬底的另一侧；

其中，所述微针阵列电极包括工作电极、对电极和参比电极，利用激光微刻蚀技术对厚度在0.1-0.3mm范围的不锈钢薄板衬底进行微加工，得到平面片状金属微针阵列电极，微针的长度为600-800μm，单根微针的宽度为100-300μm；对微针阵列电极进行表面功能化修饰获得用于电化学直接传感的工作电极、对电极和参比电极；所述工作电极、对电极和参比电极采用以下方法制备：

在微针阵列电极双面依次沉积过渡金属层和贵金属层；

将质量分数为0.5~1.5%的牛血清蛋白溶液与质量分数为0.25~0.75%的戊二醛溶液或L-赖氨酸溶液，按照体积比8：1~10：1混合，形成混合溶液，并加入相对所述混合溶液质量百分比为0.5~1.5%的超氧化物歧化酶，该超氧化物歧化酶为干粉；

将最后的混合溶液滴涂至已完成金属层沉积的微针阵列电极，得到工作电极；

在微针阵列电极双面沉积一定厚度的贵金属层，获得对电极；

将微针阵列电极浸入Ag/AgCl浆料并捞出干燥，获得参比电极。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述土壤环境传感电极包括湿度传感电极，所述湿度传感电极采用以下方法制备：

在一定厚度的聚酰亚胺薄膜上，沉积金属叉指电极，以得到湿度传感电极。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述土壤环境传感电极包括用于检测pH的pH传感电极，并且所述pH传感电极包括第一工作电极，所述pH传感电极的第一工作电极采用以下方法制备：

取金属片作为第一电极基片；

将40~60 mg的聚苯胺溶解在10~30 mL的二甲亚砜中，得到混合溶液；

取2~8 μL混合溶液滴涂于第一电极基片，并与1~3 mL盐酸同时放入真空室中反应形成聚苯胺翡翠盐；

待第一电极基片表面颜色变至橄榄绿时，得到pH传感电极的第一工作电极。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述土壤环境传感电极包括用于离子浓度的离子传感电极，并且所述离子传感电极包括第二工作电极，所述离子传感电极的第二工作电极采用以下方法制备：

取金属片作为第二电极基片；

将70~130 mg的离子选择混合物溶解于300~700μL的有机化合物溶液中，得到离子选择性薄膜的混合溶液，其中，所述离子选择混合物包括质量百分比分别为0.2~2.5%的离子载体、0.3~0.6%的亲脂性大分子、60~70%的增塑剂和28~38%的聚合物材料；

取20~40 μL混合溶液，滴涂于第二电极基片上形成离子选择性薄膜，干燥后得到离子传感电极的第二工作电极。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述土壤环境传感电极包括用于检测pH的pH传感电极和用于离子浓度的离子传感电极，并且所述pH传感电极和离子传感电极均包括共用的共用对电极和共用参比电极，所述共用对电极和共用参比电极，采用以下方法制备：

取金属片作为第三电极基片；

在第三电极基片两面依次沉积过渡金属和贵金属，获得共用对电极；

将第三电极基片浸入Ag/AgCl浆料并捞出干燥，获得共用参比电极。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述土壤环境传感电极上具有抗微生物污染涂层，其采用以下方法制备：

将湿度传感电极和共用对电极置于2-巯基乙醇内；

然后将湿度传感电极和共用对电极分别与聚二甲氧基硅氧烷反应；

待反应完毕后，得到经聚二甲氧基硅氧烷修饰的电极；

将第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极分别与聚二甲氧基硅氧烷反应；

待反应完毕后，得到经聚二甲氧基硅氧烷修饰的第一工作电极、第二工作电极以及共用参比电极。

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