Датчики для мониторинга среды и активности рубца КРС в режиме реального времени

Для лучшего понимания динамики среды рубца полезен мониторинг различных химических и физических параметров в режиме реального времени с помощью микросенсорных технологий. Такие датчики необходимы для развития точного животноводства при условии, что будут внедряться подходящие беспроводные сети передачи данных и вычислительные системы для обработки материалов. В недавно опубликованном исследовании рассмотрены различные микросенсорные технологии, подходящие для изучения процессов в рубце. В состав исследовательской группы вошли специалисты Пенсильванского университета, Университета Пердью и Технического университета Вирджинии.

Мониторинг pH рубца полезен для борьбы с субклиническим ацидозом (SARA). В большинстве доступных на рынке устройств-болюсов используются датчики pH на основе электродов со стеклянной мембраной. Они большие и громоздкие, легко ломаются, их трудно миниатюризировать, скорость реагирования у них невысока. Кроме того, они требуют регулярного технического обслуживания – калибровки и дозаправки эталонным буферным раствором. Исследователи рассмотрели 3 новые разработки в области микромасштабных датчиков pH, подходящих для мониторинга в рубце in vivo.

Широко используются благодаря простой конфигурации, малым размерам и быстрому времени отклика. Потенциометрический датчик состоит из 2 электродов: рабочего электрода (чувствительного) и электрода сравнения.

Датчики на основе ионно-чувствительных полевых транзисторов (ISFET) измеряют pH раствора с использованием ионно-чувствительной мембраны. Хотя они небольшие, надежные, имеют низкую погрешность измерений и слабо зависимы от температур, но применение для мониторинга in vivo затруднено, поскольку они должны быть инкапсулированы.

Датчики pH на основе полевых транзисторов с изолированным затвором (EGFET) – альтернатива датчикам на основе ISFET. Среда рубца не оказывает на них значимого негативного влияния.

Мониторинг скорости и амплитуды сокращений рубца, т.е. его моторики, является одним из способов диагностики заболеваний обмена веществ — ацидоза, гипокальциемии. Моторику рубца обычно оценивают с помощью тензодатчиков или методов ультразвукового исследования. Тензодатчик требует хирургической процедуры установки, а процедуры УЗИ-исследований трудозатратны и ограничены по времени. Для упрощения мониторинга моторики рубца в течение более длительного периода разработаны беспроводные сенсорные узлы болюсного типа с 3-осевым акселерометром, которые лучше подходят для раннего выявления нарушений его работы.

Ректальные термометры широко используются для мониторинга температуры тела, однако метод требует затрат времени. Мониторинг изменений температуры тела животных в режиме реального времени – эффективный метод выявления заболеваний, эструса, начала отела. В качестве примера исследователи приводят возможность ранней диагностики мастита. Основное преимущество рубцовых датчиков – в том, что их можно размещать на длительный период (годы). Температурные датчики состоят из термопар или термисторов. В большинстве современных датчиков применяются термисторы, поскольку они более точны, чем термопары, и не требуют постоянной калибровки. Однако недостаток термисторов в том, что выходной сигнал является нелинейным, это затрудняет преобразование выходного сигнала датчика в числовое значение температуры.

В этом исследовании ученые сосредоточились на содержании гистамина, оценка его концентрации в рубце представляют интерес для мониторинга субклинического ацидоза и других нарушений. Традиционные методы обнаружения гистамина – тонкослойная хроматография, ВЭЖХ и газовая хроматография, флуорометрия, капиллярный электрофорез и ИФА. Однако они дорогостоящие и трудоемкие, требуют сложной предварительной обработки образцов, что делает их непрактичными для мониторинга в режиме реального времени. Электрохимические датчики – перспективная альтернатива благодаря высокой чувствительности, простоте, быстродействию и низкой стоимости. К основным типам электрохимических сенсоров относятся импедиметрические, амперометрические и вольтамперометрические датчики.

Наиболее интересно наблюдение уровня летучих жирных кислот (ЛЖК), основного источника энергии для жвачных. Мониторинг концентрации и баланса ЛЖК в режиме реального времени помогает понять взаимосвязь между потреблением корма и процессами обмена веществ. Традиционные методы – дистилляция, титрование, метод Монтгомери, бумажная хроматография, ВЭЖХ, спектрофлуориметрия, однако для них требуется сложное оборудование, необходима трансформация выходных сигналов (обычно оптических), а отбор проб сложен. Для мониторинга ЛЖК в рубце перспективны электрохимические биосенсоры. Исследователи рассмотрели электрохимические и ферментативные сенсоры. Электрохимические обладают превосходной селективностью.

Ученые пришли к выводу, что, несмотря на заметный прогресс в технологиях, необходимо устранить некоторые ограничения текущих исследовательских прототипов и коммерческих устройств, прежде чем станет возможным широкомасштабный мониторинг среды рубца. Самые распространенные проблемы — это, в первую очередь, размеры датчиков и срок их службы, селективность, устойчивость к воздействию агрессивной среды, стабильность работы, воспроизводимость результатов, удобство интерпретации получаемой от датчиков информации.