檢驗適宜于蛋白表達的細胞株，或者開發放大規模的生物過程，均要求最佳的培養條件，化學光學測量技術可對重要的培養參數進行非侵入式實時監測。
當實驗主要是小規模培養（搖瓶、微孔板）時，采用常規測量系統監測溶解氧濃度（DO）和pH值會是一件勞神費力的事，尤其當無菌操作時需采用侵入式的測量方法（例如電極測量）。化學光學傳感器可按照非侵入方式對這些培養參數進行測量，將傳感器斑點預置入一次性容器內部，然后借助相應的測量儀器對透明的容器璧讀取數據。將這些傳感器集成于一次性容器的生產過程中，可保證其無菌性，對原料的正確選擇，可保證其無毒性，采用預先對系統進行的校正則能取得最大的效益。
實時監測
PreSen 公司的化學光學傳感器由薄層敏感材料組成，這種材料能對氧氣、二氧化碳和pH值產生反應。測氧時傳感器斑點經由一定波長的光線所激發，進而發射出熒光，如果存在相應的分析溶質分子，則從無輻射過程中釋放的能量會傳遞到這種分子上，由此導致熒光的減弱或者熄滅。在檢測pH值和二氧化碳時，采用了由不同具熒光的染料組合的所謂“雙壽命參照DLR”方法。相應的數據讀取儀器含有發光二極管和光電二極管，借助于塑料光纖將光導入傳感器并對熒光信號讀取數據。
微孔板常被用于提高實驗通量和降低樣品體積。PreSens公司的一次性傳感器-微孔板能夠實時監測氧氣和pH值，而不會使培養遭遇風險污染。在含有24孔或6孔的多碟中的底部分別置入用于測氧的傳感器（氧碟）或者用于測定pH值的傳感器（水碟）。微孔板中加入樣品，準確放進傳感器讀數機上（SDR）,讀數機通過微孔板底板以非侵入方式對傳感器進行讀數。這種小巧而結實的儀器適用于孵化器和搖瓶裝置。
圖2. PreSen公司的氧氣傳感器按照動態的熒光消失原理進行工作，氧氣能減弱熒光強度以及降低指示劑染料的弛豫時間。
細胞培養過程中的變化
傳感器讀數器（SDR）常用于生物技術生產中，其典型應用之一是CHO細胞的培養。在以下實驗中，將兩個SDR相連，利用氧氣和pH值傳感器平行地進行測量。將細胞株妥善安放于懸浮培養液中，按照每孔1.2ml的樣品體積培養12天以上。采用4種不同的細胞濃度（每毫升細胞數為：50，2×103，2.5×104和3.2×105）平行地進行檢測，旨在確定儀器針對每個樣品在涉及細胞檢測限時呈現何種靈敏度。耗氧量直接依附于細胞濃度以及培養時的物料更換情況（見圖3）。具有最高細胞濃度的樣品于數小時后就顯示出含氧量下降至不足空氣飽和程度的9%，這一驟然降低的過程在每次更換培養介質時均會出現。大約5天后含氧量降低至最低程度，而10天后介質中的氧濃度又出現輕微上升。在懸浮培養過程中，經常可能無意識地從培養中搞掉一些細胞，這也許是導致每次更換培養介質時出現偏差的原因。具有較小細胞密度的樣品顯示出類似的動力學現象，僅在時間上稍有延遲而已，顯微鏡分析表明：具有較高細胞密度的樣品中放置長時間后會形成細胞集聚物，這樣有可能影響氧氣動力學：細胞復合體在更換培養介質時可能松解，而細胞集聚物結構對細胞物質交換的妨礙作用會越來越明顯，這也許就是為什么10天后含氧量增加到15%空氣飽和度的原因。
搖瓶應用
搖瓶廣泛應用于工業生物反應過程。將PreSens公司的一次性傳感器安置于細頸瓶中，通過搖瓶讀數裝置（SFR）讀數，采用這一系統可對多達9個搖瓶的氧氣和pH值進行同時監測，并可獲得培養進程中的氧氣供應和物質交換方面的圖像。這種搖瓶讀數裝置幾乎與所有型號的搖瓶相適應，并備有藍牙接頭器，方便與電腦進行無線連接，以進行實時監測。
