在細胞培養、生物制藥和生物過程開發中，氧氣、pH 和 CO? 是影響細胞生長、代謝狀態、產物質量和過程穩定性的重要參數。傳統取樣檢測方式雖然能夠獲得階段性數據，但往往存在取樣頻率有限、操作干擾較大、污染風險增加和動態過程信息不足等問題。光學化學傳感技術通過熒光或相位信號變化實現參數檢測，可用于培養體系中的在線監測、非侵入式測量和小體積樣品分析。本文圍繞光學氧氣、pH 和 CO? 傳感器的測量特點、常見形式及其在細胞培養和生物過程監測中的應用進行介紹，為相關實驗和產品選型提供參考。

一、細胞培養為什么需要在線監測氧氣、pH和CO?

在細胞培養和生物反應過程中，培養體系并不是靜態環境。細胞增殖、代謝產物累積、氣體交換、培養基緩沖能力變化以及攪拌和通氣條件都會影響體系中的氧氣、pH 和 CO? 水平。

其中，溶解氧可以反映培養體系的供氧能力和細胞耗氧狀態；pH 與培養基緩沖體系、代謝產物積累和細胞生理狀態密切相關；CO? 則與培養環境、碳酸氫鹽緩沖體系和氣液平衡有關。對于哺乳動物細胞培養、微生物發酵、組織工程、類器官培養和生物制藥過程開發而言，這些參數的連續監測有助于更及時地判斷培養狀態。

傳統檢測方式通常依賴取樣后離線分析，適合常規質量控制，但對于快速變化或小體積培養體系，離線取樣可能無法反映真實動態過程。同時，頻繁取樣還可能帶來污染風險、樣品損耗和操作誤差。因此，在線、連續、低擾動的傳感檢測方式在生命科學和生物過程領域具有較高應用價值。

二、光學傳感器的基本特點

光學氧氣、pH 和 CO? 傳感器通常通過光學信號變化實現檢測。傳感膜或傳感端與被測體系接觸后，其熒光強度、熒光壽命或相位信號會隨目標參數變化而改變，讀數儀通過光纖或光學窗口讀取信號，并轉換為對應的氧氣濃度、pH 或 CO? 參數。

與傳統電化學傳感器相比，光學傳感器具有以下特點：

1. 可實現非侵入式測量

對于透明培養容器，傳感貼片可安裝在容器內壁，光纖探頭從容器外部讀取信號。測量過程中無需打開容器，也不需要反復取樣，適合無菌培養、封閉培養和長期過程監測。

2. 適合小體積樣品

在微孔板、微流控芯片、小型培養容器或微反應體系中，傳統電極往往尺寸較大，容易擾動樣品。微型光學傳感器和傳感貼片可用于較小體積體系中的參數檢測，減少對培養環境的影響。

3. 可用于多參數組合監測

在細胞培養和生物過程研究中，單一參數往往不足以完整評價體系狀態。氧氣、pH 和 CO? 的聯合監測能夠幫助用戶更全面地分析細胞代謝、培養穩定性和過程變化趨勢。

4. 維護相對簡便

部分光學傳感器不需要傳統 pH 電極中的參比電極或電解液維護，在長期監測、封閉體系和一次性容器應用中更加方便。

三、常見光學傳感器形式

根據實驗體系和安裝方式不同，光學傳感器通常可分為傳感貼片、浸入式探頭、流通池、針式微傳感器和剖面測量微傳感器等形式。

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瓶、搖瓶、培養袋、生物反應器或定制容器內壁。測量時，光纖探頭從容器外部對準傳感貼片讀取信號。

這種方式適合細胞培養、搖瓶培養、一次性容器和封閉體系。其主要優勢是無需開蓋、無需取樣，可減少污染風險，并能夠實現連續數據記錄。

2. 浸入式探頭

浸入式探頭適合直接插入液體樣品、培養體系或過程液體中進行檢測。對于開放式液體體系、實驗室反應容器和過程監測系統，浸入式探頭具有安裝直觀、操作方便的特點。

3. 流通池

流通池適合與灌流系統、旁路循環系統或連續流體裝置連接，用于在線檢測流體中的氧氣、pH 或 CO?。對于生物反應器、微流控系統和過程開發實驗，流通池可以在不直接打開主反應體系的情況下獲得連續檢測數據。

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行局部檢測。該類傳感器通常帶有保護性針體結構，穿刺定位后可伸出微型傳感端進行測量，適合組織樣品、食品包裝和微環境研究。

