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

隨著生物工藝向精細(xì)化、過程化和數(shù)據(jù)化方向發(fā)展，在線監(jiān)測技術(shù)在培養(yǎng)過程優(yōu)化中的價值日益突出。其中，基于光學(xué)傳感原理的 O?/pH/CO? 監(jiān)測方案，因其可實現(xiàn)非侵入式、連續(xù)化和小型化檢測，正在被越來越多地應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、微流控、生物反應(yīng)器和呼吸代謝研究等場景。PreSens 產(chǎn)品線覆蓋氧氣、pH 和二氧化碳的光學(xué)傳感探頭、儀表和完整系統(tǒng)，可用于多種在線監(jiān)測應(yīng)用。

傳統(tǒng)取樣檢測的局限

在常規(guī)培養(yǎng)實驗中，研究人員通常通過定時取樣來檢測培養(yǎng)液中的溶氧、pH 或代謝相關(guān)指標(biāo)。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(shù)據(jù)，難以反映培養(yǎng)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(yǎng)瓶、微流控芯片、小體積反應(yīng)器或厭氧/低氧實驗體系，頻繁取樣可能破壞原有環(huán)境，影響實驗結(jié)果的穩(wěn)定性。此外，對于細(xì)胞培養(yǎng)和無菌工藝而言，開蓋或穿刺取樣也會增加污染風(fēng)險。

因此，在不破壞培養(yǎng)體系的前提下，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，是細(xì)胞培養(yǎng)過程優(yōu)化和工藝放大中的重要需求。

光學(xué)傳感技術(shù)的優(yōu)勢

光學(xué) O?/pH/CO? 傳感技術(shù)通常由傳感材料、光纖探頭或讀數(shù)單元以及數(shù)據(jù)采集軟件組成。傳感器可根據(jù)應(yīng)用場景設(shè)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(yù)先集成在透明培養(yǎng)容器、反應(yīng)器或流通池內(nèi)壁，讀數(shù)設(shè)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(fēng)險；二是可連續(xù)記錄參數(shù)變化，獲得更完整的培養(yǎng)過程數(shù)據(jù)；三是傳感器形式靈活，可適配培養(yǎng)瓶、反應(yīng)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(jiān)測。

對于細(xì)胞培養(yǎng)而言，O? 可反映細(xì)胞耗氧與氣體供應(yīng)狀態(tài)，pH 可反映培養(yǎng)基緩沖能力和代謝酸化情況，CO? 則與培養(yǎng)箱氣氛、碳酸氫鹽緩沖體系以及細(xì)胞代謝環(huán)境密切相關(guān)。三者結(jié)合監(jiān)測，有助于更全面地理解培養(yǎng)體系中的微環(huán)境變化。

O? 在線監(jiān)測：以 PreSens OXY-1 SMA 為例

在氧氣監(jiān)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(yīng)的溶解氧檢測限為 15 ppb dissolved oxygen；設(shè)備采用 USB 供電，并可通過 PreSens Measurement Studio 2 軟件進(jìn)行控制。

在細(xì)胞培養(yǎng)實驗中，OXY-1 SMA 可與集成在透明培養(yǎng)容器內(nèi)壁的氧傳感貼片配合使用，從容器外部讀取氧信號，實現(xiàn)非侵入式連續(xù)監(jiān)測。對于微生物耗氧、細(xì)胞呼吸代謝、小型生物反應(yīng)器、灌流系統(tǒng)和流通檢測等實驗場景，也可根據(jù)需求選擇浸入式探頭或流通池配置。

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

pH 與 CO? 在線監(jiān)測的擴(kuò)展應(yīng)用

除了氧氣監(jiān)測外，pH 與 CO? 也是細(xì)胞培養(yǎng)過程中需要重點關(guān)注的參數(shù)。PreSens 的光學(xué) pH 傳感器測量范圍覆蓋 5.5–8.5 pH，適用于培養(yǎng)監(jiān)測和生理相關(guān)應(yīng)用。 對于需要同步監(jiān)測 O?、pH 和 CO? 的應(yīng)用，PreSens 也提供多參數(shù)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(yīng)用中，用戶可根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇單參數(shù)或多參數(shù)配置。若重點關(guān)注培養(yǎng)體系耗氧、低氧控制或溶氧變化，可優(yōu)先選擇 O? 監(jiān)測方案；若需要同時分析細(xì)胞代謝、培養(yǎng)基酸化和氣體環(huán)境變化，則可進(jìn)一步擴(kuò)展至 O?/pH/CO? 多參數(shù)在線監(jiān)測。

軟件與數(shù)據(jù)記錄

在線監(jiān)測的價值不僅在于實時讀數(shù)，更在于長期數(shù)據(jù)記錄和后續(xù)分析。PreSens Measurement Studio 2 軟件可用于控制多臺 PreSens 設(shè)備，并支持氧氣、pH 和 CO? 多參數(shù)測量；同時可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并將測量文件導(dǎo)出為 CSV 或 XLSX 格式，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和實驗報告整理。

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

典型應(yīng)用場景

非侵入式光學(xué)傳感技術(shù)可應(yīng)用于多種細(xì)胞培養(yǎng)和生物過程研究場景，包括：

細(xì)胞培養(yǎng)瓶、培養(yǎng)袋和小型反應(yīng)器中的溶氧監(jiān)測；微生物呼吸代謝與耗氧速率研究；灌流系統(tǒng)和流通管路中的氧氣變化檢測；微流控芯片和微型培養(yǎng)體系中的 O?/pH/CO? 監(jiān)測；生物反應(yīng)器過程開發(fā)中的多參數(shù)在線記錄；以及培養(yǎng)條件優(yōu)化、工藝放大前研究和質(zhì)量一致性評估等。

對于科研實驗室和工藝開發(fā)團(tuán)隊而言，該類系統(tǒng)能夠在不明顯干擾培養(yǎng)體系的情況下，提供更加連續(xù)、直觀和可追溯的數(shù)據(jù)支持。

結(jié)語

細(xì)胞培養(yǎng)過程中的 O?、pH 和 CO? 變化直接關(guān)系到細(xì)胞微環(huán)境、代謝狀態(tài)和實驗結(jié)果穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)取樣檢測，非侵入式光學(xué)傳感技術(shù)能夠在減少污染風(fēng)險和樣品擾動的同時，實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的連續(xù)在線監(jiān)測。

以 PreSens OXY-1 SMA 為代表的光纖氧氣測量儀，可為培養(yǎng)體系中的氧氣監(jiān)測提供靈活、緊湊的解決方案；結(jié)合 PreSens 的 pH、CO? 傳感器及多參數(shù)儀表系統(tǒng)，還可進(jìn)一步構(gòu)建面向細(xì)胞培養(yǎng)、生物反應(yīng)器和微流控應(yīng)用的 O?/pH/CO? 在線監(jiān)測平臺，為生物過程研究和培養(yǎng)條件優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。