生物反应器如何选择光学溶氧传感器？贴片、探头与流通池方案解析

生物反应器选择光学溶氧传感器，关键并不只是仪器量程，而是传感器怎样接触样品。透明玻璃或透明塑料反应器可优先评估非侵入式氧传感器贴片；不透明容器或需要直接接触培养液时，可考虑浸入式探头；灌流、旁路和循环液路则更适合评估流通池。

正式选型还应同时确认灭菌方式、容器壁厚、温度、压力、测量点数量，以及测量数据是否需要参与过程控制。

一、为什么生物反应器需要连续监测溶氧？

在哺乳动物细胞培养、微生物发酵、组织工程和工艺开发中，溶解氧会影响细胞生长、代谢、产物形成和实验重复性。

单次取样只能反映某一时刻的状态，连续监测则有助于识别接种、细胞增殖、补料、曝气或搅拌变化引起的氧波动。

选择测氧方案前，应先明确以下问题：

1. 测量对象是液相溶氧还是顶部气相氧；

2. 容器是否透明，是否允许开孔；

3. 测量结果只用于记录，还是需要参与曝气与搅拌控制；

4. 是否需要高压蒸汽、EtO、辐照或其他灭菌方式；

5. 是单个测量点，还是多个反应器同步监测。

二、非侵入式氧传感器贴片适合什么场景？

非侵入式传感器贴片安装在透明容器内侧，使传感层与培养液或气相接触；仪器通过容器壁从外部读取光学信号。

测量时不需要让电极或电缆穿过容器壁，可减少开盖取样和额外接口带来的污染风险与体系扰动。

贴片方案通常适合：

1. 透明玻璃生物反应器；

2. 透明培养瓶、摇瓶及部分一次性培养容器；

3. 没有多余探头接口的实验装置；

4. 需要从容器外部连续读取氧信号的应用。

PreSens公开应用资料介绍了在3 L玻璃搅拌式生物反应器内安装SP-PSt3氧传感器贴片，并使用OXY-1 SMA与PreSens Measurement Studio 2进行读取。

