化肥是重要的农业生产资料对粮食增产起到不可替代的作用。近年来,因盲目追求高产、稳产而导致的化肥尤其氮肥的过量施用造成了严重的农业面源污染和经济效益下降。研究符合国情的土壤硝态氮前端感知技术,为测土施肥提供技术保障具有重要意义。基于聚合物敏感膜电极的硝态氮测量研究日益受到学界重视,通过国际合作攻关机制,研究课题组在全固态硝酸根掺杂聚吡咯膜电极的研究方面取得了阶段性突破但电极的稳定性及抗干扰性问题成为了电极数据解译与实际应用的瓶颈。本文以离子选择性敏感膜表面微形貌调控为切入点,系统开展微形貌特征提取、量化、调控等制备技术研究,揭示离子敏感膜微形貌与其土壤硝态氮检测性能间的作用机理及模型,进一步加深了对聚合物选择性敏感膜的响应机理及过程的理解,对拓展基于全固态聚合膜电极的硝态氮快速低成本检测技术研究具有重要的学术价值和现实意义。具体研究工作包括：1、研究了硝酸根掺杂聚吡咯膜的分形特征,探讨了分形特征与传感器性能之间的关系。通过改变聚合电流密度,在玻碳基底(GC)上制备不同形貌特征的NO3掺杂聚吡咯膜(PPy-NO3-),对膜进行分形分析,探讨了分形维数与电极电化学、传质动力学性能的关系。研究结果表明：PPy-NO3膜具有分形特性,改变聚合电流密度能够明显改变膜的形貌；分形维数(Df)能更准确地表征膜的微观综合复杂程度;在一定范围内分形维数与电极的线性范围、响应速率、检测下限性能具有正相关关系,分形维数越大离子的膜相扩散系数越高：1.2mA·cm-2聚合电流下膜的Df=2.58、扩散系数D=7.48×10-11 crn2·s-1,相应电极的线性范围5.0×10-5-1.0×10-1M、响应斜率-53.3mV·decade-1、响应时间<60 s,对主要干扰离子的选择系数均达到10-2数量级。2、解析了水层形成导致响应电势漂移的机理,研制了以PPy-NO3-和石墨烯(GR)复合材料(PPy-NO3-/GR)为离子敏感膜的全固态离子选择电极,有效抑制了电势漂移。采用电化学还原法在GC表面直接修饰GR层,通过脉冲聚合法实现PPy-NO3-膜的聚合及与GR的复合并制备传感器。研究结果表明：所制备的传感器具备良好的电化学分析性能,包括：响应斜率为-56.2mV·decade-1、线性范围为10-5-1.0×10-1M、检测下限为0.63×10-5M、响应时间<15 s及logKNO3-,Cl-=-2.5。响应电势稳定性得到较大提升,ΔE·△t-1达到了0.67±0.05 mV·h-1。实际土样测量结果显示,该传感器具有较高的准确性且能在土壤泥浆直测方式下保持较好的稳定性。3、理论解析了膜极化对电极响应电势稳定性的影响,提出了抑制极化的微结构调整方向,制备了具有纳米管状微形貌结构的PPy-NO3--(T)膜,构建了相应的PPy-NO3-- (T) /GR/GC全固态离子选择电极。利用直链淀粉分子模板诱导吡咯单体定向聚合生长,实现了纳米管状聚吡咯微结构可控制备。实验结果表明：所制备的纳米管状微结构能极大提高了离子敏感膜的离子传输速率,Rct到了95.7Ω,电化学电容Cem达到了0.98 mF、Cdl达到了4.5×10-6 mF,所制备的电极具备较高的稳定性,ΔE·△t-1达到了80±6 μV·h-1。4、建立了适用于PPy-NO3-(T)/GR/GC电极在高浓度干扰离子存在、大范围温度变化情况下的干扰校正ANN模型。模型的输入为氯电极、PPy-NO3--(T)/GR/GC电极的响应电动势和测试温度,输出为NO3--N浓度,利用响应面法解析模型参数及其交互作用对模型预测能力的影响并优化计算相应参数值。研究结果表明：ANN拓扑3-8-1、动量系数0.73、学习率0.33所对应的模型具有较好的预测能力(RMSET=2.75mg·kg-1, R2=0.97),对高Cl-干扰情况下的校正效果要优于传统能斯特方程标定法,其有望用于农田土壤硝态氮的实际测试。