RF氧氣、pH、溫度多參數在線監測解決方案

RF氧氣、pH、溫度多參數在線監測解決方案基于光纖-光學傳感器技術，由測量主機、多種類型和量程的光學傳感器及附件3部分組成，通過PC配套軟件，對實驗室樣品進行氧氣、pH和溫度進行測量和監測。新型的解決方案具備高精度、高靈活性的特點，您會發現測量一個樣品的多個重要參數變得如此簡單輕松。

應用領域

l藻類生物反應器pH和藻類光合放氧、凈光合速率的測量監測

l沉積物剖面溶解氧和pH測量監測

l浮游動物、魚類的耗氧率、呼吸代謝測量

l細胞培養過程中耗氧率和pH監測

l工業過程氧氣含量和pH監測

l污水處理過程中溶解氧含量和pH監測

測量原理

RF氧氣、pH、溫度多參數在線監測系統基于RF（RedFlash）技術，包含對測量參數敏感的傳感器染料和讀取設備（測量主機）。讀取設備內置了LED激發光源和光電二極管。傳感器染料和讀取設備之間通過光纖激發光和發射光進行傳遞。

傳感器染料可被LED的紅橙光（610nm-630nm）激發，產生近紅外的熒光（760nm-790nm）,該熒光的強弱或者亮度與溫度、氧氣分壓和傳感器染料的質子化、去質子化相關，所以能夠用來測量溫度、氧氣含量和pH。RF技術具備高測量精度、高可靠性、低能耗、低交叉敏感性、高速響應的特點。紅光激發能夠顯著降低由自發熒光樣品造成的干擾，并降低對生物樣品的脅迫。

配置組成

RF氧氣、pH、溫度多參數在線監測系統由測量主機、多種類型和量程的光學傳感器及附件3部分組成。

測量主機是一個可由電腦控制的小型測量盒，可連接多種類型的傳感器：從微型傳感器（50μm）到探頭傳感器（3mm），也包括多種非接觸的傳感器，如薄膜貼。包括多種不同的量程，其中氧氣可選擇全量程或者痕量，pH測量也有兩種量程可選。系統還配備相應參數的校準膠囊，簡單易用，可用于氧氣的零點校準和pH的校準。

技術指標

1. Firesting Pro測量主機

具備1-4個ST接口，與多種pH、氧氣和溫度傳感器兼容；并配有一個LEMO接口，可外接Pt100溫度探頭，記錄樣品溫度的同時也用作氧氣或者pH測量的溫度補償。主機內置傳感器以測量大氣壓強（mbar）和相對濕度（%RH），用于精確校準和氧氣測量時的壓強補償。

壓強傳感器量程為300-1100mbar，分辨率0.06mbar，精度±3mbar。

濕度傳感器量程為0-100%RH，分辨率為0.04%RH，精度±0.2%RH。

ZD數據采集速度為10-20個樣/秒。支持5V直流USB供電。具備4個獨立模擬輸出（0-2.5V直流，14比特）。

配套軟件Pyro Workbench可支持多達10個Pyro的測量設備同時運行。軟件提供設備的設置和傳感器的校準。傳感器讀數能以數字和圖表的形式展示，并能以相應數據文件存儲，便于進一步的數據分析。

2. 光學傳感器

光學傳感器類型包括pH傳感器、氧氣傳感器、溫度傳感器。3種類型的傳感器可混合使用，也可單獨使用。

2.1 氧氣、pH、溫度傳感器瓶

基于非接觸的傳感器技術（即傳感器與光纖不接觸），該呼吸瓶將氧氣、pH、溫度的傳感器條帶集成在同一個玻璃瓶內，瓶外使用適配環輕松固定光纖。光纖與測量主機相接獲取數據。條帶狀傳感器便于測量不同深度的參數。

