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Aplicación de microsensores de estado sólido a la medida en suelos de cultivo

Cecilia Jiménez,1 Julián Alonso2 y Carlos Domínguez1

1 Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC).
2 Grupo de Sensores y Biosensores, Universidad Autónoma de Barcelona.

Introducción

El suelo mineral es un medio de cultivo universal para el crecimiento vegetal. Sirve como soporte o fijación para la planta y suministra a las raíces una cantidad de aire, agua y nutrientes necesarios para el crecimiento adecuado de la misma (fig. 1). Si las proporciones de estos componentes no son las adecuadas, el crecimiento de las plantas y las enfermedades asociadas a ellas pueden verse afectados por causas como asfixia por falta de oxígeno, deshidratación por falta de agua o limitación del crecimiento por exceso o carencia de nutrientes o desequilibrio entre sus concentraciones.1 Por ello en la práctica de la fertilización del suelo es importante controlar el nivel de nutrientes aportados para lograr un equilibrio entre la rentabilidad económica y la calidad de la cosecha. A este aspecto se le ha dado mucha importancia últimamente sobre todo en la viticultura de precisión, que utiliza grandes extensiones de terreno y requiere un control preciso de las propiedades del suelo y la distribución de nutrientes en cada parcela.2

Figura 1
Figura 1. Esquema de las vías de nutrición orgánica y mineral de las plantas3

El suelo está compuesto por un 50% en volumen de materia sólida, un 20-30% de aire y un 20-30% de disolución acuosa. Los nutrientes disponibles para la planta a través de las raíces son aquellos que se encuentran disueltos en la solución acuosa del suelo. Entre éstos se encuentran los elementos esenciales, que constituyen los elementos necesarios para el crecimiento de las plantas. Los macronutrientes como N, F, K, etc. representan los iones más abundantes entre los nutrientes y los micronutrientes son iones esenciales pero en cantidades muy pequeñas (fig. 1). Todos estos iones, al estar disueltos en la solución acuosa, son asimilables inmediatamente por la planta, mientras que los que están retenidos formando complejos insolubles (por ejemplo, silicatos de potasio) no son asimilables. Es, por tanto, de gran interés el conocimiento de los iones solubles en el suelo para determinar el nivel nutricional de las plantas y, por tanto, asegurar la calidad de la cosecha.
Los métodos actuales de análisis de suelos nos proporcionan la suma de las dos concentraciones de iones presentes en los suelos –iones disueltos y cierta proporción de iones retenidos en los minerales–, ya que se realiza un proceso de tratamiento de la muestra que consiste en la extracción de los iones de una muestra de suelo completa. Estos métodos de análisis se deben realizar en un laboratorio, dada la complejidad del proceso (por ejemplo, valoración complexométrica) y la necesidad de utilizar equipos de medida convencionales como absorción atómica o espectrofotometría. Por ello suelen consumir grandes cantidades de reactivos, tener tiempos de análisis del orden de días y resultar caros.4
Una alternativa para medir la concentración de nutrientes en suelos o los aportados mediante el proceso de fertirrigación en el mismo cultivo es mediante el uso de sensores. Éstos se pueden aplicar en campo, en el mismo suelo o a pie de un proceso de fertirrigación, de modo que se puede controlar el nivel de nutrientes de una forma rápida, en tiempo real y barata. Por lo tanto, el uso de sensores permite acelerar y optimizar la práctica de la fertilización, con el ahorro consiguiente de fertilizantes y tiempos de proceso y a su vez, tener un mejor conocimiento de los procesos de asimilación de nutrientes en las plantas y de los procesos de intercambio iónico entre el suelo y las raíces.
En este artículo se propone la utilización de sensores, y en concreto, sensores fabricados con tecnología microelectrónica (ISFET, de Ion Selective Field Effect Transistors), para la medida de iones en suelos. Estos sensores, debido a su pequeño tamaño y naturaleza sólida pueden aplicarse a la medida de nutrientes mediante una sonda especialmente diseñada para facilitar su inserción en el suelo. Presentamos a continuación un breve resumen sobre los ISFET utilizados en este estudio y los resultados obtenidos de la medida de pH, iones calcio, potasio y nitratos en suelos de cultivo.

