牙菌斑pH檢測電極技術(shù)的研究進展

牙菌斑生物膜是口腔微生物定植在牙面的形成的口腔微生態(tài)，其可引起齲病、牙周病等口腔常見病，因此對牙菌斑的控制是預(yù)防齲病的有效途徑之一

。牙菌斑環(huán)境中多種因子如細菌、糖、酸、鈣、氟離子等的檢測，都是可以用于其致病力監(jiān)測的重要途徑。牙菌斑原位pH 值是指采用電極直接在牙面菌斑原位測定得到的菌斑pH 值。牙菌斑pH 值與牙硬組織脫礦之間存在著密切的關(guān)系，其pH 臨界值為5.5 左右

。菌斑原位pH 值檢測一直作為其代謝及其個體齲活性檢測的有效指標，在齲病預(yù)防實踐中起重要作用

。體外檢測菌斑pH 值準備工作復雜且不能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，因此應(yīng)用牙菌斑pH 檢測的電極技術(shù)可以有效輔助齲風險的評估。

本文對適用于接觸法的牙菌斑原位pH 值檢測技術(shù)的類別、需求、發(fā)展過程、原理、應(yīng)用進行綜述；另外本文將對其他幾種非接觸法技術(shù)進行介紹，為臨床齲風險檢測技術(shù)的選擇提供參考。

1 牙菌斑pH 檢測電極技術(shù)及其發(fā)展

牙菌斑pH 檢測的電極技術(shù)是指在直接測定菌斑pH 值時所采用的pH 電極檢測技術(shù)

。在近年來在牙菌斑pH 值的動態(tài)分析研究中，牙菌斑pH值檢測的電極技術(shù)作為高效便捷的檢測方式被學者們廣泛應(yīng)用。其中，玻璃電極最先被用于菌斑pH 值測定，但其薄弱的玻璃膜在接觸法檢測牙面pH 值時易損壞，因此相比接觸法，該電極多應(yīng)用于牙菌斑pH 值的體外采樣檢測以及埋伏電極后的遙感監(jiān)測

。金屬氧化物微電極在使用中可以兼顧性能及強度。氧化銻微電極首先被應(yīng)用于描述牙菌斑原位pH 值的變化，這之后相繼出現(xiàn)氧化鈀、氧化銥微電極，但這類電極存在制備工藝復雜、成本較高的問題。離子敏感場效應(yīng)晶體管靈敏、準確、微小，被廣泛應(yīng)用于埋伏電極法測定牙菌斑pH 值。Sharma 等

研制的牙科pH 光學儀實現(xiàn)了非接觸的光學牙菌斑pH 測量，是牙菌斑pH檢測技術(shù)的一大突破，但該儀器目前的測試結(jié)果尚未明確表現(xiàn)其可靠性，應(yīng)用于研究的案例較少。

現(xiàn)在常用的牙菌斑pH 檢測電極已具備響應(yīng)速度快、測量結(jié)果穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、生物無害性以及響應(yīng)靈敏度高等性能特點，同時這些電極在酸性范圍內(nèi)對pH 值呈線性響應(yīng)，基本滿足應(yīng)用于人體的電極需求。但牙菌斑的位置、結(jié)構(gòu)特殊，牙鄰接點以下等齲易感部位操作空間小，需要體積微小的電極才能實現(xiàn)這些牙菌斑的pH 值檢測。然而，縮小體積的同時也存在著技術(shù)復雜、成本高昂以及電極易損壞的問題，因此牙菌斑pH 檢測電極技術(shù)仍舊未能實現(xiàn)在臨床上的推廣。未來尚需針對這些不足進一步優(yōu)化電極的制備技術(shù)，使牙菌斑pH 值的檢測技術(shù)的應(yīng)用不再僅僅局限于實驗室，也能輔助臨床的齲風險篩查。

