日前，河北工業大學研究員楊麗、美國賓州州立大學副教授程寰宇團隊發表在《先進材料》上的文章“Vanadium Oxide-Doped Laser-Induced Graphene Multi-Parameter Sensor to Decouple Soil Nitrogen Loss and Temperature”報道了一種能完全解耦氮損失和土壤溫度的高性能傳感器。該傳感器實現了室溫下對 NO2氣體的高性能檢測：超低檢測限（3*10-9）、高靈敏度（2.929％/ppm）、快速響應/恢復特性（217/650 秒）、良好的選擇性以及 16 天以上的穩定性。

“事倍功半”的傳統農業生產

中國人有云“人是鐵，飯是鋼”，所以滿足世界人口日益增長的糧食需求，也就成為了一直以來的“當務之急”。而為了提高糧食畝產量，人們向農業系統施用了大量氮肥，但卻一直是“事倍功半”，更有甚至，損失嚴重。

首先，我國糧食作物的氮肥利用率僅為 28～41%，損失主要表現在氨的揮發損失、硝態氮的浸出損失和氣體損失。初步統計，農業生產中高達 70% 的氮肥因硝化和反硝化作用流失。

其次，流失的氮肥還造成了嚴重的環境污染，如水體富營養化、地下水硝酸鹽污染、大量氮氧化合物（如 NO2、NO 等溫室氣體）排放及其過量排放所導致的光化學煙霧和酸雨。

再者，溫度這一土壤關鍵參數，也深深地影響著土壤物理、化學和微生物過程以及作物的生長。

VOX/LIG 傳感器應需而生

鑒于土壤及其成分參數與溫度息息相關，所以對溫度和肥料排放等參數的連續和實時監測也就變得尤為重要；同時，也就迫切需要開發一種多參數傳感器來監測氮氧化合物排放和土壤溫度，以提高資源利用率、最大限度地提高農業產量、減少環境危害。由此，能完全解耦氮損失和土壤溫度的高性能傳感器——VOX/LIG 傳感器應勢而生。

該傳感器的核心材料為氧化釩（VOX）摻雜的激光誘導石墨烯（LIG）泡沫，高度多孔。其中的氧化釩由激光燒蝕硫化釩（V5S8）摻雜的 Pluronic F127 共聚物-酚醛樹脂薄膜在大氣環境下一步合成。之所以選擇氧化釩摻雜，是因其作為過渡金屬氧化物，表現出優異的性能，氧化釩及其復合材料在物理吸附和與多種氣體（包括二氧化氮、氨氣、氫氣和甲烷等）的化學相互作用方面也表現出優異的性能；而摻雜金屬配合物的石墨烯則可以提高氣體吸附和檢測靈敏度。

VOX/LIG 傳感器的應用潛力和前景

VOX/LIG 傳感器除了進行土壤檢測之外，憑借其集成的無線監控系統還可用于監測施肥后氮氧化物的濃度，以及智能農業中促進植物生長的溫室土壤溫度；另外，還可以與數據處理和無線傳輸模塊結合，形成用于人類健康監測和精準農業的遠程環境監測系統。當人體周圍的局部環境中 NO2 超過安全閾值時，實時檢測系統會自動觸發紅燈并向智能手機發送警報。

“計劃將該系統投入應用，用于農業監測以及人體呼出氣檢測。”研究團隊介紹，對該系統的進一步研究將涉及檢測土壤濕度、檢測其他土壤有機揮發性氣體（VOCs）、通過檢測生物揮發性有機化合物和CO2 來反應土壤微生物的活動。