在細(xì)胞培養(yǎng)、生物制藥和生物過(guò)程開(kāi)發(fā)中，氧氣、pH 和 CO? 是影響細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝狀態(tài)、產(chǎn)物質(zhì)量和過(guò)程穩(wěn)定性的重要參數(shù)。傳統(tǒng)取樣檢測(cè)方式雖然能夠獲得階段性數(shù)據(jù)，但往往存在取樣頻率有限、操作干擾較大、污染風(fēng)險(xiǎn)增加和動(dòng)態(tài)過(guò)程信息不足等問(wèn)題。光學(xué)化學(xué)傳感技術(shù)通過(guò)熒光或相位信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)，可用于培養(yǎng)體系中的在線監(jiān)測(cè)、非侵入式測(cè)量和小體積樣品分析。本文圍繞光學(xué)氧氣、pH 和 CO? 傳感器的測(cè)量特點(diǎn)、常見(jiàn)形式及其在細(xì)胞培養(yǎng)和生物過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品選型提供參考。

一、細(xì)胞培養(yǎng)為什么需要在線監(jiān)測(cè)氧氣、pH和CO?

在細(xì)胞培養(yǎng)和生物反應(yīng)過(guò)程中，培養(yǎng)體系并不是靜態(tài)環(huán)境。細(xì)胞增殖、代謝產(chǎn)物累積、氣體交換、培養(yǎng)基緩沖能力變化以及攪拌和通氣條件都會(huì)影響體系中的氧氣、pH 和 CO? 水平。

其中，溶解氧可以反映培養(yǎng)體系的供氧能力和細(xì)胞耗氧狀態(tài)；pH 與培養(yǎng)基緩沖體系、代謝產(chǎn)物積累和細(xì)胞生理狀態(tài)密切相關(guān)；CO? 則與培養(yǎng)環(huán)境、碳酸氫鹽緩沖體系和氣液平衡有關(guān)。對(duì)于哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)、微生物發(fā)酵、組織工程、類器官培養(yǎng)和生物制藥過(guò)程開(kāi)發(fā)而言，這些參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)有助于更及時(shí)地判斷培養(yǎng)狀態(tài)。

傳統(tǒng)檢測(cè)方式通常依賴取樣后離線分析，適合常規(guī)質(zhì)量控制，但對(duì)于快速變化或小體積培養(yǎng)體系，離線取樣可能無(wú)法反映真實(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程。同時(shí)，頻繁取樣還可能帶來(lái)污染風(fēng)險(xiǎn)、樣品損耗和操作誤差。因此，在線、連續(xù)、低擾動(dòng)的傳感檢測(cè)方式在生命科學(xué)和生物過(guò)程領(lǐng)域具有較高應(yīng)用價(jià)值。

二、光學(xué)傳感器的基本特點(diǎn)

光學(xué)氧氣、pH 和 CO? 傳感器通常通過(guò)光學(xué)信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。傳感膜或傳感端與被測(cè)體系接觸后，其熒光強(qiáng)度、熒光壽命或相位信號(hào)會(huì)隨目標(biāo)參數(shù)變化而改變，讀數(shù)儀通過(guò)光纖或光學(xué)窗口讀取信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的氧氣濃度、pH 或 CO? 參數(shù)。

與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器相比，光學(xué)傳感器具有以下特點(diǎn)：

1. 可實(shí)現(xiàn)非侵入式測(cè)量

對(duì)于透明培養(yǎng)容器，傳感貼片可安裝在容器內(nèi)壁，光纖探頭從容器外部讀取信號(hào)。測(cè)量過(guò)程中無(wú)需打開(kāi)容器，也不需要反復(fù)取樣，適合無(wú)菌培養(yǎng)、封閉培養(yǎng)和長(zhǎng)期過(guò)程監(jiān)測(cè)。

2. 適合小體積樣品

在微孔板、微流控芯片、小型培養(yǎng)容器或微反應(yīng)體系中，傳統(tǒng)電極往往尺寸較大，容易擾動(dòng)樣品。微型光學(xué)傳感器和傳感貼片可用于較小體積體系中的參數(shù)檢測(cè)，減少對(duì)培養(yǎng)環(huán)境的影響。

3. 可用于多參數(shù)組合監(jiān)測(cè)

在細(xì)胞培養(yǎng)和生物過(guò)程研究中，單一參數(shù)往往不足以完整評(píng)價(jià)體系狀態(tài)。氧氣、pH 和 CO? 的聯(lián)合監(jiān)測(cè)能夠幫助用戶更全面地分析細(xì)胞代謝、培養(yǎng)穩(wěn)定性和過(guò)程變化趨勢(shì)。