Sensores químicos tipo ISFET

En el campo de los sensores y transductores, una rama que ha experimentado un gran desarrollo es la relativa a la de los sensores de estado sólido, destacándose aquellos construidos con tecnología microelectrónica. Uno de los exponentes más claros de estos sensores químicos son los transistores de efecto de campo sensibles a iones, ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Mediante estos sensores químicos es posible determinar la concentración de iones específicos en soluciones acuosas.5,6 En los últimos años, la importancia y el desarrollo de este tipo de sensores ha experimentado un considerable incremento, teniendo en cuenta, entre otras, ventajas tales como su pequeño tamaño, robustez, bajo coste, rápidos tiempos de respuesta, baja impedancia de salida, así como sus posibilidades de integración monolítica con los circuitos electrónicos, con lo cual puede incluirse, además, la parte eléctrica de amplificación y tratamiento de la señal en un mismo chip.7 Los ISFET se fabrican con tecnología microelectrónica y, por tanto, requieren una infraestructura especial. En el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) se dispone de una Sala Blanca para fabricar estos dispositivos. En la figura 2 se muestra un chip de 3x3 mm2 con el diseño de un ISFET fabricado en el IMB y una sonda con el chip conectado a las conexiones eléctricas de la tira de circuito impreso y encapsulado, de modo que sólo la parte sensible queda expuesta a la solución de medida. Esta sonda está ya lista para medir en soluciones acuosas.

Figura 2
Figura 2. Fotografía de un chip con un ISFET fabricado en el IMB y la sonda para medir

Los ISFET, sensores intrínsecamente sensibles a pH, pueden utilizarse también para la medida de iones (cationes y aniones) en solución acuosa. Para ello se deposita encima de la membrana sensible, una membrana modificada con los elementos de reconocimiento específicos del ión a determinar. Esta membrana está formada por un polímero fotosensible que se deposita mediante técnicas fotolitográficas compatibles con la tecnología microelectrónica.8,9
Los ISFET son sensores potenciométricos y, por tanto, su evaluación se realiza mediante la calibración del sensor, esto es, la medida de la señal de salida (potencial) versus el logaritmo de la actividad del ión. A través de los parámetros obtenidos (pendiente, rango lineal, límite inferior de respuesta) podemos hacer una valoración del funcionamiento del sensor. Los ISFET desarrollados aquí para medir en suelos de cultivo son específicos a pH, iones calcio, nitrato y potasio. Las curvas de calibración obtenidas (fig. 3) nos muestran unas características de respuesta adecuadas para su utilización en suelos y comparables a otros electrodos selectivos a iones comerciales.10
A partir de los calibrados periódicos realizados con los sensores, se verifica que los ISFET de calcio, potasio y nitratos tienen tiempos de vida superiores a 5 meses y los ISFET de pH (no tienen membrana) tienen tiempos de vida de aproximadamente un año.

Figura 3
Figura 3. Curvas de calibración de ISFETs de a) () calcio y () potasio. b) () nitrato.

Aplicación de los ISFET en suelos. Diseño de la celda de medida

Para poder introducir los sensores en la tierra sin que éstos se estropeen con su manipulación, se ha diseñado una celda que cumple los siguientes requisitos: los sensores se pueden extraer e insertar fácilmente para calibrarlos y comprobar su estado y el intercambio de solución acuosa entre éstos y el suelo es eficaz. Esta celda está formada por dos cuerpos: un primer cuerpo cilíndrico que queda insertado en el suelo formado por una malla porosa y un segundo cuerpo movible que permite la sujeción de los sensores (4 ISFET y un electrodo de referencia). En la figura 4a se muestra la fotografía de la celda de medida con los ISFET y el electrodo de referencia (un hilo de cobre).
Esta celda con los sensores se inserta a una profundidad de 10 cm en suelos de cultivo. Se han estudiado aquí sustratos de tipo hidropónico (mezcla de 25% perlita y 75% turba) y tierras tipo marga, con un porcentaje elevado de arcilla. En la figura 4b se muestra la celda insertada en una maceta de rosales con el sustrato hidropónico.

Figura 4
Figura 4. a) Celda de medida b) Celda insertada en un substrato tipo hidropónico.

