PreSens PhoxyCube技術(shù)解析：多孔板O?與pH非侵入式在線監(jiān)測

PhoxyCube是什么設(shè)備？

PhoxyCube是德國PreSens推出的一款多孔板氧氣和pH監(jiān)測系統(tǒng)，主要面向細(xì)胞培養(yǎng)、藥物篩選、毒性評(píng)價(jià)、組織工程及平行呼吸測量等生命科學(xué)應(yīng)用。

與傳統(tǒng)取樣檢測或電化學(xué)探頭不同，PhoxyCube使用帶有集成光學(xué)傳感器的PhoxyPlate。傳感器位于每個(gè)孔的底部，讀數(shù)器從透明孔底進(jìn)行非接觸式讀取，因此不會(huì)在測量過程中插入電極，也不需要反復(fù)打開孔板取樣。

一句話概括其工作方式：

把帶有氧氣或pH傳感器的PhoxyPlate放到PhoxyCube讀數(shù)器上，即可在培養(yǎng)箱內(nèi)連續(xù)記錄每個(gè)孔的O?和pH變化。

為什么需要監(jiān)測多孔板中的O?和pH？

在細(xì)胞和微生物培養(yǎng)過程中，氧氣與pH是反映培養(yǎng)微環(huán)境和細(xì)胞代謝狀態(tài)的重要參數(shù)。

細(xì)胞呼吸會(huì)消耗培養(yǎng)液中的氧氣；糖酵解及其他代謝過程可能引起培養(yǎng)液酸化。如果只在實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)檢測，往往無法判斷變化發(fā)生的具體時(shí)間，也難以發(fā)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的代謝響應(yīng)。

連續(xù)記錄O?和pH動(dòng)力學(xué)可以幫助研究人員：

• 觀察細(xì)胞附著、增殖及代謝變化；

• 比較不同培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基配方；

• 判斷藥物或毒性物質(zhì)對(duì)細(xì)胞呼吸的影響；

• 研究低氧、酸化及代謝應(yīng)激過程；

• 比較不同孔位、重復(fù)組和劑量組之間的差異；

• 減少離線取樣對(duì)培養(yǎng)體系造成的干擾。

因此，PhoxyCube更適合需要“過程數(shù)據(jù)"的實(shí)驗(yàn)，而不僅是獲得某一時(shí)點(diǎn)的終點(diǎn)結(jié)果。

PhoxyCube的檢測原理

PhoxyPlate每個(gè)孔底集成有光學(xué)敏感材料。讀數(shù)器向傳感區(qū)域發(fā)出激發(fā)光，并通過圖像式讀取方式采集各孔傳感器的光學(xué)響應(yīng)。

傳感材料的發(fā)光特性會(huì)隨氧氣濃度或pH發(fā)生變化，軟件再根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的O?或pH數(shù)值。

該方法具有以下特點(diǎn)：

1. 非侵入式測量

   讀數(shù)器從透明孔底讀取信號(hào)，不需要將電極插入樣品，也不需要在培養(yǎng)過程中持續(xù)取樣。

2. 多孔并行檢測

   圖像式讀取能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)孔位，適合24孔板或96孔板實(shí)驗(yàn)。

3. 培養(yǎng)箱內(nèi)連續(xù)監(jiān)測

   PhoxyCube讀數(shù)單元可放置在培養(yǎng)箱內(nèi)，使細(xì)胞在設(shè)定的溫度和氣體環(huán)境中接受連續(xù)監(jiān)測。

4. 實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)顯示

   軟件可以顯示單孔曲線、全部孔位概覽以及重復(fù)組的動(dòng)力學(xué)變化，并通過顏色編碼識(shí)別異常孔位或顯著變化。

PhoxyCube支持哪些PhoxyPlate？

不同PhoxyPlate對(duì)應(yīng)不同的測量參數(shù)和通量。

PhoxyPlate中的傳感器在生產(chǎn)階段已經(jīng)固定于孔底。讀數(shù)器通過透明底部讀取信號(hào)，因此實(shí)驗(yàn)人員不需要自行安裝傳感點(diǎn)。

需要注意的是，PhoxyPlate屬于預(yù)制的即用型耗材。廠家將其定位為一次性使用產(chǎn)品，常用板型可提供β輻照版本，不需要清洗，也不建議通過清洗后重復(fù)使用。

PhoxyCube主要技術(shù)參數(shù)

讀數(shù)單元尺寸約為120 mm×190.4 mm×105.7 mm，重量約1.94 kg。設(shè)備工作環(huán)境為+10～+45 ℃、相對(duì)濕度低于80%且無冷凝。

