Thiết bị lab-on-a-chip di động cho phân tích dinh dưỡng đất tại chỗ

Springer Science and Business Media LLC - Tập 18 - Trang 152-168 - 2016
M. Smolka1, D. Puchberger-Enengl1,2, M. Bipoun2, A. Klasa3, M. Kiczkajlo3, W. Śmiechowski3, P. Sowiński4, C. Krutzler5, F. Keplinger1, M. J. Vellekoop2
1Institute of Sensor and Actuator Systems (ISAS), Vienna University of Technology, Vienna, Austria
2Institute for Microsensors, -Actuators and -Systems (IMSAS), MCB, University Bremen, Bremen, Germany
3Department of Agricultural Chemistry and Environmental Protection, Warmia and Mazury University in Olsztyn, Olsztyn, Poland
4Department of Soil Science and Land Reclamation, Warmia and Mazury University in Olsztyn, Olsztyn, Poland
5Austrian Center for Medical Innovation and Technology GmbH (ACMIT), Wiener Neustadt, Austria

Tóm tắt

Trong bài báo này, một cảm biến di động cho việc phân tích tại chỗ các mẫu chiết xuất từ đất được trình bày. Là một công cụ đa năng để quét nồng độ ion trong các mẫu chất lỏng, nó đặc biệt cho phép phân tích NO3, NH4, K và PO4. Cảm biến chủ yếu bao gồm một chip vi lỏng, trong đó các ion mẫu được tách ra trong một trường điện (điện di mao quản) và nồng độ các ion riêng lẻ được phát hiện bởi phép đo độ dẫn điện. Để điều chỉnh thiết bị phù hợp với điều kiện thực địa, hai mối quan tâm chính đã được giải quyết. Đầu tiên, vật liệu nano-xốp được sử dụng làm rào cản giữa bình chứa mẫu và kênh phân tích của chip vi lỏng. Điều này ngăn chặn hiện tượng rò rỉ do áp suất của mẫu vào chip do sự không đồng nằm ngang của thiết bị. Thứ hai, một phương pháp mới để tiêm mẫu vào chip đã được sử dụng. Phương pháp này giảm số lượng kết nối chất lỏng giữa chip và thiết bị hoạt động xuống còn ba thay vì bốn kết nối như thông thường. Hiệu suất của cảm biến đã được thử nghiệm trên các dung dịch đa ion với loạt chuẩn cho NO3, NH4, K và PO4. Đối với thử nghiệm tại chỗ đầu tiên, một quy trình chiết xuất dinh dưỡng từ đất nhanh chóng bằng nước đã được sử dụng. Dữ liệu từ cảm biến được so sánh với kết quả tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Tiềm năng của cảm biến cho việc phân tích dinh dưỡng đất được thảo luận cùng với các cải tiến cần thiết về hiệu suất cảm biến và quy trình chiết xuất dinh dưỡng.

Từ khóa

#Cảm biến di động #chip vi lỏng #phân tích dinh dưỡng đất #điện di mao quản #ion trong mẫu.

