pH傳感器成為生物反應(yīng)器上必不可少的過(guò)程分析類傳感器——在工藝開發(fā)或生產(chǎn)中，使用人員該如何選擇pH傳感器，以獲得最佳的使用體驗(yàn)?zāi)兀?/p>

全球生物制藥市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，蛋白類藥物和疫苗成為主要細(xì)分領(lǐng)域。整個(gè)生物制藥加工過(guò)程中，生物反應(yīng)器是上游生產(chǎn)的核心設(shè)備。按照培養(yǎng)的細(xì)胞類型統(tǒng)計(jì)，75%的生物反應(yīng)器用于培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞。哺乳動(dòng)物細(xì)胞適應(yīng)的pH范圍一般在6.8~7.3之間，低于6.8或超出7.3都可能會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量和產(chǎn)量產(chǎn)生不利的影響。因此，在線pH傳感器成為生物反應(yīng)器上必不可少的過(guò)程分析類傳感器。

決定pH電極零點(diǎn)和斜率的因素

圖1 典型的pH復(fù)合電極結(jié)構(gòu)示意圖

從pH電極工作的電化學(xué)原理來(lái)看，測(cè)量電極產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度由溶液的氫離子活度即酸堿度決定，參比電極不對(duì)測(cè)量溶液中的氫離子有任何反應(yīng)，始終產(chǎn)生恒定的電位，故而，測(cè)量電極和參比電極之間的電位差可以表征溶液中游離氫離子的含量，測(cè)量出溶液的pH值。大部分用戶會(huì)用電極的零點(diǎn)漂移（mV）和斜率偏移(mV/pH)來(lái)評(píng)估電極性能。但決定零點(diǎn)和斜率的因素則有：參比系統(tǒng)、敏感膜以及液絡(luò)部等。

參比系統(tǒng)

參比系統(tǒng)需不受干擾、快速響應(yīng)?？紤]到參比系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和使用壽命的平衡，適用于生物制藥行業(yè)的參比系統(tǒng)有液體電解質(zhì)和凝膠電解質(zhì)。液體電解質(zhì)響應(yīng)快，凝膠電解質(zhì)壽命較長(zhǎng)，不同培養(yǎng)工藝，可根據(jù)培養(yǎng)周期和生產(chǎn)批次來(lái)特異性選擇。

敏感膜

測(cè)量電極測(cè)量的是敏感膜內(nèi)外的電位差。玻璃敏感膜作為測(cè)量電極的重要部件，其組份決定了測(cè)量電極對(duì)待測(cè)溶液中氫離子的響應(yīng)能力和抗他離子干擾的能力。此外，生物制藥行業(yè)有頻繁高溫滅菌的操作。因此，敏感膜能耐受多少個(gè)滅菌循環(huán)而性能不受影響也是重要的考量。梅特勒-托利多的InPro3253i系列電極敏感膜可耐受高達(dá)50個(gè)滅菌循環(huán)，電極的零點(diǎn)和斜率偏移量極小。

液絡(luò)部

早期的pH測(cè)量使用的是兩支電極，一支測(cè)量電極，一支參比電極構(gòu)成原電池。1948年，Ingold博士憑借瑞士特有的精密加工技術(shù)創(chuàng)新地將2支電極做成一支復(fù)合電極，降低傳感器的操作運(yùn)營(yíng)成本。但復(fù)合電極中的參比電極需要有液絡(luò)部連通參比系統(tǒng)和被測(cè)量溶液?；诩?xì)胞培養(yǎng)體系中主要為水性溶液環(huán)境，故而采用了多孔陶瓷材料，將測(cè)量電極內(nèi)的電解液緩慢流出，從而防止電解液無(wú)節(jié)制的流出。這種陶瓷隔膜非常適合在水溶液中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的電極。

3個(gè)選擇ISM智能pH傳感器的理由

值得注意的是，隨著培養(yǎng)工藝的不斷優(yōu)化，細(xì)胞濃度、目的產(chǎn)物濃度均在大幅提升，培養(yǎng)體系中的細(xì)胞碎片、高濃度蛋白等對(duì)陶瓷孔的堵塞一定程度上會(huì)影響電極測(cè)量性能。電極何時(shí)需要清潔維護(hù)隔膜孔也非常重要。這可以從電極的敏感膜阻抗來(lái)判斷，若陶瓷孔被蛋白質(zhì)堵塞，通?？蓪㈦姌O浸入胃蛋白酶/HCl(含有5%胃蛋白酶的0.1mol/L HCl)溶液中數(shù)小時(shí)進(jìn)行清潔。

pH傳感器自身的工作原理和性能表征因素易于評(píng)估，但真正的pH測(cè)量是一個(gè)系統(tǒng)決定的。整個(gè)系統(tǒng)回路涉及傳感器、護(hù)套、變送器和電纜線。護(hù)套主要在電極使用起物理保護(hù)和清潔校準(zhǔn)的輔助作用；變送器起到信號(hào)接收、解碼的作用。