2 適用于接觸法檢測牙菌斑pH 值的電極分類及特點

2.1 微型玻璃電極

微型玻璃電極是最早運用到牙菌斑pH 檢測的一種H

響應(yīng)性玻璃電極。目前常用的玻璃微電極基本都是復合微電極，不需要額外的參比電極（圖1）。該電極主要通過玻璃敏感膜中的Na

與溶液中H

進行交換產(chǎn)生電位差，實現(xiàn)對H

的選擇性響應(yīng)?，F(xiàn)有的玻璃微電極線性、敏感性、穩(wěn)定性較好

，但易折斷且響應(yīng)較慢

。由于在操作中易損，該類電極在檢測牙菌斑時主要采用電極埋伏法，而較少應(yīng)用于接觸法

。

從石灰用量對方鉛礦礦漿電位影響的試驗結(jié)果可以得出，隨著石灰用量的增加，無論是采用鐵介質(zhì)磨礦，還是瓷介質(zhì)磨礦，方鉛礦礦漿電位都是逐漸上升，但鐵介質(zhì)磨礦時礦漿電位始終低于瓷介質(zhì)磨礦。這是由于隨著CaO用量的增加，方鉛礦陽離子水解作用強烈，形成羥基絡(luò)合物，如公式(2)所示:

金屬氧化物電極的制作工藝復雜，其襯底材料的制備主要通過成本較高的高溫拉絲技術(shù)實現(xiàn)。氧化膜制備方式則主要包括電化學沉積法

、電化學生長

、濺射沉積法

及熱處理方法

，其中熱處理方法所得電極穩(wěn)定性最好。為提高電極的性能，復合金屬氧化物膜

及復合襯底材料

的制備也成為近年來研究的方向（圖3）。

2.2 金屬氧化物微電極

該類電極主要利用金屬絲表面氧化物對H

的選擇性響應(yīng)產(chǎn)生電位差，從而測量pH 值的大小。以氧化銥微電極為例，氧化銥薄膜對H

的響應(yīng)方程式如下

：

金屬氧化物微電極用于彌補微型玻璃電極的強度不足，自20 世紀40 年代初開始被廣泛使用。該類電極包括氧化銻、氧化鈀和氧化銥電極（圖2）。

離子敏感場效應(yīng)晶體管在檢測時需要充分浸入溶液中

，但在應(yīng)用于接觸法檢測牙菌斑pH時，該電極的敏感膜無法充分接觸菌斑，因此離子敏感場效應(yīng)晶體管往往通過電極埋伏法監(jiān)測牙菌斑pH 值的變化（圖4）。

離子敏感場效應(yīng)晶體管通過不同種類的H

離子敏感膜實現(xiàn)對H

的選擇性。電解液中的H

可以改變敏感膜的電場分布

，從而實現(xiàn)pH 的測定。由于敏感膜可以替換，該電極也可應(yīng)用于菌斑中的Na

、K

、Ca

等離子，以及蛋白質(zhì)

、DNA

等生物大分子的濃度測定。因此，離子敏感場效應(yīng)晶體管在各個醫(yī)學領(lǐng)域的推廣潛力都極大。

近幾年的研究表明，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，電極表面氧化膜的均勻性及穩(wěn)定性可直接影響到該氧化膜與溶液中氫離子的反應(yīng)速度、反應(yīng)程度

?，F(xiàn)有研究主要致力于制備更加均勻穩(wěn)定的氧化膜

，以取得更加優(yōu)良的電極的性能。

由于銻電極會影響到牙菌斑中微生物的正常生長，自氧化鈀電極出現(xiàn)后其使用已逐漸減少

。氧化鈀微電極靈敏度高、其測試結(jié)果不易受干擾，約10 s 左右可響應(yīng)穩(wěn)定

。由于氧化銥電極的強度最佳，齲風險檢測結(jié)果可靠，近幾年的相關(guān)研究最多。氧化膜均勻的氧化銥電極具有響應(yīng)較快、線性優(yōu)良、漂移較小、性能穩(wěn)定、結(jié)果精度優(yōu)良等優(yōu)點

。同時銥電極在血液pH 值

、神經(jīng)電位

測量的領(lǐng)域也表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

這類電極可以兼顧體積、強度及性能，在齲風險檢測技術(shù)的臨床發(fā)展中最具有應(yīng)用潛力，是近年來研究及發(fā)展較為迅速的電極種類。3 種電極中，氧化鈀微電極技術(shù)最成熟，氧化銥微電極則成為近年來最受歡迎的金屬氧化物電極

。雖然該類電極壽命及強度優(yōu)于微型玻璃電極，但額外需要使用參比電極，以及表面氧化膜易脫落的問題仍局限了該電極的臨床推廣。因此，金屬氧化物電極仍需實現(xiàn)微型復合電極的制備，并增加其氧化膜的結(jié)合力。

