Vědci ze tří různých univerzit spojili své úsilí testovat různé mikrosenzorové technologie použitelné pro metabolické monitorování bachoru v reálném čase. Technologie je dnes rychle se rozvíjejícím oborem a je třeba inovace rychle sdílet a předávat. Pro lepší pochopení dynamiky prostředí v bachoru je praktickým řešením monitorování různých chemických a fyzikálních parametrů v reálném čase a in situ pomocí mikrosenzorových technologií.
Senzory by mohly přispět k další generaci přesného chovu hospodářských zvířat za předpokladu, že budou začleněny bezdrátové datové sítě a počítačové systémy. V nedávno publikované studii vědci představili různé mikrosenzorové technologie použitelné pro metabolické monitorování bachoru v reálném čase. Výzkumný tým pochází z Pennsylvania State University, Purdue University a Virginia Tech University.
Monitorování pH v bachoru
Monitorování bachorového pH je prospěšné, aby se zabránilo subakutní bachorové acidóze (SARA). Většina komerčních bolusů používá konvenční senzory pH na bázi elektrod se skleněnou membránou. Tyto elektrody se skleněnou membránou jsou velké a objemné, snadno se rozbijí, obtížně se miniaturizují a mají pomalou odezvu. Navíc vyžadují pravidelnou údržbu, jako je kalibrace a doplňování roztoku referenčního pufru. Výzkumníci poukázali na nedávné pokroky v mikroměření pH senzorů vhodných pro in vivo monitorování pH v bachoru.
Potenciometrické senzory
Potenciometrické senzory byly nejrozšířenější pro měření pH roztoků díky jejich jednoduché konfiguraci, malé velikosti a rychlé době odezvy. Typický potenciometrický senzor se skládá ze dvou elektrod: pracovní elektrody (snímací elektroda) a referenční elektrody.
pH senzory na bázi ISFET
Iontově citlivé tranzistory s efektem pole (ISFET) na bázi pH senzorů měří pH roztoku přes iontově citlivou membránu a charakteristiku tranzistoru při snímání pole. Přestože pH senzory na bázi ISFET mají mnoho výhod, jako je malá velikost, robustnost a snadné skladování bez mnoha nezbytných podmínek (např. nízká odchylka měření při extrémním pH a závislost na nízkých teplotách), je obtížné je použít pro monitorování in vivo, protože musí být zapouzdřeny.
pH na bázi EGFET
Jako alternativa k senzorům na bázi ISFET byly představeny senzory pH na bázi tranzistorů s rozšířeným propustným polem (EGFET). Snímací membrána v senzoru pH na bázi ISFET je propustná dielektrická vrstva, takže musí být izolátorem, bez defektů a s vysokou impedancí, zatímco snímací membrána v senzoru pH na bázi EGFET musí být vyrobena s použitím nízkého impedanční materiálu pro vysokou vodivost a citlivost – prostředí bachoru neovlivňuje negativně nízkoimpedanční materiál, proto mají větší hodnotu senzory EGFET. Tým dospěl k závěru, že „potenciální dopad monitorování pH v reálném čase jako nástroje ke zlepšení managementu zdraví skotu je omezen především převodem efektivně snímaných dat do použitelných rozhodnutí nebo doporučení managementu“. Dodali, že kvůli kolísání pH v bachoru může být integrace analytiky s jinými snímanými parametry nezbytná pro převedení měření pH snímaných v reálném čase na účinný diagnostický nebo řídící nástroj.
Motilita bachoru
Sledování rychlosti a amplitudy bachorových kontrakcí, nazývaných motilita, je jednou z cest k diagnostice metabolických onemocnění, jako je mimo jiné bachorová acidóza a hypokalcémie. Motilita bachoru byla obecně hodnocena pomocí tenzometrických snímačů síly nebo ultrasonografických metod. Nevýhodou je, že snímač síly vyžaduje chirurgický zákrok, zatímco ultrazvuk omezuje kontinuální měření po delší dobu, protože musí být držen u těla zvířete. Pro jednodušší a dlouhodobější monitorování bachorové motility byly vyvinuty bezdrátové senzory bolusového typu s tříosým akcelerometrem, které jsou vhodnější pro včasnou detekci dysfunkcí bachoru, jako je atonie bachoru, tympanie bachoru a anorexie.
