RF氧气、pH、温度多参数在线监测解决方案

RF氧气、pH、温度多参数在线监测解决方案

RF氧气、pH、温度多参数在线监测解决方案基于光纤-光学传感器技术，由测量主机、多种类型和量程的光学传感器及附件3部分组成，通过PC配套软件，对实验室样品进行氧气、pH和温度进行测量和监测。新型的解决方案具备高精度、高灵活性的特点，您会发现测量一个样品的多个重要参数变得如此简单轻松。

应用领域

l藻类生物反应器pH和藻类光合放氧、净光合速率的测量监测

l沉积物剖面溶解氧和pH测量监测

l浮游动物、鱼类的耗氧率、呼吸代谢测量

l细胞培养过程中耗氧率和pH监测

l工业过程氧气含量和pH监测

l污水处理过程中溶解氧含量和pH监测

测量原理

RF氧气、pH、温度多参数在线监测系统基于RF（RedFlash）技术，包含对测量参数敏感的传感器染料和读取设备（测量主机）。读取设备内置了LED激发光源和光电二极管。传感器染料和读取设备之间通过光纤激发光和发射光进行传递。

传感器染料可被LED的红橙光（610nm-630nm）激发，产生近红外的荧光（760nm-790nm）,该荧光的强弱或者亮度与温度、氧气分压和传感器染料的质子化、去质子化相关，所以能够用来测量温度、氧气含量和pH。RF技术具备高测量精度、高可靠性、低能耗、低交叉敏感性、高速响应的特点。红光激发能够显著降低由自发荧光样品造成的干扰，并降低对生物样品的胁迫。

配置组成

RF氧气、pH、温度多参数在线监测系统由测量主机、多种类型和量程的光学传感器及附件3部分组成。

测量主机是一个可由电脑控制的小型测量盒，可连接多种类型的传感器：从微型传感器（50μm）到探头传感器（3mm），也包括多种非接触的传感器，如薄膜贴。包括多种不同的量程，其中氧气可选择全量程或者痕量，pH测量也有两种量程可选。系统还配备相应参数的校准胶囊，简单易用，可用于氧气的零点校准和pH的校准。

技术指标

1. Firesting Pro测量主机

具备1-4个ST接口，与多种pH、氧气和温度传感器兼容；并配有一个LEMO接口，可外接Pt100温度探头，记录样品温度的同时也用作氧气或者pH测量的温度补偿。主机内置传感器以测量大气压强（mbar）和相对湿度（%RH），用于精确校准和氧气测量时的压强补偿。

压强传感器量程为300-1100mbar，分辨率0.06mbar，精度±3mbar。

湿度传感器量程为0-100%RH，分辨率为0.04%RH，精度±0.2%RH。

ZD数据采集速度为10-20个样/秒。支持5V直流USB供电。具备4个独立模拟输出（0-2.5V直流，14比特）。

配套软件Pyro Workbench可支持多达10个Pyro的测量设备同时运行。软件提供设备的设置和传感器的校准。传感器读数能以数字和图表的形式展示，并能以相应数据文件存储，便于进一步的数据分析。

2. 光学传感器

光学传感器类型包括pH传感器、氧气传感器、温度传感器。3种类型的传感器可混合使用，也可单独使用。

2.1 氧气、pH、温度传感器瓶

基于非接触的传感器技术（即传感器与光纤不接触），该呼吸瓶将氧气、pH、温度的传感器条带集成在同一个玻璃瓶内，瓶外使用适配环轻松固定光纤。光纤与测量主机相接获取数据。条带状传感器便于测量不同深度的参数。

呼吸瓶容积20mL，直径约28mm，高度约61mm。

溶解氧传感器量程0-500%空气饱和度（0-44mg/L），适量程为0-250%空气饱和度（0-22mg/L）。检测限0.1%空气饱和度（0.01mg/L）。精度±0.1%空气饱和度（±0.01mg/L）@5%空气饱和度（0.44mg/L）。分辨率0.05%空气饱和度（0.005mg/L）@5%空气饱和度（0.44mg/L）。液体样品响应时间低于15秒。支持单点校准和两点校准。可在室内暗处存放3年以上。

pH传感器6-8和7-9量程可选，ZD量程分别为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。响应时间小于60秒。两点校准或者单点补偿调整，校准须使用专用校准胶囊，可在室温原包装存储12个月。