現(xiàn)有的工藝可實現(xiàn)微米至納米級的玻璃微電極制備，該電極在心肌

、神經(jīng)

等的電位測量方面應(yīng)用較多。但尺寸減小也使電極壽命縮短，許多玻璃微電極只能使用1 次，成本較高，限制了其臨床應(yīng)用。由于其技術(shù)相對成熟，目前僅在對pH值精度有較高需求的實驗中會有一定的應(yīng)用?，F(xiàn)有研究通過調(diào)整敏感膜中的成分

對傳統(tǒng)玻璃膜的強度及靈敏性進行改善，也有研究制備材料修飾的玻璃電極

，實現(xiàn)對其性能的改良。

4～7月不同土層土壤溫度逐漸升高，5 cm土層深度溫度達到30 ℃以上，25 cm土層溫度在20 ℃以上，隨著土層深度的增加，土壤溫度呈下降趨勢。5～15 cm土層行間土壤溫度明顯高于株間溫度，20～25 cm行間與株間土壤溫度差異較?。?月5 cm土層間作小麥土壤最高溫度達到49. 5 ℃，25 cm土層溫度達到30℃，高于行間清耕和自然生草，直接影響蘋果樹根系生長和成活率。

已有關(guān)于研究農(nóng)業(yè)機械化水平評價指標的文獻中，主要考察的指標是農(nóng)業(yè)機械化程度[3-4]。由于我國畜牧業(yè)機械化統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺失，本文畜牧業(yè)機械化水平也通過畜牧機械在畜牧生產(chǎn)過程中的應(yīng)用程度來反映，因此擬通過加權(quán)各家畜種類在畜牧生產(chǎn)過程中的主要關(guān)鍵環(huán)節(jié)的機械化應(yīng)用程度來計算其機械化水平。

3 其他非接觸法檢測牙菌斑pH 值的電極及技術(shù)

3.1 離子敏感場效應(yīng)晶體管

2｛［IrO

（OH）

·2H

O］

-·2H

｝+2e

+2H

?［Ir

O

（OH）

·3H

O］

·3H

+3H

O

排除標準：患者病例資料不完整；接受手術(shù)的結(jié)腸癌患者為急診患者；患者有腹部手術(shù)史；患者具有家族性多發(fā)性息肉；患者合并有腸梗阻；患者具有潰瘍性結(jié)腸炎；患者合并有其它惡性疾??；患者具有克羅恩病史；對本手術(shù)藥物過敏或者屬于過敏體質(zhì)的患者。

離子敏感場效應(yīng)晶體管響應(yīng)極快，測量值變異系數(shù)及漂移程度小

。除此之外，離子敏感場效應(yīng)晶體管的體積小、可批量制作，其參比電極也集成于同一芯片上，無需額外使用參比電極。這些優(yōu)勢使離子敏感場效應(yīng)晶體管成為了菌斑pH 值持續(xù)監(jiān)測理想的生物傳感器。

離子敏感場效應(yīng)晶體管目前只能通過埋伏電極法應(yīng)用于牙面pH 檢測。雖然這種監(jiān)測方式可以靈敏地監(jiān)測到牙菌斑pH 值波動的數(shù)據(jù)，但是只能監(jiān)測單一點位的pH 值，無法在臨床上實現(xiàn)對患者全口各個位點的齲風險篩查，因此其臨床的推廣仍需電極結(jié)構(gòu)及用法的改良。

本欄目主要刊載有關(guān)社區(qū)醫(yī)療、預(yù)防、保健、康復、健康教育等方面的學術(shù)理論、實踐經(jīng)驗、科研成果及學術(shù)動態(tài)等。按不同的論文格式和內(nèi)容分為論著、健康管理、醫(yī)療實踐、綜述等子欄目。

3.2 牙科pH 光學儀

Sharma 等

制備的牙科pH 光學儀采用對人體無害的FL 溶液作為染料。該染料中的離子在不同pH 值下發(fā)射光譜的不同，可以實現(xiàn)對牙菌斑pH 值的檢測。該儀器在口內(nèi)無接觸檢測菌斑的pH 值，避免了接觸法對菌斑的破壞，并且該儀器在咬合點和縫隙等區(qū)域也能測得菌斑pH 值（圖5）。牙科pH 光學儀體積小、易操作，可實現(xiàn)多位點測量，值得臨床推廣。但該種儀器尚處于研發(fā)初期，體外測試結(jié)果線性較差，染料保留率不足，仍需長期實驗以確定該電極可靠性及生物安全性。

