对于生物工艺工程师和培养肉研究人员： 在生物反应器中保持精确的pH值（6.8–7.4）和 溶解氧（DO）水平对于培养肉生产至关重要。光学传感器通过提供实时、准确且无污染的测量，正在改变这些参数的监测方式。与传统的电化学探头不同， 选择用于培养肉生物反应器的传感器现在通常涉及选择光学传感器，以减少污垢、降低维护需求，并无缝集成到一次性系统中，如波袋和微流体生物反应器。
主要亮点：
- pH监测： 光学传感器使用荧光染料的比率读数，在哺乳动物细胞培养范围内提供稳定、准确的测量。
- DO 监测: 采用先进的相位移技术的发光猝灭确保了可靠的氧气读数，即使在低溶解氧环境中也是如此。
- 集成: 紧凑的设计和非接触选项使光学传感器成为一次性和小型化生物反应器的理想选择。
- 最新进展: 改进的响应时间、防污涂层和长期稳定性现在支持延长的培养过程。
光学传感器通过减少停机时间、改善过程控制和支持可扩展的培养肉生产，正在重塑生物反应器优化。继续阅读以探索这些传感器的工作原理、最新进展及其在自动化生物加工中的作用。
如何避免生物反应器中溶解氧信号的噪声：防气泡氧传感器
sbb-itb-ffee270
光学传感器如何测量pH值和溶解氧
生物反应器pH值的光学传感器与电化学传感器比较 & 溶解氧监测
pH感应机制
光学pH传感器依赖于pH敏感荧光染料, 通常是HPTS（8-羟基芘-1,3,6-三磺酸）的衍生物，嵌入在亲水性聚合物基质中。该染料存在两种形式 - 质子化和去质子化 - 每种形式都有不同的吸收和发射光谱。这些形式的比例随着pH值的变化而可预测地变化，如Henderson-Hasselbalch方程所述[1][4].
为了提高准确性，现代传感器使用比率法。染料在单一波长下被激发，并在两个不同的波长下测量发射，通常在470 nm和525 nm左右。这些发射信号的比率与pH值直接相关，提供了比简单的强度测量更大的稳定性。此方法最大限度地减少了光源漂移和染料光漂白的影响，使其比传统的玻璃电极更可靠[4].
值得注意的是，光学pH传感器的动态范围有限，大约为3个pH单位（通常为pH 5.5–8.5），围绕染料的pKa居中。然而，这一范围与培养肉生产的要求非常吻合，因为哺乳动物细胞在6.8–7.4的狭窄pH窗口内茁壮成长。对于涉及更广泛pH波动的过程，电化学传感器可能更适合[4] .
这些精确的pH传感方法补充了下面讨论的氧气监测技术。
氧气传感机制
光学溶解氧（DO）传感器通过荧光猝灭. 进行操作。在此过程中，氧分子与激发态的荧光染料相互作用——通常是嵌入在氧气渗透聚合物基质（e.g. ，硅胶或水凝胶）中的钌或铂-卟啉复合物。这些相互作用降低了染料的光强度和寿命[1][5].
现代设计使用相位调制来测量发射光的相位偏移，这有助于减少噪声并避免常见问题，如染料降解或在静止区域的错误低读数[1][5].
“因为传感信号是通过光沿着细光纤传输的，这些设备结合了非常小的占地面积和高灵敏度、对电磁干扰的免疫性以及远程和多路复用测量的可能性。” - Cui et al., 马萨诸塞大学洛厄尔分校 [1]
当有效集成时，这些先进的传感方法增强了生物反应器过程控制。
生物反应器系统中的传感器集成
光学传感器 易于集成到各种生物反应器设计中，使其成为过程监控的多功能工具。在 一次性与可重复使用的生物反应器, 中，常用插入式光纤探头。一个流行的例子是
另一种选择是非侵入性外部监测, ，在可渗透容器壁的外侧放置一个传感贴片。这种方法在不直接接触培养基的情况下测量分析物水平，完全消除了无菌问题[3].