温度传感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。单点校准。可在室温下存放3年以上。

2.2 氧气和温度测量

氧气和温度同测量包含两种类型的传感器——流通管和呼吸瓶。

流通管：适用于流动的气体或者液体的氧气和温度测量监测。包括内置传感器的流通管、鲁尔接头，可直接连接到内径3-4mm的管道。温度传感器实时测量温度，用于氧气传感器的真实温度校准，保证氧气的精确测量。推荐流速为20-500mL/min。

氧气传感器气相样品的量程是0-100%，适量程0-50%。检测限0.02%。精度±0.02%@1%。分辨率0.01%@1%。响应时间低于1秒。

氧气传感器液相样品的量程0-500%空气饱和度（0-44mg/L），适量程为0-250%空气饱和度（0-22mg/L）。检测限0.1%空气饱和度（0.01mg/L）。精度±0.1%空气饱和度（±0.01mg/L）@5%空气饱和度（0.44mg/L）。分辨率0.05%空气饱和度（0.005mg/L）@5%空气饱和度（0.44mg/L）。响应时间低于9秒。氧气传感器支持单点校准和两点校准，可在室温暗处存放3年以上。

温度传感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。单点校准。可在室温下存放3年以上。

呼吸瓶：基于非接触的传感器技术（即传感器与光纤不接触），该呼吸瓶将氧气、温度的传感器条带集成在同一个玻璃瓶内，瓶外使用适配环轻松固定光纤。光纤与测量主机相接获取数据。条带状传感器便于测量不同深度的参数。对于高光环境和光敏感的样品，可选配光学隔离层避免干扰。

呼吸瓶容积20mL，直径约28mm，高度约61mm。

氧气传感器气相样品的量程是0-100%，适量程0-50%。检测限0.02%。精度±0.02%@1%。分辨率0.01%@1%。响应时间低于7秒。

氧气传感器液相样品的量程0-500%空气饱和度（0-44mg/L），适量程为0-250%空气饱和度（0-22mg/L）。检测限0.1%空气饱和度（0.01mg/L）。精度±0.1%空气饱和度（±0.01mg/L）@5%空气饱和度（0.44mg/L）。分辨率0.05%空气饱和度（0.005mg/L）@5%空气饱和度（0.44mg/L）。响应时间低于15秒。氧气传感器支持单点校准和两点校准，可在室温暗处存放3年以上。

温度传感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。单点校准。可在室温下存放3年以上。

2.3 pH和温度传感器瓶

基于非接触的传感器技术（即传感器与光纤不接触），该呼吸瓶将pH、温度的传感器条带集成在同一个玻璃瓶内，瓶外使用适配环轻松固定光纤。光纤与测量主机相接获取数据。条带状传感器便于测量不同深度的参数。对于高光环境和光敏感的样品，可选配光学隔离层避免干扰。

呼吸瓶容积20mL，直径约28mm，高度约61mm。

pH传感器适量程6-8和7-9可选，ZD量程分别为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。响应时间小于60秒。两点校准或者单点补偿调整，校准须使用专用校准胶囊，可在室温原包装存储12个月。

温度传感器量程0-50℃，精度±0.5℃，分辨率0.04℃，漂移低于0.2℃每周@25℃。单点校准。可在室温下存放3年以上。

2.4 单参数传感器

2.4.1 氧气传感器

氧气传感器包括光纤传感器和非接触传感器两大类别。其中光纤传感器包括探头、探针、裸光纤、耐溶剂传感器；非接触传感器包括薄膜贴、流通管、呼吸瓶。

绝大部分传感器的适量程是0-50%（气相样品）和0-22ppm（液相样品）。痕量传感器可选，适量程0-10%（气相样品）和0-4.5ppm（液相样品）。

探头传感器：不锈钢金属管，直径3mm，长度30mm或100mm可选。具光学隔离功能。适用于气体和液体中氧气监测，如鱼类耗氧率和呼吸测量、搅拌液体的实验室测量。

探针传感器：包括固定式和可伸缩式两种类型。响应时间快，空间分辨率高，mm和μm两种级别可选。适用于刺入植物组织（如果实等）、刺穿隔膜测量，可对沉积物、生物膜、土壤等样品进行精细的剖面测量。以下功能可选：光学隔离功能；高速测量和超高速测量；痕量测量；盐水测量。

裸光纤传感器：只包括光纤和光纤顶端的传感器部分。传感器部分直径50-70μm和430μm可选。易弯曲，可直接插入生物样品、土壤，可集成到生物反应器中测量藻类光合放氧和净光合速率。以下功能可选：光学隔离功能；高速测量和超高速测量；痕量测量。

