为什么越来越多生物/发酵实验改用非侵入式光学传感？

在生物技术、发酵工程和细胞培养研究中，溶解氧（O₂）、pH 和 CO₂ 等关键参数的稳定监测，直接决定了实验结果的可靠性。然而，越来越多实验室发现，传统电化学电极在实际应用中正逐渐暴露出局限性。在这一背景下，非侵入式光学传感技术正在成为新的主流选择。

一、传统电极测量：在复杂体系中越来越“吃力"

电化学电极在早期生物过程监测中被广泛使用，但在现代实验条件下，其局限性逐渐显现：

1. 插入式测量对体系的扰动

• 需要直接插入培养体系

• 易破坏密闭或无菌环境

• 在微量体系或微流控中几乎无法使用

2. 长期稳定性不足

• 易发生漂移，需要频繁校准

• 电极老化、污染影响数据一致性

• 不适合长时间连续监测

3. 对微量和特殊体系适应性差

• 难以应用于一次性生物反应器

• 在小体积、薄层或高粘度体系中表现受限

这些问题在高精度研究、连续监测和新型生物体系中尤为突出。

二、非侵入式光学传感器：从“测量工具"到“过程感知"

非侵入式光学传感/器基于荧光/磷光猝灭原理，通过光信号变化实现参数测量，其核心特点在于：

• 无需插入探头

• 无需取样

• 不破坏体系完整性

传感元件（如传感点或薄膜）可预先集成在培养容器内壁，外部通过光学方式读取信号，从根本上避免了传统电极带来的干扰。

三、为什么非侵入式光学传感器在生物与发酵实验中越来越受欢迎？

1. 不扰动体系，数据更真实

在细胞培养和发酵过程中，微小扰动都可能引起代谢状态变化。
非侵入式光学传感不接触培养液、不引入额外污染源，更适合对过程本身进行真实反映。

2. 特别适合密闭与一次性系统

• 一次性生物反应袋

• 密闭培养瓶

• 长周期无人值守实验

在这些场景下，非侵入式光学传感器成为可行的连续监测方案。

3. 覆盖微量与微结构体系

在微流控芯片、微型反应器和小体积培养体系中，传统电极往往“无处安放"，而光学传感器可以做到：

• 微米级尺寸

• 不改变流场与传质条件

• 实现空间与时间分辨测量

4. 更适合长期在线监测

光学传感器不存在电化学消耗问题，漂移小、重复性好，适合数天甚至数周的连续监测实验。

四、哪些实验场景“更适合"非侵入式光学传感器？

以下应用场景中，非侵入式光学传感器的优势尤为明显：

• 生物反应器溶解氧在线监测

• 细胞培养与组织工程研究

• 微流控与微反应器系统

• 发酵过程动力学研究

• 密闭体系或一次性系统

在这些应用中，稳定性与无扰动性往往比“测得快"更重要。

五、以 PreSens 为代表的光学传感器解决方案

以 PreSens 为代表的德国光学传感技术厂商，围绕非侵入式测量构建了完整解决方案：

• 非侵入式氧气、pH、CO₂ 传感点

• 微型光纤传感器，适用于微量体系

• 多参数同步测量系统

• 二维成像系统，用于空间分布分析

这些方案使光学传感不再只是“替代电极"，而是成为生物过程理解与控制的重要工具。

六、是否所有场景都“必须"使用光学传感器？

需要强调的是，非侵入式光学传感器并非在所有情况下都优于传统电极：

• 简单、短时、开放体系

• 对精度和长期稳定性要求不高

• 成本高度敏感的基础实验

在这些场景下，传统电极仍然是合理选择。

👉 但当实验涉及 连续监测、密闭体系、微量结构或高重复性要求 时，非侵入式光学传感的优势会被显著放大。