傳統(tǒng)模擬的pH傳感器是將高阻抗的mV信號(hào)傳送到變送器，變送器再解碼，顯示出pH值。環(huán)境的影響，如濕度和周圍設(shè)備的電磁干擾，增加的電纜線長(zhǎng)度等，會(huì)對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)耐暾援a(chǎn)生不利的影響。因此，梅特勒-托利多提出將模擬電極數(shù)字化、智能化的ISM?智能傳感器管理的理念。在電極頭部嵌入芯片后，將電極測(cè)量的原始信號(hào)在芯片內(nèi)完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使用有ISM功能的變送器，通過(guò)HART等通信協(xié)議，集成至控制系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，相比于傳統(tǒng)的模擬pH電極，ISM智能電極測(cè)量的準(zhǔn)確性提高120%。

ISM智能傳感器管理配套的iSense軟件

ISM智能傳感器管理配套的iSense軟件為電極的安裝使用、維護(hù)校準(zhǔn)以及庫(kù)存管理等提供更多的決策依據(jù)，創(chuàng)造更多的可能性。智能電極頭部的芯片，可以讓使用人員在諸如維護(hù)車間等合適的地方，對(duì)電極進(jìn)行校準(zhǔn)后將相關(guān)信息，如零點(diǎn)和斜率、參比系統(tǒng)阻抗和敏感膜阻抗等寫入芯片。后續(xù)電極可直接帶到測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行安裝使用，實(shí)現(xiàn)了電極在測(cè)量點(diǎn)外校準(zhǔn)，測(cè)量點(diǎn)安裝后即插即測(cè)的可能性。

生物制藥行業(yè)需要符合嚴(yán)格的法規(guī)要求。工廠提供所用傳感器的校準(zhǔn)記錄和維護(hù)歷史也是日程操作之一。技術(shù)人員手寫記錄、再轉(zhuǎn)化為電子記錄，可能要花費(fèi)大量的時(shí)間，還會(huì)出現(xiàn)記錄錯(cuò)誤的可能。iSense實(shí)現(xiàn)了傳感器校準(zhǔn)和維護(hù)記錄自動(dòng)存儲(chǔ)在軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的可能性。此外，最高溫度、運(yùn)行時(shí)間以及CIP/SIP循環(huán)次數(shù)也會(huì)在從傳感器上傳至iSense所有這些數(shù)據(jù)都記錄為電子文檔，可以PDF格式打印。

除了即插即測(cè)、簡(jiǎn)化合規(guī)，iSense軟件和帶有ISM功能的變送器還能顯示更多高級(jí)診斷信息，如電極的動(dòng)態(tài)使用壽命（DLI）、下一次需校準(zhǔn)時(shí)間（ACT）和到期維護(hù)時(shí)間（TTM）。

理論上，使用正確且維護(hù)得當(dāng)?shù)膒H電極的使用壽命預(yù)計(jì)在1~3年。但導(dǎo)致電極使用壽命縮短的因素有：工藝環(huán)境、測(cè)量環(huán)境、高溫SIP以及維護(hù)保養(yǎng)頻率等。動(dòng)態(tài)壽命DLI的獨(dú)特算法融合了梅特勒-托利多在工藝環(huán)境和維護(hù)校準(zhǔn)等因素對(duì)傳感器性能和壽命影響方面的多年經(jīng)驗(yàn)，將歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前過(guò)程狀態(tài)相比較，根據(jù)這些信息，實(shí)時(shí)顯示傳感器的剩余壽命。DLI為使用人員評(píng)估電極能否用于當(dāng)前批次生產(chǎn)、還能用幾個(gè)批次、何時(shí)停用、后續(xù)增補(bǔ)多少新的電極等提供決策依據(jù)。

圖2 3個(gè)選擇ISM智能pH傳感器的理由

鑒于大部分工藝開發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)有內(nèi)部的維護(hù)保養(yǎng)和校準(zhǔn)和SOP，ACT和TTM可以協(xié)助優(yōu)化SOP。ACT和TTM根據(jù)傳感器的健康狀態(tài)，給出建議的校準(zhǔn)和維護(hù)時(shí)間，在按時(shí)的基礎(chǔ)上，釋放按需維護(hù)和校準(zhǔn)的可能性，極大的減少維護(hù)和校準(zhǔn)的時(shí)間。

總結(jié)

工欲善其事，必先利其器。合適傳感器、最佳的性能是確保工藝穩(wěn)定運(yùn)行、保障生產(chǎn)可靠性和一致性的重要條件之一。ISM智能傳感器測(cè)量更加精確、即插即測(cè)、合規(guī)簡(jiǎn)單、擁有預(yù)測(cè)性診斷，協(xié)助企業(yè)從被動(dòng)的、耗時(shí)耗力的維護(hù)策略，轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、更高效的主?dòng)性策略，優(yōu)化分析測(cè)量方案。

同時(shí)，對(duì)于在線傳感器的使用和維護(hù)，我們倡導(dǎo)工藝和生產(chǎn)人員應(yīng)該秉持的理念是對(duì)于傳感器的原理、使用、維護(hù)和保養(yǎng)等專業(yè)知識(shí)作必要的了解，從選型、使用和維護(hù)保養(yǎng)等全生命周期的角度去評(píng)估和實(shí)踐，解鎖更多在線pH傳感器的可能性，充分發(fā)揮過(guò)程分析技術(shù)對(duì)工藝控制、提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的作用。