耐溶剂传感器：测量大部分极性和非极性溶剂的氧气分压，氟代烃和某些氯代烃除外。测量范围是0-200hPa。可在纯有机溶剂和混合溶剂中持续使用60分钟。重复测量需校准。适用于刺入隔膜等应用场景，如刺穿薄膜、纸、铝包装等。响应时间快、耐溶剂，在该类应用场景中是世界上的解决方案。

薄膜贴：贴在容器内壁，配合光纤和固定光纤的适配器，通过透明窗口（玻璃、丙烯酸玻璃等）读取测量氧气含量。可有效避免潜在的污染，无需取样即可测量。可整合pH和温度的薄膜贴同步测量多参数。适用于鱼类呼吸测量、水样监测（如生物反应器、细胞生物学研究、工业过程）；柱状沉积物的耗氧率/呼吸测量；生物膜、藻类的光合放氧、净光合速率测量。以下功能可选：光学隔离功能；痕量可选；尺寸可定制。

流通管：适用于流动的气体或者液体的氧气和温度测量监测，如生物反应器、沉积物实验设备的出入口。包括内置传感器的流通管、鲁尔接头，可直接连接到内径1-2mm或者3-4mm的管道（可选），分别适用于10-100 mL/min和20-500 mL/min的流速。痕量可选。

呼吸瓶：基于非接触的传感器技术（即传感器与光纤不接触），该呼吸瓶将氧气的传感器条带集成到玻璃瓶内，瓶外使用适配环轻松固定光纤。光纤与测量主机相接获取数据。条带状传感器便于测量不同深度的参数。对于高光环境和光敏感的样品，可选配光学隔离层避免干扰。呼吸瓶容积4mL和20mL可选。氧气测量痕量可选。

适用于小型生物样品呼吸和代谢率测量，如细胞、卵、幼虫、小型甲壳类动物、小鱼、藻类样品等；可同步测量液体和headspace的气体；可测量微藻悬浮液的光合放氧、净光合速率。

2.4.2 pH传感器

pH传感器有探头传感器、薄膜贴和流通管、传感器瓶4种类型。适量程6-8和7-9可选，ZD量程分别为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。响应时间小于60秒。两点校准或者单点补偿调整，校准须使用专用校准胶囊，可在室温原包装存储12个月。

pH探头传感器：不锈钢金属管，直径3mm，长度100mm。具光学隔离功能。pH适量程6-8和7-9可选。适用于少量液体样品，可用于沉积物pH剖面监测。

pH薄膜贴：贴在容器内壁，配合光纤和固定光纤的适配器，通过透明窗口（玻璃、丙烯酸玻璃等）读取测量pH含量。可有效避免潜在的污染，无需取样即可测量。可整合氧气和温度的薄膜贴同步测量多参数。具备光学隔离功能。适用于细胞培养等研究。

pH流通管：适用于流动的液体的pH测量监测，包括内置传感器的流通管、鲁尔接头，可直接连接到内径3-4mm的管道，适用于20-500 mL/min的流速。可与温度流通管配合使用进行实时的温度补偿。

pH传感器瓶：基于非接触的传感器技术（即传感器与光纤不接触），该呼吸瓶将pH传感器条带集成到玻璃瓶内，瓶外使用适配环轻松固定光纤。光纤与测量主机相接获取数据。条带状传感器便于测量不同深度的参数。具备光学隔离功能。呼吸瓶容积4mL和20mL可选。

2.4.3 温度传感器

温度传感器有探针、裸光纤、薄膜贴、流通管4种类型。温度传感器量程0-50℃，精度±0.5℃。可在室温下存放3年以上。

温度探针传感器：包括固定式和可伸缩式两种类型。具备JJ的光稳定性和超高速的响应时间（低于0.1s）。传感器部分的直径仅430μm，空间分辨率高。不受气体和离子的干扰，因此可与氧气和pH的测量同步进行。具备光学隔离。适用于气体或液体的温度测量和氧气、pH的实时补偿。可用于半固体样品（如沉积物）、生物膜、土壤的剖面测量。

温度裸光纤传感器：只包括光纤和光纤顶端的传感器部分。传感器部分直径430μm，空间分辨率高。不受气体和离子的干扰，因此可与氧气和pH的测量同步进行。具备光学隔离。可弯曲。

