光学O₂、pH和CO₂传感器在细胞培养与生物过程监测中的应用

在细胞培养、生物制药和生物过程开发中，氧气、pH 和 CO₂ 是影响细胞生长、代谢状态、产物质量和过程稳定性的重要参数。传统取样检测方式虽然能够获得阶段性数据，但往往存在取样频率有限、操作干扰较大、污染风险增加和动态过程信息不足等问题。光学化学传感技术通过荧光或相位信号变化实现参数检测，可用于培养体系中的在线监测、非侵入式测量和小体积样品分析。本文围绕光学氧气、pH 和 CO₂ 传感器的测量特点、常见形式及其在细胞培养和生物过程监测中的应用进行介绍，为相关实验和产品选型提供参考。

一、细胞培养为什么需要在线监测氧气、pH和CO₂

在细胞培养和生物反应过程中，培养体系并不是静态环境。细胞增殖、代谢产物累积、气体交换、培养基缓冲能力变化以及搅拌和通气条件都会影响体系中的氧气、pH 和 CO₂ 水平。

其中，溶解氧可以反映培养体系的供氧能力和细胞耗氧状态；pH 与培养基缓冲体系、代谢产物积累和细胞生理状态密切相关；CO₂ 则与培养环境、碳酸氢盐缓冲体系和气液平衡有关。对于哺乳动物细胞培养、微生物发酵、组织工程、类器官培养和生物制药过程开发而言，这些参数的连续监测有助于更及时地判断培养状态。

传统检测方式通常依赖取样后离线分析，适合常规质量控制，但对于快速变化或小体积培养体系，离线取样可能无法反映真实动态过程。同时，频繁取样还可能带来污染风险、样品损耗和操作误差。因此，在线、连续、低扰动的传感检测方式在生命科学和生物过程领域具有较高应用价值。

二、光学传感器的基本特点

光学氧气、pH 和 CO₂ 传感器通常通过光学信号变化实现检测。传感膜或传感端与被测体系接触后，其荧光强度、荧光寿命或相位信号会随目标参数变化而改变，读数仪通过光纤或光学窗口读取信号，并转换为对应的氧气浓度、pH 或 CO₂ 参数。

与传统电化学传感器相比，光学传感器具有以下特点：

1. 可实现非侵入式测量

对于透明培养容器，传感贴片可安装在容器内壁，光纤探头从容器外部读取信号。测量过程中无需打开容器，也不需要反复取样，适合无菌培养、封闭培养和长期过程监测。

2. 适合小体积样品

在微孔板、微流控芯片、小型培养容器或微反应体系中，传统电极往往尺寸较大，容易扰动样品。微型光学传感器和传感贴片可用于较小体积体系中的参数检测，减少对培养环境的影响。

3. 可用于多参数组合监测

在细胞培养和生物过程研究中，单一参数往往不足以完整评价体系状态。氧气、pH 和 CO₂ 的联合监测能够帮助用户更全面地分析细胞代谢、培养稳定性和过程变化趋势。

4. 维护相对简便

部分光学传感器不需要传统 pH 电极中的参比电极或电解液维护，在长期监测、封闭体系和一次性容器应用中更加方便。

三、常见光学传感器形式

根据实验体系和安装方式不同，光学传感器通常可分为传感贴片、浸入式探头、流通池、针式微传感器和剖面测量微传感器等形式。

1. 非侵入式传感贴片

非侵入式传感贴片适合安装在透明培养瓶、摇瓶、培养袋、生物反应器或定制容器内壁。测量时，光纤探头从容器外部对准传感贴片读取信号。

这种方式适合细胞培养、摇瓶培养、一次性容器和封闭体系。其主要优势是无需开盖、无需取样，可减少污染风险，并能够实现连续数据记录。

2. 浸入式探头

浸入式探头适合直接插入液体样品、培养体系或过程液体中进行检测。对于开放式液体体系、实验室反应容器和过程监测系统，浸入式探头具有安装直观、操作方便的特点。

3. 流通池

流通池适合与灌流系统、旁路循环系统或连续流体装置连接，用于在线检测流体中的氧气、pH 或 CO₂。对于生物反应器、微流控系统和过程开发实验，流通池可以在不直接打开主反应体系的情况下获得连续检测数据。

4. 针式微传感器

针式微传感器适合穿刺组织、隔膜、包装材料或小体积样品后进行局部检测。该类传感器通常带有保护性针体结构，穿刺定位后可伸出微型传感端进行测量，适合组织样品、食品包装和微环境研究。

5. 剖面测量微传感器

剖面测量微传感器适合沉积物、生物膜、微生物垫、凝胶和组织构建体等半固体样品。配合微操纵器使用时，可在不同深度位置逐点采集数据，从而获得氧气或 pH 的空间梯度信息。

