在生物制藥領域，溶解氧濃度是微生物好氧呼吸和哺乳動物細胞代謝的關鍵環(huán)境變量。為了實現(xiàn)對這一參數(shù)的精確監(jiān)測，生物制藥溶解氧電極經歷了從傳統(tǒng)電化學向光學傳感的技術演進。目前，極譜法與光化學熒光法是市場上的兩大主流技術路線。理解這兩種技術的底層原理及其在生物制藥場景下的表現(xiàn)差異，對于設備選型與工藝優(yōu)化具有重要意義。
極譜法溶解氧電極屬于電化學傳感器，其工作原理基于氧分子的還原反應。該類電極通常由金或鉑制成的陰極和銀制成的陽極組成，電極內部充注KCl電解液，頂端覆蓋一層透氧薄膜。在施加特定極化電壓的情況下，透過薄膜的氧分子在陰極表面被還原，產生與氧濃度成正比的擴散電流。極譜法技術成熟，初始購置成本相對較低，且在較高溶解氧濃度區(qū)間具有良好的線性響應。然而，該技術存在顯著的局限性，例如需要預熱極化時間才能正常工作，測量過程會持續(xù)消耗氧氣，導致流速依賴性較強。此外，電解液會隨著時間蒸發(fā)或污染，透氣膜也容易因生物污染而老化，需要頻繁更換膜頭和補充電解液，這在無菌要求嚴苛的生物制藥環(huán)境中增加了操作復雜度。
相比之下，光化學熒光法溶解氧電極代表了更新的技術方向，屬于光學傳感器。其原理基于熒光猝滅效應，探頭表面涂覆了一層特殊的熒光敏感材料。藍光發(fā)射器激發(fā)熒光物質發(fā)出紅光，當氧氣分子接觸到涂層時，會吸收部分激發(fā)能，導致熒光強度和相位發(fā)生變化，而熒光的衰減時間與氧濃度呈反比關系。光化學熒光法的較大優(yōu)勢在于無需極化預熱，開機即可測量，且由于不消耗氧氣，測量結果幾乎不受介質流速和攪拌速率的影響。更重要的是，該技術沒有電解液泄露風險，探頭通常為一體化設計，無需頻繁更換耗材，極大地降低了維護工作量，非常適合長期連續(xù)的在線監(jiān)測。
在生物制藥的具體應用中，兩者的選擇取決于工藝需求。極譜法電極雖然在維護上存在短板，但在某些特定的高溫滅菌驗證或低成本改造項目中仍有應用空間。而光化學熒光法電極憑借其優(yōu)異的抗干擾能力、長期的穩(wěn)定性和極低的交叉污染風險，正逐漸成為生物反應器、發(fā)酵罐以及細胞培養(yǎng)袋在線監(jiān)測的常選。特別是在動物細胞培養(yǎng)等對低氧控制精度要求很高的場景中，光學傳感器的高分辨率和快速響應能力更能滿足精細調控的需求。隨著智能制造在制藥行業(yè)的推進，光化學熒光法電極在數(shù)據(jù)采集頻率和數(shù)據(jù)完整性方面的優(yōu)勢也將進一步凸顯。