对于培养肉研究中常用的一次性波浪袋、摇瓶和微流体系统，基于贴片和非侵入性传感器特别适合。这些方法不需要现场灭菌、电解质维护或预热时间。光学DO传感器可以立即进行测量，而极谱传感器在使用前需要1-6小时的极化时间 [5].
| 配置 | 典型格式 | 主要优势 |
|---|---|---|
| 可插入光纤探头 | 不锈钢生物反应器 | 耐用；支持CIP/SIP循环 |
| 预集成传感器贴片 | 一次性使用袋 | 可伽马灭菌 |
| 非侵入式外部系统 | 透气壁容器 | 零污染风险；完全非接触 |
光学pH传感器的最新进展
高精度光纤传感器
近年来，光学和电化学pH传感器之间的性能差距已显著缩小。现代光纤探针，利用嵌入生物相容性水凝胶基质中的中性红（NR）指示剂，现在在pH 6–8的关键哺乳动物细胞培养范围内实现了17 nm/pH单位的灵敏度 [7].
响应时间也有了显著改善。仅100 µm厚的薄膜水凝胶传感器可以在大约5秒内稳定读数，并在30秒内完全饱和[7]. 这种快速响应在培养肉类生物反应器中特别关键，因为快速的代谢变化可能会在较慢的传感器反应之前将pH水平推到可行范围之外。
“这些光纤传感器的独特规格使其成为组织工程、细胞生长和连续血液pH监测应用的有前途的候选者。" - Mohamed Elsherif, Khalifa University [7]
尽管有这些进步，光漂白仍然是一个挑战。持续的照明会随着时间的推移降解荧光染料，使用11天后大约漂移−0.1 pH单位，将连续监测限制在大约15天[4]. 对于更长的过程，可能需要诸如定期更换传感器或混合监测系统等策略。这些在光纤传感器方面的改进突显了通过材料创新进一步进步的潜力。
固态和溶胶-凝胶涂层
光学pH传感中的一个持久问题是染料泄漏。将pH敏感染料嵌入聚羟基乙基甲基丙烯酸酯 (pHEMA)基质中，这是一种合成水凝胶，通过共价交联染料来解决这个问题。这可以防止迁移到培养基中，保护细胞培养免受污染，并随着时间的推移保持传感器的准确性[7].
最近的研究将衍射纳米结构, 如阿兹特克图案光栅，集成到水凝胶基质中。这些结构将pH诱导的膨胀转化为可测量的光衍射变化。这种方法在pH 4–10范围内实现了25.5 µW/pH的灵敏度，并引入了“三重读数”功能：可见颜色变化、光谱波长偏移和可用激光检测的衍射功率变化[8]. 这种冗余确保如果一种读数模式失效，其他模式仍然有效。这些创新提高了传感器的耐用性，并扩大了其用途，特别是在培养肉类生物加工中。
在培养肉生产中的应用
Fratz-Berilla 等人在 FDA 的一项 2024 年研究中评估了 PreSens 一次性光学传感器点 在 22 个生物反应器批次中的表现。光学传感器显示的平均误差为 0.072 pH 单位 , ，而电化学探头的误差为 0.044–0.047 pH 单位 [4] . 虽然光学传感器的准确性略低，但研究得出结论，它们对于严格控制的 补料分批和连续工艺, 是足够精确的，前提是 pH 保持在校准设定点的 ±0.25 单位范围内。
这些光学传感器的进步对于培养肉生产尤其重要，因为精确的 pH 控制是必不可少的。一次性波袋和微流体系统在培养肉研究中常用，但与传统玻璃电极不兼容。在这些情况下，γ-可灭菌荧光贴片粘附在袋壁上，提供唯一可行的在线pH监测解决方案。它们的精确度足以满足哺乳动物细胞生长所需的狭窄pH范围（6.8–7.4）[4]. 然而，对于涉及更广泛pH波动或运行时间超过15天的过程，可重复使用的不锈钢容器中的电化学传感器仍然是更可靠的选择。
光学溶解氧传感器的最新进展
聚合物嵌入式发光传感器
光学溶解氧（DO）传感器基于荧光猝灭原理运行，其中氧分子减少了激发染料（通常是钌或铂卟啉）的发射寿命。现代传感器不依赖于原始强度，而是测量调制光的相位变化。这种方法使它们不易受到探针老化和传感器污染等问题的影响[5].
