3.1.2 化学参数检测二、二、溶解氧（溶解氧（DODO）的测量的测量 三、三、氧化还原电位（氧化还原电位（ORPORP）的测量的测量 四、四、溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量 五、五、发酵尾气的在线分析发酵尾气的在线分析 六、六、菌量测量菌量测量 一、一、pHpH测量测量一、 pH测量 I.I. pHpH测量的意义测量的意义 II.II. pHpH测量的概念测量的概念 III.III. pHpH电极的安装及使用电极的安装及使用 IV.IV. pHpH测量测量应用示例应用示例I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 在微生物培养过程中，不同的环境在微生物培养过程中，不同的环境pHpH对菌体细胞对菌体细胞产生明显的作用，这些作用可以表现在以下几个方面。产生明显的作用，这些作用可以表现在以下几个方面。1)1)各种微生物都有最适生长的各种微生物都有最适生长的pHpH值，超过这个值，超过这个pHpH范围，范围，微生物生长就受到影响甚至停止。有的适宜于酸性微生物生长就受到影响甚至停止。有的适宜于酸性培养，有的宜于中性，也有的宜于碱性。培养，有的宜于中性，也有的宜于碱性。一般来说，霉菌和酵母菌的最适的一般来说，霉菌和酵母菌的最适的pHpH为为3 63 6，大，大多数的细菌和放线菌适宜于中性或微碱性多数的细菌和放线菌适宜于中性或微碱性（pH6pH6. .87.687.6）。）。I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 2)2)pHpH变化对酶的生长影响，例对变化对酶的生长影响，例对 E.ColiE.Coli菌虽然在菌虽然在pH4.59pH4.59之间能生长，但对菌体脱氨酶和脱羧酶的之间能生长，但对菌体脱氨酶和脱羧酶的形成则有严重的影响。形成则有严重的影响。 I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 3)3)即使酶的体系已形成，但由于环境即使酶的体系已形成，但由于环境pHpH的不同，使酶的不同，使酶的活性受到抑制，因而改变了代谢产物的形成。的活性受到抑制，因而改变了代谢产物的形成。例在研究例在研究 E.ColiE.Coli菌时，在菌时，在pH 6.2pH 6.2时，二氧化碳和时，二氧化碳和氢就从葡萄糖发酵中产生，而在氢就从葡萄糖发酵中产生，而在 pH7.8pH7.8时，由于蚁时，由于蚁酸溶菌酶的作用，使气体形成受抑制，代之产生等酸溶菌酶的作用，使气体形成受抑制，代之产生等量的蚁酸。量的蚁酸。 I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 4)4)发酵过程发酵过程pHpH的变化引起的变化引起ATPATP生产率的减少，使细胞生产率的减少，使细胞产量减少，传代时间增加。产量减少，传代时间增加。 例葡萄糖进行酒精发酵时，当例葡萄糖进行酒精发酵时，当pHpH从从7.27.2变到变到 5.015.01时，时，每每 100 100 mmolmmol葡萄糖形成的葡萄糖形成的 ATPATP从从224 224 mmolmmol降到降到153 153 mmolmmol，相当菌丝体从相当菌丝体从 2.58 g2.58 g降到降到 1.77 g1.77 g。传代传代时间从时间从 2 h2 h增加到增加到4h4h。 I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 5)5)pHpH变化对细胞壁的机械强度也有明显的作用，膨胀变化对细胞壁的机械强度也有明显的作用，膨胀或收缩改变了内部的渗透压或收缩改变了内部的渗透压 。 例如青霉菌在例如青霉菌在pHpH大于大于6 6时菌丝长度缩短，而在时菌丝长度缩短，而在pHpH大大于或等于于或等于7 7时膨胀菌丝的数目增多。在膨胀的细胞时膨胀菌丝的数目增多。在膨胀的细胞里，结构的改变引起细胞壁强度降低；结果难以承里，结构的改变引起细胞壁强度降低；结果难以承受内部的渗透压。受内部的渗透压。 I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 6)6)有时，离子毒性作用也由于有时，离子毒性作用也由于pHpH的变化而间接形成。的变化而间接形成。即当在环境即当在环境pHpH较低的情况下一些不离解的分子透过较低的情况下一些不离解的分子透过细胞壁，在中性的内部就发生离解，从而改变细胞细胞壁，在中性的内部就发生离解，从而改变细胞内部的组成。内部的组成。一般当使用有机酸作缓冲液时，抑制作用就是这种一般当使用有机酸作缓冲液时，抑制作用就是这种效应的结果。效应的结果。I.pH测量的意义1.1.pHpH对菌体细胞的生长和代谢的影响对菌体细胞的生长和代谢的影响 由上可见，尽管由上可见，尽管pHpH变化对菌体细胞的影响是多变化对菌体细胞的影响是多种多样，其最后的作用结果虽各不相同，但菌体细胞种多样，其最后的作用结果虽各不相同，但菌体细胞对对pHpH的变化异常敏感则是共同的，所以的变化异常敏感则是共同的，所以pHpH值是发酵过值是发酵过程中很重要的参数。在发酵过程中，发酵液的程中很重要的参数。在发酵过程中，发酵液的pHpH必须必须予以控制，才能符合菌体生长和产物合成的需要。予以控制，才能符合菌体生长和产物合成的需要。 I.pH测量的意义2.2.菌体细胞的生长和代谢对环境菌体细胞的生长和代谢对环境pHpH的影响的影响 微生物的生命活动对环境微生物的生命活动对环境 pHpH的影响主要有两种的影响主要有两种方式方式其一是酸性或碱性代谢物的形成，使培养液的其一是酸性或碱性代谢物的形成，使培养液的pHpH发生变化；发生变化；例在通气发酵过程中，许多微生物在过量糖的例在通气发酵过程中，许多微生物在过量糖的存在下，产生有机酸等代谢物，使存在下，产生有机酸等代谢物，使pHpH降低。当菌丝自降低。当菌丝自溶时，蛋白质分解或其他含氮化合物产生氨或产生其溶时，蛋白质分解或其他含氮化合物产生氨或产生其他碱性化合物，使他碱性化合物，使pHpH升高。升高。 I.pH测量的意义2.2.菌体细胞的生长和代谢对环境菌体细胞的生长和代谢对环境pHpH的影响的影响 其二就是菌体对培养基中生理酸性或生理碱性其二就是菌体对培养基中生理酸性或生理碱性物质的利用，使环境的物质的利用，使环境的pHpH发生变化。发生变化。 例如氨基酸作为主要或唯一碳源进行好气培养例如氨基酸作为主要或唯一碳源进行好气培养时，将引起氨的产生，当其量超过菌体需氮量时，就时，将引起氨的产生，当其量超过菌体需氮量时，就要引起要引起pHpH上升。如果以氨基酸进行厌氧代谢，当脱氨上升。如果以氨基酸进行厌氧代谢，当脱氨作用时，既产生酸也产生碱。作用时，既产生酸也产生碱。 I.pH测量的意义2.2.菌体细胞的生长和代谢对环境菌体细胞的生长和代谢对环境pHpH的影响的影响 所以，培养液所以，培养液pHpH变化是特定环境条件下微生物变化是特定环境条件下微生物生命活动的综合结果，在同一时间也许既存在生命活动的综合结果，在同一时间也许既存在pHpH上升上升的因素，又存在使的因素，又存在使pHpH降低的可能，最后趋势则决定于降低的可能，最后趋势则决定于这些因素的综合结果，如果不对这些因素的综合结果，如果不对pHpH加以控制调节的话，加以控制调节的话，就要影响过程的进行。就要影响过程的进行。 pH对菌体细胞的生长和代谢的的关系细胞的生长和代谢环境pH外部pH控制II.pH测量的概念1.1. pHpH定义定义 2.2. pHpH测量测量原理原理3.3. 测量电极测量电极4.4. 复合复合pHpH电极的技术指标电极的技术指标5.5. pHpH测量仪表测量仪表 pHpH是氢离子活度的负对数。是氢离子活度的负对数。 pHpH- -lglg 式中式中 氢离子活度；氢离子活度； pHpH氢离子活度的负对数。氢离子活度的负对数。其其中中“p”p”只只表表明明了了在在离离子子和和变变量量之之间间有有一一种种指指数数相相关关的的数数学学关关系系。带带一一价价正正电电荷荷的的氢氢离离子子存存在在于于全全部部含含水水或或酸酸的的液液体体中中。在在稀稀溶溶液液中中，氢氢离离子子活活度度近近似似等于其浓度。等于其浓度。1.pH定义 电极电位法测量电极电位法测量pHpH是基于两个电极上所发生是基于两个电极上所发生的电化学反应。用电极电位法测量溶液的电化学反应。用电极电位法测量溶液pHpH值，可以获值，可以获得较准确结果。得较准确结果。 2.pH测量原理电极电位法电极电位法pHpH测量原理测量原理 电极电位法的原理是用两个电极插在被测量电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中（见上图），其中一电极为指示电极（如玻璃溶液中（见上图），其中一电极为指示电极（如玻璃pHpH电极），它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度电极），它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一电极为参比电极（例如氯化银电极）变化而变化；另一电极为参比电极（例如氯化银电极），其电位是固定不变的。上述两个电极在溶液中构成，其电位是固定不变的。上述两个电极在溶液中构成了一个原电池，该电池所产生的电动势了一个原电池，该电池所产生的电动势 E E的大小与溶的大小与溶液的液的 pHpH值有关，电动势值有关，电动势 E E与与pHpH的变化关系可用下式表的变化关系可用下式表示：示： 2.pH测量原理 E EE* E* D pH D pH 式中式中 E E 测量电池产生的电动势；测量电池产生的电动势； E E* *测量电池的电动势常数（其与温度有关）；测量电池的电动势常数（其与温度有关）； pHpH溶液的溶液的 pHpH值；值； DD测量电极的响应级差（其与温度有关）。测量电极的响应级差（其与温度有关）。因此，若已知因此，若已知E E* *和和D D，则只要准确地测量两个电则只要准确地测量两个电极间的电动势，就可以测得溶液中的极间的电动势，就可以测得溶液中的pHpH值了。值了。 2.pH测量原理根根据据电电极极法法原原理理构构成成的的测测量量系系统统，无无论论是是实实验验室室或或工工业业用用测测量量系系统统，它它应应有有发发送送器器（即即电电极极部部分）和测量仪器（如变送器等）两大部分组成。分）和测量仪器（如变送器等）两大部分组成。 如上所述，对溶液如上所述，对溶液pHpH值的测量，实际上是由发值的测量，实际上是由发送器所得毫伏信号经由测量仪表放大指示其送器所得毫伏信号经由测量仪表放大指示其pHpH值。该值。该发送器所得的毫伏信号实际上就是由指示（发送器所得的毫伏信号实际上就是由指示（ pHpH）电极、电极、参比电极和被测溶液所组成的原电池的电动势。参比电极和被测溶液所组成的原电池的电动势。 2.pH测量原理因因此此了了解解各各有有关关电电极极与与pHpH变变化化的的响响应应原原理理，对对掌掌握握溶溶液液（或或发发酵酵液液）pHpH精精确确测测量量无无疑疑是是有有帮帮助助的。的。 对参比电极的基本要求是它的电位尽可能地恒对参比电极的基本要求是它的电位尽可能地恒定不变。定不变。在在实实际际测测量量过过程程中中，经经验验表表明明，大大多多数数测测量量中中的的问问题题来来自自参参比比电电极极系系统统，因因此此，有有必必要要认认真真研研究究一一下参比电极的性质。下参比电极的性质。3.测量电极A.A.参比电极参比电极一个理想的参比电极要满足下列这些要求：一个理想的参比电极要满足下列这些要求： （1 1）电位稳定；）电位稳定； （2 2）没有极化性；）没有极化性； （3 3）在重负荷下指示电位可逆变化；）在重负荷下指示电位可逆变化； （4 4）电位响应只遵守能斯特方程；）电位响应只遵守能斯特方程； （5 5）没有温度滞后现象；）没有温度滞后现象； （6 6）温度系数低。）温度系数低。 最常用的参比电极有甘汞电极和氧化银电极。最常用的参比电极有甘汞电极和氧化银电极。 3.测量电极A.A.参比电极参比电极1)甘汞电极甘汞电极一般有隔膜、甘汞电极一般有隔膜、参比液、导出系统及参比液参比液、导出系统及参比液补加孔等组成，其结构如图补加孔等组成，其结构如图所示。所示。 电极的外壳是一个玻璃管，里面套有一根小玻电极的外壳是一个玻璃管，里面套有一根小玻璃管，它的顶部伸出电极引线（或接线柱），引线的璃管，它的顶部伸出电极引线（或接线柱），引线的下端浸没在汞中。汞的下面有糊状甘汞（下端浸没在汞中。汞的下面有糊状甘汞（HgHg2 2ClCl2 2），），汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘汞和甘汞用棉花堵住，只有离子才能通过，而汞和甘汞不会漏失。小管与大管之间充以氯化钾（汞不会漏失。小管与大管之间充以氯化钾（KClKCl）溶液，溶液，末端用多孔陶瓷堵塞（称为隔膜或盐桥）。甘汞电极末端用多孔陶瓷堵塞（称为隔膜或盐桥）。甘汞电极插入溶液中时，电极内的少量氯化钾溶液通过多孔陶插入溶液中时，电极内的少量氯化钾溶液通过多孔陶瓷渗入到被测溶液中，实现电极引线和溶液间的电的瓷渗入到被测溶液中，实现电极引线和溶液间的电的连通。连通。 1)甘汞电极甘汞电极电位只与氯化钾溶液的浓度有关，不甘汞电极电位只与氯化钾溶液的浓度有关，不随被测溶液的酸碱度而变化。所以只要氯化钾的浓度随被测溶液的酸碱度而变化。所以只要氯化钾的浓度保持不变，甘汞电极的电位在一定的温度条件下是一保持不变，甘汞电极的电位在一定的温度条件下是一个常数。例如个常数。例如 2525时充有时充有1mol1molLKCILKCI溶液的甘汞电溶液的甘汞电极的电位为极的电位为+ 0.2802 V+ 0.2802 V，充有饱和氯化钾溶液的甘汞充有饱和氯化钾溶液的甘汞电极的电位为电极的电位为+0.2415 V+0.2415 V。然而，当温度变化时，甘汞电极的电位随之而然而，当温度变化时，甘汞电极的电位随之而变，充有饱和氯化钾溶液的甘汞电极的温度系数为变，充有饱和氯化钾溶液的甘汞电极的温度系数为- -0.76 mV0.76 mV，充有充有0.lmol/LKCI0.lmol/LKCI溶液的甘汞电极的温溶液的甘汞电极的温度系数为度系数为- 0.07 mV- 0.07 mV，虽然饱和甘汞电极的电位易虽然饱和甘汞电极的电位易受温度变化的影响，但因配制饱和氯化钾溶液比较方受温度变化的影响，但因配制饱和氯化钾溶液比较方便，所以饱和甘汞电极还是最为常用的。便，所以饱和甘汞电极还是最为常用的。 1)甘汞电极甘汞电极不宜在强酸或强碱性的溶液中使用，甘汞电极不宜在强酸或强碱性的溶液中使用，因为此时的液体接界电位较大，给测量带来较大误差。因为此时的液体接界电位较大，给测量带来较大误差。在发酵液中由于大分子的带电粒子（如蛋白质）或其在发酵液中由于大分子的带电粒子（如蛋白质）或其他相的存在而成乳浊液时，都要使液接界电位升高，他相的存在而成乳浊液时，都要使液接界电位升高，有时可达有时可达3050 mV3050 mV，造成发酵液培养过程中造成发酵液培养过程中 pHpH测量测量值的较大偏离。