非侵入式光学传感技术在细胞培养 O₂/pH/CO₂ 在线监测中的应用

在细胞培养、微生物发酵和生物过程开发中，氧气、pH 和二氧化碳是影响细胞生长状态、代谢活性和产物质量的重要参数。培养过程中，这些参数往往会随细胞密度、营养消耗、代谢产物积累以及气体交换条件的变化而持续波动。若只能依赖间断取样检测，不仅难以及时捕捉培养过程中的动态变化，还可能带来取样污染、培养体系扰动和数据滞后的问题。

随着生物工艺向精细化、过程化和数据化方向发展，在线监测技术在培养过程优化中的价值日益突出。其中，基于光学传感原理的 O₂/pH/CO₂ 监测方案，因其可实现非侵入式、连续化和小型化检测，正在被越来越多地应用于细胞培养、微流控、生物反应器和呼吸代谢研究等场景。PreSens 产品线覆盖氧气、pH 和二氧化碳的光学传感探头、仪表和完整系统，可用于多种在线监测应用。

传统取样检测的局限

在常规培养实验中，研究人员通常通过定时取样来检测培养液中的溶氧、pH 或代谢相关指标。这种方式虽然操作直观，但存在几个明显不足。

首先，取样检测得到的是离散时间点数据，难以反映培养体系在两个取样点之间的真实变化过程。其次，对于密闭培养瓶、微流控芯片、小体积反应器或厌氧/低氧实验体系，频繁取样可能破坏原有环境，影响实验结果的稳定性。此外，对于细胞培养和无菌工艺而言，开盖或穿刺取样也会增加污染风险。

因此，在不破坏培养体系的前提下，对关键参数进行连续监测，是细胞培养过程优化和工艺放大中的重要需求。

光学传感技术的优势

光学 O₂/pH/CO₂ 传感技术通常由传感材料、光纤探头或读数单元以及数据采集软件组成。传感器可根据应用场景设计为传感贴片、浸入式探头、流通池或微型传感器等形式。其中，非侵入式传感贴片可预先集成在透明培养容器、反应器或流通池内壁，读数设备从容器外部通过光纤读取信号，从而避免直接接触样品。

这种检测方式具有几个突出特点：一是无需频繁取样，可降低污染风险；二是可连续记录参数变化，获得更完整的培养过程数据；三是传感器形式灵活，可适配培养瓶、反应器、流通管路和微流控芯片等不同体系；四是适合小体积或密闭体系中的过程监测。

对于细胞培养而言，O₂ 可反映细胞耗氧与气体供应状态，pH 可反映培养基缓冲能力和代谢酸化情况，CO₂ 则与培养箱气氛、碳酸氢盐缓冲体系以及细胞代谢环境密切相关。三者结合监测，有助于更全面地理解培养体系中的微环境变化。

O₂ 在线监测：以 PreSens OXY-1 SMA 为例

在氧气监测方面，德国 PreSens OXY-1 SMA 是一款紧凑型光纤氧气测量仪，可连接 PSt3 型氧传感器，包括非侵入式氧传感贴片、浸入式氧探头和流通池等。其测量范围为 0–100% oxygen，PSt3 传感器对应的溶解氧检测限为 15 ppb dissolved oxygen；设备采用 USB 供电，并可通过 PreSens Measurement Studio 2 软件进行控制。

在细胞培养实验中，OXY-1 SMA 可与集成在透明培养容器内壁的氧传感贴片配合使用，从容器外部读取氧信号，实现非侵入式连续监测。对于微生物耗氧、细胞呼吸代谢、小型生物反应器、灌流系统和流通检测等实验场景，也可根据需求选择浸入式探头或流通池配置。

与传统电化学氧电极相比，光学氧传感方案不依赖氧气消耗型反应，适合用于小体积样品、密闭体系和连续过程记录。对于研究人员而言，它不仅能够获得单点检测结果，还可以观察培养过程中氧气浓度随时间变化的趋势，从而辅助判断细胞生长状态、供氧能力和培养条件是否稳定。

pH 与 CO₂ 在线监测的扩展应用

除了氧气监测外，pH 与 CO₂ 也是细胞培养过程中需要重点关注的参数。PreSens 的光学 pH 传感器测量范围覆盖 5.5–8.5 pH，适用于培养监测和生理相关应用。 对于需要同步监测 O₂、pH 和 CO₂ 的应用，PreSens 也提供多参数仪表方案，例如 MCR-O1P1C1，其包含氧气、pH 和 CO₂ 三个通道，量程分别为 0–100% O₂、5.5–8.5 pH 和 1–25% CO₂，并可配合非侵入式传感器、浸入式探头和流通池使用。

在实际应用中，用户可根据实验目的选择单参数或多参数配置。若重点关注培养体系耗氧、低氧控制或溶氧变化，可优先选择 O₂ 监测方案；若需要同时分析细胞代谢、培养基酸化和气体环境变化，则可进一步扩展至 O₂/pH/CO₂ 多参数在线监测。

软件与数据记录

在线监测的价值不仅在于实时读数，更在于长期数据记录和后续分析。PreSens Measurement Studio 2 软件可用于控制多台 PreSens 设备，并支持氧气、pH 和 CO₂ 多参数测量；同时可进行数据管理，并将测量文件导出为 CSV 或 XLSX 格式，便于后续数据处理和实验报告整理。

对于细胞培养实验来说，连续记录 O₂、pH 和 CO₂ 曲线，可以帮助研究人员分析培养条件变化与细胞状态之间的关系。例如，在培养过程中观察到氧气持续下降，可能提示细胞耗氧增强或供氧不足；pH 缓慢降低可能与代谢产物积累相关；CO₂ 水平变化则可能影响培养基缓冲体系和细胞微环境稳定性。

典型应用场景

非侵入式光学传感技术可应用于多种细胞培养和生物过程研究场景，包括：

细胞培养瓶、培养袋和小型反应器中的溶氧监测；微生物呼吸代谢与耗氧速率研究；灌流系统和流通管路中的氧气变化检测；微流控芯片和微型培养体系中的 O₂/pH/CO₂ 监测；生物反应器过程开发中的多参数在线记录；以及培养条件优化、工艺放大前研究和质量一致性评估等。

对于科研实验室和工艺开发团队而言，该类系统能够在不明显干扰培养体系的情况下，提供更加连续、直观和可追溯的数据支持。

结语

细胞培养过程中的 O₂、pH 和 CO₂ 变化直接关系到细胞微环境、代谢状态和实验结果稳定性。相比传统取样检测，非侵入式光学传感技术能够在减少污染风险和样品扰动的同时，实现关键参数的连续在线监测。

以 PreSens OXY-1 SMA 为代表的光纤氧气测量仪，可为培养体系中的氧气监测提供灵活、紧凑的解决方案；结合 PreSens 的 pH、CO₂ 传感器及多参数仪表系统，还可进一步构建面向细胞培养、生物反应器和微流控应用的 O₂/pH/CO₂ 在线监测平台，为生物过程研究和培养条件优化提供可靠的数据基础。