4. 維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)便

部分光學(xué)傳感器不需要傳統(tǒng) pH 電極中的參比電極或電解液維護(hù)，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、封閉體系和一次性容器應(yīng)用中更加方便。

三、常見(jiàn)光學(xué)傳感器形式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)體系和安裝方式不同，光學(xué)傳感器通?？煞譃閭鞲匈N片、浸入式探頭、流通池、針式微傳感器和剖面測(cè)量微傳感器等形式。

1. 非侵入式傳感貼片

非侵入式傳感貼片適合安裝在透明培養(yǎng)瓶、搖瓶、培養(yǎng)袋、生物反應(yīng)器或定制容器內(nèi)壁。測(cè)量時(shí)，光纖探頭從容器外部對(duì)準(zhǔn)傳感貼片讀取信號(hào)。

這種方式適合細(xì)胞培養(yǎng)、搖瓶培養(yǎng)、一次性容器和封閉體系。其主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)需開(kāi)蓋、無(wú)需取樣，可減少污染風(fēng)險(xiǎn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)記錄。

2. 浸入式探頭

浸入式探頭適合直接插入液體樣品、培養(yǎng)體系或過(guò)程液體中進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于開(kāi)放式液體體系、實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)容器和過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，浸入式探頭具有安裝直觀、操作方便的特點(diǎn)。

3. 流通池

流通池適合與灌流系統(tǒng)、旁路循環(huán)系統(tǒng)或連續(xù)流體裝置連接，用于在線檢測(cè)流體中的氧氣、pH 或 CO?。對(duì)于生物反應(yīng)器、微流控系統(tǒng)和過(guò)程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)，流通池可以在不直接打開(kāi)主反應(yīng)體系的情況下獲得連續(xù)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4. 針式微傳感器

針式微傳感器適合穿刺組織、隔膜、包裝材料或小體積樣品后進(jìn)行局部檢測(cè)。該類傳感器通常帶有保護(hù)性針體結(jié)構(gòu)，穿刺定位后可伸出微型傳感端進(jìn)行測(cè)量，適合組織樣品、食品包裝和微環(huán)境研究。

5. 剖面測(cè)量微傳感器

剖面測(cè)量微傳感器適合沉積物、生物膜、微生物墊、凝膠和組織構(gòu)建體等半固體樣品。配合微操縱器使用時(shí)，可在不同深度位置逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，從而獲得氧氣或 pH 的空間梯度信息。

四、在細(xì)胞培養(yǎng)中的應(yīng)用

細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中，溶解氧、pH 和 CO? 的變化能夠反映培養(yǎng)體系的狀態(tài)。以哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)為例，細(xì)胞耗氧速率、培養(yǎng)基酸化、CO? 平衡和緩沖體系變化都會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝。

使用光學(xué)傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可以幫助實(shí)驗(yàn)人員觀察培養(yǎng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化。例如，在培養(yǎng)瓶或搖瓶中集成氧氣和 pH 傳感貼片，可連續(xù)記錄培養(yǎng)過(guò)程中的氧氣消耗和 pH 變化；在微孔板或小體積培養(yǎng)體系中，可通過(guò)微型傳感器或傳感貼片監(jiān)測(cè)局部參數(shù)；在灌流培養(yǎng)或旁路循環(huán)系統(tǒng)中，可通過(guò)流通池實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)工藝開(kāi)發(fā)而言，在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有助于比較不同培養(yǎng)條件、接種密度、培養(yǎng)基配方、通氣方式和攪拌條件對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的影響，從而為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

五、在生物制藥和生物過(guò)程開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

生物制藥和生物過(guò)程開(kāi)發(fā)通常關(guān)注培養(yǎng)穩(wěn)定性、過(guò)程可控性和產(chǎn)物質(zhì)量。氧氣、pH 和 CO? 是過(guò)程監(jiān)測(cè)中的重要參數(shù)，尤其是在細(xì)胞培養(yǎng)、微生物發(fā)酵、蛋白表達(dá)、抗體生產(chǎn)和一次性生物反應(yīng)器應(yīng)用中。