四、在细胞培养中的应用

细胞培养过程中，溶解氧、pH 和 CO₂ 的变化能够反映培养体系的状态。以哺乳动物细胞培养为例，细胞耗氧速率、培养基酸化、CO₂ 平衡和缓冲体系变化都会影响细胞生长和代谢。

使用光学传感器进行在线监测，可以帮助实验人员观察培养过程中的动态变化。例如，在培养瓶或摇瓶中集成氧气和 pH 传感贴片，可连续记录培养过程中的氧气消耗和 pH 变化；在微孔板或小体积培养体系中，可通过微型传感器或传感贴片监测局部参数；在灌流培养或旁路循环系统中，可通过流通池实现在线检测。

对于细胞培养工艺开发而言，在线监测数据有助于比较不同培养条件、接种密度、培养基配方、通气方式和搅拌条件对细胞状态的影响，从而为工艺优化提供依据。

五、在生物制药和生物过程开发中的应用

生物制药和生物过程开发通常关注培养稳定性、过程可控性和产物质量。氧气、pH 和 CO₂ 是过程监测中的重要参数，尤其是在细胞培养、微生物发酵、蛋白表达、抗体生产和一次性生物反应器应用中。

光学传感器可用于以下场景：

第一，在线监测培养体系中的溶解氧变化，用于判断供氧是否充分以及细胞耗氧状态是否发生改变。

第二，监测 pH 变化，用于评估培养基缓冲能力、代谢产物积累和过程控制效果。

第三，监测 CO₂ 变化，用于分析气体交换、培养环境和细胞代谢状态。

第四，在一次性培养容器或培养袋中集成传感器，实现低污染风险的过程监测。

第五，在小型反应器、摇瓶或微流控装置中进行过程开发和条件筛选。

通过连续记录关键参数，用户可以更早发现过程异常，并为放大实验、工艺调整和质量控制提供参考。

六、在食品包装和环境分析中的应用延伸

除了细胞培养和生物制药，光学氧气和 pH 传感器还可用于食品包装、环境分析和生态研究。

在食品包装领域，氧气浓度与包装密封性、食品氧化、保鲜效果和货架期评价密切相关。通过非侵入式氧气传感贴片或针式微传感器，可对包装内部氧气变化进行监测。

在环境分析领域，沉积物、生物膜和微生物垫内部常存在明显的氧气和 pH 梯度。剖面测量微传感器可用于不同深度位置的逐点测量，帮助研究微生物活动、物质传递和局部化学环境变化。

这些应用说明，光学传感技术不仅适用于实验室培养体系，也适合食品、环境和材料相关研究中的参数检测。

七、PreSens光学传感器的选型思路

德国 PreSens 提供多种光学氧气、pH 和 CO₂ 传感器形式，用户在选型时可先明确以下问题：

1. 检测参数是什么？

如果关注供氧和耗氧状态，可选择氧气传感器；如果关注酸碱变化，可选择 pH 传感器；如果关注气液平衡、培养环境或碳酸盐缓冲体系，可选择 CO₂ 传感器。对于细胞培养和生物过程开发，也可根据需要组合 O₂、pH 和 CO₂ 多参数检测。

2. 样品形态是什么？

透明容器内的液体体系适合传感贴片；开放液体或反应容器适合浸入式探头；连续流体系统适合流通池；组织、包装材料或隔膜适合针式微传感器；沉积物、生物膜和凝胶样品适合剖面测量微传感器。

3. 是否需要非侵入式测量？

如果样品需要保持无菌、封闭或不便频繁取样，可优先考虑非侵入式传感贴片。该方式适合培养瓶、摇瓶、一次性容器和透明反应器。

4. 是否需要微区或深度剖面数据？

如果研究重点是组织内部、生物膜内部或沉积物不同深度的参数分布，应考虑微型传感器和微操纵器组合方案。

5. 是否需要长期监测？

对于长期培养、过程开发或连续流体检测，需要关注传感器稳定性、校准方式、读数频率、安装方式和维护便利性。

八、曦源科学仪器可提供的支持

曦源科学仪器（上海）有限公司面向高校科研、生物制药、食品和环境分析等领域用户，可提供德国 PreSens 光学传感器相关产品的选型咨询、配置建议、技术沟通和应用支持。

针对不同实验体系，曦源科学仪器可协助用户确认检测参数、样品类型、测量范围、安装方式、读数仪配置、流通池或微型传感器方案，并根据实际应用场景提供相应产品资料和沟通支持。

公司已为国内相关领域客户提供多套 PreSens 设备，能够结合用户实验需求，协助完成从初步选型到配置确认的沟通工作。