该领域的一个显著进展是荧光微传感器珠在3D支架内氧水平映射中的应用。2026年3月发表在Analytical Methods的研究展示了CPOx-50-PtP微传感器珠与多焦点光学投影显微镜（MF-OPM）的结合使用。这种组合使研究人员能够测量深达21毫米的成纤维细胞接种琼脂糖水凝胶中的氧梯度[9] . 这一深度显著超越了早期技术实现的几百微米，代表了用于培养肉支架的厚组织构造的重大进步。这种进展为非侵入性和扩展的氧监测开辟了新的可能性。
非侵入性和长期监测
光学DO传感器的一个主要优点是它们能够在不干扰系统的情况下测量氧气水平。这些传感器通常使用涂有Pt(II)卟啉染料的点或贴片，附着在透明容器的内壁上。外部光纤设备激发染料并通过容器壁收集信号，确保连续、非侵入性监测[5][10].
这种设计对于长期监测特别有利。例如，PreSens光纤微传感器和传感器薄膜已被用于跟踪3D胶原I水凝胶中脂肪来源的间充质干细胞的氧气水平，持续70天而无需重新校准。在这项研究中，氧气水平在第35天稳定在生理范围内（7–9%）[10]. 另一项研究发表于ACS Sensors，2021年3月，展示了在厚GelMA水凝胶中进行自动DO监测，持续五周无需人工干预[10].
“70天的时间线是所审查文献中关于化学稳定性的最有力证据：作者在整个实验过程中没有报告过一次重新校准事件。” - BioProcess Tools [10]
此外，光学传感器避免了电化学探头所需的长时间极化预热（1-6小时）。它们在低于5%饱和度的低DO水平下仍能保持高精度，而在这一范围内，极谱传感器往往表现不佳[5]. 这种能力对于优化培养肉生产过程至关重要，因为它允许及时调整以防止氧气耗尽，从而可能损害细胞活力。随着它们在长时间内持续表现的能力，重点现在转向解决传感器污染等挑战。
防污涂层和稳定性
在培养肉类生物加工过程中，培养基的复杂成分——包含细胞、蛋白质、代谢物和气泡——可能导致传感器表面污染，从而可能降低测量精度[1]. 然而，光学传感器通过相移测量来解决这个问题，这种测量方式受中度污染的影响较小。它们还表现出卓越的耐用性，能够承受200–300次就地清洗（CIP）或就地灭菌（SIP）循环，然后才需要更换染料贴片。相比之下，极谱膜通常只能持续50–150次循环[5]. 每次极谱传感器因污垢导致的故障可能会导致2-6小时的停机时间，用于更换膜和重新极化，从而扰乱生产计划。
尽管如此，光学传感器并非完全不受干扰。例如，培养基中的荧光成分，如核黄素，可能会影响信号质量。因此，在实施过程中应验证与特定配方的兼容性 [5]. 这些在耐用性和抗污垢方面的改进强调了光学DO传感器在维持稳定和高效的生物反应器环境中对培养肉生产的重要作用。
自动生物反应器控制中的双pH和氧传感器
双传感器的设计和性能
将pH和溶解氧（DO）监测结合到单一光学系统中，通过减少端口和硬件组件的数量简化操作，同时提高数据一致性。光纤传感器，直径小至100–250 μm，可以轻松穿入微型或一次性使用生物反应器的狭窄接入点。这种紧凑的设计对于空间有限的微流体生物反应器特别有利，确保流动模式和支架结构不受干扰[1].
集成系统，如PreSens SensorPlugs，通过紧凑、抗干扰且无电解质的接口同时监测pH、O₂和CO₂。这种设置减少了维护需求，并在长时间的培养过程中最大限度地减少信号漂移——这是培养肉类工艺中一个重要的特性，通常持续数周。[1][2][6].
先进的设计特征也解决了生物反应器环境中的常见挑战。例如，像Mettler Toledo InPro 6860i这样的传感器包括带有亲水表面的倾斜尖端，能够主动防止气泡在传感表面上的积聚。这种设计减少了充气生物反应器中的测量噪声，使自动控制回路更清晰和更具响应性。[12]. 这些创新有助于更可靠和高效的生物过程控制系统。
与自动化生物过程控制的集成
双光学传感器在自动化生物过程控制中发挥关键作用，通过提供实时的pH和DO数据。这些传感器与过程分析技术（PAT）框架无缝集成，允许对气体喷射、搅拌以及碱或CO₂的添加进行自动调整。保持pH范围在6.8–7.4对于培养肉生产尤为重要，因为小的偏差可能会显著影响细胞活力和产品质量[1][11].