呼吸瓶容積20mL，直徑約28mm，高度約61mm。

溶解氧傳感器量程0-500%空氣飽和度（0-44mg/L），適量程為0-250%空氣飽和度（0-22mg/L）。檢測限0.1%空氣飽和度（0.01mg/L）。精度±0.1%空氣飽和度（±0.01mg/L）@5%空氣飽和度（0.44mg/L）。分辨率0.05%空氣飽和度（0.005mg/L）@5%空氣飽和度（0.44mg/L）。液體樣品響應時間低于15秒。支持單點校準和兩點校準。可在室內暗處存放3年以上。

pH傳感器6-8和7-9量程可選，ZD量程分別為5.5-8.5和6.5-9.5，精度±0.05@pH=7或者pH=8，分辨率0.005@pH=7或者pH=8，漂移低于0.005每天@pH=7或者pH=8。響應時間小于60秒。兩點校準或者單點補償調整，校準須使用專用校準膠囊，可在室溫原包裝存儲12個月。

溫度傳感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。單點校準。可在室溫下存放3年以上。

2.2 氧氣和溫度測量

氧氣和溫度同測量包含兩種類型的傳感器——流通管和呼吸瓶。

流通管：適用于流動的氣體或者液體的氧氣和溫度測量監測。包括內置傳感器的流通管、魯爾接頭，可直接連接到內徑3-4mm的管道。溫度傳感器實時測量溫度，用于氧氣傳感器的真實溫度校準，保證氧氣的精確測量。推薦流速為20-500mL/min。

氧氣傳感器氣相樣品的量程是0-100%，適量程0-50%。檢測限0.02%。精度±0.02%@1%。分辨率0.01%@1%。響應時間低于1秒。

氧氣傳感器液相樣品的量程0-500%空氣飽和度（0-44mg/L），適量程為0-250%空氣飽和度（0-22mg/L）。檢測限0.1%空氣飽和度（0.01mg/L）。精度±0.1%空氣飽和度（±0.01mg/L）@5%空氣飽和度（0.44mg/L）。分辨率0.05%空氣飽和度（0.005mg/L）@5%空氣飽和度（0.44mg/L）。響應時間低于9秒。氧氣傳感器支持單點校準和兩點校準，可在室溫暗處存放3年以上。

溫度傳感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。單點校準。可在室溫下存放3年以上。

呼吸瓶：基于非接觸的傳感器技術（即傳感器與光纖不接觸），該呼吸瓶將氧氣、溫度的傳感器條帶集成在同一個玻璃瓶內，瓶外使用適配環輕松固定光纖。光纖與測量主機相接獲取數據。條帶狀傳感器便于測量不同深度的參數。對于高光環境和光敏感的樣品，可選配光學隔離層避免干擾。

呼吸瓶容積20mL，直徑約28mm，高度約61mm。

氧氣傳感器氣相樣品的量程是0-100%，適量程0-50%。檢測限0.02%。精度±0.02%@1%。分辨率0.01%@1%。響應時間低于7秒。

氧氣傳感器液相樣品的量程0-500%空氣飽和度（0-44mg/L），適量程為0-250%空氣飽和度（0-22mg/L）。檢測限0.1%空氣飽和度（0.01mg/L）。精度±0.1%空氣飽和度（±0.01mg/L）@5%空氣飽和度（0.44mg/L）。分辨率0.05%空氣飽和度（0.005mg/L）@5%空氣飽和度（0.44mg/L）。響應時間低于15秒。氧氣傳感器支持單點校準和兩點校準，可在室溫暗處存放3年以上。

溫度傳感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。單點校準。可在室溫下存放3年以上。

2.3 pH和溫度傳感器瓶

基于非接觸的傳感器技術（即傳感器與光纖不接觸），該呼吸瓶將pH、溫度的傳感器條帶集成在同一個玻璃瓶內，瓶外使用適配環輕松固定光纖。光纖與測量主機相接獲取數據。條帶狀傳感器便于測量不同深度的參數。對于高光環境和光敏感的樣品，可選配光學隔離層避免干擾。