“秀花，從咱倆認識到現(xiàn)在將近三年了，這么長的時間，我是個什么樣的人，你大概也心里有個數(shù)了。你覺得大哥對你夠意思嗎？”

4 總結(jié)與展望

現(xiàn)有的大部分菌斑pH 檢測電極技術(shù)均存在成本較高、易損壞、工藝復雜等問題，適用于牙菌斑原位pH 檢測的電極技術(shù)仍需進一步探討。用于接觸法實現(xiàn)牙菌斑原位pH 測量的電極中，由于玻璃電極極易損壞，目前金屬氧化物微電極的使用最廣泛；離子敏感場效應(yīng)晶體管微小、靈敏、穩(wěn)定，適用于埋伏電極法，被應(yīng)用于遙感監(jiān)測單一位點的牙菌斑pH 值變化。牙科pH 光學儀作為近年來新誕生的無接觸牙菌斑pH 檢測技術(shù)，在牙菌斑原位pH 檢測中應(yīng)用前景廣。未來牙菌斑pH 檢測電極技術(shù)的主要發(fā)展方向包括：進一步提升檢測電極的性能，使其微小、耐用、靈敏、穩(wěn)定；改善牙菌斑pH 檢測的操作方式，使其更加便捷、數(shù)據(jù)化；進一步開發(fā)全新的無接觸檢測技術(shù)；另外，現(xiàn)有電極普遍存在的工藝復雜、成本高的問題仍需克服。

Che HL wrote the article. Hu SM， Lin S，Wang X and Huang YY collected the references and revised the article.Yin W reviewed the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

[1]李雨含，李嘉鑫，張詩銘，等.變異鏈球菌噬菌體在齲病防治中的研究進展[J]. 口腔疾病防治， 2021， 29(3): 184-188. doi:10.12016/j.issn.2096-1456.2021.03.007.Li YH， Li JX， Zhang SM， et al. Research progress on Streptococcus mutans phages in the prevention of dental caries[J]. J Prev Treat Stomatol Dis， 2021， 29(3): 184 - 188. doi: 10.12016/j.issn.2096-1456.2021.03.007.

[2]Xiao J，Hara AT，Kim D，et al.Biofilm three-dimensional architecture influences in situ pH distribution pattern on the human enamel surface[J]. Int J Oral Sci， 2017， 9(2): 74-79. doi: 10.1038/ijos.2017.8.

[3]Joshi VS， Sheet PS， Cullin N， et al. Real-Time metabolic interactions between two bacterial species using a carbon-based pH microsensor as a scanning electrochemical microscopy probe[J].Anal Chem， 2017， 89(20): 11044-11052. doi: 10.1021/acs.analchem.7b03050.

[4]Garg D， Karuna YM， Srikant N， et al. Evaluation of plaque pH changes following consumption of health drinks by children: a pilot study[J]. J Clin Diagn Res， 2017， 11(5): ZC05-ZC08. doi:10.7860/JCDR/2017/24617.9779.

[5]Wang XL， Cheng CY， Ge CL， et al. Urea rinse effectively neutralises sucrose-induced decrease in plaque pH[J]. Chin J Dent Res，2015，18(3):185-190.

[6]Sharma M， Carson MD， Graham JY， et al. Dental pH Opti-Wand(DpOW): measuring oral acidity to guide enamel preservation[J].Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc， 2018: 3738-3741. doi:10.1109/EMBC.2018.8513280.

[7]Nishio Y， Furukawa M， Tateishi I， et al. Development and evaluation of responsive glass for pH electrodes capable of taking measurments from samples as small as 50 μL[J]. Bunseki Kagaku，2019，68(2):103-108.

[8]Smit A， Pollard M， Cleaton-Jones P， et al. A comparison of three electrodes for the measurement of pH in small volumes[J]. Caries Res，1997，31(1):55-59.doi:10.1159/000262375.

[9]Barbic M，Moreno A，Harris TD，et al.Detachable glass microelectrodes for recording action potentials in active moving organs[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol， 2017， 312(6): H1248-H1259.doi:10.1152/ajpheart.00741.2016.