值的较大偏离。 1)甘汞电极甘汞电极的缺点是高温时电极电位的稳定性较甘汞电极的缺点是高温时电极电位的稳定性较差差 。氯化银电极的结构氯化银电极的结构和原理都和甘汞电极相似和原理都和甘汞电极相似（见图）。在一根铂丝上（见图）。在一根铂丝上镀上纯银（或银丝），然镀上纯银（或银丝），然后使其表面复盖一层氯化后使其表面复盖一层氯化银膜，并将它浸没在盛有银膜，并将它浸没在盛有氯化钾溶液的下端具有隔氯化钾溶液的下端具有隔膜结构的玻璃管内。膜结构的玻璃管内。 2)氯化银电极同样其电极电位由参比电解质溶液中氯化钾的同样其电极电位由参比电解质溶液中氯化钾的浓度所决定，与被测离子浓度无关。浓度所决定，与被测离子浓度无关。该电极的优点是在较高温度时，电极电位比较该电极的优点是在较高温度时，电极电位比较稳定，一般可以用于稳定，一般可以用于250 250 以下。以下。2)氯化银电极氯化银电极电位的温度系数随参比电解质溶液氯化银电极电位的温度系数随参比电解质溶液中氯离子浓度增大而减小，故氯化银电极通常都充有中氯离子浓度增大而减小，故氯化银电极通常都充有较高浓度的氯化钾溶液。较高浓度的氯化钾溶液。对指示电极的基本要求是其电极电位值随被测对指示电极的基本要求是其电极电位值随被测溶液氢离子活度的变化而变化。原则上讲，任何与氢溶液氢离子活度的变化而变化。原则上讲，任何与氢离子可逆反应的电极都可以用来测定溶液中的离子可逆反应的电极都可以用来测定溶液中的pHpH值。值。如铂氢电极、金属电极等。如铂氢电极、金属电极等。 3.测量电极B.B.指示电极指示电极近近年年来来，玻玻璃璃电电极极仍仍是是各各种种类类型型pHpH测测量量指指示示电电极极的的主主要要趋趋势势。目目前前铂铂氢氢电电极极只只用用于于热热力力学学研研究究或或非非还还原原性性缓缓冲冲溶溶液液pHpH值值的的精精确确测测量量上上。虽虽然然铂铂氢氢电电极极可可以以给给出出很很精精确确的的测测量量结结果果，但但因因其其操操作作不不便便，易易被被吸吸附附物物毒毒化化，暴暴露露在在氧氧化化还还原原系系统统中中电电位位会会有有变变化化等因素影响了其普遍使用。等因素影响了其普遍使用。 3)玻璃pH电极玻璃电极的结构如图所示。玻璃电极的结构如图所示。在玻璃电极内部装有缓冲溶液在玻璃电极内部装有缓冲溶液和电极引线，和电极引线，H H+ +的交换通过玻璃的交换通过玻璃膜进行。膜进行。玻璃电极结构玻璃电极结构11塞子；塞子；22引线；引线；33保护层；保护层；44内部缓冲液；内部缓冲液；55膜膜3)玻璃pH电极玻璃膜的功能如图所示。下图是玻璃膜横断面的一半。玻璃膜的功能如图所示。下图是玻璃膜横断面的一半。当玻璃电极插入待测溶液中，就在玻璃膜（厚约当玻璃电极插入待测溶液中，就在玻璃膜（厚约 0. 0. 2 2 0.5mm0.5mm）的外表面和内表面分别形成一凝胶的外表面和内表面分别形成一凝胶层（其厚度约为层（其厚度约为 1010-4-4mmmm）。）。若待若待测溶液是酸性，测溶液是酸性，则在外表形成一则在外表形成一正的电势场，反正的电势场，反之若是碱性，则之若是碱性，则形成一负的电势形成一负的电势场。场。 3)玻璃pH电极因为玻璃电极内部具有恒定因为玻璃电极内部具有恒定pHpH值的缓冲溶液，所值的缓冲溶液，所以，玻璃膜的内表面的电势在测量期间仍是常数，因以，玻璃膜的内表面的电势在测量期间仍是常数，因此，玻璃膜上总的电势是膜的内外电场的差，即：此，玻璃膜上总的电势是膜的内外电场的差，即： 式中式中 E Eel el 电极电势；电极电势； E E0 0 零电位；零电位； S S 斜率（斜率（mVmV每单位每单位pHpH）；）； pHpHi i 内部缓冲液的内部缓冲液的pHpH值；值； pHpHa a 待测量溶液的待测量溶液的pHpH值。值。 4)复合pH电极发酵过程测量发酵过程测量pHpH用的电极用的电极要求结构紧凑，故常用把指示电要求结构紧凑，故常用把指示电极和参比电极合为一体的复合型极和参比电极合为一体的复合型pHpH玻璃电极，结构如图所示。玻璃电极，结构如图所示。复合电极结构复合电极结构11塞子；塞子；22引线；引线；33参考电解质溶液参考电解质溶液；44内部缓冲液；内部缓冲液；55膜；膜；6 6 参考元件参考元件因为复合电极远比分开的电极测量容易，因此，因为复合电极远比分开的电极测量容易，因此，所用的电极形式都是复合电极。在复合电极中，玻璃所用的电极形式都是复合电极。在复合电极中，玻璃电极是由参考电极包裹着电极是由参考电极包裹着 。这种结构不但便于安装与。这种结构不但便于安装与使用，而且外参比液也起屏蔽作用，以防电气干扰作使用，而且外参比液也起屏蔽作用，以防电气干扰作用于指示电极。用于指示电极。 4)复合pH电极复合电极的响应为：复合电极的响应为：式中式中 SS电极斜率，等于电极实际极差与理论级差之比；电极斜率，等于电极实际极差与理论级差之比； pHpHisis复合复合pHpH电极等电位点电极等电位点pHpH，pHpHisis= pH = pH pH*pH*，其中其中pH*pH*为等电位点为等电位点pHpH偏离，其在数值上大小与玻璃膜不平衡电位偏离，其在数值上大小与玻璃膜不平衡电位的温度系数，隔膜液接界电位的温度系数及内、外参比液中氯的温度系数，隔膜液接界电位的温度系数及内、外参比液中氯的离子活度不一致性有关。的离子活度不一致性有关。 4)复合pH电极因为温度对因为温度对pHpH值的准确测量有很大的影响，为值的准确测量有很大的影响，为了补偿温度的影响，则在了补偿温度的影响，则在pHpH复合电极中加一温度敏感复合电极中加一温度敏感元件，从而构成测量电极、参考电极和温度传感元件元件，从而构成测量电极、参考电极和温度传感元件三为一体的三合一电极。这样的电极，对测量环境温三为一体的三合一电极。这样的电极，对测量环境温度的变化有很好的补偿功能。度的变化有很好的补偿功能。 4.复合pH电极的技术指标一个理想的复合一个理想的复合pHpH电极要满足下列这些要求：电极要满足下列这些要求： （1 1）等电点电位为零；）等电点电位为零； （2 2）温度系数为零；）温度系数为零； （3 3）电极斜率为）电极斜率为1 1。 这实际上很难做到这实际上很难做到。 实际复合实际复合pHpH电极与理想复电极与理想复合合pHpH电极在不同温度下的电极在不同温度下的响应曲线响应曲线 4.复合pH电极的技术指标1)1)零点与零点漂移；零点与零点漂移；2)2)级差与斜率；级差与斜率；3)3)电极内阻与膜电阻；电极内阻与膜电阻；4)4)电极响应时间；电极响应时间；5)5)等电位点；等电位点；6)6)温度影响；温度影响；7)7)线性范围。线性范围。复合复合pHpH电极的主要技术指标：电极的主要技术指标： 电极零点电极零点电极零点即是电极响应电位为零时的电极零点即是电极响应电位为零时的pHpH值，它值，它与电极设计零点不同，后者是指电极内缓冲参比液的与电极设计零点不同，后者是指电极内缓冲参比液的pHpH值，通常电极零点表示方法有两种；值，通常电极零点表示方法有两种； 1)零点与零点漂移（1 1）以电极输出为零时的）以电极输出为零时的 pHpH值表示，称为电值表示，称为电极零点极零点 pHpH，记为记为pHpH零点零点 故通常情况下电极零点是与温度有关的。故通常情况下电极零点是与温度有关的。1)零点与零点漂移（2 2）以电极处于电极设计零点（即内缓冲参比）以电极处于电极设计零点（即内缓冲参比液液pHpH值）条件下的电极响应电位值表示，称为电极零值）条件下的电极响应电位值表示，称为电极零点电位偏差或不对称电位，记为点电位偏差或不对称电位，记为E E不对称不对称， 1)零点与零点漂移若已知电极的斜率和电极设计零点，若已知电极的斜率和电极设计零点， E E不对称不对称与与pHpH零点零点是可以相互换算的；是可以相互换算的； b b 电极零点在使用中与如下问题有关：电极零点在使用中与如下问题有关： （1 1）选选配配电电极极时时要要注注意意使使电电极极设设计计零零点点与与 pHpH测测量仪表本机设定零点相一致。量仪表本机设定零点相一致。 （2 2）为为了了减减少少温温度度对对pHpH测测定定的的影影响响，应应当当尽尽可可能能的的使使用用电电极极设设计计零零点点与与被被测测环环境境 pHpH值值相相近近的的电电极极，例例如在柠檬酸发酵中应当使用设计零点为如在柠檬酸发酵中应当使用设计零点为 pH 4pH 4的电极。的电极。 （3 3）电极零点与电极设计零点的偏差代表电极不）电极零点与电极设计零点的偏差代表电极不可用性，若电极零点与电极设计零点偏差太大（与可用性，若电极零点与电极设计零点偏差太大（与pHpH测量仪表有关，通常约测量仪表有关，通常约 1pH1pH），），电极将无法在仪表上电极将无法在仪表上标定，因而电极也就无法正常使用。标定，因而电极也就无法正常使用。 1)零点与零点漂移c c 零点漂移零点漂移零点漂移即零点随使用时间延长而不断变化，零点漂移即零点随使用时间延长而不断变化，由于高温消毒或其他使用环境条件变化，可能使由于高温消毒或其他使用环境条件变化，可能使pHpH电电极零点不断变化，不适当的使用将加速零点漂移，这极零点不断变化，不适当的使用将加速零点漂移，这种变化若比较快，即在电极使用中必须频繁标定，当种变化若比较快，即在电极使用中必须频繁标定，当漂移的累积达到一定程度则表明电极必须再生处理或漂移的累积达到一定程度则表明电极必须再生处理或报废。报废。 1)零点与零点漂移级差即复合级差即复合pHpH电极对每单位电极对每单位pHpH变化响应输出电变化响应输出电位值差（常以毫伏表示），记为位值差（常以毫伏表示），记为D D，级差与温度有关。级差与温度有关。 2)级差与斜率斜率即电极实际级差与理论级差的比率，记为斜率即电极实际级差与理论级差的比率，记为S S，斜率与温度无关，一般小于斜率与温度无关，一般小于100100。 斜率大小也表明电极可用性，若电极斜率大小也表明电极可用性，若电极斜斜率太小率太小（与（与 pHpH测量仪表有关，通常为测量仪表有关，通常为9090），电极将无法），电极将无法在仪表上标定，因而也就无法正常使用。在仪表上标定，因而也就无法正常使用。复合pH电极电阻的等效电路图。3)电极内阻与膜电阻由于正常情况下电极封装电阻（由于正常情况下电极封装电阻（R R封封）远远大于）远远大于玻璃膜电阻（玻璃膜电阻（ R RM M），），而内参比液溶液电阻（而内参比液溶液电阻（R RL,L,内参内参），），内参比电极电化学电阻（内参比电极电化学电阻（ R Re,e,内参内参），被测液溶液电阻），被测液溶液电阻（ R RL,L,被测被测），隔膜电阻（），隔膜电阻（ R RD D），），外参比液溶液电阻（外参比液溶液电阻（ R RL,L,外参外参）和外参比电极电化学电阻（）和外参比电极电化学电阻（ R Re,e,外参外参）都远远小）都远远小于玻璃膜电阻（于玻璃膜电阻（ R RM M），），所以正常情况下电极内阻就等所以正常情况下电极内阻就等于玻璃膜电阻。于玻璃膜电阻。3)电极内阻与膜电阻从实用角度出发，希望电极内阻越小越好，一从实用角度出发，希望电极内阻越小越好，一般的般的pHpH电极膜电阻约在电极膜电阻约在500M500M 左右，特殊制造的（低左右，特殊制造的（低膜电阻）膜电阻） pHpH电极膜电阻可小到电极膜电阻可小到10 M10 M 左右。玻璃膜电左右。玻璃膜电阻与温度有关，温度越高，膜电阻越小。阻与温度有关，温度越高，膜电阻越小。 由于由于pHpH电极内阻高，所以对电极内阻高，所以对pHpH仪表有特殊要求。仪表有特殊要求。根据实测电极内阻与电极说明书中给出的膜电阻分析根据实测电极内阻与电极说明书中给出的膜电阻分析比较，可以发现有故障电极故障所在。比较，可以发现有故障电极故障所在。正常情况下电极内阻应等于膜电阻，当电极内部正常情况下电极内阻应等于膜电阻，当电极内部断路或隔膜堵塞时电极内阻将远远大于膜电阻，当电断路或隔膜堵塞时电极内阻将远远大于膜电阻，当电极内部短路（包括溶液引起的电气短路）或玻璃膜破极内部短路（包括溶液引起的电气短路）或玻璃膜破裂时，电极内阻将远远小于正常膜电阻。裂时，电极内阻将远远小于正常膜电阻。 3)电极内阻与膜电阻按国际规定，响应时间为电极响应电位达到与稳按国际规定，响应时间为电极响应电位达到与稳定响应电位相差定响应电位相差1 1毫伏时的时间，实际中常用电极电位毫伏时的时间，实际中常用电极电位达到稳定响应电位的某一百分率的时间，并称为百分达到稳定响应电位的某一百分率的时间，并称为百分之多少的响应时间，如之多少的响应时间，如9595响应时间等等。正常情况响应时间等等。正常情况下下pHpH电极响应缓慢的原因可能如下：电极响应缓慢的原因可能如下： 4)电极响应时间（1 1）玻璃膜未充分水化；）玻璃膜未充分水化； （2 2）玻璃膜污染或老化；）玻璃膜污染或老化； （3 3）隔膜污染。）隔膜污染。 4)电极响应时间不同温度下不同温度下pHpH电极的响应曲线电极的响应曲线pHpH电极等电位点即是不同温度下电极响应曲线的电极等电位点即是不同温度下电极响应曲线的交点，交点，见上图见上图。 电极在等温下标定与使用，等电位点无关紧要，电极在等温下标定与使用，等电位点无关紧要，在非等温下标定使用，等电位点与能否准确测量在非等温下标定使用，等电位点与能否准确测量pHpH关关系重大。系重大。性能优良的性能优良的pHpH电极，其等电位点与零点重合，且电极，其等电位点与零点重合，且等于电极设计零点。等于电极设计零点。5)等电位点根据电极等电位点，可以知道电极在非等温环根据电极等电位点，可以知道电极在非等温环境中使用时测量的准确性或可用性。如果与电极匹配境中使用时测量的准确性或可用性。如果与电极匹配的的pHpH测量仪表没有温度补偿装置或没进行温度补偿，测量仪表没有温度补偿装置或没进行温度补偿，只有等电位点只有等电位点 pHpH测定是准确的，当温度变化时，偏测定是准确的，当温度变化时，偏离该点的离该点的pHpH测定必定要产生测量误差，若偏离等电位测定必定要产生测量误差，若偏离等电位点越远，测量误差越大。点越远，测量误差越大。5)等电位点对那些已进行了温度补偿的对那些已进行了温度补偿的pHpH测量装置（假设利测量装置（假设利用自动或手动温度补偿设置已进行了最佳温度补偿），用自动或手动温度补偿设置已进行了最佳温度补偿）， 如果所使用的电极等电位点与电极设计零点偏差存在，如果所使用的电极等电位点与电极设计零点偏差存在，在不等温过程中在不等温过程中pHpH测量也注定要产生测量误差，测量测量也注定要产生测量误差，测量误差的大小正比于测定温度与标定温度差异大小，也误差的大小正比于测定温度与标定温度差异大小，也正比于电极等电位偏差大小。正比于电极等电位偏差大小。对那些具有等电位点补偿的对那些具有等电位点补偿的pHpH测量仪表，只有根测量仪表，只有根据测定的电极等电位点数据，进行了适当的等电位点据测定的电极等电位点数据，进行了适当的等电位点补偿，在非等温环境中使用才有可能获得准确补偿，在非等温环境中使用才有可能获得准确pHpH测量测量结果。结果。 