双极电极系统结合离子选择性电极在垂直农业中的创新应用：自控供给宏微量营养素

《Sensors & Diagnostics》：Applicability of a bipolar electrode arrangement involving ion-selective electrodes in vertical farming, with the self-controlled supply of macro- and microcomponents

本文创新性地将离子选择性电极（ISE）集成到自供能双极电极（BPE）系统中，提出了一种适用于垂直农业（如水培）的智能营养管理新策略。该系统不仅能通过库仑模式长期监测电解质（如K+、Cl?）浓度变化，还可利用自发电荷转移实现钾离子浓度的自校正，并通过化学刺激（如K+浓度）选择性调控微量元素（如Zn2+）的释放速率，为精准农业提供了无需外部电源的自动化解决方案。

　　

引言

垂直农业作为一种在垂直堆叠层中种植作物的高效农业模式，尤其依赖无土栽培技术（如水培）。然而，无土环境要求持续供应宏量元素（如钾、氯离子）和微量元素（如锌离子），亟需开发能够实时监测并自主调节营养浓度的系统。本研究提出将离子选择性电极（ISE）与双极电极（BPE）结合，构建自供能系统，实现营养液的长期监控与智能调控。

实验部分

研究采用聚吡咯（PPy）固态接触的钾离子选择性电极（K-ISE）和氯离子选择性电极（Cl-ISE），通过短路连接形成双极离子选择性电极系统（BISE）。电极性能通过电位法标定，K-ISE和Cl-ISE在KCl溶液中分别呈现正、负能斯特响应。电荷流动通过计时库仑法测量，系统设计如图1所示，包含电荷收集模式、离子释放控制及锌离子释放耦合检测模块。

结果与讨论

双极电极在长期浓度监测中的应用

BISE在恒定电解质浓度下呈现电荷与时间的线性关系（图3），斜率与KCl浓度对数呈正相关。通过连接电容器累积电荷，可量化长时间尺度内的浓度变化（如水分蒸发导致的浓度波动）。例如，0.1 M KCl溶液中，浓度偏离一个对数单位且持续10分钟时，电荷偏差达30%（图4）。该方法无需连续电位测量，仅需读取电容器终值电荷即可评估浓度变化。

BISE用于浓度异常的自校正

K-ISE与Cl-ISE的电位-浓度曲线交点（约0.01–0.1 M KCl）定义了系统稳态浓度（图2）。当实际浓度高于交点时，BISE通过还原K-ISE（结合K⁺）和氧化Cl-ISE（结合Cl^?）从溶液中移除KCl；浓度低于交点时则反向释放KCl，形成负反馈调节。通过调整固态接触材料（如用碳纳米管替代PPy），可将稳态浓度调至10^?4M。计算表明，在1 mL样品中，系统可提供约5 μM h^?1的离子通量，持续工作超20小时。

化学刺激调控锌离子释放

将Cl-ISE替换为锌丝构成K-ISE-Zn系统，其电荷流动速率与KCl浓度对数呈线性关系（斜率5×10^?4C dec^?1，图5）。荧光光谱验证了锌离子释放量（如0.1 M KCl中为3.7×10^?5M，图6），且释放速率可被K⁺选择性调控（NaCl中响应显著降低）。该系统在1 mL溶液中可持续释放锌离子（速率10–20 μM h^?1），与水培肥料所需浓度（约30 μM）匹配。

结论

双极电极系统整合离子选择性电极后，在垂直农业中展现出三重潜力：通过库仑监测实现电解质长期追踪、利用自发电荷转移实现离子浓度自校正，以及通过化学刺激可控释放微量元素。K-ISE-Zn系统证实了以钾离子浓度调控锌释放的选择性，为精准农业的自动化管理提供了新思路。