固態離子選擇電極陣列試片製程及其應用於水耕栽培中營養離子感測之研究

Abstract

本研究主要針對多元素固態離子選擇電極陣列之製程進行探討，並致力於水耕養液中硝酸根(NO3-)、銨根(NH4+)、鉀(K+)、鈣(Ca2+)等巨量元素離子濃度變化之監測。此電極陣列以四元素離子選擇電極與一平面式Ag/AgCl參考電極組成；為減少成本及微小化製作，以網版印刷的方式將銀漿及碳膠依序覆蓋至聚對苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate, PET)上作為導電層與基版。然而，對於電位式感測器而言，參考電極的電位穩定性是不可或缺的條件，因此，本研究首先探討四種不同製程之固態式網印參考電極，分別針對有無薄膜及保存方式兩方面進行實驗，分析其性能並觀察其是否適用於本系統。然而缺少內溶液之固態式離子選擇電極會造成內部離子與電子之間的傳遞出現障礙，量測期間待測溶液中之水分子亦可能滲入至電極內部中，導致感測時電極發生電位訊號不穩定的情形，因此需要導入一層離子電子傳導層材料。因此，本研究針對三種導電高分子及無機材料進行探討，分別為聚(3,4-乙烯二氧基噻吩) (poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT)、聚苯胺 (polyaniline, PANI) 及石墨烯 (graphene)。首先對以各材料修飾與未修飾任何材料之電極進行電容、電阻及靈敏度等性能之分析，並使用電化學方法、接觸角量測儀測試電極之穩定性及親疏水性，比較其關聯性，另外，為觀察電極內部是否確實有水層產生，本研究使用共軛焦顯微鏡進行驗證。最後，將網印參考電極與以PEDOT修飾之四元素離子選擇電極整合成一試片(長25 mm，寬20 mm)，評估電極陣列之性能。實驗結果顯示，硝酸根離子選擇電極靈敏度為58.64 mV/decade (R2=0.9868)，鉀離子選擇電極靈敏度為59.27 mV/decade (R2=0.9985)，銨根離子選擇電極靈敏度為54.13 mV/decade (R2=0.9801)，鈣離子選擇電極靈敏度為31.13 mV/decade (R2=0.9981)。此外，為評估四元素離子選擇電極於養液當中之測試情形，本實驗針對植物工廠水耕萵苣養液之比例進行分析，並配置各目標元素於變化50 %、75 %、100 %、125 %及150 %之樣品，量測四元素試片於混合溶液並改變微量濃度之情況下各離子濃度變化情形。實驗結果顯示以四元素離子選擇電極試片所測試之濃度與樣品配置濃度理論值均呈現高度相關性，其中，硝酸根、鉀、銨根及鈣離子選擇電極所測試之濃度與樣品配置濃度理論值之相關係數R分別為0.9891、0.9942、0.9804及0.8904。