“光纤传感器凭借其高灵敏度、远程监控能力、紧凑尺寸和多路复用，已成为原位生物反应器监测的有前途的技术。” - 崔国强等人。, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Massachusetts Lowell [1]
像MODBUS和RS-485这样的数字通信协议增强了传感器与生物控制器的集成，能够进行预测性诊断并减少手动干预的需求。这些进步取得了令人印象深刻的成果。例如，配备先进监控的灌流系统已实现细胞浓度达到50–100百万细胞/mL，而浓缩补料分批工艺的产品产量已达到25–30 g/L [11][12].
与培养肉生物反应器格式的兼容性
光学双传感器特别适合培养肉生产的独特需求。它们的细薄纤维可以集成到支架结构中或周围，而不会破坏细胞的环境。在一次性和波动生物反应器中，预装的光学贴片消除了就地灭菌程序的需要，简化了早期阶段的优化并减少了培养基的消耗。 与传统的电化学探针不同，光学传感器在用于培养肉生产的化学定义培养基中表现可靠。这种兼容性不仅保护了细胞培养，还提高了整体工艺效率。由塞尔维亚诺维萨德的BioSense研究所进行的一项研究证明了这一优势。研究人员在定制的微流体生物反应器中使用PreSens SensorPlugs监测MRC-5成纤维细胞48小时。他们跟踪了培养物从pH 7.4到6的酸化过程。8 和同时 O₂ 消耗，在 262,500 个细胞/mL 的浓度下实现了 95.45% 的最终细胞活力 [2].
对于培养肉 R&D 的研究人员和开发人员，
结论：先进光学传感器对培养肉生产的意义
光纤 pH 传感器、发光氧探头和集成双系统正在重塑生物反应器条件的监测和控制方式。与传统的电化学探头不同，光学传感器提供连续的实时数据，不会出现信号漂移、污染或频繁重新校准的问题。它们的紧凑设计、抗电磁干扰能力以及与一次性系统的兼容性，使其成为任何规模的培养肉生产的实用选择 [1].
保持pH值在6.8到7.4之间，以及稳定的氧气水平，对于维持细胞健康和确保一致的产品质量至关重要。例如，基于拉曼的实时控制等光学技术已被证明可以在哺乳动物细胞培养中将产量提高85% [13]. 这些进步正在为简化和增强 生物过程控制软件.
展望未来，能够沿单根光纤监测pH、溶解氧、温度和压力的多参数平台预计将成为标准。这些系统将无缝集成到过程分析技术（PAT）和先进的数据驱动控制中，支持向更自动化和可扩展的生物加工迈进。预计到2040年，培养肉将占全球肉类消费的30%，此类技术对于降低生产成本和实现商业可行性至关重要。
对于在这一不断发展的领域工作的人来说，
- 光学贴片 非常适合一次性袋式生物反应器。它们能够进行无菌、非侵入性监测，这在一次性系统中特别有用。
- 光纤探头, 另一方面，最适合配备标准接口的不锈钢容器。
对于大规模不锈钢系统，您可能会发现 电化学探头 提供更高的精度。然而，光学传感器 在较小的设置中或当减少维护和污染风险是首要任务时表现出色。
在培养基中，哪些因素会干扰光学pH或DO读数？
在培养肉生产中，光学pH和溶解氧（DO）读数 可能会受到多种因素的影响。例如，温度和系统压力直接影响气体溶解度，导致读数变化。同样，溶解的CO2波动和乳酸、氨等代谢物的积累会显著改变pH值。
其他挑战包括困住的气泡 和传感器表面的生物污损，这两者都可能影响测量精度。为了解决这些问题，
光学pH和氧气传感器需要多长时间重新校准或更换？
光学传感器提供卓越的稳定性和可靠性，通常比传统的电化学探头需要更少的维护。当用于氧气监测时，某些型号在出厂时已预先校准，并且可以在不需要重新校准的情况下进行多达100,000次测量。然而，由于光照和实验条件等因素，可能会随着时间的推移产生轻微漂移。对于那些扩大生产规模的人来说，