光學(xué)傳感器可用于以下場(chǎng)景：

第一，在線監(jiān)測(cè)培養(yǎng)體系中的溶解氧變化，用于判斷供氧是否充分以及細(xì)胞耗氧狀態(tài)是否發(fā)生改變。

第二，監(jiān)測(cè) pH 變化，用于評(píng)估培養(yǎng)基緩沖能力、代謝產(chǎn)物積累和過(guò)程控制效果。

第三，監(jiān)測(cè) CO? 變化，用于分析氣體交換、培養(yǎng)環(huán)境和細(xì)胞代謝狀態(tài)。

第四，在一次性培養(yǎng)容器或培養(yǎng)袋中集成傳感器，實(shí)現(xiàn)低污染風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程監(jiān)測(cè)。

第五，在小型反應(yīng)器、搖瓶或微流控裝置中進(jìn)行過(guò)程開(kāi)發(fā)和條件篩選。

通過(guò)連續(xù)記錄關(guān)鍵參數(shù)，用戶可以更早發(fā)現(xiàn)過(guò)程異常，并為放大實(shí)驗(yàn)、工藝調(diào)整和質(zhì)量控制提供參考。

六、在食品包裝和環(huán)境分析中的應(yīng)用延伸

除了細(xì)胞培養(yǎng)和生物制藥，光學(xué)氧氣和 pH 傳感器還可用于食品包裝、環(huán)境分析和生態(tài)研究。

在食品包裝領(lǐng)域，氧氣濃度與包裝密封性、食品氧化、保鮮效果和貨架期評(píng)價(jià)密切相關(guān)。通過(guò)非侵入式氧氣傳感貼片或針式微傳感器，可對(duì)包裝內(nèi)部氧氣變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在環(huán)境分析領(lǐng)域，沉積物、生物膜和微生物墊內(nèi)部常存在明顯的氧氣和 pH 梯度。剖面測(cè)量微傳感器可用于不同深度位置的逐點(diǎn)測(cè)量，幫助研究微生物活動(dòng)、物質(zhì)傳遞和局部化學(xué)環(huán)境變化。

這些應(yīng)用說(shuō)明，光學(xué)傳感技術(shù)不僅適用于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)體系，也適合食品、環(huán)境和材料相關(guān)研究中的參數(shù)檢測(cè)。

七、PreSens光學(xué)傳感器的選型思路

德國(guó) PreSens 提供多種光學(xué)氧氣、pH 和 CO? 傳感器形式，用戶在選型時(shí)可先明確以下問(wèn)題：

1. 檢測(cè)參數(shù)是什么？

如果關(guān)注供氧和耗氧狀態(tài)，可選擇氧氣傳感器；如果關(guān)注酸堿變化，可選擇 pH 傳感器；如果關(guān)注氣液平衡、培養(yǎng)環(huán)境或碳酸鹽緩沖體系，可選擇 CO? 傳感器。對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)和生物過(guò)程開(kāi)發(fā)，也可根據(jù)需要組合 O?、pH 和 CO? 多參數(shù)檢測(cè)。

2. 樣品形態(tài)是什么？

透明容器內(nèi)的液體體系適合傳感貼片；開(kāi)放液體或反應(yīng)容器適合浸入式探頭；連續(xù)流體系統(tǒng)適合流通池；組織、包裝材料或隔膜適合針式微傳感器；沉積物、生物膜和凝膠樣品適合剖面測(cè)量微傳感器。

3. 是否需要非侵入式測(cè)量？

如果樣品需要保持無(wú)菌、封閉或不便頻繁取樣，可優(yōu)先考慮非侵入式傳感貼片。該方式適合培養(yǎng)瓶、搖瓶、一次性容器和透明反應(yīng)器。

4. 是否需要微區(qū)或深度剖面數(shù)據(jù)？

如果研究重點(diǎn)是組織內(nèi)部、生物膜內(nèi)部或沉積物不同深度的參數(shù)分布，應(yīng)考慮微型傳感器和微操縱器組合方案。

5. 是否需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)？

對(duì)于長(zhǎng)期培養(yǎng)、過(guò)程開(kāi)發(fā)或連續(xù)流體檢測(cè)，需要關(guān)注傳感器穩(wěn)定性、校準(zhǔn)方式、讀數(shù)頻率、安裝方式和維護(hù)便利性。

八、曦源科學(xué)儀器可提供的支持

曦源科學(xué)儀器（上海）有限公司面向高校科研、生物制藥、食品和環(huán)境分析等領(lǐng)域用戶，可提供德國(guó) PreSens 光學(xué)傳感器相關(guān)產(chǎn)品的選型咨詢、配置建議、技術(shù)溝通和應(yīng)用支持。

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