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(yīng)器上必不可少的過程分析類傳感器——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>

全球生物制藥市場規(guī)模逐年增長，蛋白類藥物和疫苗成為主要細(xì)分領(lǐng)域。整個生物制藥加工過程中，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，75%的生物反應(yīng)器用于培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞。哺乳動物細(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都可能會對細(xì)胞生長和目標(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)原理來看，測量電極產(chǎn)生的信號強(qiáng)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(yīng)，始終產(chǎn)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(diǎn)漂移（mV）和斜率偏移(mV/pH)來評估電極性能。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，不同培養(yǎng)工藝，可根據(jù)培養(yǎng)周期和生產(chǎn)批次來特異性選擇。

敏感膜

測量電極測量的是敏感膜內(nèi)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(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測量使用的是兩支電極，一支測量電極，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，將測量電極內(nèi)的電解液緩慢流出，從而防止電解液無節(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(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(hù)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(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估，但真正的pH測量是一個系統(tǒng)決定的。整個系統(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，增加的電纜線長度等，會對模擬信號傳輸?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，將電極測量的原始信號在芯片內(nèi)完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，使用有ISM功能的變送器，通過HART等通信協(xié)議，集成至控制系統(tǒng)。經(jīng)測試，相比于傳統(tǒng)的模擬pH電極，ISM智能電極測量的準(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)電極可直接帶到測量點(diǎn)進(jìn)行安裝使用，實(shí)現(xiàn)了電極在測量點(diǎn)外校準(zhǔn)，測量點(diǎn)安裝后即插即測的可能性。

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)大量的時間，還會出現(xiàn)記錄錯誤的可能。iSense實(shí)現(xiàn)了傳感器校準(zhǔn)和維護(hù)記錄自動存儲在軟件數(shù)據(jù)庫的可能性。此外，最高溫度、運(yùn)行時間以及CIP/SIP循環(huán)次數(shù)也會在從傳感器上傳至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、簡化合規(guī)，iSense軟件和帶有ISM功能的變送器還能顯示更多高級診斷信息，如電極的動態(tài)使用壽命（DLI）、下一次需校準(zhǔn)時間（ACT）和到期維護(hù)時間（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、測量環(huán)境、高溫SIP以及維護(hù)保養(yǎng)頻率等。動態(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)前過程狀態(tài)相比較，根據(jù)這些信息，實(shí)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(dāng)前批次生產(chǎn)、還能用幾個批次、何時停用、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)時間，在按時的基礎(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智能傳感器測量更加精確、即插即測、合規(guī)簡單、擁有預(yù)測性診斷，協(xié)助企業(yè)從被動的、耗時耗力的維護(hù)策略，轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、更高效的主動性策略，?yōu)化分析測量方案。

同時，對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)該秉持的理念是對于傳感器的原理、使用、維護(hù)和保養(yǎng)等專業(yè)知識作必要的了解，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)揮過程分析技術(shù)對工藝控制、提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的作用。