Estudio de la respuesta de los ISFET aplicados en suelos

La metodología para realizar las medidas con los sensores en el suelo consiste en realizar calibraciones de los sensores fuera de la celda con soluciones estándar parecidas a las que se encuentran en el suelo (en cuanto a pH, concentración total de iones, etc.) y posteriormente introducir éstos en la celda. El registro de la señal se realiza de forma continua durante el tiempo y la frecuencia de medidas deseado. Con cierta frecuencia se realiza un calibrado volviendo a extraer los sensores de la celda.
Cuando los sensores se introducen en el suelo, requieren un período de 30 minutos para estabilizarse (alcanzar el equilibrio con la solución acuosa del suelo). Después de este tiempo se puede comprobar cómo responden los sensores ante el cambio de la concentración de iones en el suelo. Para ello se añaden soluciones de distinto pH o concentración de sales y se registra la señal con el tiempo. En la figura 5 se puede apreciar cómo responden los ISFET de pH, nitrato y potasio ante la variación de las concentraciones de éstos. En este caso, el suelo utilizado fue marga.
La adición en el suelo de soluciones a pHs extremos (pH 3 y 12) produce una variación de la señal muy pequeña que no se corresponde con la respuesta del sensor ante este cambio de pH. Este comportamiento se debe al efecto tamponante del suelo: la variación externa introducida es compensada mediante procesos de intercambio iónico y neutralización con los carbonatos del suelo.

Figura 5
Figura 5. Respuesta de los ISFET de pH (a), potasio (b) y nitrato (c) en un suelo de marga ante la adición de soluciones de nutrientes.

La respuesta obtenida para los sensores de potasio y nitrato es significativamente distinta al ser estos iones intercambiables con las partículas minerales y la materia orgánica del suelo. Para concentraciones de iones inferiores a 0,1 M no se observa una respuesta significativa. Este comportamiento es debido a que las concentraciones usuales de estos iones en suelos son del orden de 10-3 M y, por tanto, predomina el efecto de dilución. Además, el efecto regulador del suelo desempeña un papel importante. La adición de una solución de potasio y nitrato al 0,1 M produce una variación de la señal del sensor coherente con la concentración añadida y la sensibilidad del sensor. Finalmente, la adición de agua en el suelo permite, en el caso del sensor de nitratos, una recuperación total de la señal de partida debido a la capacidad de lixiviación de este ión. En el caso del sensor de potasio, este efecto no es tan evidente.
Esta prueba se realizó durante 2 meses, observándose unas propiedades excelentes de los sensores en este tiempo. Para el ISFET de pH se obtuvieron los resultados más satisfactorios, ya que la pendiente (sensibilidad) se mantuvo estable durante los dos meses de seguimiento continuo. Para los ISFET de potasio, calcio y nitrato (con membrana polimérica), este período de funcionamiento efectivo fue de 40-50 días.
Una prueba necesaria para comprobar que estos sensores responden correctamente en dicho medio se realiza comparando su respuesta con la obtenida con métodos de análisis estándar. Para ello se hicieron análisis de muestras de distinto sustrato (perlita-turba y marga) tomadas en tiempos distintos. En la tabla I se muestran los resultados obtenidos. Las muestras se tomaron por aspiración excepto en el caso de las muestras para medir pH que se tomaron directamente del suelo. Los resultados de la comparación de los dos métodos (el estándar y nuestros sensores) por el test t de las diferencias muestra que, a pesar de ciertas diferencias entre los resultados, los dos métodos son comparables para los iones potasio, calcio y nitrato. Sólo en el caso del pH se observan diferencias significativas entre las dos técnicas de medida. Esta diferencia es mayor para las muestras de tierra, debido a que la toma de muestra no es exactamente igual en los dos casos: para la medida con ISFET se toma la medida en el mismo suelo y para la medida con electrodo de vidrio se realiza un extracto de la tierra en agua.