5. 剖面測量微傳感器

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

四、在細胞培養中的應用

細胞培養過程中，溶解氧、pH 和 CO? 的變化能夠反映培養體系的狀態。以哺乳動物細胞培養為例，細胞耗氧速率、培養基酸化、CO? 平衡和緩沖體系變化都會影響細胞生長和代謝。

使用光學傳感器進行在線監測，可以幫助實驗人員觀察培養過程中的動態變化。例如，在培養瓶或搖瓶中集成氧氣和 pH 傳感貼片，可連續記錄培養過程中的氧氣消耗和 pH 變化；在微孔板或小體積培養體系中，可通過微型傳感器或傳感貼片監測局部參數；在灌流培養或旁路循環系統中，可通過流通池實現在線檢測。

對于細胞培養工藝開發而言，在線監測數據有助于比較不同培養條件、接種密度、培養基配方、通氣方式和攪拌條件對細胞狀態的影響，從而為工藝優化提供依據。

五、在生物制藥和生物過程開發中的應用

生物制藥和生物過程開發通常關注培養穩定性、過程可控性和產物質量。氧氣、pH 和 CO? 是過程監測中的重要參數，尤其是在細胞培養、微生物發酵、蛋白表達、抗體生產和一次性生物反應器應用中。

光學傳感器可用于以下場景：

第一，在線監測培養體系中的溶解氧變化，用于判斷供氧是否充分以及細胞耗氧狀態是否發生改變。

第二，監測 pH 變化，用于評估培養基緩沖能力、代謝產物積累和過程控制效果。

第三，監測 CO? 變化，用于分析氣體交換、培養環境和細胞代謝狀態。

第四，在一次性培養容器或培養袋中集成傳感器，實現低污染風險的過程監測。

第五，在小型反應器、搖瓶或微流控裝置中進行過程開發和條件篩選。

通過連續記錄關鍵參數，用戶可以更早發現過程異常，并為放大實驗、工藝調整和質量控制提供參考。

六、在食品包裝和環境分析中的應用延伸

除了細胞培養和生物制藥，光學氧氣和 pH 傳感器還可用于食品包裝、環境分析和生態研究。

在食品包裝領域，氧氣濃度與包裝密封性、食品氧化、保鮮效果和貨架期評價密切相關。通過非侵入式氧氣傳感貼片或針式微傳感器，可對包裝內部氧氣變化進行監測。

在環境分析領域，沉積物、生物膜和微生物墊內部常存在明顯的氧氣和 pH 梯度。剖面測量微傳感器可用于不同深度位置的逐點測量，幫助研究微生物活動、物質傳遞和局部化學環境變化。

這些應用說明，光學傳感技術不僅適用于實驗室培養體系，也適合食品、環境和材料相關研究中的參數檢測。

七、PreSens光學傳感器的選型思路

德國 PreSens 提供多種光學氧氣、pH 和 CO? 傳感器形式，用戶在選型時可先明確以下問題：

1. 檢測參數是什么？

如果關注供氧和耗氧狀態，可選擇氧氣傳感器；如果關注酸堿變化，可選擇 pH 傳感器；如果關注氣液平衡、培養環境或碳酸鹽緩沖體系，可選擇 CO? 傳感器。對于細胞培養和生物過程開發，也可根據需要組合 O?、pH 和 CO? 多參數檢測。

2. 樣品形態是什么？

透明容器內的液體體系適合傳感貼片；開放液體或反應容器適合浸入式探頭；連續流體系統適合流通池；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量微傳感器。

3. 是否需要非侵入式測量？

如果樣品需要保持無菌、封閉或不便頻繁取樣，可優先考慮非侵入式傳感貼片。該方式適合培養瓶、搖瓶、一次性容器和透明反應器。

4. 是否需要微區或深度剖面數據？

如果研究重點是組織內部、生物膜內部或沉積物不同深度的參數分布，應考慮微型傳感器和微操縱器組合方案。

5. 是否需要長期監測？

對于長期培養、過程開發或連續流體檢測，需要關注傳感器穩定性、校準方式、讀數頻率、安裝方式和維護便利性。

八、曦源科學儀器可提供的支持

曦源科學儀器（上海）有限公司面向高校科研、生物制藥、食品和環境分析等領域用戶，可提供德國 PreSens 光學傳感器相關產品的選型咨詢、配置建議、技術溝通和應用支持。

針對不同實驗體系，曦源科學儀器可協助用戶確認檢測參數、樣品類型、測量范圍、安裝方式、讀數儀配置、流通池或微型傳感器方案，并根據實際應用場景提供相應產品資料和溝通支持。

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