一种完全自动化的便携式系统，结合了微流控技术和电化学传感技术，用于监测奶牛饮用水中的硝酸盐含量

《Microchemical Journal》：Fully automated portable system integrating microfluidics and electrochemical sensing for nitrate monitoring in dairy cattle freshwater

　　

Najib Ben Messaoud|Samuel Silva|Roberto Laranjeira|álvaro Geraldes|Raquel Barbosa Queirós|Marília Barreiros dos Santos

国际伊比利亚纳米技术实验室，Mestre José Veiga大道4715-330号，布拉加，葡萄牙

摘要

监测奶牛饮用水中的硝酸盐含量对于确保水质至关重要，因为硝酸盐是一种普遍存在且难以检测的污染物，会对反刍动物健康构成威胁。在这项研究中，开发并评估了一种自动化、便携式的系统，该系统集成了电化学传感器，用于检测奶牛饮用水中的硝酸盐。该系统包括样品处理模块，用于样品采集、过滤和预处理，以及基于镀银纳米粒子的金丝网电极的检测模块。系统通过编程序列自主运行，能够精确控制流体流动和 timing。此外，还开发了一种峰值搜索算法，用于系统中的自动信号处理。该系统对硝酸盐的检测范围为0.5 mM至10 mM，检测限（LOD）为0.097 mM，适用于反刍动物的饮用水硝酸盐监测。在一家奶牛场进行为期七天的现场验证证实了该系统的可靠性和实际应用潜力。据我们所知，这是首个专门为检测奶牛用水中的硝酸盐而开发的自动化系统。这项工作介绍了一种基于坚固电化学传感器的新一代便携式系统，具有低成本、低维护要求、紧凑体积、自主运行和无线数据通信等关键优势，展示了其在商业应用中的巨大潜力。

引言

硝酸盐天然存在于土壤、水、蔬菜和食物中。由于农业中广泛使用硝酸盐肥料，它成为全球地下水和地表水的常见污染物[1]。因此，尤其是来自地下水或地表水的饮用水源可能受到高浓度硝酸盐的污染。先前研究报告全面评估了硝酸盐通过饮用水摄入对健康的潜在影响，特别是与高铁血红蛋白血症和可能的慢性健康后果相关的问题[2]。国际癌症研究机构（IARC）回顾了人类、动物和机制学研究，得出结论：在导致内源性亚硝化反应的条件下，摄入硝酸盐可能具有致癌性[3]。在反刍动物体内，硝酸盐通过饮食进入消化道，微生物将其转化为亚硝酸盐，再进一步转化为氨。氨被细菌利用进行生长，产生蛋白质和氨基酸[4]。然而，过量摄入硝酸盐会增加亚硝酸盐水平，这些亚硝酸盐进入血液后会干扰氧气运输，可能导致动物因缺氧而死亡[5]。硝酸盐还与哺乳期奶牛的生殖问题有关[6]。欧洲食品安全局（EFSA）为评估动物饮用水质量设定了若干指导值：反刍动物的硝酸盐指导值为<300 mg/L（4.83 mM），犊牛和其他动物物种的指导值为<200 mg/L（3.22 mM）[7]。因此，持续监测硝酸盐已成为非常重要的研究课题，因为它能够快速预警污染事件，支持及时采取适当的缓解措施，并有助于建立水质监测计划。

已经开发出多种传统方法，利用离子色谱法（IC）[8]、[9]、[10]、[11]分析不同基质中的硝酸盐。这些传统方法成本高昂、耗时较长，需要专业人员操作复杂的实验室设备。电化学技术结合了高灵敏度、良好选择性、快速性、低成本、简单操作以及原位分析能力[12]，使其被广泛用于水中的污染物检测[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。最近有大量研究报道了使用不同电化学检测技术的传感器架构来检测硝酸盐[19]、[20]、[21]。然而，在传感器验证和质量保证/质量控制（QA/QC）方面仍存在技术挑战，因为大多数研究依赖于标准溶液或添加了硝酸盐的样品，而在实际环境样品中的验证研究较少。解决这些挑战对于将硝酸盐传感器从概念验证阶段推进到市场成熟的在线监测系统至关重要。一些报告提到了使用电化学传感器的便携式系统来检测水中的硝酸盐[22]、[23]。尽管这些便携式硝酸盐传感器可以实现实时现场测量，但它们仍受系统复杂性、长期稳定性不足或自然水体中可靠性降低的限制。

