電極及其他：生物加工中的pH測量

在生物處理工作流程中測量的**關鍵且經常監測的參數之一是pH。蛋白質和其他大分子對pH敏感，在**佳pH條件下會失去穩定性。精簡和擴大蛋白質生物加工時，準確的pH測量變得更加重要。

甲pH計  確定的酸度或溶液的堿度，或氫離子的其濃度，通過測量兩個電極之間的電勢差- pH電極，這是氫離子敏感，和參考電極-其攜帶一公知的電極電位。典型的電極含有氯化鉀作為電解質的溶液。理想地，pH由電極電位之間的差異計算。在現實世界中，許多因素會干擾準確的測量。這些包括電極的年齡和狀況以及是否正確校準。

對于生物加工工作流程，pH通常控制在非常窄的范圍內。監測pH有三種主要方法：離線監測，在線監測和現場測量。對從過程中移除的樣品執行離線監測，并在過程中集成現場監測。在線監測是兩者之間的流行折衷，其中樣本自動從流中轉移并快速分析。在本文中，我們將討論pH監測在生物加工工作流程中的不同方法和應用。

電極選項

離線測量是測量生物處理參數的非常直接的方法。從過程中取出的樣品進行離線測量。這通常是一種非常可靠和準確的監測方法，但它可能是緩慢且勞動密集的。使用容器內的傳感器或流動管線進行現場或在線監測。這些傳感器提供快速，實時的測量，但它們在pH范圍和耐用性方面的測量靈敏度可能不足。

在線監測適用于離線和現場監測之間的某種程度。通常，在線監測是指自動撤回和分析樣品的過程。該方法在原位測量的快速性和離線測量的可靠性之間提供了良好的折衷。

可以使用臺式pH計或自動滴定系統處理離線pH測量。為了獲得準確的pH讀數，應快速進行離線測量，以避免CO2排氣引起的漂移。

樣品對電極的影響

樣品的質量也可能使獲得準確的pH測量的任務復雜化。

生物加工專注于大批量發酵和蛋白質純化。需要測試的樣品類型包括：組織培養基，細菌和酵母懸浮液，細胞裂解液，純化蛋白質和蛋白質和核酸溶液。pH電極的功能依賴于樣品的電導率。如果樣品缺乏導電離子，則難以獲得任何準確的pH讀數。例如，非常純凈的水是用于pH測量的困難介質。

另一個極端是含有許多大有機分子的樣品。大多數生物過程樣品都含有大量這些大分子，包括目標蛋白質以及核酸和細胞碎片。這些解決方案可能導致電極隔膜或參比結的堵塞，這是電極中系統和溶液電接觸的部分。參比接點必須足夠透過，以使參比電解液流出。參考接頭有多種材料可供選擇，適用于不同的應用。陶瓷連接點在一般應用中很受歡迎，但其孔隙很容易被有機物堵塞。鉑結不容易堵塞，但其擴散潛力低于陶瓷。

“為了獲得準確且可重復的測量，隔膜必須非常干凈。如果由于有機分子較大而導致隔膜堵塞或阻塞，電解液就無法流過，而且您的pH讀數將會振蕩，“瑞士萬通美G市場經理Hari Narayanan說。Narayanan建議Metrohm的Unitrode電極用于難溶液，Viscotrode用于粘性溶液。

由于液體電極的復雜性，其中電解質與樣品接觸，一些生物加工研究人員更喜歡凝膠電解質，其由氯化鉀和聚合物膠凝劑組成，以防止電解質在參比接頭處泄漏到樣品中。凝膠在測量過程中與樣品表面接觸，但不會流入樣品或與樣品混合。

YSI的TruLine pH 21和pH 27電極使用聚合物電解質。根據YSI的網站，這些電極維護成本低，因為它們不需要再填充電解質溶液。

除了改進的電極技術外，許多供應商還提供滴定系統，其功能超出簡單的pH讀數。瑞士萬通的Omnis滴定儀是一個完整的系統，可以同時對四個樣品進行pH分析。它包括液體處理功能和自動分析的軟件。

超越電極：光學傳感器

光學傳感器是一些在現場和在線監測系統中使用的新技術。

光學傳感器使用pH敏感染料。pH的變化引發可以通過分光光度法檢測的吸光度或熒光的變化。PreSens Precision Sensing GmbH為生理解決方案和培養基提供無創pH傳感器。SensorSpots是非侵入式光學氧傳感器，可以粘附在透明容器的內表面上。根據PreSens的網站，這些傳感器可以與培養瓶，試管，培養皿和培養袋一起使用。PreSens的流通式細胞pH采用小型光纖化學傳感器，集成在流通池中，用于在線pH監測。

PreSens營銷和創新總監Gernot Thomas John表示，客戶常常對傳感器的穩定性和準確性感到好奇。“由于采用了**的雙壽命參考機制，PreSens pH傳感器顯示出更高的穩定性。通過單點調整，準確度**高，這是大多數控制器支持的功能，“John說。

Ocean Optics開發了一種溶膠 - 凝膠（濕化學制造技術）裝置，稱為光電極，用于pH值范圍5到9的pH測量。光電傳感器使用固定在溶膠 - 凝膠基質中的pH敏感染料（膠體）通過將納米顆粒分散在液體中形成的混合物。來自溶液的氫離子擴散到凝膠中并引發顏色變化。根據Ocean Optics的網站，溶膠 - 凝膠傳感器的響應時間比典型的聚合物凝膠快。

通常，在線光學傳感器用于上游處理，而下游處理需要電極的精度。但這取決于目標產品以及工作流程的優化方式。

無論是離線，在線還是介于兩者之間，生物加工工作流程中的pH測量jue對**關重要。酶分子的結構和動力學可以通過pH的小偏差顯著影響。大多數酶動力學是pH依賴性的，并且如果允許pH在加工中偏離，則酶活性將很差或不存在。基于蛋白質的藥物產品在**佳pH范圍之外可能在結構上不穩定，并且如果pH不保持在一定范圍內，則一些純化過程可能工作不良或失敗。對于大批量制備，pH值調整的錯誤在美元方面可能是極其昂貴的，并且延遲嚴格的生產計劃。尋找**佳系統和**佳電極或傳感器取決于許多過程變量。雖然pH計通常在實驗室中被認為是理所當然的，但維護不良或臟的電極會給出錯誤的讀數。因此，請務必為您的應用選擇**佳工具，并仔細遵循使用，維護和校準說明。