（1广东先强药业股份有限公司 广东广州 510620）
（2广东岭南职业技术学院药学院 广东广州 510663）
【摘要】 本文介绍原位在线测控生化过程，尤其是新型传感器在测量pH、二氧化碳、溶解氧、细胞质量等参数中的应用与发展。
【关键词】 生化过程传感器 光学传感器 二氧化碳 溶解氧 细胞质量
【中图分类号】R318.6 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2014）05-0026-02
Application of a New Type of Sensor in Biochemical Pharmaceutical Process Monitoring
【Abstract】 in this paper the in situ online measurement and control of biochemical process are studied, especially the development and application of new type sensor in measuring pH, carbon dioxide, oxygen, cell mass and other parameters .
【Keywords】 Biochemical process sensor Optical sensor Carbon dioxide Dissolved oxygen Cell mass
传感器是获得自然科学领域各种信息的“感官系统”，若将计算机比作信息处理的大脑，它与“感官”系统相结合便构成了现代科学技术装置的重要组成部分。各个领域的科学家们也一直致力于传感器的开发研究，近年来对生物传感器的研究已达到一定的水平。生物传感器已广泛应用于工业、农业、军事、天文、生物医学等各个领域[1,2,3]。但因发酵环境特殊能用于发酵控制的新传感器不多，下面做一些介绍。
1.原位在线检测
生化过程是一个实时、非线性、多变量输入输出和随机性的动态过程，是一个复杂的被控对象。温度、pH、溶解氧等是生化过程的重要参数。以往由于传感技术不符合条件，测定这些参数常采用离线分析，不能及时反映生化过程的状态，又可能因取样操作不完善造成发酵液污染，所以不能频繁取样，这样就不能连续跟踪其动态变化过程。而应用在线测控系统，取样、检测、信号处理、反馈控制等过程可以连续、迅速、准确地完成。一般采用直接插入式传感器，即直接安装在反应器内实现在线监控温度、pH、溶解氧、罐内压力、料液流量等。但随着发酵规模的不断扩大，为了能更准确地反映发酵罐内不同部位的各个参数，往往需要同时安装几个检测仪器，因此，传感器探头的安置问题也接踵而来。
2.pH值的测量
因电化学玻璃电极，不能承受蒸汽灭菌，机械稳定性低，学者们转向对光学传感器的研究。1980年J．I．Peterson等人首次研制出光学pH传感器。利用被测pH是指示剂酸、碱浓度函数的特性，即指示剂染料的分解程度是pH的函数，通过染料的吸收光或发(荧)光强度的方法获得。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆它具有非接触性，高灵敏度，高精度，高时空分辨率，可进行全场三维测试等优点，具有很强的抗干扰能力，能承受高温灭菌处理。但操作范围非常狭窄，如果提高其在染料等电点附近的灵敏度可弥补这个缺陷。尽管单个光学传感器不可能用来监控所有的生化过程，但如果发酵过程监控所用的传感器与发酵液的pH范围相匹配就能达到较理想的效果。近来已研制出基于新型聚合体的检测范围不断扩大的光学传感器，但在发酵工业中应用还有待于实践的证明[5,6]。
3.溶解氧的测量
有可承受蒸汽灭菌的Clark一氧型传感器，光纤氧传感器。这两种方法可相互补充，电化学传感器在高浓度氧的环境中使用，效果较好；而光学传感器则在低浓度氧的环境中(一般<50％氧饱和度)灵敏度更高[4]。另一个重要的区别是：电气化学传感器要消耗氧气，影响测量结果，光纤氧传感器能克服这一缺陷。
4.细胞质量的测量
通过电化学或光学的方法来间接测量细胞质量。对于电化学传感器，细胞质量往往与电导率或介电常数有关，菌数的增长或菌代谢产物的增加都会引起介电常数或电导率的变化。对于光学传感器而言通过吸收光、散射光或两者相结合来间接测定细胞质量。单利用散射的原理可以用来测定细胞质量但在高细胞质量的情况下往往不太稳定[7]。利用吸光率或光密度的原理可能会稳定一些，但测量范围和精度有待提高。但所有这些传感器的测量结果易受发酵液中微粒或气泡的干扰。另外，细胞质量也可以用“软件传感器”来测量或预测。
5.二氧化碳溶解量的测量
Severinghau型传感器因电极不能灭菌而转向发展光纤CO2传感器，如现在已投入使用的HPTS荧光试剂传感器[8]。HPTS(1一羟基一3,6,8一三磺酸基芘)是目前荧光CO2光纤传感器广泛使用的敏感试剂，具有较强的荧光和较长的吸收及发射波长，水溶性好，Stokes位移大，磺化基团的存在易于固相支持剂形成共价键而被固定。
因此光学传感器有着电化学传感器不可比拟的优点。未来将是通过机器人或微流体分配器来控制关键参数。使控制策略和过程参数得到迅速优化，且为过程简单化提供信息和依据。
参考文献
[1] 吴礼光、刘茉娥等．生物传感器研究进展．化学进展．1995,7(4)：287—301．
[2] 赵卫东、宋金明．海洋化学传感器研制的动态评述．海洋与湖泊．2000,31(4)：453～459．
[3] 蔡豪斌．微生物活细胞检测生物传感器的研究．华夏医学．2000, 13 (3)：252—255．
[4] Peter Harms，Yordan Kostov，Govind Rao．Bioproeess moni—toring．Curr Opin Bioteehnol 2002,13：124—127．
[5] Koncki R，Wolfbeis OS．Composite films of Prussian blue and N—substituted polyprroles：fabrication and application to optical determination of pH．Anal Chem1998,70：2544—2550．
[6] Sotomayor P，Raimundo I，Zarbin A，Rohwedder J et al：Construction and evaouation of an optica lpH sensor based on polyaniline—porous Vycor glass nanocomposite．Sens Actuat2001,74：157—162．
[7] Janeh G，Gerbsch N，Buchholz R：A novel fiber optic probe for on—line monitoring of biomass concentrations．Bioprocess Eng 2000,22：275—279．
[8] Pattison Rn，Swamy J，Mendenhail B et al：Measurement and control of dissolved carbon dioxidein mammalian cell culture processes using an in situ fiber optic chemical sensor．Biotechnol Prog2000,16：769—774．
论文作者:周建轩1,陈辉芳2
论文发表刊物:《医药前沿》2014年第5期供稿
论文发表时间:2014-5-5
标签：传感器论文; 过程论文; 测量论文; 光学论文; 细胞论文; 溶解氧论文; 在线论文; 《医药前沿》2014年第5期供稿论文;