近日，一组研究人员成功开发出一种便携式自动化实验室，可实时监测土壤化学成分，且无需昂贵组件，为追踪土壤中的隐藏过程提供了便利。奥胡斯大学与德国同事携手，将这一想法变为现实。

他们研发的名为 MARTINIS(多分析物实时原位成像系统)的便携式自动化管状微型实验室，能够测量土壤中的特定化学参数，且尽量减少对土壤真实活体微观世界的干扰。奥胡斯大学生物系副教授克劳斯·科伦指出，土壤十分复杂，挖掘后就会改变，而借助 MARTINIS，可在不接触样本的情况下，以高分辨率观察土壤随时间的变化。

该系统采用平面光极技术，这是一种在实验室中长期应用的著名技术，薄型传感器暴露于特定化学物质(如氧气、氨或 pH 值变化)时会发光或变色。以往实验室分析土壤样本只能获得样本存在情况、采集地点和时间的数据，而 MARTINIS 将实验室设备缩小到直径 25 厘米的圆柱体，可埋在土壤中，对周围土壤环境进行连续成像。

MARTINIS 的工作原理是，光极安装在埋入土壤的有机玻璃管外部，管内有与待检测物质波长相匹配的 LED 灯和记录光极发出光的摄像头，整个系统由一台 Raspberry Pi 电脑控制，可自动拍摄图像并控制移动，实现组件在管内上下移动和 360 度旋转。平面光极不仅能测量单个点，还能创建土壤化学条件的二维图像，且相机可移动按顺序拍摄图像，拼接出整个土壤剖面的“全景图”。

开发该系统的博士生马丁·莱因哈德·拉斯穆森表示，系统自动运行，自己动手组装只需 5 至 600 欧元，且所有零件和软件都是开源的。目前，该系统的第一个模型将图像存储在 SD 卡上，未来目标是配备 5G 卡，还计划将 MARTINIS 数据与无人机和卫星数据相结合。不过，MARTINIS 尚未完全开发为商业产品，研究人员正在寻求资金，以进一步开发软件及更强大的现场版本。

该系统已在实验室盆栽土壤和德国田间进行了测试。在德国，系统连续数月测量土壤层中的氧气动态，雨雪天气下也未出现故障;还在落基山脉进行了试验，追踪了森林火灾后土壤化学成分的变化。

从应用前景来看，通过监测不同时间和地点的 pH 值和氧气水平，可更容易评估土壤化学成分的变化，如施肥后或采用不同耕作方法后的变化。例如，有效的堆肥需要大量氧气。但该研究合著者、奥胡斯大学可持续农业未来景观研究中心(Land-CRAFT)负责人克劳斯·巴特巴赫 - 巴尔教授认为，个体农民不太可能投资该系统，更可能是顾问和工程师使用它，并根据收集和分析的数据为农民提供建议。SEGES Innovation 公司的气候专家 Franziska Petra Eller 也看到其巨大潜力，认为该系统能洞察原本难以触及的土壤环境，其现场应用可更真实地研究农田土壤化学的空间和时间动态，应用研究将受益。

此外，MARTINIS 的测量不仅有利于农业，还可为更广泛的环境和气候研究做出贡献。监测缺氧微环境可深入了解导致温室气体一氧化二氮(N₂O)排放的过程，而 pH 值数据有助于了解氨的蒸发，氨的蒸发会影响大气中的云层形成。

更多信息： Martin Reinhard Rasmussen 等人，《一种新颖、独立且低成本的土壤原位化学成像系统，利用平面光极进行成像》，《传感器与执行器 B：化学》(2024 年)。