呼吸瓶容積20mL，直徑約28mm，高度約61mm。

pH傳感器適量程6-8和7-9可選，ZD量程分別為5.5-8.5和6.5-9.5，精度±0.05@pH=7或者pH=8，分辨率0.005@pH=7或者pH=8，漂移低于0.005每天@pH=7或者pH=8。響應時間小于60秒。兩點校準或者單點補償調整，校準須使用專用校準膠囊，可在室溫原包裝存儲12個月。

溫度傳感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。單點校準。可在室溫下存放3年以上。

2.4 單參數傳感器

2.4.1 氧氣傳感器

氧氣傳感器包括光纖傳感器和非接觸傳感器兩大類別。其中光纖傳感器包括探頭、探針、裸光纖、耐溶劑傳感器；非接觸傳感器包括薄膜貼、流通管、呼吸瓶。

絕大部分傳感器的適量程是0-50%（氣相樣品）和0-22ppm（液相樣品）。痕量傳感器可選，適量程0-10%（氣相樣品）和0-4.5ppm（液相樣品）。

探頭傳感器：不銹鋼金屬管，直徑3mm，長度30mm或100mm可選。具光學隔離功能。適用于氣體和液體中氧氣監測，如魚類耗氧率和呼吸測量、攪拌液體的實驗室測量。

探針傳感器：包括固定式和可伸縮式兩種類型。響應時間快，空間分辨率高，mm和μm兩種級別可選。適用于刺入植物組織（如果實等）、刺穿隔膜測量，可對沉積物、生物膜、土壤等樣品進行精細的剖面測量。以下功能可選：光學隔離功能；高速測量和超高速測量；痕量測量；鹽水測量。

裸光纖傳感器：只包括光纖和光纖頂端的傳感器部分。傳感器部分直徑50-70μm和430μm可選。易彎曲，可直接插入生物樣品、土壤，可集成到生物反應器中測量藻類光合放氧和凈光合速率。以下功能可選：光學隔離功能；高速測量和超高速測量；痕量測量。

耐溶劑傳感器：測量大部分極性和非極性溶劑的氧氣分壓，氟代烴和某些氯代烴除外。測量范圍是0-200hPa。可在純有機溶劑和混合溶劑中持續使用60分鐘。重復測量需校準。適用于刺入隔膜等應用場景，如刺穿薄膜、紙、鋁包裝等。響應時間快、耐溶劑，在該類應用場景中是世界上的解決方案。

薄膜貼：貼在容器內壁，配合光纖和固定光纖的適配器，通過透明窗口（玻璃、丙烯酸玻璃等）讀取測量氧氣含量。可有效避免潛在的污染，無需取樣即可測量。可整合pH和溫度的薄膜貼同步測量多參數。適用于魚類呼吸測量、水樣監測（如生物反應器、細胞生物學研究、工業過程）；柱狀沉積物的耗氧率/呼吸測量；生物膜、藻類的光合放氧、凈光合速率測量。以下功能可選：光學隔離功能；痕量可選；尺寸可定制。

流通管：適用于流動的氣體或者液體的氧氣和溫度測量監測，如生物反應器、沉積物實驗設備的出入口。包括內置傳感器的流通管、魯爾接頭，可直接連接到內徑1-2mm或者3-4mm的管道（可選），分別適用于10-100 mL/min和20-500 mL/min的流速。痕量可選。

呼吸瓶：基于非接觸的傳感器技術（即傳感器與光纖不接觸），該呼吸瓶將氧氣的傳感器條帶集成到玻璃瓶內，瓶外使用適配環輕松固定光纖。光纖與測量主機相接獲取數據。條帶狀傳感器便于測量不同深度的參數。對于高光環境和光敏感的樣品，可選配光學隔離層避免干擾。呼吸瓶容積4mL和20mL可選。氧氣測量痕量可選。

