Измерение концентрации ионов в гидропонике с помощью электронных языков — Наука в гидропонике
Одной из самых больших проблем в гидропонных исследованиях является измерение уровня отдельных ионов в гидропонных растворах. В настоящее время нет коммерческого решения для точного отслеживания отдельных ионов в гидропонных растворах, и это делает невозможным отслеживание ионов в режиме реального времени для измерения того, как поглощение питательных веществ реагирует на различные условия окружающей среды и химические условия. В настоящее время единственный способ сделать это — провести более дорогостоящий и громоздкий анализ ICPE, который дает моментальный снимок состава решения во времени. Однако есть решение, которое может появиться в течение следующих нескольких лет, а именно использование электронных языков для измерения концентрации большого количества ионов в растворе.
–
–
Многие из вас могут подумать, а как насчет ионоселективных электродов (ИСЭ)? Эти электроды предназначены для измерения концентрации отдельных ионов в растворе и идеально подходят, когда вы пытаетесь измерить один ион на неизменном фоне. Проблема с ISE заключается в том, что они работают через взаимодействие ионов с молекулами, которые имеют особенно сильное взаимодействие с ними (что мы можем сделать с ионофором), но взаимодействие также может быть сильным с другими ионами, создавая помехи. Например, в электроде, селективном по отношению к ионам K+, обычно используется ионофор, такой как ванкомицин, но этот ионофор также сильно взаимодействует с ионами NH4+ (аммония). Поскольку концентрация аммония также меняется со временем в гидропонике, это означает, что ваши показания будут меняться не только в зависимости от того, как изменяется концентрация K+ в растворе, но и в зависимости от того, как изменяется концентрация NH4+.
На самом деле помехи создаются не одним ионом, а значительной долей ионов, присутствующих в гидропонном растворе. Это означает, что практически невозможно точно использовать ISE в гидропонике, потому что вы всегда будете получать изменяющиеся помехи от других ионов в растворе. В экспериментах, которые я проводил, пытаясь отслеживать питательные вещества с помощью ISE, эта проблема всегда была настолько серьезной, что результаты становились практически бесполезными, независимо от того, как вы калибруете электроды (поскольку концентрация мешающих ионов изменяется относительно иона, который вы хотите измерить). монитор).
–
–
Электронные языки — разумная идея, позволяющая обойти эти проблемы. Идея состоит в том, чтобы использовать множество ISE для разных ионов — много для одного и того же иона и много общих ионофоров с плохой селективностью — а затем использовать инструменты статистического моделирования — в основном нейронные сети — для поиска способов определения шума/сигнала. /интерференция и получать точные измерения концентрации ионов независимо от фактических показаний электродов. Нейронная сеть обучается на данных из растворов с различной концентрацией всех отслеживаемых ионов, что позволяет создать надежный механизм прогнозирования, который можно использовать для получения фактических концентраций ионов. Группа М. дель Валье в Барселоне проделала новаторскую работу в этой области, изображения в этом посте были взяты из некоторых их исследовательских работ по этому вопросу (например, этой и этой).
Благодаря этому исследованию они смогли создать массивы ISE, которые с помощью моделей нейронной сети могут измерять в режиме реального времени концентрации нитратов, хлоридов, натрия, калия, аммония, кальция, магния и фосфатов. Это означает, что вы можете эффективно отслеживать, как растения поглощают различные ионы, не только позволяя вам проводить эксперименты, связанные с поглощением питательных веществ, но также позволяя вам знать, какие ионы истощаются, чтобы вы могли их заменить. Это привносит совершенно новое измерение в гидропонную культуру, которое сейчас просто недоступно.
–
–
Этим датчикам может потребоваться значительное время, чтобы достичь коммерческого применения — в основном из-за дорогостоящей калибровки, необходимой из-за разнообразия в производстве — поэтому могут пройти годы, прежде чем мы увидим что-то подобное для широкой публики. Однако, если у вас есть коммерческая гидропонная установка, которая достаточно велика, вы, безусловно, можете следовать этому исследованию, чтобы создать свой собственный массив ISE и построить с их помощью электронный язык. Это даст вам доступ к тонне информации, которая недоступна всем вашим конкурентам.
