日前，河北工業(yè)大學(xué)研究員楊麗、美國(guó)賓州州立大學(xué)副教授程寰宇團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《先進(jìn)材料》上的文章“Vanadium Oxide-Doped Laser-Induced Graphene Multi-Parameter Sensor to Decouple Soil Nitrogen Loss and Temperature”報(bào)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(shí)現(xiàn)了室溫下對(duì) NO2氣體的高性能檢測(cè)：超低檢測(cè)限（3*10-9）、高靈敏度（2.929％/ppm）、快速響應(yīng)/恢復(fù)特性（217/650 秒）、良好的選擇性以及 16 天以上的穩(wěn)定性。

“事倍功半”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

中國(guó)人有云“人是鐵，飯是鋼”，所以滿足世界人口日益增長(zhǎng)的糧食需求，也就成為了一直以來的“當(dāng)務(wù)之急”。而為了提高糧食畝產(chǎn)量，人們向農(nóng)業(yè)系統(tǒng)施用了大量氮肥，但卻一直是“事倍功半”，更有甚至，損失嚴(yán)重。

首先，我國(guó)糧食作物的氮肥利用率僅為 28～41%，損失主要表現(xiàn)在氨的揮發(fā)損失、硝態(tài)氮的浸出損失和氣體損失。初步統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高達(dá) 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(yán)重的環(huán)境污染，如水體富營(yíng)養(yǎng)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(dǎo)致的光化學(xué)煙霧和酸雨。

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

VOX/LIG 傳感器應(yīng)需而生

鑒于土壤及其成分參數(shù)與溫度息息相關(guān)，所以對(duì)溫度和肥料排放等參數(shù)的連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也就變得尤為重要；同時(shí)，也就迫切需要開發(fā)一種多參數(shù)傳感器來監(jiān)測(cè)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(nóng)業(yè)產(chǎn)量、減少環(huán)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(yīng)勢(shì)而生。

該傳感器的核心材料為氧化釩（VOX）摻雜的激光誘導(dǎo)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(huán)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(xiàn)出優(yōu)異的性能，氧化釩及其復(fù)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(xué)相互作用方面也表現(xiàn)出優(yōu)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(cè)靈敏度。

VOX/LIG 傳感器的應(yīng)用潛力和前景

VOX/LIG 傳感器除了進(jìn)行土壤檢測(cè)之外，憑借其集成的無線監(jiān)控系統(tǒng)還可用于監(jiān)測(cè)施肥后氮氧化物的濃度，以及智能農(nóng)業(yè)中促進(jìn)植物生長(zhǎng)的溫室土壤溫度；另外，還可以與數(shù)據(jù)處理和無線傳輸模塊結(jié)合，形成用于人類健康監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)人體周圍的局部環(huán)境中 NO2 超過安全閾值時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)紅燈并向智能手機(jī)發(fā)送警報(bào)。

“計(jì)劃將該系統(tǒng)投入應(yīng)用，用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)以及人體呼出氣檢測(cè)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)介紹，對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)一步研究將涉及檢測(cè)土壤濕度、檢測(cè)其他土壤有機(jī)揮發(fā)性氣體（VOCs）、通過檢測(cè)生物揮發(fā)性有機(jī)化合物和CO2 來反應(yīng)土壤微生物的活動(dòng)。