Tělesná teplota
Rektální teploměry byly široce používány pro měření teploty; tato metoda je však časově náročná. Monitorování změn tělesné teploty přežvýkavců v reálném čase je účinnou metodou k detekci onemocnění, říje a porodu. Příkladem, který výzkumníci uvádějí, je včasná detekce mastitidy pomocí bezdrátového teplotního senzoru bolusového typu. Hlavní výhodou použití senzorů v bachoru je, že mohou být umístěny na dlouhou dobu (roky). Podle výzkumníků se teplotní senzory používané pro měření tělesné teploty primárně skládají z termočlánků nebo termistorů. Většina současných teplotních senzorů používá k měření teploty termistory, protože jsou přesnější než termočlánky a nevyžadují neustálou rekalibraci, což je mnohem vhodnějšími pro monitorování bachoru. Nevýhodou termistorů je však to, že výstup je nelineární, což znamená velkou složitost při převodu výstupu senzoru na číselnou hodnotu teploty.
Koncentrace biomarkerů v bachoru
V této studii se výzkumníci zaměřili na histamin jako příklad, aby demonstrovali některé z příležitostí při snímání biomarkerů. Koncentrace histaminu v bachoru jsou zajímavé pro monitorování SARA a dalších bachorových postižení. radiční techniky pro detekci histaminu zahrnují chromatografii na tenké vrstvě, HPLC a GC, fluorometrii, kapilární zónovou elektroforézu a ELISA. Tyto techniky jsou však drahé a časově náročné a vyžadují komplexní předúpravu vzorku, což je nepraktické pro monitorování v reálném čase v prostředí bachoru. Elektrochemické senzory jsou slibnou alternativou díky své vysoké citlivosti, jednoduchosti, rychlé odezvě a nízké ceně. Mezi hlavní typy elektrochemických senzorů patří impedimetrické snímače, amperometrické senzory a voltametrické snímače. Hlavními sledovanými metabolity jsou těkavé mastné kyseliny (VFA), primární zdroj energie pro přežvýkavce. Monitorování koncentrace a rovnováhy VFA v reálném čase pomáhá pochopit vztah mezi příjmem krmiva a metabolismem. Mezi tradiční metody měření patří destilace, titrace, Montgomeryho metoda, papírová chromatografie, HPLC a spektrofluorimetrie. Tyto techniky jsou však nevhodné pro monitorování prostředí v bachoru v reálném čase kvůli požadavkům na vybavení, nekompatibilním typům výstupních signálů (obvykle optické signály) a komplikovaným metodám vzorkování. Elektrochemické biosenzory patří mezi vhodné pro potenciální monitorování VFA v bachoru. Dvě hlavní z nich jsou elektrochemické biosenzory mikroorganismů, U mikrobiálních elektrochemických senzorů se pro generování analytického signálu používá trvalé spojení mikrobiálního metabolismu a elektrody.Enzymatické elektrochemické biosenzory mají jedinečnou vlastnost a výhodu enzymatických elektrochemických biosenzorů je, že jejich biokatalyzátor reaguje pouze se specifickým analytem. Elektrochemické biosenzory vykazují vynikající selektivitu, což z nich dělá dobrou technologii pro testovací strategie k rozlišení mezi VFA.
Jak dál v biosnímání bachoru
Výzkumníci došli k závěru, že navzdory značnému pokroku v technologiích snímání pro důležité analyty v bachoru je třeba vyřešit některá omezení současných výzkumných prototypů a komerčních technologií, než bude možné provést rozsáhlý biomonitoring prostředí v bachoru. To se týká především velikosti a životnosti snímače, selektivitě snímače nebo odolnosti vůči rušení prostředím, stabilitě a opakovatelnosti výkonu snímání a interpretace informací získaných ze senzorů.
Dairy Global
