智能电化学传感器：革新犊牛唾液中葡萄糖和pH检测的新技术

引言

在畜牧业中，早期诊断和监测动物健康状态至关重要。犊牛呼吸道疾病（BRD）和腹泻是导致犊牛健康恶化的主要原因，不仅影响其生长发育，还给养殖户带来巨大的经济损失。为了提高疾病的早期检测效率，研究人员开发了一种新型的电化学传感器，可以在犊牛唾液中非侵入性地检测葡萄糖和pH值。本文将详细介绍这项创新技术的原理、实验方法及其潜在应用。

正文

一、研究背景与意义

近年来，随着生物传感器技术的发展，非侵入性的生物标志物检测逐渐成为可能。唾液作为一种容易获取且富含生物信息的体液，成为了理想的检测对象。传统的血糖仪虽然精度高，但需要采集血液样本，操作不便且对动物造成一定痛苦。相比之下，通过唾液进行检测不仅能减少动物的不适感，还能实现更频繁、连续的监测。这对于早期发现和预防犊牛呼吸道疾病和腹泻具有重要意义。

二、传感器设计与工作原理

该研究团队设计了一种基于叉指微电极阵列（IDEs）的电化学传感器，用于同时检测犊牛唾液中的葡萄糖浓度和pH值。为了优化检测灵敏度，他们引入了原位pH控制方法，通过调节局部pH环境，确保酶活性处于最佳状态。具体来说：

pH传感器：使用金电极测量氧化还原峰的位置变化来反映pH值的变化。实验结果表明，在pH范围为5-9之间，该传感器表现出优异的线性响应（R²=0.955），灵敏度达到-166 mV/pH单位。

葡萄糖传感器：采用葡萄糖氧化酶（GOx）修饰的铂黑改性金IDE阵列作为工作电极。通过电沉积工艺固定GOx，并添加β-环糊精（β-CD）以增强选择性和稳定性。实验结果显示，在人工唾液中，该传感器对葡萄糖的检测范围为0.02-7 mM，检出限低至0.3 μM，灵敏度为-0.46 nA/mM。

三、实验验证与数据分析

为了验证传感器的实际性能，研究人员收集了来自不同健康状况的犊牛唾液样本进行测试。结果显示，健康犊牛的唾液pH值和葡萄糖浓度均处于正常范围内，而患病犊牛则显示出明显异常。特别是对于两头被确诊为患病的犊牛，其唾液中葡萄糖含量显著低于其他个体，这与临床症状相符。此外，传感器还展示了良好的抗干扰能力和长期稳定性，即使在存储85天后仍能保持较低的标准偏差（<4%）。

四、创新点与优势

本研究的最大亮点在于成功实现了原位pH控制技术的应用，解决了传统传感器因唾液pH波动而导致检测结果不准确的问题。同时，利用β-CD分子独特的结构特性，有效屏蔽了唾液中其他物质的干扰，提高了检测的选择性和准确性。此外，该传感器具有成本低廉、易于集成等特点，适合大规模生产和推广应用。

结论

综上所述，这项研究表明，基于叉指微电极阵列和原位pH控制技术的电化学传感器能够在犊牛唾液中实现高灵敏度、高选择性的葡萄糖和pH值检测。这一成果不仅为畜牧业提供了新的健康监测手段，也为其他领域如人类医学、环境监测等带来了启示。未来的研究可以进一步探索如何将该技术应用于更多类型的生物体液检测，并开发更加便携高效的设备，推动非侵入性检测技术的发展。

参考文献：

[1] Adib, M. R., Barrett, C., O’Sullivan, S., Flynn, A., McFadden, M., Kennedy, E., & O’Riordan, A. (2025). In situ pH-Controlled electrochemical sensors for glucose and pH detection in calf saliva. Biosensors and Bioelectronics, 275, 117234.

Fig. 1.（a）展示接触垫、引线、计数器、参考电极和六个工作电极的多路复用芯片的原理图。（b）单个传感电极及其横截面视图的图像。（c）将酶固定在交叉指状微带阵列电极上的表面修饰过程示意图。（d）在电极-溶液界面处葡萄糖检测的传感机制。