Tài liệu tham khảo

An, X., Li, M., Zheng, L., Liu, Y., & Sun, H. (2014). A portable soil nitrogen detector based on NIRS. Precision Agriculture, 15(1), 3–16. Artigas, J., Beltran, A., Jimenez, C., Baldi, A., Mas, R., Dominguez, C., et al. (2001). Application of ion sensitive field effect transistor based sensors to soil analysis. Computers and Electronics in Agriculture, 31, 281–293. Becker, H., Mühlberger, H., Hoffmann, W., Clemens, T., Klemm, R., Gärtner, C. (2008). Portable CE system with contactless conductivity detection in an injection molded polymer chip for on-site food analysis. Proceedings of SPIE 6886, Microfluidics, BioMEMS, and Medical Microsystems VI (pp. 68860C-1–68860C-7). Bellingham, USA: SPIE. Bharadwaj, R., & Santiago, J. G. (2005). Dynamics of field-amplified sample stacking. Journal of Fluid Mechanics, 543(1), 57–92. Bindraban, P. S., Stoorvogel, J. J., Jansen, D. M., Vlaming, J., & Groot, J. J. R. (2000). Land quality indicators for sustainable land management: proposed method for yield gap and soil nutrient balance. Agriculture, Ecosystems & Environment, 81(2), 103–112. Birrell, S., Hummel, J. (1997). Multi-sensor ISFET system for soil analysis. Proceedings of the First European Conference on Precision Agriculture (pp. 459–468). Oxford, UK: Bios Scientific Publishers. Birrell, S. J., & Hummel, J. W. (2001). Real-time multi-ISFET/FIA soil analysis system with automatic sample extraction. Computers and Electronics in Agriculture, 32(1), 45–67. Christy, C., Drummond, P., Lund, E. (2006). Precision agriculture applications of an on-the-go soil reflectance sensor. Proceedings of the Eighth International Conference on Precision Agriculture. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.500.9082&rep=rep1&type=pdf. Accessed 24 Jan 2016. Coltro, W. K. T., Lima, R. S., Segato, T. P., Carrilho, E., de Jesus, D. P., do Lago, C. L., et al. (2012). Capacitively coupled contactless conductivity detection on microfluidic systems—ten years of development. Analytical Methods, 4, 25–33. Ewing, A. G., Wallingford, R. A., & Olefirowicz, T. M. (1989). Capillary electrophoresis. Analytical Chemistry, 61(4), 292A–303A. Fercher, G., Haller, A., Smetana, W., & Vellekoop, M. J. (2010a). Ceramic capillary electrophoresis chip for the measurement of inorganic ions in water samples. Analyst, 135, 965–970. Fercher, G., Haller, A., Smetana, W., & Vellekoop, M. J. (2010b). End-to-end differential contactless conductivity sensor for microchip capillary electrophoresis. Analytical Chemistry, 82, 3270–3275. Fracassi da Silva, J. A., & do Lago, C. L. (1998). An oscillometric detector for capillary electrophoresis. Analytical Chemistry, 70, 4339–4343. Gärtner, C., Hoffmann, W., Demattio, H., Clemens, T., Klotz, M., Klemm, R., Becker, H. (2009). Portable integrated capillary-electrophoresis system using disposable polymer chips with capacitively coupled contactless conductivity detection for on-site analysis of foodstuff. Proceedings of SPIE 7315, Sensing for Agriculture and Food Quality and Safety (pp. 731505–731506). Bellingham, USA: SPIE. Guijt-van Duijn, R. M., Evenhuis, C. J., Macka, M., & Haddad, P. R. (2004). Conductivity detection for conventional and miniaturised capillary electrophoresis systems. Electrophoresis, 25(23–24), 4032–4057. Ho, C.-H., & Tsay, Y.-F. (2010). Nitrate, ammonium, and potassium sensing and signaling. Current Opinion in Plant Biology, 13(5), 604–610. Howald, M., Elsenbeer, H., Laczko, E., & Schlunegger, U. P. (1995). Capillary electrophoresis—a fast and universal tool in soil analysis. Journal of Analytical Sciences, Methods and Instrumentation, 2(4), 170–175. Karlinsey, J. M. (2012). Sample introduction techniques for microchip electrophoresis: a review. Analytica Chimica Acta, 725, 1–13. Kim, H.-J., Hummel, J. W., Sudduth, K. A., & Motavalli, P. P. (2007). Simultaneous analysis of soil macronutrients using ion-selective electrodes. Soil Science Society of America Journal, 71, 1867–1877. Kodaira, M., & Shibusawa, S. (2013). Using a mobile real-time soil visible-near infrared sensor for high resolution soil property mapping. Geoderma, 199, 64–79. Kubáň, P., & Hauser, P. C. (2009). Ten years of axial capacitively coupled contactless conductivity detection for CZE—a review. Electrophoresis, 30(1), 176–188. Kubán, P., Nguyen, H., Macka, M., Haddad, P., & Hauser, P. C. (2007). New fully portable instrument for the versatile determination of cations and anions by capillary electrophoresis with contactless conductivity detection. Electroanalysis, 19, 2059–2065. Kuhr, W. G. (1990). Capillary electrophoresis. Analytical Chemistry, 62(12), 403R–414R. Laugere, F., Guijt, R. M., Bastemeijer, J., van der Steen, G., Berthold, A., Baltussen, E., et al. (2003). On-chip contactless four-electrode conductivity detection for capillary electrophoresis devices. Analytical Chemistry, 75(2), 306–312. O’Flaherty, B. D., Barry, E. F., & Cholli, A. L. (2000). A rapid soil nutrient sensor device based on capillary zone electrophoresis. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 35, 189–201. Oreshkin, N. (1980). Extraction of mobile forms of phosphorus and potassium by the Egner–Riehm–Domingo method. Agrokhimiia, 8, 135–138. Puchberger-Enengl, D., Bipoun, M., Smolka, M., Krutzler, C., Keplinger, F., Vellekoop, M.J. (2013). Hydrogel plug for independent sample and buffer handling in continuous microchip capillary electrophoresis. Proceedings of SPIE, Smart Sensors, Actuators, and MEMS VI (pp. 87631B–87631B-6). Bellingham, USA: SPIE. Roberts, D. C., Brorsen, B. W., Solie, J. B., & Raun, W. R. (2013). Is data needed from every field to determine in-season precision nitrogen recommendations in winter wheat? Precision Agriculture, 14, 245–269. Roth, G. W., Beegle, D. B., Fox, R. H., Toth, J. D., & Piekielek, W. P. (1991). Development of a quicktest kit method to measure soil nitrate. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 22, 191–200. Schirrmann, M., Gebbers, R., & Kramer, E. (2013). Performance of automated near-infrared reflectance spectrometry for continuous in situ mapping of soil fertility at field scale. Vadose Zone Journal, 12(4), 1–10. Scholefield, D., & Titchen, N. (1995). Development of a rapid field test for soil mineral nitrogen and its application to grazed grassland. Soil Use and Management, 11, 33–43. Shaw, R., Williams, A., Miller, A., & Jones, D. (2013). Assessing the potential for ion selective electrodes and dual wavelength UV spectroscopy as a rapid on-farm measurement of soil nitrate concentration. Agriculture, 3, 327–341. Shi, T., Cui, L., Wang, J., Fei, T., Chen, Y., & Wu, G. (2012). Comparison of multivariate methods for estimating soil total nitrogen with visible/near-infrared spectroscopy. Plant and Soil, 366(November), 363–375. Shibusawa, S. (2003). On-line real time soil sensor. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 2003 (vol. 2, pp. 1061-1066). New York, USA: IEEE. Sibley, K.J., Brewster, G.R., Astatkie, T., Adsett, J.F., Struik, P.C. (2010). In-field measurement of soil nitrate using an ion-selective electrode. Advances in Measurement Systems, InTech Open (pp. 1–27). http://cdn.intechweb.org/pdfs/9958.pdf. Accessed 24 Jan 2016. Smolka, M., Puchberger-Enengl, D., Bipoun, M., Fercher, G., Klasa, A., Krutzler, C., et al. (2013). A new injection method for soil nutrient analysis in capillary electrophoresis. Proceedings of SPIE 8763, Smart Sensors, Actuators, and MEMS VI (pp. 87631C-1–87631C-7). Bellingham, USA: SPIE. Swinney, K., & Bornhop, D. J. (2000). Detection in capillary electrophoresis. Electrophoresis, 21(7), 1239–1250. Tanyanyiwa, J., & Hauser, P. C. (2002). High-voltage capacitively coupled contactless conductivity detection for microchip capillary electrophoresis. Analytical Chemistry, 74(24), 6378–6382. Vandaveer, W. R., Pasas-Farmer, S., Fischer, D. J., Frankenfeld, C. N., & Lunte, S. M. (2004). Recent developments in electrochemical detection for microchip capillary electrophoresis. Electrophoresis, 25, 21–22. Viscarra Rossel, R. A., & Behrens, T. (2010). Using data mining to model and interpret soil diffuse reflectance spectra. Geoderma, 158(1–2), 46–54. Viscarra Rossel, R. A., Walvoort, D. J. J., Mc Bratney, A. B., Janik, L. J., & Skjemstad, J. O. (2006). Visible, near infrared, mid infrared or combined diffuse reflectance spectroscopy for simultaneous assessment of various soil properties. Geoderma, 131, 59–75. Vohland, M., Ludwig, M., Thiele-Bruhn, S., & Ludwig, B. (2014). Determination of soil properties with visible to near- and mid-infrared spectroscopy: effects of spectral variable selection. Geoderma, 223–225(November), 88–96. Wetselaar, R., Smith, G. D., & Angus, J. F. (1998). Field measurement of soil nitrate concentrations. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 29, 729–739. Zemann, A. J., Schnell, E., Volgger, D., & Bonn, G. K. (1998). Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis. Analytical Chemistry, 70, 563–567.