在細(xì)胞培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和生物過(guò)程開(kāi)發(fā)中，氧氣、pH 和二氧化碳是影響細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)、代謝活性和產(chǎn)物質(zhì)量的重要參數(shù)。培養(yǎng)過(guò)程中，這些參數(shù)往往會(huì)隨細(xì)胞密度、營(yíng)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(dòng)。若只能依賴間斷取樣檢測(cè)，不僅難以及時(shí)捕捉培養(yǎng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，還可能帶來(lái)取樣污染、培養(yǎng)體系擾動(dòng)和數(shù)據(jù)滯后的問(wèn)題。

隨著生物工藝向精細(xì)化、過(guò)程化和數(shù)據(jù)化方向發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在培養(yǎng)過(guò)程優(yōu)化中的價(jià)值日益突出。其中，基于光學(xué)傳感原理的 O?/pH/CO? 監(jiān)測(cè)方案，因其可實(shí)現(xiàn)非侵入式、連續(xù)化和小型化檢測(cè)，正在被越來(lái)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(chǎng)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(cè)應(yīng)用。

傳統(tǒng)取樣檢測(cè)的局限

在常規(guī)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員通常通過(guò)定時(shí)取樣來(lái)檢測(cè)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(gè)明顯不足。

首先，取樣檢測(cè)得到的是離散時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)，難以反映培養(yǎng)體系在兩個(gè)取樣點(diǎn)之間的真實(shí)變化過(guò)程。其次，對(duì)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(shí)驗(yàn)體系，頻繁取樣可能破壞原有環(huán)境，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。此外，對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)和無(wú)菌工藝而言，開(kāi)蓋或穿刺取樣也會(huì)增加污染風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在不破壞培養(yǎng)體系的前提下，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)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(shì)

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(chǎng)景設(shè)計(jì)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(guò)光纖讀取信號(hào)，從而避免直接接觸樣品。

這種檢測(cè)方式具有幾個(gè)突出特點(diǎn)：一是無(wú)需頻繁取樣，可降低污染風(fēng)險(xiǎn)；二是可連續(xù)記錄參數(shù)變化，獲得更完整的培養(yǎng)過(guò)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(guò)程監(jiān)測(cè)。

對(duì)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(cè)，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(cè)：以 PreSens OXY-1 SMA 為例

在氧氣監(jiān)測(cè)方面，德國(guó) PreSens OXY-1 SMA 是一款緊湊型光纖氧氣測(cè)量?jī)x，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(cè)量范圍為 0–100% oxygen，PSt3 傳感器對(duì)應(yīng)的溶解氧檢測(cè)限為 15 ppb dissolved oxygen；設(shè)備采用 USB 供電，并可通過(guò) PreSens Measurement Studio 2 軟件進(jìn)行控制。

在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)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(hào)，實(shí)現(xiàn)非侵入式連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)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(cè)等實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(guò)程記錄。對(duì)于研究人員而言，它不僅能夠獲得單點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果，還可以觀察培養(yǎng)過(guò)程中氧氣濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，從而輔助判斷細(xì)胞生長(zhǎng)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(cè)的擴(kuò)展應(yīng)用

除了氧氣監(jiān)測(cè)外，pH 與 CO? 也是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)。PreSens 的光學(xué) pH 傳感器測(cè)量范圍覆蓋 5.5–8.5 pH，適用于培養(yǎng)監(jiān)測(cè)和生理相關(guān)應(yīng)用。 對(duì)于需要同步監(jiān)測(cè) 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(gè)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(shí)際應(yīng)用中，用戶可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇單參數(shù)或多參數(shù)配置。若重點(diǎn)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(cè)方案；若需要同時(shí)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(cè)。

軟件與數(shù)據(jù)記錄

在線監(jiān)測(cè)的價(jià)值不僅在于實(shí)時(shí)讀數(shù)，更在于長(zhǎng)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(tái) PreSens 設(shè)備，并支持氧氣、pH 和 CO? 多參數(shù)測(cè)量；同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并將測(cè)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(shí)驗(yàn)報(bào)告整理。

對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，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(guò)程中觀察到氧氣持續(xù)下降，可能提示細(xì)胞耗氧增強(qiáng)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(chǎng)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(guò)程研究場(chǎng)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(cè)；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(cè)；微流控芯片和微型培養(yǎng)體系中的 O?/pH/CO? 監(jiān)測(cè)；生物反應(yīng)器過(guò)程開(kāi)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(píng)估等。

對(duì)于科研實(shí)驗(yàn)室和工藝開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)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(yǔ)

細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)取樣檢測(cè)，非侵入式光學(xué)傳感技術(shù)能夠在減少污染風(fēng)險(xiǎn)和樣品擾動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

以 PreSens OXY-1 SMA 為代表的光纖氧氣測(cè)量?jī)x，可為培養(yǎng)體系中的氧氣監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái)，為生物過(guò)程研究和培養(yǎng)條件優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。