5)等电位点温度对出电极响应的影响表现在以下两个方面；温度对出电极响应的影响表现在以下两个方面； 6)温度影响（1 1）对）对pHpH电极响应级差及零点的影响，该影响电极响应级差及零点的影响，该影响前面已有讨论，这种影响对测量结果产生的作用可由前面已有讨论，这种影响对测量结果产生的作用可由仪表的温度及等电位点仪表的温度及等电位点补偿校正。补偿校正。 6)温度影响（2 2）pHpH电极响应温度滞后，当测量时，如果迅电极响应温度滞后，当测量时，如果迅速改变速改变pHpH电极工作温度，电极工作温度， pHpH电极响应一般不能立即电极响应一般不能立即跟随温度变化而输出新的温度下稳定响应值，而是经跟随温度变化而输出新的温度下稳定响应值，而是经历了一定时间后才接近新温度下稳定响应值，历了一定时间后才接近新温度下稳定响应值，见后图见后图。在迅速降温过程中也有类似现象，该现象称为在迅速降温过程中也有类似现象，该现象称为 pHpH电电极响应的温度滞后。极响应的温度滞后。 pHpH电极响应的温度滞后限制了电极响应的温度滞后限制了pHpH电极在快速变电极在快速变温场合下的使用，一般的电极响应温度滞后大约为温场合下的使用，一般的电极响应温度滞后大约为30403040分钟分钟， 快速热平衡快速热平衡pHpH电极的温度响应只要数电极的温度响应只要数分钟即可。分钟即可。 pHpH电极响应的温度滞后电极响应的温度滞后 6)温度影响电极响应有一定的线性范围，该范围由玻璃敏感电极响应有一定的线性范围，该范围由玻璃敏感膜的酸误差或碱误差决定，线性范围的定义如图所示。膜的酸误差或碱误差决定，线性范围的定义如图所示。线性范围的下限由酸误差响应曲线段切线与响应曲线线性范围的下限由酸误差响应曲线段切线与响应曲线直线段延长线交点确定，线性范围的上限由碱误差响直线段延长线交点确定，线性范围的上限由碱误差响应曲线的切线与响应曲线直线段延长线交点确定，这应曲线的切线与响应曲线直线段延长线交点确定，这两个交点确定的范围，即线性范围。对两个交点确定的范围，即线性范围。对pHpH电极用户来电极用户来说，希望线性范围大一点好，尤其在两个极端环境说，希望线性范围大一点好，尤其在两个极端环境（强碱或强酸）中使用。（强碱或强酸）中使用。 7)线性范围7)线性范围A.A.碱误差碱误差 在碱溶液中胶层的氢离子部分或全部被碱离子在碱溶液中胶层的氢离子部分或全部被碱离子尤其是钠离子置换。胶层这种低氢离子活度造成指尤其是钠离子置换。胶层这种低氢离子活度造成指示出的低示出的低pHpH值是虚假的。当胶层的氢离子活度低至值是虚假的。当胶层的氢离子活度低至可忽略的值时，玻璃电极响应的主要是钠离子（钠可忽略的值时，玻璃电极响应的主要是钠离子（钠效应）。理论和实际的效应）。理论和实际的pHpH值差别即碱误差。值差别即碱误差。碱误差随碱误差随pHpH值的增加、碱浓度和温度的升高而增值的增加、碱浓度和温度的升高而增大。大。 7)线性范围7)线性范围B.B.酸误差酸误差C.C. 玻璃玻璃pHpH电极在强酸性溶液中也表现了与理论电极在强酸性溶液中也表现了与理论响应的偏离，该现象称为酸误差。有人已用放射性响应的偏离，该现象称为酸误差。有人已用放射性示踪试验证明，在强酸性溶液中胶层吸收酸分子，示踪试验证明，在强酸性溶液中胶层吸收酸分子，这就增加了胶层的氢离子活度，导致虚假的高这就增加了胶层的氢离子活度，导致虚假的高pHpH值。值。D.D.酸误差不如碱误差重要，在很低的酸误差不如碱误差重要，在很低的pHpH值下值下它才值得注意。它才值得注意。E.E.一个玻璃电极的碱误差低，同样酸误差也一个玻璃电极的碱误差低，同样酸误差也低。低。 pHpH测量仪表包括测量仪表包括 pHpH计和计和 pHpH变送器（也称工业变送器（也称工业 pHpH计）计） pHpH计和计和pHpH变送器在功能或结构上差异在于是否变送器在功能或结构上差异在于是否具有信号隔离作用。具有信号隔离作用。 5.pH测量仪表输入单元输入单元隔离单元隔离单元显示单元显示单元输出单元输出单元报警单元报警单元pHpH变送器的功能方框图变送器的功能方框图工业中在线检测用工业中在线检测用pHpH装置，必须使用具有信号装置，必须使用具有信号隔离作用的隔离作用的pHpH测量仪表，否则可能造成外参比电位旁测量仪表，否则可能造成外参比电位旁路，使外参比极化，造成显示不稳，使测量误差增大。路，使外参比极化，造成显示不稳，使测量误差增大。 5.pH测量仪表根据根据pHpH电极的特点，对电极的特点，对pHpH测量仪表有下列基本测量仪表有下列基本要求：要求： （1 1）计计量量特特性性：高高输输入入阻阻抗抗，低低输输入入电电流流，高高稳稳定定性性，低漂移，低显示误差；低漂移，低显示误差； （2 2）调调节节特特性性：要要求求有有零零点点（定定位位）调调节节，斜斜率率（灵灵敏敏度）调节，温度补偿调节和等电位点调节。度）调节，温度补偿调节和等电位点调节。 （3 3）使使用用特特性性：要要求求有有pHpH显显示示，信信号号隔隔离离和和电电流流或或电电压压信号输出。信号输出。 pHpH测量仪表的主要技术指标测量仪表的主要技术指标 5.pH测量仪表A A仪表的输入阻抗仪表的输入阻抗 玻璃玻璃pHpH电极内阻约几百兆欧，微小电流流过电极电极内阻约几百兆欧，微小电流流过电极就会引起显著的电压降。因此，就会引起显著的电压降。因此， pHpH测量仪表应有足够测量仪表应有足够高的输入阻抗（一般为高的输入阻抗（一般为1010111110101212） 。 B B仪表输入电流仪表输入电流 仪表输入电流是由仪器输入端电子器件的泄漏电仪表输入电流是由仪器输入端电子器件的泄漏电流所产生流所产生的。输入电流一般随输入端电压变化而变化，的。输入电流一般随输入端电压变化而变化，由于仪器输入电流会在测量电池等效电阻上产生额外由于仪器输入电流会在测量电池等效电阻上产生额外电压，从而造成测量误差。一般输入电流不得大于电压，从而造成测量误差。一般输入电流不得大于110110-12-12A A 。 pHpH测量仪表的主要技术指标测量仪表的主要技术指标 5.pH测量仪表C C仪表的稳定性仪表的稳定性 仪表的稳定性是一项综合性指标，温度对元器仪表的稳定性是一项综合性指标，温度对元器件影响，电源引起的波动，仪器的抗干扰特点等都将件影响，电源引起的波动，仪器的抗干扰特点等都将影响仪器的稳定性，仪表不稳定将直接影响到读数的影响仪器的稳定性，仪表不稳定将直接影响到读数的准确度和重现性，特别是用于连续或自动测量的准确度和重现性，特别是用于连续或自动测量的pHpH测测量仪器，对稳定性要求更高，性能良好的仪器当电源量仪器，对稳定性要求更高，性能良好的仪器当电源电压变化电压变化1010或连续使用或连续使用24h24h后，显示飘移为后，显示飘移为 2mV2mV（约约 0.03 pH 0.03 pH）以内，高精密度仪器要求比值在以内，高精密度仪器要求比值在 0.5 mV 0.5 mV（约约 0.007pH 0.007pH ）以内。以内。 pHpH测量仪表的主要技术指标测量仪表的主要技术指标 5.pH测量仪表D D仪表的测量范围及分辨率仪表的测量范围及分辨率 目前使用的目前使用的pHpH仪表测量范围基本上都设计成仪表测量范围基本上都设计成 0 14 pH0 14 pH数字显示，有些设计成分档可调式。对实验数字显示，有些设计成分档可调式。对实验室使用的高精度室使用的高精度pHpH计，分辨率可达计，分辨率可达0.01 pH0.01 pH，工业现场工业现场中使用的中使用的pHpH变送器，分辨率大都为变送器，分辨率大都为 0.01 pH0.01 pH或者或者 0.1pH0.1pH，因为工业现场影响测量因为工业现场影响测量 pHpH准确度的因素主要准确度的因素主要不是仪表的分辨率，而是其他干扰。不是仪表的分辨率，而是其他干扰。 pHpH测量仪表的主要技术指标测量仪表的主要技术指标 5.pH测量仪表E E仪表的信号隔离及信号输出仪表的信号隔离及信号输出 工业现场中使用的工业现场中使用的pHpH测量仪表，必须具有信号测量仪表，必须具有信号隔离功能，及信号输出远传的能力，信号输出格式为隔离功能，及信号输出远传的能力，信号输出格式为电压（电压（0 010 mV10 mV或或 0 0 5 V5 V）或电流（或电流（0 0 10 10 mAmA或或 4 420 20 mAmA）信号。信号。 III.pH电极的安装及使用1.1.pHpH电极安装电极安装2.2. pHpH测量测量装置的标定装置的标定3.3. 测量电极的使用测量电极的使用4.4. 测量电极的维护测量电极的维护1.pH电极安装基本基本pHpH自动控制系统自动控制系统变送器电缆pH探头护套1.pH电极安装基本基本pHpH自动控制系统自动控制系统上上图图 为常见的为常见的pHpH自动控制的基本系统，其中插自动控制的基本系统，其中插入发酵罐的复合入发酵罐的复合 pHpH电极把培养液中的电极把培养液中的 pHpH值转换成毫值转换成毫伏电信号，经伏电信号，经 pHpH变送器（也有用高阻转换器）转换后，变送器（也有用高阻转换器）转换后，输出标准统一信号（如输出标准统一信号（如4 420 20 mAmA）送调节器，经一定送调节器，经一定的调节规律运算以后，输出控制信号，启动执行机构的调节规律运算以后，输出控制信号，启动执行机构加入加入 pHpH调节剂，达到精确控制调节剂，达到精确控制 pHpH的目的。为了对过的目的。为了对过程的程的 pHpH变化跟踪记录，变化跟踪记录，有时在有时在 pHpH变送器后面接上记变送器后面接上记录仪。录仪。 1.pH电极安装发酵过程的发酵过程的pHpH控制可以是一个简单的控制回路，控制可以是一个简单的控制回路，但与发酵过程中其他控制系统比较，更易遭到失败，但与发酵过程中其他控制系统比较，更易遭到失败，失败的多数原因是一次传感，即失败的多数原因是一次传感，即pHpH电极的安装、设计电极的安装、设计或电极失效。这是因为：或电极失效。这是因为： 1.pH电极安装（1 1）发酵罐的高温（）发酵罐的高温（120130120130）灭菌和）灭菌和 10401040实际培养，因而要求电极既在常温下有较高实际培养，因而要求电极既在常温下有较高的测量精度，又要能经受蒸气灭菌对电极的损坏。的测量精度，又要能经受蒸气灭菌对电极的损坏。 （2 2）为了保持不受到污染，发酵设备一般都保）为了保持不受到污染，发酵设备一般都保持在持在 0. 010.1 0. 010.1 MPaMPa的罐压，因而需对参比电极的的罐压，因而需对参比电极的电解液施以压力，保证不会通过液络部发生倒灌。电解液施以压力，保证不会通过液络部发生倒灌。 （1 1）发酵罐的高温（）发酵罐的高温（120130120130）灭菌和）灭菌和 10401040实际培养，因而要求电极既在常温下有较高的测量精实际培养，因而要求电极既在常温下有较高的测量精度，又要能经受蒸气灭菌对电极的损坏。度，又要能经受蒸气灭菌对电极的损坏。 1.pH电极安装（2 2）为了保持不受到污染，发酵设备一般都保持在）为了保持不受到污染，发酵设备一般都保持在 0. 010.1 0. 010.1 MPaMPa的罐压，因而需对参比电极的电解液的罐压，因而需对参比电极的电解液施以压力，保证不会通过液络部发生倒灌。施以压力，保证不会通过液络部发生倒灌。 （3 3）必需保证培养过程长周期使用中的稳定测量。）必需保证培养过程长周期使用中的稳定测量。 （4 4）pHpH电极安装设计还要考虑高阻抗绝缘和温度补偿电极安装设计还要考虑高阻抗绝缘和温度补偿要求。要求。 生物发酵中的关键-高温灭菌通常温度在通常温度在 121 度度最高温度可达最高温度可达 130 度度通常蒸汽压在通常蒸汽压在 1.05 bar最高蒸汽压可达最高蒸汽压可达 1.68 bar灭菌时间通常在灭菌时间通常在 20 - 30 分钟分钟高温灭菌对电极的影响pH电极电极lpH玻璃膜的老化(响应时间延长,斜率降低)l银线上的AgCl溶解l蒸汽引起电极接头短路氧电极氧电极l氧膜的老化l阴极的老化为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑： 1.pH电极安装a a就地安装方式就地安装方式 把把pHpH电极直接浸在发酵罐中，如图所示，这种电极直接浸在发酵罐中，如图所示，这种方法的优点是响应时间短，减少了控制系统的纯迟后，方法的优点是响应时间短，减少了控制系统的纯迟后，有利于提高调节品质。此外，特别对一些较粘稠的发有利于提高调节品质。此外，特别对一些较粘稠的发酵液，罐内安装的酵液，罐内安装的pHpH电极较能反映菌体培养的实际环电极较能反映菌体培养的实际环境情况。这种方法的主要问题是境情况。这种方法的主要问题是pHpH电极必需经受灭菌电极必需经受灭菌温度冲击，对温度冲击，对pHpH电极性能要求高。且当发生电极故障电极性能要求高。且当发生电极故障时，修理、调换困难，最常见的是培养基高温灭菌后时，修理、调换困难，最常见的是培养基高温灭菌后常出现电极性能变化，或发酵长周期运转时液络部的常出现电极性能变化，或发酵长周期运转时液络部的液接电位变化。液接电位变化。 1.pH电极安装a a就地安装方式就地安装方式 在小型罐中的就地安装在小型罐中的就地安装在大、中型罐中的就地安装在大、中型罐中的就地安装为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑： 1.pH电极安装 b b外循环测量装置外循环测量装置 测量电极装置于罐外的发送器内，靠搅拌装置测量电极装置于罐外的发送器内，靠搅拌装置产生的压差使发酵液通过导管在发送器中循环，将球产生的压差使发酵液通过导管在发送器中循环，将球阀关闭后对电极采用较低温度的灭菌或化学消毒，参阀关闭后对电极采用较低温度的灭菌或化学消毒，参见图。为了保证发送器的发酵液流通速度，也有采用见图。为了保证发送器的发酵液流通速度，也有采用齿轮泵或隔薄式循环泵强制循环。本法的主要优点是齿轮泵或隔薄式循环泵强制循环。本法的主要优点是当电极故障时，可以不停罐拆卸调换。此外，可以采当电极故障时，可以不停罐拆卸调换。此外，可以采用化学灭菌方法避开对电极的高温破坏，一般可采用用化学灭菌方法避开对电极的高温破坏，一般可采用1 1过氧乙酸或过氧乙酸或5 5的碘酊灭菌，在发酵设备灭菌冷却后的碘酊灭菌，在发酵设备灭菌冷却后带压插入。带压插入。 1.pH电极安装 b b外循环测量装置外循环测量装置 发酵罐外循环发酵罐外循环pHpH测量装置测量装置为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑： 1.pH电极安装c c电极护套的设计电极护套的设计 当采用以液体参比液的复合玻璃当采用以液体参比液的复合玻璃pHpH电极时，在电极时，在受压的发酵罐内安装时必须采用加压护套。根据不同受压的发酵罐内安装时必须采用加压护套。根据不同的使用要求有几种电极护套的设计。若选用固定插入的使用要求有几种电极护套的设计。若选用固定插入式护套，使用前须用打气筒向加压室压入空气，以使式护套，使用前须用打气筒向加压室压入空气，以使电解液在护套内所受压力大于发酵罐内压力而不至产电解液在护套内所受压力大于发酵罐内压力而不至产生倒流，并使电解液能匀速向外渗出，加压室顶部装生倒流，并使电解液能匀速向外渗出，加压室顶部装有压力表，可以监视内部压力。