適用于小型生物樣品呼吸和代謝率測量，如細胞、卵、幼蟲、小型甲殼類動物、小魚、藻類樣品等；可同步測量液體和headspace的氣體；可測量微藻懸浮液的光合放氧、凈光合速率。

2.4.2 pH傳感器

pH傳感器有探頭傳感器、薄膜貼和流通管、傳感器瓶4種類型。適量程6-8和7-9可選，ZD量程分別為5.5-8.5和6.5-9.5，精度±0.05@pH=7或者pH=8，分辨率0.005@pH=7或者pH=8，漂移低于0.005每天@pH=7或者pH=8。響應時間小于60秒。兩點校準或者單點補償調整，校準須使用專用校準膠囊，可在室溫原包裝存儲12個月。

pH探頭傳感器：不銹鋼金屬管，直徑3mm，長度100mm。具光學隔離功能。pH適量程6-8和7-9可選。適用于少量液體樣品，可用于沉積物pH剖面監測。

pH薄膜貼：貼在容器內壁，配合光纖和固定光纖的適配器，通過透明窗口（玻璃、丙烯酸玻璃等）讀取測量pH含量。可有效避免潛在的污染，無需取樣即可測量。可整合氧氣和溫度的薄膜貼同步測量多參數。具備光學隔離功能。適用于細胞培養等研究。

pH流通管：適用于流動的液體的pH測量監測，包括內置傳感器的流通管、魯爾接頭，可直接連接到內徑3-4mm的管道，適用于20-500 mL/min的流速。可與溫度流通管配合使用進行實時的溫度補償。

pH傳感器瓶：基于非接觸的傳感器技術（即傳感器與光纖不接觸），該呼吸瓶將pH傳感器條帶集成到玻璃瓶內，瓶外使用適配環輕松固定光纖。光纖與測量主機相接獲取數據。條帶狀傳感器便于測量不同深度的參數。具備光學隔離功能。呼吸瓶容積4mL和20mL可選。

2.4.3 溫度傳感器

溫度傳感器有探針、裸光纖、薄膜貼、流通管4種類型。溫度傳感器量程0-50℃，精度±0.5℃。可在室溫下存放3年以上。

溫度探針傳感器：包括固定式和可伸縮式兩種類型。具備JJ的光穩定性和超高速的響應時間（低于0.1s）。傳感器部分的直徑僅430μm，空間分辨率高。不受氣體和離子的干擾，因此可與氧氣和pH的測量同步進行。具備光學隔離。適用于氣體或液體的溫度測量和氧氣、pH的實時補償。可用于半固體樣品（如沉積物）、生物膜、土壤的剖面測量。

溫度裸光纖傳感器：只包括光纖和光纖頂端的傳感器部分。傳感器部分直徑430μm，空間分辨率高。不受氣體和離子的干擾，因此可與氧氣和pH的測量同步進行。具備光學隔離。可彎曲。

溫度薄膜貼：貼在容器內壁，配合光纖和固定光纖的適配器，通過透明窗口（玻璃、丙烯酸玻璃等）讀取測量溫度值。可配合氧氣和pH薄膜貼使用，對其進行實時溫度補償。具備光學隔離功能。測量范圍相比于溫度探針大。

溫度流通管：適用于流動的液體的溫度測量監測，包括內置傳感器的流通管、魯爾接頭，可直接連接到內徑3-4mm的管道，適用于20-500 mL/min的流速。可與氧氣流通管和pH流通管配合使用，對其進行實時溫度補償。

3. 附件

校準膠囊，包括氧氣校準膠囊和pH校準膠囊。

3.1 氧氣校準膠囊：用于氧氣傳感器的零點校準。每個膠囊可制備50mL的校準溶液，10個裝。

3.2 pH校準膠囊：用于pH傳感器的強制校準。每個膠囊可制備100mL的校準溶液，10個裝。兩點校準：pH=4.01和pH=10.00。須即時配備和使用。專用于光學pH傳感器。

