在細胞培養、微生物發酵和生物過程開發中，氧氣、pH 和二氧化碳是影響細胞生長狀態、代謝活性和產物質量的重要參數。培養過程中，這些參數往往會隨細胞密度、營養消耗、代謝產物積累以及氣體交換條件的變化而持續波動。若只能依賴間斷取樣檢測，不僅難以及時捕捉培養過程中的動態變化，還可能帶來取樣污染、培養體系擾動和數據滯后的問題。

隨著生物工藝向精細化、過程化和數據化方向發展，在線監測技術在培養過程優化中的價值日益突出。其中，基于光學傳感原理的 O?/pH/CO? 監測方案，因其可實現非侵入式、連續化和小型化檢測，正在被越來越多地應用于細胞培養、微流控、生物反應器和呼吸代謝研究等場景。PreSens 產品線覆蓋氧氣、pH 和二氧化碳的光學傳感探頭、儀表和完整系統，可用于多種在線監測應用。

傳統取樣檢測的局限

在常規培養實驗中，研究人員通常通過定時取樣來檢測培養液中的溶氧、pH 或代謝相關指標。這種方式雖然操作直觀，但存在幾個明顯不足。

首先，取樣檢測得到的是離散時間點數據，難以反映培養體系在兩個取樣點之間的真實變化過程。其次，對于密閉培養瓶、微流控芯片、小體積反應器或厭氧/低氧實驗體系，頻繁取樣可能破壞原有環境，影響實驗結果的穩定性。此外，對于細胞培養和無菌工藝而言，開蓋或穿刺取樣也會增加污染風險。

因此，在不破壞培養體系的前提下，對關鍵參數進行連續監測，是細胞培養過程優化和工藝放大中的重要需求。

光學傳感技術的優勢

光學 O?/pH/CO? 傳感技術通常由傳感材料、光纖探頭或讀數單元以及數據采集軟件組成。傳感器可根據應用場景設計為傳感貼片、浸入式探頭、流通池或微型傳感器等形式。其中，非侵入式傳感貼片可預先集成在透明培養容器、反應器或流通池內壁，讀數設備從容器外部通過光纖讀取信號，從而避免直接接觸樣品。

這種檢測方式具有幾個突出特點：一是無需頻繁取樣，可降低污染風險；二是可連續記錄參數變化，獲得更完整的培養過程數據；三是傳感器形式靈活，可適配培養瓶、反應器、流通管路和微流控芯片等不同體系；四是適合小體積或密閉體系中的過程監測。

對于細胞培養而言，O? 可反映細胞耗氧與氣體供應狀態，pH 可反映培養基緩沖能力和代謝酸化情況，CO? 則與培養箱氣氛、碳酸氫鹽緩沖體系以及細胞代謝環境密切相關。三者結合監測，有助于更全面地理解培養體系中的微環境變化。

O? 在線監測：以 PreSens OXY-1 SMA 為例

在氧氣監測方面，德國 PreSens OXY-1 SMA 是一款緊湊型光纖氧氣測量儀，可連接 PSt3 型氧傳感器，包括非侵入式氧傳感貼片、浸入式氧探頭和流通池等。其測量范圍為 0–100% oxygen，PSt3 傳感器對應的溶解氧檢測限為 15 ppb dissolved oxygen；設備采用 USB 供電，并可通過 PreSens Measurement Studio 2 軟件進行控制。

在細胞培養實驗中，OXY-1 SMA 可與集成在透明培養容器內壁的氧傳感貼片配合使用，從容器外部讀取氧信號，實現非侵入式連續監測。對于微生物耗氧、細胞呼吸代謝、小型生物反應器、灌流系統和流通檢測等實驗場景，也可根據需求選擇浸入式探頭或流通池配置。

與傳統電化學氧電極相比，光學氧傳感方案不依賴氧氣消耗型反應，適合用于小體積樣品、密閉體系和連續過程記錄。對于研究人員而言，它不僅能夠獲得單點檢測結果，還可以觀察培養過程中氧氣濃度隨時間變化的趨勢，從而輔助判斷細胞生長狀態、供氧能力和培養條件是否穩定。

pH 與 CO? 在線監測的擴展應用

除了氧氣監測外，pH 與 CO? 也是細胞培養過程中需要重點關注的參數。PreSens 的光學 pH 傳感器測量范圍覆蓋 5.5–8.5 pH，適用于培養監測和生理相關應用。 對于需要同步監測 O?、pH 和 CO? 的應用，PreSens 也提供多參數儀表方案，例如 MCR-O1P1C1，其包含氧氣、pH 和 CO? 三個通道，量程分別為 0–100% O?、5.5–8.5 pH 和 1–25% CO?，并可配合非侵入式傳感器、浸入式探頭和流通池使用。

在實際應用中，用戶可根據實驗目的選擇單參數或多參數配置。若重點關注培養體系耗氧、低氧控制或溶氧變化，可優先選擇 O? 監測方案；若需要同時分析細胞代謝、培養基酸化和氣體環境變化，則可進一步擴展至 O?/pH/CO? 多參數在線監測。

軟件與數據記錄

在線監測的價值不僅在于實時讀數，更在于長期數據記錄和后續分析。PreSens Measurement Studio 2 軟件可用于控制多臺 PreSens 設備，并支持氧氣、pH 和 CO? 多參數測量；同時可進行數據管理，并將測量文件導出為 CSV 或 XLSX 格式，便于后續數據處理和實驗報告整理。

對于細胞培養實驗來說，連續記錄 O?、pH 和 CO? 曲線，可以幫助研究人員分析培養條件變化與細胞狀態之間的關系。例如，在培養過程中觀察到氧氣持續下降，可能提示細胞耗氧增強或供氧不足；pH 緩慢降低可能與代謝產物積累相關；CO? 水平變化則可能影響培養基緩沖體系和細胞微環境穩定性。

典型應用場景

非侵入式光學傳感技術可應用于多種細胞培養和生物過程研究場景，包括：

細胞培養瓶、培養袋和小型反應器中的溶氧監測；微生物呼吸代謝與耗氧速率研究；灌流系統和流通管路中的氧氣變化檢測；微流控芯片和微型培養體系中的 O?/pH/CO? 監測；生物反應器過程開發中的多參數在線記錄；以及培養條件優化、工藝放大前研究和質量一致性評估等。

對于科研實驗室和工藝開發團隊而言，該類系統能夠在不明顯干擾培養體系的情況下，提供更加連續、直觀和可追溯的數據支持。

結語

細胞培養過程中的 O?、pH 和 CO? 變化直接關系到細胞微環境、代謝狀態和實驗結果穩定性。相比傳統取樣檢測，非侵入式光學傳感技術能夠在減少污染風險和樣品擾動的同時，實現關鍵參數的連續在線監測。

以 PreSens OXY-1 SMA 為代表的光纖氧氣測量儀，可為培養體系中的氧氣監測提供靈活、緊湊的解決方案；結合 PreSens 的 pH、CO? 傳感器及多參數儀表系統，還可進一步構建面向細胞培養、生物反應器和微流控應用的 O?/pH/CO? 在線監測平臺，為生物過程研究和培養條件優化提供可靠的數據基礎。