电极插入罐内部分一有压力表，可以监视内部压力。电极插入罐内部分一般可装有可拆卸的保护套以保护电极玻璃球泡。般可装有可拆卸的保护套以保护电极玻璃球泡。 为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑：为了克服困难，可以从下面几个方面进行考虑： 1.pH电极安装c c电极护套的设计电极护套的设计 为了在长周期使用，可选用一种可随时拉出为了在长周期使用，可选用一种可随时拉出pHpH电极进行标定、维修的护套。对于胶体电解质复合电电极进行标定、维修的护套。对于胶体电解质复合电极来说，由于无需加压，护套结构较简单，使用操作极来说，由于无需加压，护套结构较简单，使用操作较方便。较方便。电极护套的设计或选择时要注意护套材料、插电极护套的设计或选择时要注意护套材料、插入位置、插入长度和插入头直径。一般采用不锈钢料，入位置、插入长度和插入头直径。一般采用不锈钢料，在发酵罐上可取垂直或在发酵罐上可取垂直或1515倾斜安装，插入长度根据倾斜安装，插入长度根据电极长度决定，一般大于电极长度决定，一般大于70mm70mm以上。插入头直径一般以上。插入头直径一般采用国际标准采用国际标准 25 mm25 mm。 1.pH电极安装pHpH测量系统（包括电极及仪表）在测量前必须测量系统（包括电极及仪表）在测量前必须加以标定，长久干置不用的电极，在头次标定前必须加以标定，长久干置不用的电极，在头次标定前必须先把玻璃敏感球泡浸泡在与外参比液相同成份的溶液先把玻璃敏感球泡浸泡在与外参比液相同成份的溶液（通常是氯化钾溶液）中（通常是氯化钾溶液）中 24 h24 h，标定及测量时要去掉标定及测量时要去掉电极上外参比液补加孔上的闭封塞，保持足够的外参电极上外参比液补加孔上的闭封塞，保持足够的外参比液，除掉电极内缓冲参比液及外参比液中可能存在比液，除掉电极内缓冲参比液及外参比液中可能存在的气泡，标定或测量时应使隔膜浸在溶液中。的气泡，标定或测量时应使隔膜浸在溶液中。pHpH测量测量系统的标定有三种方式，一是标准缓冲液标定法；其系统的标定有三种方式，一是标准缓冲液标定法；其又包括两点标定及一点标定，二是样品校合法；三是又包括两点标定及一点标定，二是样品校合法；三是参数整定法。参数整定法。 2.pH测量装置的标定标准缓冲液标定法用标准缓冲液对标准缓冲液标定法用标准缓冲液对pHpH测量系统测量系统标定是最基本的方法，发酵过程用该法标定时，通常标定是最基本的方法，发酵过程用该法标定时，通常都是在两批发酵间隔期进行，如果使用可伸缩式都是在两批发酵间隔期进行，如果使用可伸缩式pHpH探探头，则可随时标定。头，则可随时标定。 1)标准缓冲液标定法(A) (A) 两点标定方法两点标定方法先连接好整套测量装置，接上先连接好整套测量装置，接上pHpH电极，接通电源。将电极，接通电源。将pHpH电极置于电极置于 pH 7pH 7标准缓冲液中，显示稳定后调标准缓冲液中，显示稳定后调 pHpH变送器的零点变送器的零点（或定位）旋纽，使（或定位）旋纽，使pHpH变送器显示为该缓冲液实际变送器显示为该缓冲液实际pHpH值。然后值。然后提出提出pHpH电极，用蒸馏水冲洗，用吸水纸（卫生纸或滤纸）吸干电极，用蒸馏水冲洗，用吸水纸（卫生纸或滤纸）吸干水份。再将水份。再将pHpH电极置于第二种标准缓冲液中（通常为电极置于第二种标准缓冲液中（通常为pH4pH4或者或者pH9pH9标准缓冲液中的一种，选哪种应当视过程偏酸性或偏碱性标准缓冲液中的一种，选哪种应当视过程偏酸性或偏碱性而定），待显示稳定后，调而定），待显示稳定后，调pHpH变送器的斜率（或灵敏度）旋钮，变送器的斜率（或灵敏度）旋钮，使使pHpH变送器显示为第二种标准缓冲液的实际变送器显示为第二种标准缓冲液的实际pHpH值，斜率标定后值，斜率标定后冲洗电极并吸干水分，再返回冲洗电极并吸干水分，再返回pH 7pH 7标准缓冲液中检查，反复调标准缓冲液中检查，反复调整，使这两步皆满足要求，此时该整，使这两步皆满足要求，此时该pHpH测量装置标定好。测量装置标定好。 1)标准缓冲液标定法(B)(B)一点标定法方法一点标定法方法 所谓一点标定法即只利用所谓一点标定法即只利用 pH 7pH 7标准缓冲液标定标准缓冲液标定pHpH测量系统的零点。测量系统的零点。 1)标准缓冲液标定法样品校合法通常在以下条件下使用：样品校合法通常在以下条件下使用：已作过两点标定，在不太长时间的使用过程中，已作过两点标定，在不太长时间的使用过程中，为了补偿为了补偿pHpH电极的零点漂移（高温消毒过程可能引起电极的零点漂移（高温消毒过程可能引起零点漂移，但对斜率影响较小），可用样品校合法标零点漂移，但对斜率影响较小），可用样品校合法标定仪表。方法如下：定仪表。方法如下：放出部分正在测量的溶液（发酵液），立即用放出部分正在测量的溶液（发酵液），立即用一套标准一套标准pHpH测量装置（实验室中应当有一套可随时进测量装置（实验室中应当有一套可随时进行两点标定的行两点标定的pHpH测量装置）测其测量装置）测其pHpH值。根据测得的结值。根据测得的结果，调节待校合果，调节待校合pHpH变送器上的零点（或点位）旋钮，变送器上的零点（或点位）旋钮，使其显示为标准使其显示为标准pHpH装置离线测量的装置离线测量的pHpH值。值。 2)样品的校合法参数整定法即是根据实验室测得的参数整定法即是根据实验室测得的pHpH电极的斜电极的斜率，零点（精确地说应当是电极的等位点）数据，对率，零点（精确地说应当是电极的等位点）数据，对 pHpH测量仪表进行调谐整定，使之与电极相配套。参数测量仪表进行调谐整定，使之与电极相配套。参数整定法多在智能化仪表中使用。整定法多在智能化仪表中使用。 3)参数整定法 护套方式安装的护套方式安装的pHpH电极在使用中应注意以下几点：电极在使用中应注意以下几点： （1 1）护套内压力应大于）护套内压力应大于pHpH检测点压力；检测点压力； （2 2）电极上外参比液补加孔不应浸没于溶液中；）电极上外参比液补加孔不应浸没于溶液中； （3 3）非等温过程中测量）非等温过程中测量pHpH，由于测量时温度不同由于测量时温度不同于标定时温度，尽管进行了最佳温度补偿，但也可能会于标定时温度，尽管进行了最佳温度补偿，但也可能会引起测量误差，其误差正比于电极的等电位点偏移和测引起测量误差，其误差正比于电极的等电位点偏移和测量温度与标定温度之差。为了减少或避免非等温过程中量温度与标定温度之差。为了减少或避免非等温过程中由此原因造成测量误差，除了应进行准确的温度补偿外，由此原因造成测量误差，除了应进行准确的温度补偿外，还应当选用等电位点偏移小的快速热平衡电极。还应当选用等电位点偏移小的快速热平衡电极。 3.测量电极的使用护套方式安装的护套方式安装的pHpH电极在使用中应注意以下几电极在使用中应注意以下几点：点： （4 4）非非等等温温环环境境中中测测量量pHpH的的另另一一个个问问题题是是快快速速变变温温过过程程中中pHpH电电极极的的温温度度响响应应滞滞后后，因因此此，凡凡快快速速变变温温场合下测量场合下测量pHpH，应首先考虑选用快速热平衡电极。应首先考虑选用快速热平衡电极。3.测量电极的使用pHpH电极是一种电化学传感器，其原理是利用电电极是一种电化学传感器，其原理是利用电极和待测溶液间发生的可逆反应来测量极和待测溶液间发生的可逆反应来测量pHpH值的。如果值的。如果在玻璃膜上有固体沉淀物或参考系统的反应影响该可在玻璃膜上有固体沉淀物或参考系统的反应影响该可逆反应，则信号的精确性就会降低。逆反应，则信号的精确性就会降低。 4.测量电极的维护所以，所以，pHpH测量成功的关键在于测量成功的关键在于 pHpH电极和仪表电极和仪表的日常正确使用和维护。的日常正确使用和维护。如果待测溶液污染了电极或电极老化，则会造如果待测溶液污染了电极或电极老化，则会造成电极响应时间增加，零点漂移，斜率减小等现象。成电极响应时间增加，零点漂移，斜率减小等现象。电极的使用寿命取决于玻璃的化学性质。即便是电极电极的使用寿命取决于玻璃的化学性质。即便是电极不投入使用，高温也会减少电极的寿命。在实验室条不投入使用，高温也会减少电极的寿命。在实验室条件下，电极的使用寿命可多于件下，电极的使用寿命可多于3 3年。如果电极在年。如果电极在8080下下进行连续测量，则电极的使用年限会大大下降（可能进行连续测量，则电极的使用年限会大大下降（可能只能用几个月）。如果待测溶液和电解液间的反应会只能用几个月）。如果待测溶液和电解液间的反应会产生干扰信号，则使用电桥或特定的电解液可以改善产生干扰信号，则使用电桥或特定的电解液可以改善测量条件测量条件 1)电极功能维护 避免污染的方法：避免污染的方法： 经常用适当溶剂冲洗电极；经常用适当溶剂冲洗电极； 如如果果可可能能有有固固体体物物质质沉沉淀淀于于膜膜表表面面，则则可可提提高高搅拌转速或增大通气速率来去除之。搅拌转速或增大通气速率来去除之。当电极的玻璃膜和连结部受污染后，则电极应当电极的玻璃膜和连结部受污染后，则电极应及时清洗。根据污染的不同类型，可采用不同的清洗及时清洗。根据污染的不同类型，可采用不同的清洗方法。方法。1)电极功能维护 1)电极功能维护 污染类型污染类型 清洗方法清洗方法 含有蛋白质的待测溶液含有蛋白质的待测溶液（接合处污染）（接合处污染） 电极浸入胃蛋白酶电极浸入胃蛋白酶HCI溶溶液几小时液几小时 含有硫化物的待测溶液含有硫化物的待测溶液（接合处变黑）（接合处变黑） 接合处浸入尿素接合处浸入尿素HCI溶液溶液直至变白直至变白 脂类或其他有机待测溶液脂类或其他有机待测溶液用丙酮或乙醇短时间冲洗用丙酮或乙醇短时间冲洗电极电极 酸溶或碱溶的污染物酸溶或碱溶的污染物 用用 0. 1molL NaOH 或或 0. 1 mol L HCI冲洗电极冲洗电极几分钟几分钟 1)电极功能维护 在用这些方法处理过电极以后，应将电极浸入在用这些方法处理过电极以后，应将电极浸入参考电解液中参考电解液中1515分钟，在测量之前还要先标定电极，分钟，在测量之前还要先标定电极，这是因为清洗液会扩散进入接合处，引起扩散电势。这是因为清洗液会扩散进入接合处，引起扩散电势。电极只能淋洗，不能擦洗或机械清洗，因为这种洗法电极只能淋洗，不能擦洗或机械清洗，因为这种洗法会导致静电荷，同时会增加电极测量响应时间。会导致静电荷，同时会增加电极测量响应时间。 当参考电极的传导元件已不再能完全浸入到电当参考电极的传导元件已不再能完全浸入到电解液中（由于电解质会通过接合处扩散），或参考电解液中（由于电解质会通过接合处扩散），或参考电解质溶液已污染（由于待测溶液的扩散），或参考电解质溶液已污染（由于待测溶液的扩散），或参考电解液由于水分蒸发引起浓度升高时，电解液需要补充解液由于水分蒸发引起浓度升高时，电解液需要补充或更新。在更新电解液时要注意应使用与电极相同的或更新。在更新电解液时要注意应使用与电极相同的电解质溶液。电解质溶液。 2)电极贮存 电极应贮存在参考电解液中，这便于电极即时电极应贮存在参考电解液中，这便于电极即时投入使用，同时保证电极的响应时间较短。投入使用，同时保证电极的响应时间较短。如果电极长时间干燥贮存，为了获得准确如果电极长时间干燥贮存，为了获得准确pHpH测测量，则在再次使用前往往需要浸入到参考电解液中活量，则在再次使用前往往需要浸入到参考电解液中活化数小时，也可以使用特定的活化溶液。化数小时，也可以使用特定的活化溶液。如果电极是放入蒸馏水中贮存，则其响应时间如果电极是放入蒸馏水中贮存，则其响应时间会延长。会延长。特别要注意，有些电极是不能干燥贮存的。特别要注意，有些电极是不能干燥贮存的。 生化工程一般都是常温常压下进行的，反应温生化工程一般都是常温常压下进行的，反应温度在度在4040左右。因此，玻璃电极能否经受灭菌的高左右。因此，玻璃电极能否经受灭菌的高温是电极的关键因素，通常灭菌是将温是电极的关键因素，通常灭菌是将121121130130的的高温蒸汽通入发酵罐中进行的。由于不可能在灭菌高温蒸汽通入发酵罐中进行的。由于不可能在灭菌后进行电极的标定，因此电极的零点稳定性是电极后进行电极的标定，因此电极的零点稳定性是电极的另一个重要因素。的另一个重要因素。 IV.pH测量应用示例1.1.单克隆抗体的生产单克隆抗体的生产 2.2. 青霉素生产青霉素生产 单克隆抗体是由哺乳动物细胞在小型生化反应器单克隆抗体是由哺乳动物细胞在小型生化反应器中（中（0.050.0510M10M3 3）悬浮生产的，细胞活性和抗体的产生悬浮生产的，细胞活性和抗体的产生是在一很窄的是在一很窄的pHpH值范围。哺乳动物细胞的营养液中包含值范围。哺乳动物细胞的营养液中包含2.52.5 1010血浆、葡萄糖、盐、氨基酸和维生素，通血浆、葡萄糖、盐、氨基酸和维生素，通过加入有机磷酸盐和碳酸盐缓冲液调节过加入有机磷酸盐和碳酸盐缓冲液调节pHpH在在7.07.07.67.6。在培养过程中有些代谢产物会影响发酵液的在培养过程中有些代谢产物会影响发酵液的pHpH值。这种值。这种培养过程长至几个星期，由于长期的在线测量以及培养培养过程长至几个星期，由于长期的在线测量以及培养条件的苛刻。要求进行严格的消毒处理。条件的苛刻。要求进行严格的消毒处理。 （1）单克隆抗体的生产 许多哺乳动物细胞能够存活的许多哺乳动物细胞能够存活的pHpH范围为范围为6.66.67.87.8，最佳生产条件为最佳生产条件为pH7.2pH7.27.47.4。为了维持该条件，必须通为了维持该条件，必须通过加入酸碱或改变气体中空气与过加入酸碱或改变气体中空气与COCO2 2的比例来连续地控制的比例来连续地控制pHpH的数值。的数值。 上述培养过程对上述培养过程对pHpH电极的耐高温性和高可靠性都电极的耐高温性和高可靠性都提出了很高的要求。提出了很高的要求。 （1）单克隆抗体的生产 解决上述问题往往使用液体电解质电极或凝胶电解决上述问题往往使用液体电解质电极或凝胶电解质电极。凝胶电解质电极没有内部压缩空气室，避免解质电极。凝胶电解质电极没有内部压缩空气室，避免待测溶液进入电极。此外，这种电极所需维护工作量很待测溶液进入电极。此外，这种电极所需维护工作量很少，因为没有必要向电极补入电解液和正压操作少，因为没有必要向电极补入电解液和正压操作 青霉素是在青霉素是在200M200M3 3以上的大型生物反应器中，由丝以上的大型生物反应器中，由丝状菌在液体中培养而获得的。青霉素的生产和菌体的生状菌在液体中培养而获得的。青霉素的生产和菌体的生长都很依赖于发酵液的长都很依赖于发酵液的pHpH值，仅在较窄的值，仅在较窄的pHpH范围内才能范围内才能得到优化生长。发酵培养基中包括乳糖、葡萄糖、得到优化生长。发酵培养基中包括乳糖、葡萄糖、5 5玉米浆、豆油或其他氮源。发酵的初始阶段发酵液的最玉米浆、豆油或其他氮源。发酵的初始阶段发酵液的最适宜适宜pHpH为为6.0 6.0 6.86.8。发酵培养液接种后，开始搅拌、。发酵培养液接种后，开始搅拌、通气，菌丝开始繁殖生长，而后释放出青霉素。