智能在線pH傳感器，解鎖過程分析更多可能性

pH傳感器成為生物反應器上必不可少的過程分析類傳感器——在工藝開發或生產中，使用人員該如何選擇pH傳感器，以獲得最佳的使用體驗呢？

全球生物制藥市場規模逐年增長，蛋白類藥物和疫苗成為主要細分領域。整個生物制藥加工過程中，生物反應器是上游生產的核心設備。按照培養的細胞類型統計，75%的生物反應器用于培養哺乳動物細胞。哺乳動物細胞適應的pH范圍一般在6.8~7.3之間，低于6.8或超出7.3都可能會對細胞生長和目標產物質量和產量產生不利的影響。因此，在線pH傳感器成為生物反應器上必不可少的過程分析類傳感器。

決定pH電極零點和斜率的因素

圖1 典型的pH復合電極結構示意圖

從pH電極工作的電化學原理來看，測量電極產生的信號強度由溶液的氫離子活度即酸堿度決定，參比電極不對測量溶液中的氫離子有任何反應，始終產生恒定的電位，故而，測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，測量出溶液的pH值。大部分用戶會用電極的零點漂移（mV）和斜率偏移(mV/pH)來評估電極性能。但決定零點和斜率的因素則有：參比系統、敏感膜以及液絡部等。

參比系統

參比系統需不受干擾、快速響應。考慮到參比系統的響應時間和使用壽命的平衡，適用于生物制藥行業的參比系統有液體電解質和凝膠電解質。液體電解質響應快，凝膠電解質壽命較長，不同培養工藝，可根據培養周期和生產批次來特異性選擇。

敏感膜

測量電極測量的是敏感膜內外的電位差。玻璃敏感膜作為測量電極的重要部件，其組份決定了測量電極對待測溶液中氫離子的響應能力和抗他離子干擾的能力。此外，生物制藥行業有頻繁高溫滅菌的操作。因此，敏感膜能耐受多少個滅菌循環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50個滅菌循環，電極的零點和斜率偏移量極小。

液絡部

早期的pH測量使用的是兩支電極，一支測量電極，一支參比電極構成原電池。1948年，Ingold博士憑借瑞士特有的精密加工技術創新地將2支電極做成一支復合電極，降低傳感器的操作運營成本。但復合電極中的參比電極需要有液絡部連通參比系統和被測量溶液。基于細胞培養體系中主要為水性溶液環境，故而采用了多孔陶瓷材料，將測量電極內的電解液緩慢流出，從而防止電解液無節制的流出。這種陶瓷隔膜非常適合在水溶液中進行標準測量的電極。

3個選擇ISM智能pH傳感器的理由

值得注意的是，隨著培養工藝的不斷優化，細胞濃度、目的產物濃度均在大幅提升，培養體系中的細胞碎片、高濃度蛋白等對陶瓷孔的堵塞一定程度上會影響電極測量性能。電極何時需要清潔維護隔膜孔也非常重要。這可以從電極的敏感膜阻抗來判斷，若陶瓷孔被蛋白質堵塞，通常可將電極浸入胃蛋白酶/HCl(含有5%胃蛋白酶的0.1mol/L HCl)溶液中數小時進行清潔。

pH傳感器自身的工作原理和性能表征因素易于評估，但真正的pH測量是一個系統決定的。整個系統回路涉及傳感器、護套、變送器和電纜線。護套主要在電極使用起物理保護和清潔校準的輔助作用；變送器起到信號接收、解碼的作用。

傳統模擬的pH傳感器是將高阻抗的mV信號傳送到變送器，變送器再解碼，顯示出pH值。環境的影響，如濕度和周圍設備的電磁干擾，增加的電纜線長度等，會對模擬信號傳輸的完整性產生不利的影響。因此，梅特勒-托利多提出將模擬電極數字化、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，將電極測量的原始信號在芯片內完成模擬信號向數字信號的轉換，使用有ISM功能的變送器，通過HART等通信協議，集成至控制系統。經測試，相比于傳統的模擬pH電極，ISM智能電極測量的準確性提高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、維護校準以及庫存管理等提供更多的決策依據，創造更多的可能性。智能電極頭部的芯片，可以讓使用人員在諸如維護車間等合適的地方，對電極進行校準后將相關信息，如零點和斜率、參比系統阻抗和敏感膜阻抗等寫入芯片。后續電極可直接帶到測量點進行安裝使用，實現了電極在測量點外校準，測量點安裝后即插即測的可能性。

生物制藥行業需要符合嚴格的法規要求。工廠提供所用傳感器的校準記錄和維護歷史也是日程操作之一。技術人員手寫記錄、再轉化為電子記錄，可能要花費大量的時間，還會出現記錄錯誤的可能。iSense實現了傳感器校準和維護記錄自動存儲在軟件數據庫的可能性。此外，最高溫度、運行時間以及CIP/SIP循環次數也會在從傳感器上傳至iSense所有這些數據都記錄為電子文檔，可以PDF格式打印。

除了即插即測、簡化合規，iSense軟件和帶有ISM功能的變送器還能顯示更多高級診斷信息，如電極的動態使用壽命（DLI）、下一次需校準時間（ACT）和到期維護時間（TTM）。

理論上，使用正確且維護得當的pH電極的使用壽命預計在1~3年。但導致電極使用壽命縮短的因素有：工藝環境、測量環境、高溫SIP以及維護保養頻率等。動態壽命DLI的獨特算法融合了梅特勒-托利多在工藝環境和維護校準等因素對傳感器性能和壽命影響方面的多年經驗，將歷史數據和當前過程狀態相比較，根據這些信息，實時顯示傳感器的剩余壽命。DLI為使用人員評估電極能否用于當前批次生產、還能用幾個批次、何時停用、后續增補多少新的電極等提供決策依據。

圖2 3個選擇ISM智能pH傳感器的理由

鑒于大部分工藝開發和生產企業有內部的維護保養和校準和SOP，ACT和TTM可以協助優化SOP。ACT和TTM根據傳感器的健康狀態，給出建議的校準和維護時間，在按時的基礎上，釋放按需維護和校準的可能性，極大的減少維護和校準的時間。

總結

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定運行、保障生產可靠性和一致性的重要條件之一。ISM智能傳感器測量更加精確、即插即測、合規簡單、擁有預測性診斷，協助企業從被動的、耗時耗力的維護策略，轉變為更精益、更高效的主動性策略，優化分析測量方案。

同時，對于在線傳感器的使用和維護，我們倡導工藝和生產人員應該秉持的理念是對于傳感器的原理、使用、維護和保養等專業知識作必要的了解，從選型、使用和維護保養等全生命周期的角度去評估和實踐，解鎖更多在線pH傳感器的可能性，充分發揮過程分析技術對工藝控制、提升產品質量和產量的作用。