[10] Lau PY， Katona L， Saghy P， et al. Long-term plasticity in identified hippocampal GABAergic interneurons in the CA1 area

[J]. Brain Struct Funct， 2017， 222(4): 1809-1827. doi: 10.1007/s00429-016-1309-7.

[11] Sha R，Komori K，Badhulika S.Amperometric pH sensor based on graphene-polyaniline composite[J]. IEEE Sens J， 2017， 17(16):5038-5043.doi:10.1109/JSEN.2017.2720634.

[12] Wang P， Guo T， Zhao T， et al. Effect of oxidization temperatures and aging on performance of carbonate melt oxidized Iridium oxide pH electrode[J]. Sensors (Basel)， 2019， 19(21): 4756. doi:10.3390/s19214756.

[13] Zhengwen Zhou et al. pH electrodes based on iridium oxide films for marine monitoring[J]. Trends Environ Anal Chem， 2020， 2020:e00083.doi:10.1016/j.teac.2020.e00083.

[14] Qin Y， Alam AU， Pan S， et al. Low-temperature solution processing of Palladium/Palladium oxide films and their pH sensing performance[J]. Talanta， 2016， 146: 517-524. doi: 10.1016/j.talanta.2015.08.062.

[15] Chaisiwamongkhol K， Batchelor-Mcauley C， Compton RG. Optimising amperometric pH sensing in blood samples: an iridium oxide electrode for blood pH sensing[J].Analyst，2019，144(4):1386-1393.doi:10.1039/c8an02238k.

[16] Cork SC，Eftekhar A，Mirza KB，et al.Extracellular pH monitoring for use in closed-loop vagus nerve stimulation[J]. J Neural Eng，2018，15(1):016001.doi:10.1088/1741-2552/aa8239.

[17] Zhu ZJ， Liu XY， Ye ZN， et al. A fabrication of Iridium oxide film pH micro-sensor on Pt ultramicroelectrode and its application on in-situ pH distribution of 316L stainless steel corrosion at open circuit potential[J]. Sens Actuators B Chemdoi: 10.1016/j.snb，2017(255):1974-1982.

[18] Zhang X， Ye Y， Kan YT， et al. A new electroplated Ir/Ir(OH)xpH electrode and its application in the coastal areas of Newport Harbor， California[J]. Acta Oceanologica Sinica， 2017， 36(5): 99-104.doi:10.1007/s13131-017-1064-5.

[19] Huang F，Wan Z，Jin Y，et al.The effects of cyclic isothermal oxidation on Ir/IrO pH electrode and a method to correct the potential drift of metal oxide electrode[J]. J Electrochem Soc， 2017， 164(13):B632-B640.

[20] Jovic M，Hidalgo-Acosta JC，Lesch A，et al.Large-scale layer-bylayer inkjet printing of flexible iridium-oxide based pH sensors[J].J Electroanal Chem， 2017 (819): 384-390. doi: 10.1016/j.jelechem.2017.11.032.

[21] Zea M， Moya A， Fritsch M， et al. Enhanced performance stability of iridium oxide-based pH sensors fabricated on rough inkjet-printed platinum[J]. ACS Appl Mater Interfaces， 2019， 11(16): 15160-15169.doi:10.1021/acsami.9b03085.

[22] Alam AU，Qin Y，Nambiar S，et al.Polymers and organic materialsbased pH sensors for healthcare applications[J]. Progress Mater Sci，2018，96(3):174-216.doi:10.1016/j.pmatsci.2018.03.008.

[23] Briggs EM，Sandoval S，Erten A，et al.Solid state sensor for simultaneous measurement of total alkalinity and pH of seawater[J].ACS Sens， 2017， 2(9): 1302 - 1309. doi: 10.1021/acssensors.7b00305.

[24] Ma S， Li X， Lee YK， et al. Direct label-free protein detection in high Ionic strength solution and human plasma using dual-gate nanoribbon-based ion-sensitive field-effect transistor biosensor[J].Biosens Bioelectron， 2018， 117: 276 - 282. doi: 10.1016/j.bios.2018.05.061.

[25] Imaizumi Y， Goda T， Schaffhauser DF， et al. Proton-sensing transistor systems for detecting ion leakage from plasma membranes under chemical stimuli[J].Acta Biomater， 2017，50:502-509.doi:10.1016/j.actbio.2016.12.018.