上述精密度、響應(yīng)時(shí)間和漂移均有相應(yīng)的測試條件。用于具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或技術(shù)協(xié)議時(shí)，應(yīng)同時(shí)注明溫度、樣品體系、校準(zhǔn)方式和采樣間隔。

pH 5.5～8.0是否可以調(diào)整？

不能通過軟件把PhoxyCube的pH量程擴(kuò)展到其他范圍。

pH 5.5～8.0是PhoxyPlate所使用光學(xué)pH傳感材料的規(guī)定測量范圍，不是可由用戶修改的軟件參數(shù)。該范圍主要針對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)、微生物培養(yǎng)及其他接近生理?xiàng)l件的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

需要特別區(qū)分兩個(gè)概念：

• “樣品兼容范圍"反映傳感材料可以接觸何種樣品；

• “pH測量范圍"反映能夠按照規(guī)定性能進(jìn)行定量測量的范圍。

即使產(chǎn)品兼容性資料中提到可接觸pH 2～9的水溶液，也不代表PhoxyCube可以在pH 2～9范圍內(nèi)完成有效的pH定量檢測。

如果實(shí)驗(yàn)可能長期低于pH 5.5或高于pH 8.0，應(yīng)在選型階段考慮其他傳感器或檢測方案。

PhoxyCube典型實(shí)驗(yàn)流程

1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)選擇孔板

需要同時(shí)監(jiān)測O?和pH時(shí)，可選擇PhoxyPlate 24 OP；需要提高氧氣檢測通量時(shí)，可選擇PhoxyPlate 96 O；只關(guān)注pH變化時(shí)，可選擇PhoxyPlate 96 P。

2. 加入培養(yǎng)基并完成平衡

按照實(shí)驗(yàn)方案向孔板中加入培養(yǎng)基或樣品，并在實(shí)際測量溫度和氣體環(huán)境下進(jìn)行充分平衡。溫度、CO?濃度和培養(yǎng)基緩沖體系都會(huì)影響pH平衡過程。

3. 使用批次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)整

PhoxyPlate可提供針對(duì)37 ℃和生理滲透壓緩沖液的批次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。對(duì)于精度要求較高的實(shí)驗(yàn)，廠家建議在實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)整。

需要注意，單點(diǎn)調(diào)整不能擴(kuò)大pH量程，其作用是減小具體實(shí)驗(yàn)條件與批次校準(zhǔn)條件之間的偏差。

4. 將孔板放置在讀數(shù)器上

將PhoxyPlate正確放置在PhoxyCube讀數(shù)器上，并把讀數(shù)單元放入培養(yǎng)箱。電腦及相關(guān)連接組件根據(jù)實(shí)驗(yàn)室布置放置在培養(yǎng)箱外。

5. 設(shè)置孔位和采樣間隔

在PhoxyCube Reader Software中選擇對(duì)應(yīng)板型，設(shè)置實(shí)驗(yàn)名稱、孔位分組、重復(fù)組、測量參數(shù)及采樣間隔。

采樣頻率應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)時(shí)長和變化速度設(shè)置。過短的采樣間隔會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，也可能增加不必要的光學(xué)激發(fā)次數(shù)。

6. 實(shí)時(shí)觀察并導(dǎo)出數(shù)據(jù)

軟件可顯示每個(gè)孔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、孔板整體概覽和分組動(dòng)力學(xué)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)出，用于進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)和繪圖分析。

主要應(yīng)用場景

細(xì)胞培養(yǎng)過程中的O?與pH監(jiān)測

PhoxyPlate 24 OP可在同一個(gè)孔中同時(shí)監(jiān)測氧氣和pH，適合研究細(xì)胞生長、代謝活性、培養(yǎng)基酸化和氧消耗之間的關(guān)系。

這類數(shù)據(jù)可以幫助研究人員判斷細(xì)胞在附著、增殖、穩(wěn)定培養(yǎng)和處理后的不同階段發(fā)生了什么變化。

藥物劑量響應(yīng)與細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)

藥物、毒性物質(zhì)或代謝調(diào)節(jié)劑可能改變線粒體呼吸和糖酵解過程。使用PhoxyPlate 96 O，可同時(shí)記錄96個(gè)孔的氧氣動(dòng)力學(xué)，從而比較不同劑量和重復(fù)組的細(xì)胞呼吸變化。

PreSens公開應(yīng)用案例中，PhoxyCube已用于MDCK II細(xì)胞劑量響應(yīng)研究以及SK-MEL細(xì)胞O?和pH雙參數(shù)監(jiān)測。

組織工程與三維細(xì)胞培養(yǎng)

三維細(xì)胞球、組織支架和工程化組織內(nèi)部容易形成氧擴(kuò)散限制。連續(xù)監(jiān)測培養(yǎng)環(huán)境中的O?和pH，有助于研究低氧、酸化及培養(yǎng)條件對(duì)組織模型的影響。

微生物和呼吸測量

除哺乳動(dòng)物細(xì)胞外，PhoxyCube還可用于微生物培養(yǎng)、種子萌發(fā)、小型水生生物及其他平行呼吸實(shí)驗(yàn)。

一次性耗材需要注意什么？

PhoxyPlate屬于實(shí)驗(yàn)消耗品，而不是可長期循環(huán)使用的普通多孔板。

廠家公開資料將其描述為即用型一次性耗材，并明確列出“不需要清洗，單次使用"。因此，在評(píng)估整體項(xiàng)目成本時(shí)，除讀數(shù)器外，還應(yīng)考慮：