通气，菌丝开始繁殖生长，而后释放出青霉素。 （2）青霉素生产 在发酵过程中必须连续地严格控制在发酵过程中必须连续地严格控制pHpH值，以维持值，以维持最佳的生长和生产条件，如果最佳的生长和生产条件，如果pHpH有所升高或降低，则通有所升高或降低，则通过加入氨水或酸来中和，一旦过加入氨水或酸来中和，一旦pHpH值超过值超过8 8，则青霉素的，则青霉素的生产将会停止。生产将会停止。 在青霉素发酵过程中，底物的利用和产物的形成在青霉素发酵过程中，底物的利用和产物的形成都会改变发酵液的都会改变发酵液的pHpH值。此外，菌丝体的繁殖生长会造值。此外，菌丝体的繁殖生长会造成测量介质粘度上升，甚至堵塞电极的接合处。发酵液成测量介质粘度上升，甚至堵塞电极的接合处。发酵液中的蛋白质与测量溶液接触产生沉淀也会堵塞接合处，中的蛋白质与测量溶液接触产生沉淀也会堵塞接合处，导致导致pHpH值不稳定和产生不正确的测量信号，也会降低电值不稳定和产生不正确的测量信号，也会降低电极响应时间。极响应时间。 （2）青霉素生产 使用具有可伸缩保护套、能够进行压力补偿的电使用具有可伸缩保护套、能够进行压力补偿的电极，就可以进行长期的可靠的青霉素生产过程极，就可以进行长期的可靠的青霉素生产过程pHpH值的测值的测量。另外，通过使用特殊的电解质，来有效地避免蛋白量。另外，通过使用特殊的电解质，来有效地避免蛋白质沉淀。质沉淀。 二、溶解氧（DO）的测量I.溶解氧测量溶解氧测量的意义的意义 II.II. 溶解氧溶解氧测量的概念测量的概念 III.III.溶解氧测量装置的安装及使用溶解氧测量装置的安装及使用 在好气菌发酵过程中，必须连续地通入无菌空气，在好气菌发酵过程中，必须连续地通入无菌空气，氧由气相溶解到液相，然后经过液流传给细胞壁进入氧由气相溶解到液相，然后经过液流传给细胞壁进入到细胞质，作为碳源氧化过程的电子最终受体，获得到细胞质，作为碳源氧化过程的电子最终受体，获得满足菌体生长以及合成产物等所需要的能量。因此，满足菌体生长以及合成产物等所需要的能量。因此，培养液溶氧浓度对菌体生长及产量有极其重要的意义。培养液溶氧浓度对菌体生长及产量有极其重要的意义。 一般总希望在发酵不同阶段均使溶氧水平维持在略高一般总希望在发酵不同阶段均使溶氧水平维持在略高于临界值以上，这样既不影响菌体的正常代谢，又不于临界值以上，这样既不影响菌体的正常代谢，又不致因为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。不过，致因为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。不过，有时过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制有时过高的溶氧水平反而对菌体代谢有不可逆的抑制作用。作用。 I.溶解氧测量的意义在一般情况下，微生物在发酵过程中的需氧量约在一般情况下，微生物在发酵过程中的需氧量约为为20 20 50 50 mmolmmolL hL h，而在而在0.1MPa0.1MPa罐压，罐压，2525时时用空气饱和的培养液中的溶解氧，只能维持菌的正常用空气饱和的培养液中的溶解氧，只能维持菌的正常呼吸呼吸15 15 30s30s。为了维持菌体代谢活动，必需不断地为了维持菌体代谢活动，必需不断地补充培养液中的溶解氧，因此就存在一个发酵罐的不补充培养液中的溶解氧，因此就存在一个发酵罐的不断供氧和菌体细胞的不断耗氧问题，这是一个动态过断供氧和菌体细胞的不断耗氧问题，这是一个动态过程，当供氧速率小于需氧时，则培养液中氧浓度下降。程，当供氧速率小于需氧时，则培养液中氧浓度下降。I.溶解氧测量的意义在发酵过程中，常用以电化学为基础的电极法进在发酵过程中，常用以电化学为基础的电极法进行行D0D0测量，由溶氧电极所获得的数据不仅可以给出微测量，由溶氧电极所获得的数据不仅可以给出微生物生理生化的动态信息，而且是发酵罐传质能力、生物生理生化的动态信息，而且是发酵罐传质能力、设计放大和中间控制等研究的基础。设计放大和中间控制等研究的基础。 在发酵过程中，可以应用溶氧电极所测得的数据在发酵过程中，可以应用溶氧电极所测得的数据对过程工艺进行指导，用来判断工艺操作的合理性，一对过程工艺进行指导，用来判断工艺操作的合理性，一般有下面几点考虑：般有下面几点考虑：I.溶解氧测量的意义A A 发酵过程的临界氧浓度发酵过程的临界氧浓度 B KB KL L 估算估算 C C 指导补料操作指导补料操作 D D 菌体活性和菌量估计菌体活性和菌量估计 C C 意外操作分析意外操作分析 II.溶解氧测量的概念1. 电位型电极和电流型电极电位型电极和电流型电极2.2. 氧电极氧电极测量测量的基本原理的基本原理3.3. 溶解氧电极结构溶解氧电极结构4.4. 溶解氧电极的技术指标溶解氧电极的技术指标5.5. 溶解氧测量仪表溶解氧测量仪表空气的组成在分析工作中所使用的电极可分为两种类型，即在分析工作中所使用的电极可分为两种类型，即电位型电极和电流型电极。电位型电极和电流型电极。 1.电位型电极和电流型电极电位型电极是利用一个特定离子的活性产生电位。电位型电极是利用一个特定离子的活性产生电位。这些电极的实例是玻璃这些电极的实例是玻璃pHpH电极及大多数离子选择电极。电极及大多数离子选择电极。测量的是指示电极与一个惰性参考电极之间的电位差，测量的是指示电极与一个惰性参考电极之间的电位差，而参考电极的电位必须是恒定的。而参考电极的电位必须是恒定的。 所有电位型电极都服从所有电位型电极都服从NernstNernst定律，因此电极与定律，因此电极与测测量量仪器在大多数情况下是通用的，电位测量的必要仪器在大多数情况下是通用的，电位测量的必要条件实际上是电极电压的无电流测定。在测量中，基条件实际上是电极电压的无电流测定。在测量中，基本上不发生化学反应。本上不发生化学反应。电流型电极（如氧电极）对活度的测定是基于电电流型电极（如氧电极）对活度的测定是基于电流的测量。流的测量。 1.电位型电极和电流型电极包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质传导连接。加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在传导连接。加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在阴极上选择性地将氧还原。阴极上选择性地将氧还原。 阴极反应阴极反应 O O2 2 2H2H2 2O O 4e4e- - 40H 40H- -阳极反应阳极反应 4 4Ag Ag 4Cl4Cl- - 4AgCl 4AgCl4e 4e - - 化学反应产生一个与氧分压（化学反应产生一个与氧分压（P PO2O2）成正比的电流。成正比的电流。由于氧电极上消耗的样品连续从溶液中获得，因而溶由于氧电极上消耗的样品连续从溶液中获得，因而溶液的粘度与流速对测量有很大影响。液的粘度与流速对测量有很大影响。1.电位型电极和电流型电极氧电极的电极电流不仅与氧分压有关，也与电极氧电极的电极电流不仅与氧分压有关，也与电极的其他参数有关，不同类型或规格的氧电极，他们的的其他参数有关，不同类型或规格的氧电极，他们的电流可能相差几个数量级为此氧电极与放大器不能电流可能相差几个数量级为此氧电极与放大器不能自由替换。自由替换。 1 1）氧的极谱电位与电流）氧的极谱电位与电流 2.氧电极测量的基本原理在某一溶氧浓度一在某一溶氧浓度一定的溶液系统中，当在定的溶液系统中，当在某一贵重金属（如铂、某一贵重金属（如铂、金或银等）电极与合适金或银等）电极与合适的参比电极（甘汞或的参比电极（甘汞或 AgAgAgClAgCl）之间加入之间加入0.60.60.8 V0.8 V负电压时，溶液负电压时，溶液中的溶解氧就在阴极被中的溶解氧就在阴极被还原。还原。 1 1）氧的极谱电位与电流）氧的极谱电位与电流 2.氧电极测量的基本原理从电极的电流从电极的电流电压极谱图可看出，电压极谱图可看出，OAOA为极谱残为极谱残余电流；余电流；A A点为氧的分解电压，当外加电压大于分解电点为氧的分解电压，当外加电压大于分解电压压 A A后，这时电极输出电流后，这时电极输出电流 I I 随着负电压增加而增加，随着负电压增加而增加，当到达当到达B B后，电极电流就不再随着外加电压而增加，即后，电极电流就不再随着外加电压而增加，即电极电流进入恒定区，这时称为饱和电流（也称极限电极电流进入恒定区，这时称为饱和电流（也称极限扩散电流）。当外加电压继续增加到扩散电流）。当外加电压继续增加到C C点时，电极输出点时，电极输出电流就迅速增加，这是由于水被分解成氧和氢所造成。电流就迅速增加，这是由于水被分解成氧和氢所造成。 1 1）氧的极谱电位与电流）氧的极谱电位与电流 2.氧电极测量的基本原理阴极与阳极之间电压的选择是要使氧能被充分地阴极与阳极之间电压的选择是要使氧能被充分地还原（见图还原（见图A A），），而对另一些气体不发生作用（而对另一些气体不发生作用（C C）。）。这时的电压称为极谱电压，此时所产生的电流与这时的电压称为极谱电压，此时所产生的电流与溶液中氧含量成正比，此时的电极电流称为饱和电流。溶液中氧含量成正比，此时的电极电流称为饱和电流。 对对 PtPt，AgAgAgClAgCl系统，选择的理论电压在系统，选择的理论电压在 600600与与 750 mV750 mV之间。此外还必须满足以下条件：即电解质之间。此外还必须满足以下条件：即电解质溶液薄层的电阻必须较小，阳极必须有一个大的表面溶液薄层的电阻必须较小，阳极必须有一个大的表面积，以防止电极电流将阳极极化，避免阴极极化电压积，以防止电极电流将阳极极化，避免阴极极化电压下降。下降。2 2）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极 2.氧电极测量的基本原理氧电极的电化学是根据氧在阴极的电化学反应：氧电极的电化学是根据氧在阴极的电化学反应： 反应结果在电解质溶液中产生氢氧根离子以及少反应结果在电解质溶液中产生氢氧根离子以及少量的过氧化氢，在阴极上产生一个半电池电位，这里量的过氧化氢，在阴极上产生一个半电池电位，这里阴极多数是贵金属如银、金、铂等制成，阴极多数是贵金属如银、金、铂等制成，“阴极阴极”的的命名不是基于电极的极性，而是根据发生在电极上反命名不是基于电极的极性，而是根据发生在电极上反应的性质，凡发生还原反应的就被定为阴极，贵金属应的性质，凡发生还原反应的就被定为阴极，贵金属仅起传递电子的作用。仅起传递电子的作用。 O O2 2 2H 2H2 2O O 2e 2e- - H H2 2O O2 2 + 20H + 20H- - H H2 2O O2 2 2e 20H 2e 20H- -阳极阳极 g g ClCl - - AgClAgCl 2e 2e - - 2 2）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极 2.氧电极测量的基本原理在电极系统中，如果选用一个电位比阴极电位低在电极系统中，如果选用一个电位比阴极电位低或相等的参比电极，就需要外加一个电源电压，使之或相等的参比电极，就需要外加一个电源电压，使之维持在维持在 - 0.6 - 0.8V- 0.6 - 0.8V（相对于氯化银电极电位）的相对于氯化银电极电位）的氧极谱电位，这种氧电极称为极谱型氧电极。例如阴氧极谱电位，这种氧电极称为极谱型氧电极。例如阴极和阳极都利用银制成，若参比电极的电解质溶液为极和阳极都利用银制成，若参比电极的电解质溶液为氯化钾溶液时，则反应为：氯化钾溶液时，则反应为： 阴极阴极 O O2 2 2H2H2 2O O 4e4e- - 40H 40H- -电极反应电极反应 4 4AgAgO O2 22H2H2 2O O4Cl4Cl- - 4AgCl4AgCl40H40H- -阳极阳极 Ag Ag ClCl - - AgClAgCl 2e 2e - - 2 2）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极 2.氧电极测量的基本原理 由于氢氧根离子随着反应进行而交换出氯离子，由于氢氧根离子随着反应进行而交换出氯离子，当电解质溶液中氯离子耗尽时，就必须再补充才能继当电解质溶液中氯离子耗尽时，就必须再补充才能继续使用。续使用。 阴极阴极 O O2 2 2H2H2 2O O 4e4e- - 40H 40H- -电极反应电极反应 4 4AgAgO O2 22H2H2 2O O4Cl4Cl- - 4AgCl4AgCl40H40H- -阳极阳极 PbPb PbPb2+2+ 2e2e2 2）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极 2.氧电极测量的基本原理在电极系统中，如果选用阴极电位高于阳极电位在电极系统中，如果选用阴极电位高于阳极电位的参比电极，例锌、铅或银等碱性金属作阴极，这时，的参比电极，例锌、铅或银等碱性金属作阴极，这时，氧就可在阴极表面自发地被还原，产生电动势，当接氧就可在阴极表面自发地被还原，产生电动势，当接上电流表，就有电流产生，这种电极被称为原电池型上电流表，就有电流产生，这种电极被称为原电池型氧电极。银氧电极。银铅电池型电极的电子反应如下：铅电池型电极的电子反应如下： 阴极阴极 O O2 2 2H2H2 2O O 4e 40H4e 40H- -电极反应电极反应 2Pb2Pb O O2 22H2H2 2O 2Pb(0H)O 2Pb(0H)2 2阳极阳极 PbPb PbPb2+2+ 2e2e2 2）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极）极谱型溶氧电极和还原型溶氧电极 2.氧电极测量的基本原理可看出与极谱型电极不同的是，这时电解质溶液可看出与极谱型电极不同的是，这时电解质溶液不参加反应，而阳极表面被逐渐氧化，因此原电池型不参加反应，而阳极表面被逐渐氧化，因此原电池型电极的寿命决定于阳极可利用表面的大小。电极的寿命决定于阳极可利用表面的大小。 阴极阴极 O O2 2 2H2H2 2O O 4e 40H4e 40H- -电极反应电极反应 2Pb2Pb O O2 22H2H2 2O 2Pb(0H)O 2Pb(0H)2 2无论是上述那种电极无论是上述那种电极, ,它们都属于电流型电极它们都属于电流型电极. .氧浓度与饱和电流成正比关系，实质上是涉及到氧浓度与饱和电流成正比关系，实质上是涉及到了稳定的氧扩散电流问题。了稳定的氧扩散电流问题。 3 3）复膜氧电极）复膜氧电极 2.氧电极测量的基本原理当我们把电极放在一被测溶液中时，就在阴极表当我们把电极放在一被测溶液中时，就在阴极表面发生了电极反应，使距表面越近的溶液中的氧被还面发生了电极反应，使距表面越近的溶液中的氧被还原了，此时，电极表面的氧浓度与液流主体中的氧浓原了，此时，电极表面的氧浓度与液流主体中的氧浓度就形成了一个梯度，这时电极反应速度是受氧扩散度就形成了一个梯度，这时电极反应速度是受氧扩散控制的。