Development of Extracting Solution for Soil Chemical Analysis Suitable to Integrated Ion-selective Micro-electrodes

The primary goal of this research was to develop an optimized analytical procedure for soil analysis based on ion-selective microelectrodes for agricultural purposes, which can perform on-site measurement of various ions in soil easily and rapidly. For the simple and rapid on-site diagnosis, an analysis of soil chemicals was performed employing a multicomponent-in-situ-extractant and an evaluation of ionselective microelectrodes were conducted through the regressive correlation method with a standard analytical approach widely employed in this area. Examination of sensor responses between various soil nutrient extractants revealed that 0.01M HCl and 1M LiCl provided the most ideal Nernstian response. However, 1M LiCl deteriorated the selective response for analytes due to high concentration (1M) of lithium cation. Thus, employing either 0.1M HCl as an extractant followed by 10 times dilution, or 0.01M HCl as an extractant without further dilution was chosen as the optimal extractant composition. A study of regressive correlation between results from ion-selective microelectrodes and those from the standard analytical procedure showed that analyses of $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$, and $NO_3{^-}$ showed the excellent consistency between two methods. However, the response for $NH_4{^+}$ suffered the severe interference from $K^+$. In addition, the selectivity for $Mg^{2+}$ over $Ca^{2+}$ was not sufficient enough since available ionophores developed so far do not provide such a high selectivity for $Mg^{2+}$. Therefore, as an agricultural on-site diagnostic instrument, the device in development requires further research on $NH_4{^+}$ analysis in the soil sample, development of $Mg^{2+}$-selective ionophore, and more detailed study focused on potassium, one of the most important plant nutrients.

집적형 이온선택성 미세전극 센서에 적합한 토양화학 분석용 침출액 종 개발

본 연구는 현장에서 신속히 토양양분을 측정하기에 적합한 집적형 미세 이온선택성 전극을 토양화학성 분석에 이용하기 위하여, 이에 적합한 침출액의 종류와 양과 같은 분석방법을 개발 하는 데에 목적을 두었다. 대상 토양화학성들은 교환성 양이온들($K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$)과 무기태 질소들($NH_4{^+}$, $NO_3{^-}$) 이었으며, 분석법 개발의 목표는 다 성분 동시침출액 종 선발에 있었다. 침출액 자체에 존재하는 화학종들은 이온간 방해작용으로 이온선택성 전극의 분석능에 영향을 미친다. 순수 용액 내에서는 0.01M HCl 과 1M LiCl 이 모든 분석대상 화학종과 그들의 존재 농도범위($10^{-1}M{\sim}10^{-4}M$)에 대하여 가장 Nernst 이론값에 근접하였다. 그러나 실제 토양 침출용액에서 1M LiCl은 고농도(1M)의 $Li^{+}$ 존재로 말미암아 분석대상 화학성분의 선택성이 현저히 낮아짐을 알 수 있었다. 반면에, 0.1M HCl로 침출하여 10배 희석 측정하거나 또는 0.01M HCl로 직접 침출하여 측정하는 것은 표준분석 방법과 고도의 유의성이 있는 상관관계를 보이므로 최적 분석 방법으로 밝혀졌다. 토양에 대하여 집적형 이온선택성 미세 전극을 사용한 분석치와 표준분석법 분석치의 사이의 회귀상관에서는 $K^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$, $NO_3{^-}$가 매우 우수한 회귀상관 관계를 보였다. 그러나 $NH_4{^+}$이온은 $K^+$이온과 혼재할 때 $K^+$이온의 간섭으로 매우 낮은 선택성을 나타내었다. 또한, $Mg^{2+}$이온은 현재까지 이온선택성 막을 위한 최적의 Ionophore(이온투과 담체)가 개발되어 있지 않아 분석의 어려움이 있었다.