在生物技術(shù)、發(fā)酵工程和細(xì)胞培養(yǎng)研究中，溶解氧（O?）、pH 和 CO? 等關(guān)鍵參數(shù)的穩(wěn)定監(jiān)測，直接決定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。然而，越來越多實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電化學(xué)電極在實(shí)際應(yīng)用中正逐漸暴露出局限性。在這一背景下，非侵入式光學(xué)傳感技術(shù)正在成為新的主流選擇。

一、傳統(tǒng)電極測量：在復(fù)雜體系中越來越“吃力”

電化學(xué)電極在早期生物過程監(jiān)測中被廣泛使用，但在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)條件下，其局限性逐漸顯現(xiàn)：

1. 插入式測量對(duì)體系的擾動(dòng)

• 需要直接插入培養(yǎng)體系

• 易破壞密閉或無菌環(huán)境

• 在微量體系或微流控中幾乎無法使用

2. 長期穩(wěn)定性不足

• 易發(fā)生漂移，需要頻繁校準(zhǔn)

• 電極老化、污染影響數(shù)據(jù)一致性

• 不適合長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測

3. 對(duì)微量和特殊體系適應(yīng)性差

• 難以應(yīng)用于一次性生物反應(yīng)器

• 在小體積、薄層或高粘度體系中表現(xiàn)受限

這些問題在高精度研究、連續(xù)監(jiān)測和新型生物體系中尤為突出。

二、非侵入式光學(xué)傳感器：從“測量工具”到“過程感知”

非侵入式光學(xué)傳感/器基于熒光/磷光猝滅原理，通過光信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量，其核心特點(diǎn)在于：

• 無需插入探頭

• 無需取樣

• 不破壞體系完整性

傳感元件（如傳感點(diǎn)或薄膜）可預(yù)先集成在培養(yǎng)容器內(nèi)壁，外部通過光學(xué)方式讀取信號(hào)，從根本上避免了傳統(tǒng)電極帶來的干擾。

三、為什么非侵入式光學(xué)傳感器在生物與發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中越來越受歡迎？

1. 不擾動(dòng)體系，數(shù)據(jù)更真實(shí)

在細(xì)胞培養(yǎng)和發(fā)酵過程中，微小擾動(dòng)都可能引起代謝狀態(tài)變化。
非侵入式光學(xué)傳感不接觸培養(yǎng)液、不引入額外污染源，更適合對(duì)過程本身進(jìn)行真實(shí)反映。

2. 特別適合密閉與一次性系統(tǒng)

• 一次性生物反應(yīng)袋

• 密閉培養(yǎng)瓶

• 長周期無人值守實(shí)驗(yàn)

在這些場景下，非侵入式光學(xué)傳感器成為可行的連續(xù)監(jiān)測方案。

3. 覆蓋微量與微結(jié)構(gòu)體系

在微流控芯片、微型反應(yīng)器和小體積培養(yǎng)體系中，傳統(tǒng)電極往往“無處安放”，而光學(xué)傳感器可以做到：

• 微米級(jí)尺寸

• 不改變流場與傳質(zhì)條件

• 實(shí)現(xiàn)空間與時(shí)間分辨測量

4. 更適合長期在線監(jiān)測

光學(xué)傳感器不存在電化學(xué)消耗問題，漂移小、重復(fù)性好，適合數(shù)天甚至數(shù)周的連續(xù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

四、哪些實(shí)驗(yàn)場景“更適合”非侵入式光學(xué)傳感器？

以下應(yīng)用場景中，非侵入式光學(xué)傳感器的優(yōu)勢尤為明顯：

• 生物反應(yīng)器溶解氧在線監(jiān)測

• 細(xì)胞培養(yǎng)與組織工程研究

• 微流控與微反應(yīng)器系統(tǒng)

• 發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)研究

• 密閉體系或一次性系統(tǒng)

在這些應(yīng)用中，穩(wěn)定性與無擾動(dòng)性往往比“測得快”更重要。

五、以 PreSens 為代表的光學(xué)傳感器解決方案

以 PreSens 為代表的德國光學(xué)傳感技術(shù)廠商，圍繞非侵入式測量構(gòu)建了完整解決方案：

• 非侵入式氧氣、pH、CO? 傳感點(diǎn)

• 微型光纖傳感器，適用于微量體系

• 多參數(shù)同步測量系統(tǒng)

• 二維成像系統(tǒng)，用于空間分布分析

這些方案使光學(xué)傳感不再只是“替代電極”，而是成為生物過程理解與控制的重要工具。

六、是否所有場景都“必須”使用光學(xué)傳感器？

需要強(qiáng)調(diào)的是，非侵入式光學(xué)傳感器并非在所有情況下都優(yōu)于傳統(tǒng)電極：

• 簡單、短時(shí)、開放體系

• 對(duì)精度和長期穩(wěn)定性要求不高

• 成本高度敏感的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

在這些場景下，傳統(tǒng)電極仍然是合理選擇。

?? 但當(dāng)實(shí)驗(yàn)涉及 連續(xù)監(jiān)測、密閉體系、微量結(jié)構(gòu)或高重復(fù)性要求 時(shí)，非侵入式光學(xué)傳感的優(yōu)勢會(huì)被顯著放大。