该研究覆盖15天哺乳动物细胞培养，说明这种配置可以用于长期趋势监测。不过，该案例结果来自特定反应器和实验条件，不能替代实际项目的样件验证。

需要注意的是，透明并不等于一定能够稳定读取。选型时仍需检查容器材质、壁厚、曲率、夹套结构、表面涂层、冷凝以及外部光纤适配器的固定条件。

对于厚壁、曲面或带夹套的容器，建议先使用相同材质和厚度的样件测试光学信号质量。

三、浸入式探头适合什么场景？

当容器不透明、没有可用光学窗口，或者实验允许传感器直接接触培养液时，可以考虑与PSt3测量系统兼容的浸入式光学探头。

浸入式探头选型需要确认：

1. 探头外径、长度及固定方式；

2. 与培养基、清洗剂和消毒剂的材料相容性；

3. 所需灭菌方式是否得到具体探头型号支持；

4. 插入深度和测量位置是否具有代表性；

5. 气泡、搅拌和局部氧梯度是否会影响读数；

6. 探头是否需要长期安装在反应器内。

如果氧信号需要参与控制回路，还要确认测氧仪的模拟量、数字通信、控制协议和故障处理能力。

标准OXY-1 SMA主要通过USB与电脑软件工作，不能仅凭“能够测量”就默认可以直接接入PLC或生物反应器控制器。

四、流通池适合灌流和旁路系统吗？

对于灌流培养、循环液路、旁路取样，或者主反应器内部无法安装传感器的系统，可在管路中布置光学氧流通池。

PreSens官方资料显示，OXY-1 SMA可以连接PSt3型流通池，用于监测灌流系统或旁路中的氧含量。

流通池方案应重点确认：

1. 管路内径、接头形式和材料；

2. 工作流量与允许压降；

3. 系统压力和温度；

4. 培养基、添加剂及清洗液的化学相容性；

5. 流路中是否容易产生气泡；

6. 清洗、灭菌和更换方式；

7. 流通池位置与主反应器之间是否存在明显停留时间。

流通池反映的是所在流路位置的氧状态。如果旁路流量、温度或传质条件与主反应器差异较大，测量结果不能直接等同于反应器内所有位置的真实溶氧。

五、OXY-1 SMA适合哪些生物反应器应用？

PreSens OXY-1 SMA是一款紧凑型光纤氧测量仪，适配PSt3型非侵入式传感器、浸入式探头和流通池，氧测量范围为0～100% O₂。

仪器通过USB供电，并由PreSens Measurement Studio 2进行设置、记录和数据管理。

OXY-1 SMA适合优先评估的应用包括：

1. 单个反应器或单个测量点；

2. 实验室方法开发和长期趋势记录；

3. 透明容器外部读取传感器贴片；

4. 单条灌流或循环管路；

5. 使用PSt3常规氧范围传感器的应用。

如果需要多个反应器或多个位置同时连续测量，应评估多通道设备，或者由同一台电脑同时管理多台测氧仪。

通道数量并不是唯一标准，选型时还要确认具体仪器代际、软件版本、数据同步要求和接口方式。

六、温度、压力、盐度和校准为什么不能忽略？

光学氧测量会受到温度影响。OXY-1 SMA提供Pt100温度传感器接口，但温度传感器并非所有配置都默认包含，应在报价和配置时确认。

PreSens Measurement Studio 2可进行温度、压力和盐度补偿，但软件补偿并不等于仪器可以替代独立压力传感器。

若反应器在加压、减压或明显偏离当地大气压的条件下运行，应使用合适的绝压测量，并确保输入软件的压力值与实际工况一致。

校准或核查方式取决于传感器形式、是否预校准、灭菌过程和实验要求。

建议记录传感器型号及批次、温度、压力、校准时间、软件设置和实验周期，便于追溯数据变化。

七、推荐的选型流程

1. 明确液相溶氧还是气相氧，以及目标测量范围；

2. 确认容器材质、透明度、壁厚、曲率和夹套结构；

3. 确认设备是否允许开孔以及可用接口；

4. 确认培养基、清洗剂和灭菌方式；

5. 确认单点还是多点、顺序测量还是同步测量；

6. 明确温度、压力、盐度和记录频率；

7. 明确测量数据只用于监测还是需要参与控制；

8. 根据上述条件选择传感器贴片、浸入式探头或流通池；

9. 使用实际容器或相同材质的样件完成验证。

常见问题

透明反应器一定可以使用非侵入式贴片吗？

不一定。还需要评估材料的光学透过性能、壁厚、曲率、夹套、冷凝和外部光纤适配器的固定条件。

OXY-1 SMA可以连接哪些传感器形式？

根据PreSens当前官方资料，OXY-1 SMA适配PSt3型非侵入式传感器、浸入式探头和流通池，测量范围为0～100% O₂。

一个OXY-1 SMA可以同时连续读取多个传感器吗？

OXY-1 SMA是单光学通道设备。需要多个测量点同时连续记录时，应评估多通道设备或多台仪器。

如果只进行间歇检查，可以根据实验流程切换不同传感器，但需要保持校准信息和测量数据的正确对应。

软件有压力补偿，还需要压力传感器吗？

压力明显变化时，仍需要知道系统的实际绝对压力。软件补偿需要输入正确的压力数据，OXY-1 SMA标准配置不能替代独立绝压传感器。

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生物反应器光学溶氧监测没有一种配置适合所有工况。

透明容器、希望降低污染风险时，可优先评估非侵入式传感器贴片；不透明容器或允许接液安装时，可评估浸入式探头；灌流和旁路系统则可考虑流通池。

确定仪器型号之前，应先把容器、灭菌、温压、测量点和控制要求梳理清楚，并通过实际容器或同材质样件验证读数稳定性。

如果您正在评估细胞培养、生物反应器、培养瓶或灌流系统的氧监测方案，可提供介质、氧范围、温度、压力、容器材质、壁厚、灭菌方式和测量点数量，我们可以协助进行初步选型。

杨经理

曦源科学仪器（上海）有限公司

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