圖3. 具有不同起始細胞密度的CHO-S細胞培養過程中的氧氣消耗，在多孔微孔板上借助傳感器碟讀書器完成測量。
為了檢驗SFR的運行情況以及數據的準確性和重現性，在設備齊全的玻璃瓶和設備不齊全的塑料瓶中同時培養大腸桿菌DH5α，所有的瓶子都帶有氧氣傳感器，而每個塑料瓶則各具一個pH傳感器。為了檢查測量的重現性，對搖瓶采用了類似于kLa的方法進行平行性試驗。（kLa是一種特殊的系數，用以量化在一種特定介質中的氧氣傳遞速率）。每個培養瓶均于37℃進行重復性試驗，并按照啟動時的搖動頻率90rpm進行。當采用具全套設備的玻璃瓶培養時，如果培養以0.1的光學密度（OD 600nm）進行，則溶解氧的濃度呈加速下降的趨勢。為了避免氧氣不足的限制，將搖動頻率在2h內從90rpm提高到120rpm, 3.5h后由120rpm再提高到170rpm。細菌培養實驗表明：在頭2h內呈現明顯的指數式增長，而在其后的時段內LB細菌基礎培養基中不同的提取物已被消耗掉，細胞物質交換的調整可以從溶解氧（DO）曲線的明顯上升體現出來。
5h后將搖動頻率重新調回到120rpm，此時細菌的呼吸活性逐漸減少，溶解氧的含量緩慢上升。在設備不完整的塑料瓶中進行的培養，其溶解氧和pH走向表現出明顯的差異，氧氣的供應出現明顯不足。由此表明：設備不完整的塑料瓶不適合培養像大腸桿菌這類需氧性的快速生長的細菌。
圖4.
在復合的LB細菌基礎培養基中，兩種采用大腸桿菌DH5α-alpha進行批次培養時所用的溶解氧和pH值的時間變化曲線。（A）：在帶全套設備和集成有氧氣傳感器的250ml玻璃搖瓶中；（B）：在不帶全套設備但集成有氧氣傳感器和pH傳感器的250ml塑料搖瓶中。所用培養均在37℃的環境下，按照啟動時的搖動頻率90rpm進行，搖動頻率改變以箭頭表明，平行培養的測量數值已經列出。
改善生化反應過程
采用化學光學監控儀器還有利于改善生物反應器的反應過程，使結果重現性更好。將帶有傳感器的流通池通過Luer-lock適配器集成于外管之中，或預置在透明的生物反應器的璧中，這樣就能夠在整個流程中進行非侵入式測量。
另一個優點在于生物反應器的二氧化碳監測，在二氧化碳含量升高至不利水平時能夠及時地作出反應，并將氧氣導入樣品的頂部空間。化學光學測量儀器與傳統的電化學系統比照實驗，考察了化學光學傳感器應用于生物反應器的效率，3周的培養期內，對溶解氧和二氧化碳的濃度在CHO細胞的濃度進行了測量，兩者的結果非常接近，而化學光學傳感器系統的靈敏度顯著高于傳統測量儀器。
小結
光學傳感器能夠對溶解氧、二氧化碳和pH值進行快速、精確的測量。對于特殊情況，例如氧氣含量的下降、有害性pH值或者生物反應器中不利的二氧化碳濃度，能夠及時采取應對措施。
采用一次性傳感器，能在整個生物技術開展過程的各個環節上，對重要的培養參數進行非侵入式的監測，適用范圍從毫升級的研究規模到生產中的生物反應器級別。這一技術對改進培養的重現性和質量能夠發揮重要的作用，因而在一系列研究項目中得到應用。
光學傳感器技術
過程參數如pH值、氧氣和二氧化碳的監測對于培養過程的進行具有極其重要的意義。如果采用傳統的傳感器進行監測，這些傳感器會對培養過程產生影響，而一旦將樣品從反應器中取出檢測，就不再是連續監測了。在這種情況下，光學傳感器一次性系統可作為最佳選擇，對這些參數進行不間斷監測而非侵入式的測定。