    Calcio Potasio Nitrato pH
  Día ISFET Valoración con EDTA ISFET Absorción atómica ISFET Espectrofotometría ISFET Electrodo de vidrio
Marga 1 1,2·10-2 1,5·10-2 1,4·10-2 3,9·10-3 1,5·10-2 2,4·10-2 6,1 6,7
  6 3,9·10-3 6,3·10-3 1,0·10-2 5,6·10-3 3,0·10-2 3,1·10-2 5,8 6,9
  10 3,3·10-3 7,4·10-3 3,8·10-2 6,5·10-3 1,0·10-2 3,0·10-2 7,0 7,3
  13 1,3·10-3 1,7·10-3 1,4·10-2 5,6·10-3 2,7·10-2 1,8·10-2 6,8 7,4
  15     4,0·10-3 4,7·10-3 - - 6,3 7,3
Resultados del test t tcal= 3,16
ttab=3,18
tcal=1,95
ttab=2,78
tcal=0,85
ttab=3,18
tcal=5,14
ttab=2,77
Perlita-turba 1 14,0 10-3 13,3 10-3 9,0·10-3 6,6·10-3 4,1 10-2 1,8 10-2 5,3 5,0
  6 1,4·10-3 8,2·10-3 1,4·10-2 5,9·10-3 2,7 10-2 1,8 10-2 6,5 5,1
  10 2,5·10-3 6,4·10-3 3,3·10-2 6,1·10-3 3,2 10-2 1,8 10-2 6,5 5,0
  13 3,2·10-3 5,6·10-3 1,6·10-2 5,9·10-3     6,5 4,8
  15     8,0·10-3 6,0·10-3     5,2 4,9
Resultados del test t tcal=2,35
ttab=3,18
tcal=2,19
ttab=2,78
tcal=3,74
ttab=4,30
tcal=3,35
ttab=2,78

Tabla I. Resultados de la medida de suelos de cultivo con ISFET y con métodos estándar. Resultados del test t de las diferencias. Las muestras se recogieron en diferentes días.

Conclusiones

Las conclusiones obtenidas tras este estudio nos permiten confirmar que los sensores tipo ISFET son viables para medir en suelos. Éstos son sensores robustos y su resistencia en este medio es elevada. Además, la humectación de los dispositivos es adecuada, ya que se mantiene el contacto eléctrico entre el ISFET y el electrodo de referencia durante largos períodos de tiempo. Para mejorar sus prestaciones es imprescindible protegerlos mediante celdas especialmente diseñadas. Estas celdas deben permitir la fácil manipulación de los sensores y un buen transporte del líquido de riego entre el exterior y el interior de la celda.
En definitiva, la utilización de estos sensores para controlar el nivel de nutrientes directamente en suelos permitiría optimizar las prácticas de fertilización y así lograr una agricultura más sostenible.

Bibliografía

1. Hinrich L. Bohn: Química del suelo, Editorial Limusa, 1993.

2. Xavier Sort, Josep Miquel Ubalde: Aspectos de la viticultura de precisión en la práctica de la fertilización razonada, ACENOLOGIA 2005; 63 (noviembre). En: http://www.acenologia.com/ciencia73_1.htm

3. Xavier Domènech: Química del suelo: Impacto de los contaminantes, Editorial Miraguano, 1995.

4. Javier Ansorena Miner: Sustratos: propiedades y caracterizaciones, Editorial Mundi-Prensa Libros, Madrid, 1994.

5. Cecilia Jiménez: «Sensores químicos tipo ISFET», memoria presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Barcelona, Bellaterra, Barcelona, 1993.

6. Judit Artigas, Cecilia Jiménez, Carlos Domínguez, Santiago Mínguez, Albert Gonzalo, Julián Alonso: Development of a multiparametric analyser based on ISFET sensors applied to process control in the wine industry, Sensors and Actuators B89, Issues 1-2 (2003) 199-204.

7. C. Jimenez, A. Baldi, N. Abramova, A. Bratov: ISFET chemical sensors: Fundamentals and applications, Encyclopedia of Sensors, cap. 106, Craig A. Grimes, Elizabeth C. Dickey, and Michael V. Pishko, ed. American Scientific Publishers.

8. J. Artigas, A. Beltran, C. Jiménez, A. Baldi, R. Mas, C. Domínguez, J. Alonso: «Application of ISFET based sensors to soil analysis», Computers and Electronics in Agriculture 2001; 31: 281-293.

9. Cecilia Jiménez, Francisco Javier Muñoz, Andrey Bratov y Carlos Domínguez: «Lenguas electrónicas: sensores químicos aplicados a la medida del sabor y al control de calidad de los alimentos», en http://www.percepnet.com/cien10_02.htm.

10. Judit Artigas Pursals: Memoria del trabajo de Investigación de 3er ciclo, Desarrollo de sensores tipo ISFETs basados en membranas fotocurables. Aplicación al análisis de suelos, Universidad Autónoma de Barcelona, Marzo de 1998.

[31.01.06]
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