由于这个氧浓度梯度随时间而减小，且易受控制的。由于这个氧浓度梯度随时间而减小，且易受到搅拌程度等物理因素的影响，造成电极输出信号不到搅拌程度等物理因素的影响，造成电极输出信号不稳定，使整个电极测量难以进行。稳定，使整个电极测量难以进行。 由此可见，一个基本的由此可见，一个基本的DODO电极测量系统不仅要具电极测量系统不仅要具备指示电极和参比电极之间形成的电位差（即氧的极备指示电极和参比电极之间形成的电位差（即氧的极谱电位），使此时只有氧在电极上发生反应，而且要谱电位），使此时只有氧在电极上发生反应，而且要使电极表面与液流主体间有一个稳定的氧扩散梯度。使电极表面与液流主体间有一个稳定的氧扩散梯度。 3 3）复膜氧电极）复膜氧电极 2.氧电极测量的基本原理克拉克（克拉克（ClarkClark）复膜氧电极概念的提出，使氧复膜氧电极概念的提出，使氧电极在技术上有了重大突破。电极的阳极、阴极和电电极在技术上有了重大突破。电极的阳极、阴极和电解质被一层聚分子膜（例聚四氟乙烯等）与被测溶液解质被一层聚分子膜（例聚四氟乙烯等）与被测溶液隔开，这层薄膜的特性是能透过氧分子而不能通过溶隔开，这层薄膜的特性是能透过氧分子而不能通过溶液中的其他离子或分子。电极的阴极表面被覆上此膜液中的其他离子或分子。电极的阴极表面被覆上此膜之后，在一定条件下当膜成为氧扩散的控制因素时，之后，在一定条件下当膜成为氧扩散的控制因素时，氧分压的变化与电流输出的稳态对应式具有如下形式：氧分压的变化与电流输出的稳态对应式具有如下形式： 3 3）复膜氧电极）复膜氧电极 2.氧电极测量的基本原理式中式中 I IS S 电极电流；电极电流； N N 电子数；电子数； F F 法拉第常数；法拉第常数； A A 阴极表面积；阴极表面积； P Pm m 氧在复膜中的穿透系数；氧在复膜中的穿透系数； d dm m 膜厚；膜厚； P PO2O2被测溶液中的氧分压。被测溶液中的氧分压。3 3）复膜氧电极）复膜氧电极 2.氧电极测量的基本原理由于复膜电极中聚分子膜的应用，就可以通过选由于复膜电极中聚分子膜的应用，就可以通过选择膜厚择膜厚dmdm使之成为膜阻控制系统，即从电极阴极表面使之成为膜阻控制系统，即从电极阴极表面到液流主体的氧扩散梯度固定在一定的范围内，不随到液流主体的氧扩散梯度固定在一定的范围内，不随时间和液流主体湍流程度的影响。满足了电极在实际时间和液流主体湍流程度的影响。满足了电极在实际测量中的要求。测量中的要求。 3 3）复膜氧电极）复膜氧电极 2.氧电极测量的基本原理根据发酵过程实际使用要求，对氧电极具有如下要求：根据发酵过程实际使用要求，对氧电极具有如下要求： 3.氧电极的基本结构 1 1）在长时间内能稳定工作；）在长时间内能稳定工作； 2) 2) 电极输出电流足够大并与电极输出电流足够大并与DODO成正比；成正比； 3 3）电极功能受液流影响小；）电极功能受液流影响小； 4 4）电极响应快速灵敏；）电极响应快速灵敏； 5 5）测量时不易受培养基中温度的影响；）测量时不易受培养基中温度的影响； 6 6）电极必须能耐高温（不超过）电极必须能耐高温（不超过120120）灭菌消毒；）灭菌消毒； 7 7）电极应具有合理的结构和合适的外形。）电极应具有合理的结构和合适的外形。根据上述要求，电极基本结构如图所示。根据上述要求，电极基本结构如图所示。 溶氧探头的结构电缆接头（VP或T-82)内电极溶氧膜保护套管电极壳体材料为316L不锈钢溶氧探头内电极的结构阴极 用于发酵中的溶氧电极被人们所关心的首要问用于发酵中的溶氧电极被人们所关心的首要问题是电极是否能耐高温灭菌消毒，使用寿命长否和电题是电极是否能耐高温灭菌消毒，使用寿命长否和电极电气性能的可靠性。这几项指标是相互影响的，必极电气性能的可靠性。这几项指标是相互影响的，必须权衡考虑。溶解氧电极的质量指标一般包括电极的须权衡考虑。溶解氧电极的质量指标一般包括电极的灵敏度、响应时间、残余电流和温度效应等。灵敏度、响应时间、残余电流和温度效应等。 4.氧电极的技术指标1)1)电极灵敏度电极灵敏度电极灵敏度的增加可通过增加膜穿透系数电极灵敏度的增加可通过增加膜穿透系数 P Pm m，减小膜厚减小膜厚d dm m，和增加阴极表面积和增加阴极表面积A A。另外，必须使膜紧另外，必须使膜紧紧贴于阴极表面，均可提高电极灵敏度紧贴于阴极表面，均可提高电极灵敏度IIS SDODO。 2)2)电极的响应时间电极的响应时间 DODO电极的响应时间是指当改变氧分压后，电极输电极的响应时间是指当改变氧分压后，电极输出达到新的稳态值的时间。按理增加穿透系数出达到新的稳态值的时间。按理增加穿透系数 P Pm m和减和减少膜厚少膜厚d dm m可缩短响应时间。但当聚分子膜中氧扩散控可缩短响应时间。但当聚分子膜中氧扩散控制作用减小之后，阴极表面的稳定的氧扩散梯度将受制作用减小之后，阴极表面的稳定的氧扩散梯度将受到外部液流状态的影响，如搅拌速度、通气量和培养到外部液流状态的影响，如搅拌速度、通气量和培养液粘度等对电极测量的影响将增加。液粘度等对电极测量的影响将增加。 4.氧电极的技术指标3)3)电极残余电流电极残余电流 残余电流定义为在无氧情况下，电极的稳定的输残余电流定义为在无氧情况下，电极的稳定的输出电流。也称为氮电流或零电流。要求越小越好。它出电流。也称为氮电流或零电流。要求越小越好。它主要来自于电解质中杂质的含量、漏电情况和内相氧主要来自于电解质中杂质的含量、漏电情况和内相氧的扩散等因素。的扩散等因素。 4)4)温度效应温度效应电极受温度影响主要来自两方面：其一是由于温电极受温度影响主要来自两方面：其一是由于温度变化，氧在液体中的溶解度随温度上升而下降；其度变化，氧在液体中的溶解度随温度上升而下降；其二是温度上升，将使膜穿透系数二是温度上升，将使膜穿透系数P Pm m增加，且氧在电解增加，且氧在电解质溶液中的内相扩散增加，加快了电化学反应速度。质溶液中的内相扩散增加，加快了电化学反应速度。由于后者的影响是比较显著的，因此，随温度的上升，由于后者的影响是比较显著的，因此，随温度的上升，电极输出电流呈指数律上升。所以，溶氧电极须有温电极输出电流呈指数律上升。所以，溶氧电极须有温度补偿功能，才能真正反映出氧溶解度随温度变化的度补偿功能，才能真正反映出氧溶解度随温度变化的情况。情况。 4.氧电极的技术指标除了上述因素外，电极的重演性、使用寿命和受除了上述因素外，电极的重演性、使用寿命和受主体液流的影响等在实际使用场合也是重要的考虑因素。主体液流的影响等在实际使用场合也是重要的考虑因素。 通常溶氧电极输出电流信号都送至溶氧放大器通常溶氧电极输出电流信号都送至溶氧放大器（或溶氧变进器），由后者把电极电流信号转换为一（或溶氧变进器），由后者把电极电流信号转换为一定的溶氧单位显示出来。除显示功能外，溶氧放大器定的溶氧单位显示出来。除显示功能外，溶氧放大器还应具有以下功能：还应具有以下功能： （1 1）零点（残余电流）补偿；）零点（残余电流）补偿； （2 2）灵敏度（斜率）校正；）灵敏度（斜率）校正； （3 3）温度补偿；）温度补偿； （4 4）信号隔离；）信号隔离； （5 5）信号输出（按规定格式）；）信号输出（按规定格式）； （6 6）有有的的仪仪表表还还有有量量程程切切换换和和溶溶氧氧超超限限设设置置与与报报警功能，警功能，5.溶解氧测量仪表（7 7）现场安装的溶氧仪应考虑防漏，防尘，防）现场安装的溶氧仪应考虑防漏，防尘，防湿要求。湿要求。溶氧放大器与溶氧放大器与pHpH变送器比较在技术上较容易实现，变送器比较在技术上较容易实现，这是因为这是因为溶溶氧电极输出信号阻抗较低。由于不同型号氧电极输出信号阻抗较低。由于不同型号的溶氧电极灵敏度可能相差很大，且溶氧电极还有极的溶氧电极灵敏度可能相差很大，且溶氧电极还有极谱型和原电池型之分，故使用中不同型号电极放大器谱型和原电池型之分，故使用中不同型号电极放大器不可互换。不可互换。 5.溶解氧测量仪表DODO变送器的功能方框图变送器的功能方框图5.溶解氧测量仪表输入单元输入单元隔离单元隔离单元显示单元显示单元输出单元输出单元报警单元报警单元1.1.溶氧电极的安装溶氧电极的安装 III.溶解氧测量装置的安装及使用 2.2.溶氧电极的存放与使用溶氧电极的存放与使用3.3.溶氧水平的表示方法溶氧水平的表示方法溶溶氧氧电电极极的的安安装装有有直直接接插插入入式式与与探探头头安安装装方方式式两两种种，这这两两种种方方式式在在发发酵酵罐罐中中安安装装都都是是借借助助于于焊焊在在罐罐上上的的插插入入孔孔进进行行的的，这这种种插插入入孔孔与与pHpH探探头头插插入入孔孔具具有有统统一一规规格格，可可以以直直接接互互换换使使用用。直直接接插插入入式式虽虽然然简简单单，但但在在发发酵酵期期间间不不能能对对电电极极进进行行标标定定、维维修修或或调调换换，而而在在可可伸伸拉拉护护套套中中的的探探头头安安装装方方式式，可可以以随随时时对对溶溶氧氧电电极进行这些操作。极进行这些操作。由于溶氧电极信号阻抗相对由于溶氧电极信号阻抗相对pHpH电极较低（约电极较低（约20 20 M M ），），若使用性能较好的屏蔽线，溶氧电极与溶氧放若使用性能较好的屏蔽线，溶氧电极与溶氧放大器间距可大到大器间距可大到 50 m50 m。 1.溶氧电极的安装不不用用时时，溶溶氧氧电电极极也也应应处处于于工工作作状状态态，即即原原电电池池型型电电极极应应短短路路存存放放，极极谱谱型型电电极极应应加加上上合合适适的的极极化化电电压存放（可接在溶氧电极极化器或溶氧放大器上）压存放（可接在溶氧电极极化器或溶氧放大器上）2.溶氧电极的存放与使用久久置置重重用用或或重重新新装装配配（换换电电解解液液或或膜膜）的的电电极极，头头一一次次使使用用前前应应置置于于无无氧氧环环境境极极化化数数小小时时，以以降降低低电电极零氧电流。极零氧电流。 极化时间探头非极化状态指探头未处于被极化的状态，即：探头非极化状态指探头未处于被极化的状态，即： 1 1、更换电解液时；、更换电解液时； 2 2、更换膜时；、更换膜时； 3 3、与变送器或极化器断开时。、与变送器或极化器断开时。 电电极极在在头头次次使使用用或或使使用用过过程程中中，每每隔隔一一定定时时间间应标定一次，标定方法如下：应标定一次，标定方法如下： 2.溶氧电极的存放与使用（1 1）把把溶溶氧氧电电极极置置于于无无氧氧环环境境中中（纯纯氮氮气气中中或或新新配配制制的的亚亚硫硫酸酸钠钠溶溶液液中中），待待电电极极响响应应稳稳定定后后，调调零点补偿旋钮，使仪表显示为零。零点补偿旋钮，使仪表显示为零。（2 2）把把电电极极再再置置于于一一个个已已知知溶溶氧氧水水平平的的环环境境（一一定定压压力力下下空空气气饱饱和和的的水水或或培培养养基基中中）中中，调调溶溶氧氧仪仪灵灵敏敏度度或或斜斜率率旋旋钮钮，使使仪仪表表显显示示为为以以某某溶溶氧氧水水平平单单位表示的该已知环境的溶氧水平。位表示的该已知环境的溶氧水平。斜斜率标定与溶氧水平的表示方法有关。率标定与溶氧水平的表示方法有关。 当某一溶液与氧分压气相平衡时（即饱和），气当某一溶液与氧分压气相平衡时（即饱和），气相和液相中该物质的化学位应相等。相和液相中该物质的化学位应相等。溶氧电极输出电流实际上是与溶解在溶液中的氧溶氧电极输出电流实际上是与溶解在溶液中的氧的活度或与之平衡的气相中氧分压有关的，只要与之的活度或与之平衡的气相中氧分压有关的，只要与之平衡的气相的氧分压不变，则溶氧电极的输出电流也平衡的气相的氧分压不变，则溶氧电极的输出电流也不变。不变。 1) 1) 氧分压表示法氧分压表示法 3.溶解氧电极的指示读数因此，电极测量的是溶液中氧的活度或与之平衡因此，电极测量的是溶液中氧的活度或与之平衡的气相中氧的分压，而不是溶液中的氧浓度。故溶氧的气相中氧的分压，而不是溶液中的氧浓度。故溶氧水平的氧分压表示法是最基本和最本质的表示法。水平的氧分压表示法是最基本和最本质的表示法。 用该表示法标定电极方法如下：用该表示法标定电极方法如下： 1) 1) 氧分压表示法氧分压表示法 3.溶氧水平的表示方法被空气饱和的水（或培养基）通常用作氧电极的被空气饱和的水（或培养基）通常用作氧电极的核准介质。空气中含有核准介质。空气中含有20.920.9的氧，在一定的大气压的氧，在一定的大气压力、温度与表压下，就可以通过计算得到发酵罐中标力、温度与表压下，就可以通过计算得到发酵罐中标定时与液相平衡的气相中氧分压的大定时与液相平衡的气相中氧分压的大 小：小： p pO2O2=0.209(p=0.209(pb b+ + p pu u + + p pw w ）式中式中 p pb b 大气压；大气压； p pu u 罐压（表压）罐压（表压） ； p pw w 水蒸气分压；水蒸气分压； p pO2O2标定时饱和氧分压标定时饱和氧分压 在在DODO电极实际使用时由于缺乏氧（或空气）在不电极实际使用时由于缺乏氧（或空气）在不同发酵液中的饱和溶解度的确切数据，因此常用氧同发酵液中的饱和溶解度的确切数据，因此常用氧（或空气）在发酵液中饱和时的电极电流输出值为（或空气）在发酵液中饱和时的电极电流输出值为100100，残余电流值为，残余电流值为0 0来进行标定，在测量过程中的氧来进行标定，在测量过程中的氧浓度以饱和度的百分数（）来表示。例如，在发酵浓度以饱和度的百分数（）来表示。例如，在发酵条件恒定的情况下，设在无耗氧情况下的氧浓度定为条件恒定的情况下，设在无耗氧情况下的氧浓度定为100100，读出发酵过程中的氧的百分数来表示相对氧含，读出发酵过程中的氧的百分数来表示相对氧含量。这种方法是目前实际生产中最常用的方法。量。这种方法是目前实际生产中最常用的方法。 2 2）百分饱和浓度表示法）百分饱和浓度表示法 3.溶氧水平的表示方法如果知道氧（或空气）在某溶液中的饱和溶解度，如果知道氧（或空气）在某溶液中的饱和溶解度，就可以对就可以对DODO电极的输出电流加以标定，可得到相对于电极的输出电流加以标定，可得到相对于该溶液中氧含量的相对浓度。该溶液中氧含量的相对浓度。 如在如在2525时，氧在纯水中的氧饱和浓度为时，氧在纯水中的氧饱和浓度为 1.27 1.27 mmolmmolL L。而空气在同样条件下为而空气在同样条件下为 0.267 0.267 mmolmmolL L。一般可粗略的把空气通入发酵液时氧的饱和溶解度一般可粗略的把空气通入发酵液时氧的饱和溶解度估计为估计为 0.2 0.2 mmolmmolL L。 3 3）氧浓度表示法）氧浓度表示法 3.溶氧水平的表示方法但实际上，当培养液组分不同时，被氧或空气饱但实际上，当培养液组分不同时，被氧或空气饱和时的氧浓度是不同的，可用亨利定律求得不同氧分和时的氧浓度是不同的，可用亨利定律求得不同氧分压时的氧浓度：压时的氧浓度： 3 3）氧浓度表示法）氧浓度表示法 3.溶氧水平的表示方法式中式中 P PO2 O2 氧分压；氧分压； H H 亨利常数。亨利常数。 由此可见，不同组分培养液中氧浓度的不同，表由此可见，不同组分培养液中氧浓度的不同，表现在亨利常数和饱和溶解度的不同，因此；用氧浓度现在亨利常数和饱和溶解度的不同，因此；用氧浓度来表达氧在发酵液中的氧含量具有很大的局限性，而来表达氧在发酵液中的氧含量具有很大的局限性，而氧分压是不随组分改变而变化的。