Электроды pH и датчики растворённого кислорода

pH и растворённый кислород — две величины, которыми биореактор управляет непрерывно, и обе не измеряются напрямую, а выводятся. У каждого преобразования своя картина отказов, и в одноразовых системах именно эти отказы решают, как долго данным можно верить.

Электрод pH — это две полуячейки, и датчиком служит лишь одна

Стеклянный электрод измеряет разность потенциалов между внутренним электродом сравнения, контактирующим с pH-чувствительной стеклянной мембраной, и внешней полуячейкой сравнения — обычно хлорсеребряной, — соединённой с пробой через пористый переход. Стеклянная мембрана приобретает потенциал, пропорциональный разности активностей по её сторонам; полуячейка сравнения обязана вносить постоянную величину. Почти вся реальная погрешность живёт в этом «обязана».

Переход несёт диффузионный потенциал, меняющийся с ионным составом пробы, и физически открыт, так что белок, клетки и осадки его загрязняют. Ионы серебра, выходящие наружу, встречают сульфиды и белок и образуют отложения, забивающие его ещё сильнее. Итог — растущее со временем контакта смещение, которое проявляется как сдвиг нуля, а не как неверный наклон; поэтому электрод, всё ещё дающий правильный наклон при калибровке, способен тихо врать в культуральной жидкости.

Температура входит дважды, и автоматически учитывается лишь одно из двух. По уравнению Нернста наклон пропорционален абсолютной температуре: около 59,2 мВ на единицу pH при 25 °C и около 61,5 мВ при 37 °C. Приборы компенсируют это по показаниям термодатчика. Чего они компенсировать не могут — так это собственной температурной зависимости pH буферов и проб: приписанное значение фосфатного буфера заметно различается при 25 °C и при 37 °C. Поэтому калибровка при комнатной температуре с последующим измерением при температуре культивирования вносит систематическую ошибку, если калибровку не выполнить при температуре измерения или не привести к ней. Паровая стерилизация старит электрод: каждый цикл гидратирует и разрушает гелевый слой стекла и истощает электролит сравнения, так что у многоразового датчика есть конечное число зачтённых циклов.

Два способа мерить кислород с противоположными слабостями

Датчик кларковского типа амперометричен. Кислород диффундирует через газопроницаемую мембрану к поляризованному катоду, электрохимически восстанавливается, и ток пропорционален парциальному давлению кислорода у мембраны. Поскольку датчик восстанавливает тот кислород, который регистрирует, он его расходует: в неподвижной жидкости он обедняет собственный пограничный слой и занижает показания, то есть зависит от обтекания, а его быстродействие задано диффузией через мембрану и электролит.

Оптический датчик измеряет время жизни люминесценции закреплённого люминофора, тушимого кислородом по Штерну — Фольмеру, и считывает его как сдвиг фазы при модулированном возбуждении. Кислорода он не расходует и потому не зависит от обтекания — решающее преимущество в плохо перемешиваемом или очень малом сосуде. Его слабость — сам люминофор: повторное возбуждение его фотообесцвечивает, поэтому калибровка уходит с накопленной дозой освещения, а не с прошедшим временем, и частота опроса становится калибровочной переменной.

Ограничение одноразовых систем

В предстерилизованном мешке датчики устанавливают и облучают вместе с сосудом, а калибруют на заводе до его герметизации. После внесения посевного материала система закрыта по замыслу, и ни буфер, ни калибровочный газ до датчика не доберутся. Отсюда штатная практика — поправка по одной точке: асептически отобранную пробу измеряют на газоанализаторе у линии, и показание проточного датчика приводят к нему. Это устраняет смещение в один момент времени. Дрейф это не устраняет, и за четырнадцатисуточный перфузионный цикл — с загрязнением перехода с одной стороны и фотообесцвечиванием с другой — предел доверия к измерению задаёт именно накопленный дрейф, а не исходная точность.