應用案例

1. 細胞培養過程pH和氧氣監測——奧地利格拉茨醫科大學

pH和溶解氧是細胞培養的重要參數，對細胞生長和細胞活性意義重大。傳統上，細胞生長時的培養基酸化能夠通過加入到培養基中的pH指示劑酚紅的顏色變化觀察到。借助光學pH和氧氣測量系統則能夠實現持續準確監測，可用于生物反應器或者不添加酚紅指示劑的培養基里。

研究人員將無菌的pH薄膜貼和氧氣薄膜貼進行β射線消毒后，使用樹脂膠貼到6孔板的內壁。膠水凝固后，分別使用消毒后的pH 4和pH 10的緩沖液、亞硫酸鈉溶液對pH薄膜貼和氧氣薄膜貼進行校準。薄膜貼的熒光信號通過光纖使用Firesting Pro測量主機（4通道）進行采集，進而實時得出培養基內pH值和氧氣含量。

對貼壁生長的MUG-Mel2細胞系持續監測了10余天。6孔板中兩個孔未培養細胞，用作對照。6個孔均貼附了pH薄膜貼，兩個孔貼附了氧氣薄膜貼。我們能夠觀察到培養細胞的培養基的酸化過程，從7.3降低到小于7。每3天用胰蛋白酶處理細胞，并將其懸浮在新的培養基里，導致培養基pH從小于7恢復到新培養基的7.3。培養細胞的4個孔展示了較好的相關性，并且傳感器薄膜貼沒有受到細胞或者胰蛋白酶的影響。對照的培養基pH僅有輕微的增長，10多天增長了0.6。這是pH傳感器在37℃的正常漂移。曲線中的峰值是由更換培養基時將多孔板從光纖固定架上取下導致的，此時未進行測量。

此外，從兩個孔溶解氧變化可見：100小時以后，溶解氧濃度劇烈下降，而顯微鏡下觀察細胞數量增加。200小時后，細胞濃度已經遠遠超過正常培養的濃度。高細胞數量使得氧氣濃度降低65%的空氣飽和度。

2. CO2地質埋存滲漏研究——德國不萊梅馬克斯?普朗克海洋微生物研究所

目前，將CO2埋存于地下深部地質構造（如油氣藏、煤層等）的減排方案能有效地減緩溫室效應，因而備受關注。對于一項具體工程的實施，必然存在一些客觀和主觀因素造成CO2滲漏。泄露的可能性能否被檢測出來？泄露會帶來哪些影響和這些影響的范圍有多廣？借助高空間分辨率的pH探頭傳感器能夠順利開展相關研究。

在一個水箱里使用北海現場采集的沉積物，使用CO2氣瓶從底部通入氣體。使用pH探頭傳感器和pH電極監測沉積物沿著自通氣口開始的橫切面pH的動態變化。傳感器被放置于距離氣體通氣口不同距離的沉積物中（0、2、4、8cm）。通氣口被用來向沉積物中通入氮氣和CO2，以引起pH的變化。

首先，通入氮氣，用來定位通氣口，這導致pH升高。一個小時后，通入CO2，pH瞬間降低，距離通氣口遠的地方降低的更慢。傳感器離通氣口越近，pH值越快降pH6.0。離通氣口遠傳感器pH值在整個測量過程中保持穩定。

一周以后，檢查光學pH探頭和電極的漂移。光學pH探頭漂移了約0.13個單位，而電極漂移了少0.5個單位。pH穩定后，測量了一系列的pH剖面值，并繪制了等高線。結果展示了輕微擴散的酸化規律。而pH效應能夠固定在CO2通路，而不向周圍擴散。這也能夠使用工程學原理解釋，即CO2在無限介質中以柱狀分布。酸化能夠被限制在距離通氣口3cm左右的范圍。