• 每次實(shí)驗(yàn)需要的PhoxyPlate數(shù)量；

• 24孔雙參數(shù)板與96孔單參數(shù)板的選擇；

• 對(duì)照組和重復(fù)組的孔位占用；

• 實(shí)驗(yàn)失敗或預(yù)實(shí)驗(yàn)所需的額外孔板；

• 耗材儲(chǔ)存和有效期管理。

校準(zhǔn)和干擾因素

為了獲得可比較的數(shù)據(jù)，建議重點(diǎn)控制以下因素：

• 測量溫度是否與校準(zhǔn)溫度一致；

• 培養(yǎng)基滲透壓和離子強(qiáng)度是否明顯變化；

• 培養(yǎng)基中是否含有高濃度可見光區(qū)熒光物質(zhì)；

• 是否存在會(huì)影響光學(xué)讀數(shù)的顏色、渾濁或沉淀；

• 孔板是否正確放置并完成溫度平衡；

• 不同實(shí)驗(yàn)是否采用一致的采樣間隔和單點(diǎn)調(diào)整方法。

選型和驗(yàn)證邊界

PhoxyCube主要定位于生命科學(xué)研發(fā)、高通量實(shí)驗(yàn)和培養(yǎng)過程研究。采購前建議確認(rèn)以下問題：

1. 樣品實(shí)際pH是否主要位于5.5～8.0；

2. 需要同時(shí)測量O?和pH，還是只測其中一個(gè)參數(shù)；

3. 需要24孔還是96孔通量；

4. 培養(yǎng)箱內(nèi)部是否有足夠空間及合適的連接路徑；

5. 是否能夠接受PhoxyPlate按一次性耗材使用；

6. 實(shí)驗(yàn)是否存在強(qiáng)熒光、強(qiáng)顏色或高渾濁干擾；

7. 項(xiàng)目是否涉及3Q、IQ/OQ/PQ或其他受控驗(yàn)證要求。

常見問題

PhoxyCube可以同時(shí)測量O?和pH嗎？

可以，但需要使用PhoxyPlate 24 OP。該板的每個(gè)孔底部同時(shí)集成氧氣和pH傳感器。

96孔板可以同時(shí)測O?和pH嗎？

目前96孔PhoxyPlate為單參數(shù)配置，可選擇96孔氧氣板或96孔pH板。需要同一孔同時(shí)測量O?和pH時(shí)，應(yīng)選擇24孔雙參數(shù)板。

PhoxyCube需要從孔板中取樣嗎？

不需要。系統(tǒng)從透明孔底讀取光學(xué)傳感器信號(hào)，可在培養(yǎng)過程中進(jìn)行非侵入式監(jiān)測。

設(shè)備可以放在培養(yǎng)箱里嗎？

可以。PhoxyCube的設(shè)計(jì)用途之一就是在培養(yǎng)箱內(nèi)配合PhoxyPlate進(jìn)行連續(xù)測量，但應(yīng)確認(rèn)培養(yǎng)箱溫度、濕度、空間和連接條件符合設(shè)備要求。

PhoxyPlate可以清洗后重復(fù)使用嗎？

廠家將PhoxyPlate定位為即用型一次性耗材，并明確標(biāo)示不需要清洗。為避免交叉污染、傳感器性能變化及校準(zhǔn)失效，不建議清洗后復(fù)用。

pH測量范圍能否通過重新校準(zhǔn)擴(kuò)大？

不能。重新校準(zhǔn)或單點(diǎn)調(diào)整只能修正特定實(shí)驗(yàn)條件下的偏差，不能把規(guī)定的pH 5.5～8.0量程擴(kuò)展至其他范圍。

總結(jié)

PreSens PhoxyCube的核心價(jià)值，在于把傳統(tǒng)的離線取樣檢測轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫装鍍?nèi)連續(xù)、非侵入式的O?和pH動(dòng)力學(xué)監(jiān)測。

對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)、代謝研究、藥物篩選和呼吸測量，PhoxyCube能夠提供比單一終點(diǎn)數(shù)據(jù)更完整的過程信息。不過，在選型時(shí)仍需重點(diǎn)評(píng)估pH量程、孔板規(guī)格、一次性耗材成本、樣品干擾以及項(xiàng)目驗(yàn)證要求。

如需判斷具體實(shí)驗(yàn)是否適合使用PhoxyCube，建議提前整理目標(biāo)參數(shù)、預(yù)計(jì)pH范圍、孔板通量、培養(yǎng)溫度、樣品基質(zhì)、實(shí)驗(yàn)周期和采樣間隔，再進(jìn)行系統(tǒng)配置與耗材評(píng)估。