氧分压是不随组分改变而变化的。 三、氧化还原电位（ORP）的测量 I.I.ORPORP测量测量的意义的意义 II.II. 氧化还原电位氧化还原电位的测量的测量III.III.pHpH和溶氧对氧化还原电位的影响和溶氧对氧化还原电位的影响 在发酵时通过测量发酵液中的氧化还原电位也可以在发酵时通过测量发酵液中的氧化还原电位也可以了解微生物的一些生理参数，产生氧化还原电位下了解微生物的一些生理参数，产生氧化还原电位下降的原因可能有如下情况：降的原因可能有如下情况：1.1.菌体培养物产生的还原电位；菌体培养物产生的还原电位；2.2.在氧化还原链中一系列的氧化还原物质，如在呼吸在氧化还原链中一系列的氧化还原物质，如在呼吸链中酶的排列次序所造成的影响；链中酶的排列次序所造成的影响；3.3.培养液中可能形成所需产物的氧化还原物质的自由培养液中可能形成所需产物的氧化还原物质的自由能，通过营养液和活性细胞液之间的电位差，就可能，通过营养液和活性细胞液之间的电位差，就可以获得生化反应所需的能量。以获得生化反应所需的能量。 I.ORP测量的意义当将一惰性电极与参比电极连接后，置于一具有当将一惰性电极与参比电极连接后，置于一具有氧化还原系统的溶液中，最后的氧化还原电位决定于氧化还原系统的溶液中，最后的氧化还原电位决定于系统中氧化型与还原型物质的比例：系统中氧化型与还原型物质的比例： II.氧化还原电位的测量根据上述原理，整个测量系统包括指示电极，参根据上述原理，整个测量系统包括指示电极，参比电极和配套测量仪表。比电极和配套测量仪表。 测量系统中指示电极必须是情性的，即不参加还测量系统中指示电极必须是情性的，即不参加还原反应，仅作为当电路连接时从系统中导通或拿走电原反应，仅作为当电路连接时从系统中导通或拿走电子的作用，因此电极必须是贵金属。此外，电极材料子的作用，因此电极必须是贵金属。此外，电极材料要有高的电导率。电极与溶液边界上要有足够的交换要有高的电导率。电极与溶液边界上要有足够的交换电流密度，以保证电极电势的稳定和氧化还原系统的电流密度，以保证电极电势的稳定和氧化还原系统的可逆性。否则对氧化还原电位测量的精确度、响应时可逆性。否则对氧化还原电位测量的精确度、响应时间及重现性有极大影响。电流密度在很大程度上取决间及重现性有极大影响。电流密度在很大程度上取决于电极材料、氧化还原体系及其在样品溶液中的浓度。于电极材料、氧化还原体系及其在样品溶液中的浓度。 II.氧化还原电位的测量可以选用的指示电极的电极材料很多，有光滑的可以选用的指示电极的电极材料很多，有光滑的金属体，大表面积的薄层情性金属，水银或其他镀金金属体，大表面积的薄层情性金属，水银或其他镀金电极，碳异构电极，半导体电极，玻璃电极，一般选电极，碳异构电极，半导体电极，玻璃电极，一般选用贵金属铂作为指示电极。由于铂表面易生成含氧的用贵金属铂作为指示电极。由于铂表面易生成含氧的表层，而使电极的标准电位增高，可产生较大的交换表层，而使电极的标准电位增高，可产生较大的交换电流密度。此外，表面粗糙的铂电极比表面光滑的能电流密度。此外，表面粗糙的铂电极比表面光滑的能吸附更多的氧，使吸附更多的氧，使E Eh h值测量不正确，且响应时间迟缓，值测量不正确，且响应时间迟缓，为此，用光滑或抛光过的铂电极较好。电极在使用前为此，用光滑或抛光过的铂电极较好。电极在使用前必须预处理和标准校准。必须预处理和标准校准。 II.氧化还原电位的测量参比电极采用经常使用的低溶解度盐的第二类电参比电极采用经常使用的低溶解度盐的第二类电极，如甘汞电极、氯化银电极，这时电极不易被氧化。极，如甘汞电极、氯化银电极，这时电极不易被氧化。 II.氧化还原电位的测量测量仪表的选择。虽然电极系统的输出阻抗不如测量仪表的选择。虽然电极系统的输出阻抗不如玻璃电极那样高，但如果采用普通电桥进行测量，还玻璃电极那样高，但如果采用普通电桥进行测量，还会因阻抗太低而造成电极极化现象。因此，最好还是会因阻抗太低而造成电极极化现象。因此，最好还是选用类似选用类似pHpH计或其他高输入阻抗的放大器，以避免引计或其他高输入阻抗的放大器，以避免引起极化。此时电极与仪表间的连接导线要严格屏蔽。起极化。此时电极与仪表间的连接导线要严格屏蔽。 1.1.pHpH对氧化还原电位的影响对氧化还原电位的影响 III.pH和溶氧对氧化还原电位的影响 在不同的在不同的pHpH情况下，实际电极系统所指示的电位情况下，实际电极系统所指示的电位是氧化还原电位与氢离子浓度所造成电位的综合结果。是氧化还原电位与氢离子浓度所造成电位的综合结果。一般说来，一般说来，pHpH改变一个单位所引起的电势变化是改变一个单位所引起的电势变化是 57.7 57.7 mVmV（3030），），因此，可以采用计算方法来消除因此，可以采用计算方法来消除 pHpH对电对电位的影响，把氧化还原电位折算成氢气对氢离子的氧位的影响，把氧化还原电位折算成氢气对氢离子的氧化还原电位。但在有些场合下，利用化还原电位。但在有些场合下，利用 57.7 mV57.7 mVpHpH进行计算所得的结果与实际不符。因此，一般在氧化进行计算所得的结果与实际不符。因此，一般在氧化还原电位测量时，还要给出测量时的还原电位测量时，还要给出测量时的pHpH值以及所用的值以及所用的参比电极。最好还要说明所用的测量电极。参比电极。最好还要说明所用的测量电极。 2.2.溶氧对氧化还原电位的影响溶氧对氧化还原电位的影响 III.pH和溶氧对氧化还原电位的影响 在微生物生长过程中，其氧化还原电位在平衡时在微生物生长过程中，其氧化还原电位在平衡时有如下关系：有如下关系： 如果实际系统的如果实际系统的pH, pH, 温度一定时，溶氧变化一个温度一定时，溶氧变化一个数量级将引起数量级将引起 39 mV39 mV的氧化还原电位变化。这是由于的氧化还原电位变化。这是由于培养基系统的影响所造成的。培养基系统的影响所造成的。 氧化还原电位测量可用来扩充极谱法测量氧浓度氧化还原电位测量可用来扩充极谱法测量氧浓度的范围。用一般的的范围。用一般的 DODO电极，很难对电极，很难对1 1 kPakPa以下以下DODO进行进行精确测量，由于氧化还原电位精确测量，由于氧化还原电位E Eh h与与DODO成对数比例关系，成对数比例关系，所以它可测得极低的溶氧浓度。所以它可测得极低的溶氧浓度。 四、溶解二氧化碳测量I.溶解二氧化碳测量溶解二氧化碳测量的意义的意义 II.II. 溶解二氧化碳溶解二氧化碳的的测量测量III.III.溶解二氧化碳电极溶解二氧化碳电极 I.溶解二氧化碳测量的意义呼吸代谢平衡呼吸代谢平衡II.溶解二氧化碳的测量培养液中实际的二氧化碳分压（培养液中实际的二氧化碳分压（P PC02C02）可用著名可用著名的的SevezinghausSevezinghaus( (复膜式复膜式) )电极进行测量。如果二氧化电极进行测量。如果二氧化碳扩散在水或碳酸氢钠的水溶液中，它们的碳扩散在水或碳酸氢钠的水溶液中，它们的pHpH值会依值会依据下列的式子而变化：据下列的式子而变化：在碳酸氢钠溶液中在碳酸氢钠溶液中 ：在纯水中：在纯水中：II.溶解二氧化碳的测量在碳酸氢钠溶液中测量能方便地确定在碳酸氢钠溶液中测量能方便地确定pHpH和和P PC02C02之之间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它能够使二间的对应关系。使用特殊的气体渗透膜，它能够使二氧化碳扩散到碳酸氢钠溶液中去。溶液中的氧化碳扩散到碳酸氢钠溶液中去。溶液中的pHpH变化就变化就是二氧化碳实际压力的测量值。因此，可用复合是二氧化碳实际压力的测量值。因此，可用复合pHpH电电极精确测量溶液中这种极精确测量溶液中这种pHpH值的细微变化。值的细微变化。 II.溶解二氧化碳电极CO2电极结构120mL针筒；2耐高温同轴电缆；3电缆压帽；4电极芯盖帽； 5闷头；6液流管；7安装座；8导管（电极体）；9电极座；10pH电极；11参比电极；12CO2电解液；13膜托架；14标定缓冲液； 15玻璃膜；16硅橡胶膜II.溶解二氧化碳电极根据上述原理设计的根据上述原理设计的P PC02C02电极的结构。在标定时，电极的结构。在标定时，用特殊的含有一定用特殊的含有一定P PC02C02浓度的缓冲液来充满浓度的缓冲液来充满pHpH电极和膜电极和膜之间的空间，标定之间的空间，标定pHpH电极的电位测量值就与相应的电极的电位测量值就与相应的COCO2 2浓度相对应，简单地完成了标定操作。当在实际进行浓度相对应，简单地完成了标定操作。当在实际进行测量时，电极与膜之间的空间是用碳酸氢钠来填充的，测量时，电极与膜之间的空间是用碳酸氢钠来填充的，以代替以代替P PC02C02分压的测量。分压的测量。 上图反映了上图反映了P PC02C02电极的结构和测量标定时的不同结电极的结构和测量标定时的不同结构状态。构状态。目前商品化的溶解二氧化碳电极具有长时间稳定目前商品化的溶解二氧化碳电极具有长时间稳定性和优异的耐高温消毒性能，已受到广泛的重视。性和优异的耐高温消毒性能，已受到广泛的重视。 I.I.工业流程分析仪工业流程分析仪五、发酵尾气的在线分析II.II.尾气中二氧化碳浓度连续分析及仪器尾气中二氧化碳浓度连续分析及仪器 III.III.尾气中氧浓度的连续测量和仪器尾气中氧浓度的连续测量和仪器 I.工业流程分析仪在生化或化工生产过程中，需要对各种物质的组在生化或化工生产过程中，需要对各种物质的组成及其性质，如气体的成分，进行精确的测量和严格成及其性质，如气体的成分，进行精确的测量和严格的控制，这种用来测量物质（包括混合物和化合物）的控制，这种用来测量物质（包括混合物和化合物）的组成和含量的仪器统称为分析仪器，用于实验室分的组成和含量的仪器统称为分析仪器，用于实验室分析的称为实验室分析仪器，而用于工业生产流程分析析的称为实验室分析仪器，而用于工业生产流程分析的称为工业流程分析仪器或叫工业自动分析仪器。本的称为工业流程分析仪器或叫工业自动分析仪器。本节将介绍在生化工业中常用的工业在线分析方法和分节将介绍在生化工业中常用的工业在线分析方法和分析仪器。析仪器。 I.工业流程分析仪由于工业流程分析仪是一种精密而复杂的成分分由于工业流程分析仪是一种精密而复杂的成分分析仪，对于分析测试都要求在一定的条件下进行，因析仪，对于分析测试都要求在一定的条件下进行，因此不管哪种工业流程分析仪器，一般都由以下几部分此不管哪种工业流程分析仪器，一般都由以下几部分组成。组成。取取样样系系统统（包包括括取取样样和和预预处处理理装装置置）：它它将将待待分分析析混混合合物物送送入入分分析析器器之之前前，对对样样品品进进行行初初步步处处理理，如如稳稳压压、稳稳流流、干干燥燥、净净化化等等，以以便便为为分分析析部部分分提提供供符合分析测试条件的样品。符合分析测试条件的样品。I.工业流程分析仪分析部分分析部分（即变送器部分）：这是分析仪器的（即变送器部分）：这是分析仪器的心脏，它将被测组分的浓度变化（或物性变化）转换心脏，它将被测组分的浓度变化（或物性变化）转换成某种电参数的变化，然后通过一定的测量电路转换成某种电参数的变化，然后通过一定的测量电路转换成电流或电压信号输出。成电流或电压信号输出。信号放大及显承装置信号放大及显承装置：它将分析部分输出的微：它将分析部分输出的微弱电信号进行放大，并根据需要进行指示、记录。弱电信号进行放大，并根据需要进行指示、记录。以上是工业流程分析仪的基本组成部分，为了提以上是工业流程分析仪的基本组成部分，为了提高测量精度，工业流程分析仪器中往往还设置有恒温高测量精度，工业流程分析仪器中往往还设置有恒温控制器、电源稳压器等辅助装置。控制器、电源稳压器等辅助装置。 用来测定尾气二氧化碳含量的检测仪表很多，如用来测定尾气二氧化碳含量的检测仪表很多，如热导式、气相色谱法（热导式、气相色谱法（GCGC）、）、二氧化碳电极法、不分二氧化碳电极法、不分光红外线式二氧化碳测定仪（简称光红外线式二氧化碳测定仪（简称IRIR）和质谱仪和质谱仪（MSMS）。较为常用的是较为常用的是IRIR法和电极法，其中法和电极法，其中IRIR法精度法精度高，可达高，可达0.50.5，量程的线性范围大，虽然仪器价格，量程的线性范围大，虽然仪器价格稍高，但在生物细胞培养时常被采用。二氧化碳电极稍高，但在生物细胞培养时常被采用。二氧化碳电极法结构简单、紧凑，虽然测量精度较差，在法结构简单、紧凑，虽然测量精度较差，在5 5左右，左右，但已能满足一般发酵中的使用要求。此外，但已能满足一般发酵中的使用要求。此外，MSMS法由于法由于响应速度快，以及能同时进行多组分测量而令人注目，响应速度快，以及能同时进行多组分测量而令人注目，但价格昂贵。但价格昂贵。 II.尾气中二氧化碳浓度连续分析及仪器1)不分光红外线二氧化碳气体分析仪红外气体分析仪有色散（分光）和非色散（不分红外气体分析仪有色散（分光）和非色散（不分光）型两种。色散型的分析能力较强，大多制成实验光）型两种。色散型的分析能力较强，大多制成实验室用红外分光光度计，用于背景气体较为复杂的气体室用红外分光光度计，用于背景气体较为复杂的气体成分分析。非色散型，即光源发出的连续光谱辐射全成分分析。非色散型，即光源发出的连续光谱辐射全部射到被测气体上进行吸收，其结构较色散型简单，部射到被测气体上进行吸收，其结构较色散型简单，工业在线分析中大多采用这种型式。工业在线分析中大多采用这种型式。 除了单原子气体（如氖、氩等）和具有对称结构除了单原子气体（如氖、氩等）和具有对称结构的又无极性的双原子气体（如氧、氢、氮等）外，几的又无极性的双原子气体（如氧、氢、氮等）外，几乎所有的气体都在近红外波段（即乎所有的气体都在近红外波段（即mm级）具有不同的级）具有不同的红外吸收谱，二氧化碳的红外吸收峰在红外吸收谱，二氧化碳的红外吸收峰在 2.62.62.9m2.9m和和 4.14.1一一4.5 m4.5 m之间有两个吸收峰，这就是之间有两个吸收峰，这就是IRIR分析的分析的理论基础。理论基础。 1)不分光红外线二氧化碳气体分析仪1)不分光红外线二氧化碳气体分析仪上图是上图是IRIR法二氧化碳分析仪的结构原理图。测量法二氧化碳分析仪的结构原理图。测量室室M M1 1中通入含有二氧化碳的被测样品气体，参比室中通入含有二氧化碳的被测样品气体，参比室M M2 2内内封装有与被测样品气体具有相同性质但不含有二氧化封装有与被测样品气体具有相同性质但不含有二氧化碳的参比气体，当红外光分别通过上述两气室时，由碳的参比气体，当红外光分别通过上述两气室时，由于测量室中的气体二氧化碳的吸收作用，测量室光束于测量室中的气体二氧化碳的吸收作用，测量室光束强度弱于参比室，接收器强度弱于参比室，接收器E E接收不同光强的光束后，使接收不同光强的光束后，使接收器内部气室的平衡气体之间产生一个微压差接收器内部气室的平衡气体之间产生一个微压差P P，此此P P经检测元件经检测元件E E4 4、E E5 5的转换并经过电信号调制和放的转换并经过电信号调制和放大后，就能得到我们所需要的数值。大后，就能得到我们所需要的数值。 