为了实现自动化、便携、经济高效且灵敏的分析系统，需要将多种实验室功能集成到一个紧凑便携的平台上，如样品制备、混合、分离和检测。微流控设备非常适合这一需求，因为它们的模块化设计可以根据不同的实验条件进行配置[24]、[25]，在低成本制造、使用简便性和最小化样品及能耗方面具有显著优势[26]。此外，基于流动的方法可以自动计量样品和试剂，实现简单可靠的原位测量。与手动实验相比，这大大提高了分析效率，减少了人为误差和手动移液带来的变异性，提高了分析精度[27]。多年来，人们为实现这一目标做出了多项努力，开发了多种用于原位检测水中硝酸盐的分析系统和策略[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。然而，由于物理尺寸、长期稳定性、基质干扰、维护需求高和总体成本等方面的限制，当前系统的商业化仍然面临挑战。

本研究介绍了一种完全自动化的、紧凑型、低成本的便携式平台，用于奶牛饮用水中的原位硝酸盐监测。该便携式系统包括基于微流控设备的样品处理模块（用于样品采集、过滤和混合）；基于镀银纳米粒子的金丝网电极的电化学硝酸盐检测模块[19]；以及具有通信功能的控制系统。通过方波伏安法（SWV）评估了该监测系统的分析性能，并开发了峰值搜索算法以自动估算硝酸盐浓度。由于其紧凑的设计、用户友好的操作和可靠的性能，该便携式系统首次在奶牛场的新鲜水中进行了部署和测试，证实了其在实际农业环境中的适用性。

章节片段

试剂和材料

氯化钠（NaCl）、硝酸钾（KNO₃）、硝酸银（AgNO₃）、硫酸（H₂SO₄）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）（Sylgard 184，Dow Corning）均从葡萄牙的Sigma-Aldrich公司购买。溶液制备使用超纯水。所使用的电解质溶液为0.6 mM NaCl溶液，使用Milli-Q水配制，未进行pH调整。管材（内径2.4/0.8 mm的Tygon管）和微流控连接器从Saint Gobain公司购买

结果与讨论

便携式电化学硝酸盐检测系统的总体结构如图3所示。简要来说，样品被采集、过滤后储存在储液器中（使用蠕动泵）。使用注射器过滤器去除可能干扰测量的较大颗粒。然后将水样与1.2 mM NaCl电解质溶液按1:1（体积比）混合稀释，以制备用于电化学分析的0.6 mM NaCl溶液。

结论

开发了一种紧凑型、低成本、自动化的便携式系统，用于奶牛饮用水中的原位硝酸盐检测。该便携式系统集成了自动泵送、过滤、样品混合以及通过AuSPE/AgNPs修饰传感器进行SWV硝酸盐检测的组件，通过编程序列自主运行。该系统对硝酸盐浓度在0.5 mM至10 mM范围内的响应呈线性，检测限（LOD）为0.097 mM。

CRediT作者贡献声明

Najib Ben Messaoud：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学设计、研究实施、数据管理、概念构思。Samuel Silva：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、研究实施、数据管理。Roberto Laranjeira：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、研究实施、数据管理。álvaro Geraldes：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、方法学设计、研究实施、数据管理。Raquel Barbosa Queirós：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了葡萄牙COMPETE 2020计划（POCI – 竞争力与国际化运营计划，授权协议ID POCI-01-0247-FEDER-070109）的支持。作者感谢葡萄牙营养开发与创新小组的研究与开发实验室（LID）提供的样品分析支持，以及Vila de Conde农业合作社在协助访问农场和相关成员方面提供的帮助。