温度薄膜贴：贴在容器内壁，配合光纤和固定光纤的适配器，通过透明窗口（玻璃、丙烯酸玻璃等）读取测量温度值。可配合氧气和pH薄膜贴使用，对其进行实时温度补偿。具备光学隔离功能。测量范围相比于温度探针大。

温度流通管：适用于流动的液体的温度测量监测，包括内置传感器的流通管、鲁尔接头，可直接连接到内径3-4mm的管道，适用于20-500 mL/min的流速。可与氧气流通管和pH流通管配合使用，对其进行实时温度补偿。

3. 附件

校准胶囊，包括氧气校准胶囊和pH校准胶囊。

3.1 氧气校准胶囊：用于氧气传感器的零点校准。每个胶囊可制备50mL的校准溶液，10个装。

3.2 pH校准胶囊：用于pH传感器的强制校准。每个胶囊可制备100mL的校准溶液，10个装。两点校准：pH=4.01和pH=10.00。须即时配备和使用。专用于光学pH传感器。

应用案例

1. 细胞培养过程pH和氧气监测——奥地利格拉茨医科大学

pH和溶解氧是细胞培养的重要参数，对细胞生长和细胞活性意义重大。传统上，细胞生长时的培养基酸化能够通过加入到培养基中的pH指示剂酚红的颜色变化观察到。借助光学pH和氧气测量系统则能够实现持续准确监测，可用于生物反应器或者不添加酚红指示剂的培养基里。

研究人员将无菌的pH薄膜贴和氧气薄膜贴进行β射线消毒后，使用树脂胶贴到6孔板的内壁。胶水凝固后，分别使用消毒后的pH 4和pH 10的缓冲液、亚硫酸钠溶液对pH薄膜贴和氧气薄膜贴进行校准。薄膜贴的荧光信号通过光纤使用Firesting Pro测量主机（4通道）进行采集，进而实时得出培养基内pH值和氧气含量。

对贴壁生长的MUG-Mel2细胞系持续监测了10余天。6孔板中两个孔未培养细胞，用作对照。6个孔均贴附了pH薄膜贴，两个孔贴附了氧气薄膜贴。我们能够观察到培养细胞的培养基的酸化过程，从7.3降低到小于7。每3天用胰蛋白酶处理细胞，并将其悬浮在新的培养基里，导致培养基pH从小于7恢复到新培养基的7.3。培养细胞的4个孔展示了较好的相关性，并且传感器薄膜贴没有受到细胞或者胰蛋白酶的影响。对照的培养基pH仅有轻微的增长，10多天增长了0.6。这是pH传感器在37℃的正常漂移。曲线中的峰值是由更换培养基时将多孔板从光纤固定架上取下导致的，此时未进行测量。

此外，从两个孔溶解氧变化可见：100小时以后，溶解氧浓度剧烈下降，而显微镜下观察细胞数量增加。200小时后，细胞浓度已经远远超过正常培养的浓度。高细胞数量使得氧气浓度降低65%的空气饱和度。

2. CO2地质埋存渗漏研究——德国不莱梅马克斯•普朗克海洋微生物研究所

目前，将CO2埋存于地下深部地质构造（如油气藏、煤层等）的减排方案能有效地减缓温室效应，因而备受关注。对于一项具体工程的实施，必然存在一些客观和主观因素造成CO2渗漏。泄露的可能性能否被检测出来？泄露会带来哪些影响和这些影响的范围有多广？借助高空间分辨率的pH探头传感器能够顺利开展相关研究。

在一个水箱里使用北海现场采集的沉积物，使用CO2气瓶从底部通入气体。使用pH探头传感器和pH电极监测沉积物沿着自通气口开始的横切面pH的动态变化。传感器被放置于距离气体通气口不同距离的沉积物中（0、2、4、8cm）。通气口被用来向沉积物中通入氮气和CO2，以引起pH的变化。

首先，通入氮气，用来定位通气口，这导致pH升高。一个小时后，通入CO2，pH瞬间降低，距离通气口远的地方降低的更慢。传感器离通气口越近，pH值越快降pH6.0。离通气口远传感器pH值在整个测量过程中保持稳定。

一周以后，检查光学pH探头和电极的漂移。光学pH探头漂移了约0.13个单位，而电极漂移了少0.5个单位。pH稳定后，测量了一系列的pH剖面值，并绘制了等高线。结果展示了轻微扩散的酸化规律。而pH效应能够固定在CO2通路，而不向周围扩散。这也能够使用工程学原理解释，即CO2在无限介质中以柱状分布。酸化能够被限制在距离通气口3cm左右的范围。