1)不分光红外线二氧化碳气体分析仪为了避免上述情况，红外气体分析仪一般都设置为了避免上述情况，红外气体分析仪一般都设置有滤波气室或在参比室内充有相同干扰成分的背景气有滤波气室或在参比室内充有相同干扰成分的背景气体等方法来加以克服。体等方法来加以克服。 红外气体分析存在着一个明显的缺点，当背景气红外气体分析存在着一个明显的缺点，当背景气体中存在干扰组分时，其测量精度将大大下降。所谓体中存在干扰组分时，其测量精度将大大下降。所谓干扰组分，即背景气体中，其特征吸收波段与待测组干扰组分，即背景气体中，其特征吸收波段与待测组分的特征吸收波段互相重叠的组分。这样就产生了测分的特征吸收波段互相重叠的组分。这样就产生了测量误差。量误差。 2)二氧化碳电极法二氧化碳气体电极的原理与溶解二氧化碳电极类二氧化碳气体电极的原理与溶解二氧化碳电极类似，在似，在pHpH玻璃电极上覆有一疏水性聚分子膜（例如硅玻璃电极上覆有一疏水性聚分子膜（例如硅橡胶膜），当气体二氧化碳透过半渗透膜后，与膜内橡胶膜），当气体二氧化碳透过半渗透膜后，与膜内的电解质发生反应，使电解液的电解质发生反应，使电解液pHpH值发生变化：值发生变化： 红外二氧化碳测定精度高，但体积大，价格高。红外二氧化碳测定精度高，但体积大，价格高。因此在小型试验发酵罐的情况下，如果使用要求不是因此在小型试验发酵罐的情况下，如果使用要求不是很高时，常采用很高时，常采用二氧化碳电极法二氧化碳电极法进行发酵尾气中的二进行发酵尾气中的二氧化碳含量测量。氧化碳含量测量。 2)二氧化碳电极法二氧化碳电极法测定的主要性能：范围二氧化碳电极法测定的主要性能：范围0 01010 COCO2 2(V/V)(V/V)，精度：精度：2.52.5（FSFS），），响应时间（响应时间（9090）约约 2 min2 min。 对气相氧含量敏感的物理因素很多，据此可以用对气相氧含量敏感的物理因素很多，据此可以用来作为气体中氧含量测量，其中主要有磁氧分析、固来作为气体中氧含量测量，其中主要有磁氧分析、固体电解质、极谱电位和质谱法。固体电解质法主要采体电解质、极谱电位和质谱法。固体电解质法主要采用氧化锆对氧离子的敏感响应，但由于必须在高温下用氧化锆对氧离子的敏感响应，但由于必须在高温下使用，以及对数响应，因此在发酵上使用困难。如今使用，以及对数响应，因此在发酵上使用困难。如今普遍采用的有磁氧分析仪，其精度可达上普遍采用的有磁氧分析仪，其精度可达上0.50.5（FSFS），），而且具有相当好的稳定性和线性响应。近年来，工业而且具有相当好的稳定性和线性响应。近年来，工业质谱仪的使用引起人们的注意，此外极谱电极法虽然质谱仪的使用引起人们的注意，此外极谱电极法虽然精度差一些，但由于与二氧化碳电极法测量相同，常精度差一些，但由于与二氧化碳电极法测量相同，常被用作气体氧含量的测量。被用作气体氧含量的测量。 III.尾气中氧浓度的连续测量和仪器 1)磁氧分析仪氧是顺磁性的，由于它的磁化率较大，在所有气氧是顺磁性的，由于它的磁化率较大，在所有气体中占有重要位置，大多数气体具有抗磁性，如图所体中占有重要位置，大多数气体具有抗磁性，如图所示，而且有较小的磁化率，只有氮氧化物（如示，而且有较小的磁化率，只有氮氧化物（如NONO、NONO2 2 等）在很小程度上具有顺磁率，这些气体在常规发酵等）在很小程度上具有顺磁率，这些气体在常规发酵尾气中几乎是不存在的。尾气中几乎是不存在的。对一气体混合物来说，总的体积磁化率对一气体混合物来说，总的体积磁化率resres等于等于各气体组分各气体组分K K的体积磁化率乘以各组分浓度的体积磁化率乘以各组分浓度C CK K之后的和：之后的和： 1)磁氧分析仪 O2 NO NO2 N2 CO2 H2 Ar CH4 NH31)磁氧分析仪含氧的被测气体磁化率对含氧的被测气体磁化率对M M由氧的体积磁化率由氧的体积磁化率O2O2和背景气体磁化率和背景气体磁化率B B组成，同时各浓度含量相对组成，同时各浓度含量相对应得下式：应得下式： 即测量气体的磁化率即测量气体的磁化率M M与氧浓度与氧浓度C C0202有线性关系。有线性关系。为此将测量气体导入磁场。在非均匀磁场范围内为此将测量气体导入磁场。在非均匀磁场范围内作用在气体分子上的力可导致压力的变化。即无磁场作用在气体分子上的力可导致压力的变化。即无磁场空间和均匀磁场之间存在压差空间和均匀磁场之间存在压差PP， 1)磁氧分析仪式中 H 磁场强度； O常数。 测量出压差测量出压差PP，就可得知就可得知M M，由线性关系式可由线性关系式可得得C C0202，因此磁压式氧分析仪就是依据上述原理设计的，因此磁压式氧分析仪就是依据上述原理设计的， 1)磁氧分析仪1)磁氧分析仪在标有在标有N N和和S S极的磁靴之间的磁隙中导入来自相反极的磁靴之间的磁隙中导入来自相反方向的测量气体（方向的测量气体（MGMG）外，还导入了其磁化率为外，还导入了其磁化率为V V的的参比气体分参比气体分(VG)(VG)在这种情况下，磁场外的这两种气体在这种情况下，磁场外的这两种气体(MG(MG和和VG)VG)之间的有效压差之间的有效压差PP与测量气体和参比气体的与测量气体和参比气体的体积磁化率之差（体积磁化率之差（M M一一V V）成正比，由上式中可导出成正比，由上式中可导出该压差该压差PP为；为； 该该PP电信号指示值与参比气和背景气的浓度无电信号指示值与参比气和背景气的浓度无关，而与测量气体中的氧浓度严格地成线性关系。关，而与测量气体中的氧浓度严格地成线性关系。 1)磁氧分析仪只要测量气体的体积磁化率只要测量气体的体积磁化率M M和参比气体的体和参比气体的体积磁化率积磁化率V V相等（即相等（即M M = =V V），），指示值就等于零。指示值就等于零。这个点被称为参考点，在不改变氧分析仪灵敏度的情这个点被称为参考点，在不改变氧分析仪灵敏度的情况下，更换参比气体可使参考点位移。因此，适当选况下，更换参比气体可使参考点位移。因此，适当选择参比气体可抑制量程。择参比气体可抑制量程。在发酵中，可选用空气作为参比气，当指示值为在发酵中，可选用空气作为参比气，当指示值为零时，则测量气体中氧含量和空气中的氧含量相等。零时，则测量气体中氧含量和空气中的氧含量相等。2)极谱氧电极法 在有关溶氧电极的原理和构造中，已知极谱型电在有关溶氧电极的原理和构造中，已知极谱型电极测量的基本条件之一是在阴极表面形成一定的氧浓极测量的基本条件之一是在阴极表面形成一定的氧浓度梯度。当复膜度梯度。当复膜DODO电极放在被测气体中时，这种条件电极放在被测气体中时，这种条件仍然能保证，故复膜仍然能保证，故复膜DODO电极也可用来测量气相中的氧电极也可用来测量气相中的氧含量。但是在电极测量系统设计中要考虑如下方面：含量。但是在电极测量系统设计中要考虑如下方面： 1.1.保证测量系统的恒温条件，复膜保证测量系统的恒温条件，复膜DODO电极与二次仪表电极与二次仪表间必须有温度补偿功能；间必须有温度补偿功能；2.2.保保证证系系统统的的恒恒压压条条件件，控控制制一一定定的的进进气气流流量量，进进行行压力补偿，以提高测量精度；压力补偿，以提高测量精度；3.3.快快的的响响应应时时间间，氧氧电电极极的的响响应应时时间间应应该该与与排排气气流流中中的的氧氧含含量量的的迅迅速速变变化化相相适适应应，选选用用合合适适的的复复膜膜氧氧电电极的结构，使其响应时间在极的结构，使其响应时间在3030120120秒左右。秒左右。3)尾气分析的取样系统 二氧化碳和氧分析仪一般连接在发酵尾气管的旁二氧化碳和氧分析仪一般连接在发酵尾气管的旁路支管上，通过取样系统进入二氧化碳和氧分析仪。这路支管上，通过取样系统进入二氧化碳和氧分析仪。这个取样系统的可靠性对仪器的正常运行具有重要意义。个取样系统的可靠性对仪器的正常运行具有重要意义。任何尘埃或水汽在测量气室中沉积或冷凝都将给仪器的任何尘埃或水汽在测量气室中沉积或冷凝都将给仪器的稳定性、测量精度和寿命带来不良影响，甚至使仪器不稳定性、测量精度和寿命带来不良影响，甚至使仪器不能工作。因此一个发酵尾气分析系统的取样系统必须仔能工作。因此一个发酵尾气分析系统的取样系统必须仔细设计。主要包括下列内容：细设计。主要包括下列内容：粗过滤和液体分离，以除粗过滤和液体分离，以除去大颗粒、灰尘和外溢的发酵液等杂物；冷凝物分离，去大颗粒、灰尘和外溢的发酵液等杂物；冷凝物分离，除去水汽等；维持样品气体的压力和流速恒定。除去水汽等；维持样品气体的压力和流速恒定。在某些在某些情况下，需用吸收过滤以除去干扰组分。情况下，需用吸收过滤以除去干扰组分。3)尾气分析的取样系统 精过滤后进入分析器，一般采用二氧化碳和氧分精过滤后进入分析器，一般采用二氧化碳和氧分析器串联连接。析器串联连接。 此外，一个完整的取样系统还应包括仪器的参比此外，一个完整的取样系统还应包括仪器的参比气供气和零点、量程气标定的供气系统。有的还设计有气供气和零点、量程气标定的供气系统。有的还设计有自动切换功能。在发酵中，一般可用空气作为自动切换功能。在发酵中，一般可用空气作为 C0C02 2的零的零点气和点气和 O O2 2分析仪的分析仪的2121 O O2 2参考点的用气，可具有标准参考点的用气，可具有标准含量的钢瓶气为量程气（一般含量的钢瓶气为量程气（一般C0C02 2为为5 5，O O2 2为为1616等）等）进行标定。下图展示了一个用不分光红外进行标定。下图展示了一个用不分光红外C0C02 2分析仪（分析仪（例例 H HB B UrasUras 3G 3G）和磁压式氧分析仪（例和磁压式氧分析仪（例H HB B MagonMagon 4G4G）进行尾气分析的流程。进行尾气分析的流程。 3)尾气分析的取样系统 尾气分析流程图3)尾气分析的取样系统 为了增加分析器的利用效率，可以采用多路气体为了增加分析器的利用效率，可以采用多路气体采样器与分析仪流程相连，对多个发酵罐进行循环取样采样器与分析仪流程相连，对多个发酵罐进行循环取样测量。利用计算机技术可完成多个发酵罐尾气测量数据测量。利用计算机技术可完成多个发酵罐尾气测量数据的记录、贮存和在线分析。的记录、贮存和在线分析。 4)质谱分析法 质谱仪由于响应速度快（小于质谱仪由于响应速度快（小于1 1秒），灵敏度高，秒），灵敏度高，选择性好以及能同时分析多种气体组分，得到大量的检选择性好以及能同时分析多种气体组分，得到大量的检测数据供实时分析用，而引起人们的重视。一些实验室测数据供实时分析用，而引起人们的重视。一些实验室和工厂配有多路接口和计算机，可以与多个发酵罐相连，和工厂配有多路接口和计算机，可以与多个发酵罐相连，在一分钟之内分析四个样品中的五个组分（在一分钟之内分析四个样品中的五个组分（C0C02 2，O O2 2，NHNH3 3，N N2 2，ArAr）。）。因此，质谱仪可以作为发酵过程中各种化学组分因此，质谱仪可以作为发酵过程中各种化学组分的程序检测器。但是质谱仪价格高，操作复杂，使用上的程序检测器。但是质谱仪价格高，操作复杂，使用上尚不能普及。尚不能普及。 4)质谱分析法 质谱仪的基本原理是根据物质在真空中形成的带质谱仪的基本原理是根据物质在真空中形成的带电分子和亚分子按照质量电荷比（电分子和亚分子按照质量电荷比（M/eM/e）进行分离，质进行分离，质谱就是这些粒子的相对密度作为谱就是这些粒子的相对密度作为M/eM/e的函数所得的记录。的函数所得的记录。如图如图 所示的是一种多收集器质谱仪的原理示意图。所示的是一种多收集器质谱仪的原理示意图。 4)质谱分析法 4)质谱分析法 发酵组分（气相或液相中的挥发组分）在线分析发酵组分（气相或液相中的挥发组分）在线分析所用的质谱仪的基本要求是线性响应，即输出电信号与所用的质谱仪的基本要求是线性响应，即输出电信号与被分析成分浓度成正比；离子（或质量）峰出现快慢与被分析成分浓度成正比；离子（或质量）峰出现快慢与控制电压成正比。这样，就可在计算机控制下，决定一控制电压成正比。这样，就可在计算机控制下，决定一个或更多不同化学组成按顺序被测量，也就是利用软件个或更多不同化学组成按顺序被测量，也就是利用软件在质谱仪中检测所选择的离子峰，以及克服干扰并进行在质谱仪中检测所选择的离子峰，以及克服干扰并进行标定，其中四极质谱仪（标定，其中四极质谱仪（QMSQMS）是常被采用的一种类型。是常被采用的一种类型。磁扇型精度较高，也有被采用。磁扇型精度较高，也有被采用。 4)质谱分析法 发酵罐的尾气取样可通过专门设计的取样接口，发酵罐的尾气取样可通过专门设计的取样接口，通过膜上的分子微孔进入质谱系统中的真空部分。目前通过膜上的分子微孔进入质谱系统中的真空部分。目前还发展了对液相成分进行测量的浸入式取样系统，使液还发展了对液相成分进行测量的浸入式取样系统，使液相成分由载体气体带入质谱仪中进行测量。相成分由载体气体带入质谱仪中进行测量。 下图是下图是SaccharomycesSaccharomyces italicusitalicus生长发酵期间由生长发酵期间由质谱仪所测得的尾气质谱仪所测得的尾气COCO2 2和尾气和尾气0 02 2浓度，以及培养液中浓度，以及培养液中乙醇浓度随发酵时间的变化情况。乙醇浓度随发酵时间的变化情况。 4)质谱分析法 质谱仪测定的气相和液相成分质谱仪测定的气相和液相成分5) 核磁共振(NMR)如同紫外线或红外线的吸收会产生电子跃迁一如同紫外线或红外线的吸收会产生电子跃迁一样，吸收适当频率的电磁辐射线也能引起由强样，吸收适当频率的电磁辐射线也能引起由强磁场产生的原子核磁级的跃迁。分子环境影响磁场产生的原子核磁级的跃迁。分子环境影响磁场中原子核的吸收，影响因素与分子结构有磁场中原子核的吸收，影响因素与分子结构有关。关。测量系统由一个高频源、磁场及其它装置成直测量系统由一个高频源、磁场及其它装置成直角安装的高频检测装置组成。加入样品后，接角安装的高频检测装置组成。加入样品后，接收器中出现信号。光谱由磁场或者高频的扫描收器中出现信号。光谱由磁场或者高频的扫描产生，光谱中各个峰面积与样品的量成正比。产生，光谱中各个峰面积与样品的量成正比。5) 核磁共振(NMR)用于生化过程检测的质子核磁共振需碳用于生化过程检测的质子核磁共振需碳-13核核磁共振来说明，因其为生物结构的需要，而且磁共振来说明，因其为生物结构的需要，而且碳碳-13核磁共振能提供分离得更好、更窄、更核磁共振能提供分离得更好、更窄、更少的峰。少的峰。NMR除与除与FIA技术结合应用以外，也技术结合应用以外，也可直接进行检测。可直接进行检测。例如：采用例如：采用NMR法对正丁醇与辛酸在角质化酶法对正丁醇与辛酸在角质化酶的催化下发生酯化反应的过程进行了检测，由的催化下发生酯化反应的过程进行了检测，由于使用一种内有于使用一种内有NMR管的分光探头，包括水在管的分光探头，包括水在内的所有成份的浓度可被实时原位地检测出。内的所有成份的浓度可被实时原位地检测出。 6) 色谱分析技术色谱分析技术从其出现到目前为止已发展得相色谱分析技术从其出现到目前为止已发展得相当成熟，在生化过程离线检测中应用广泛。当成熟，在生化过程离线检测中应用广泛。但近几年来，随着技术的发展，已逐渐将色谱但近几年来，随着技术的发展，已逐渐将色谱法用于在线检测，多与硅管探头取样装置和法用于在线检测，多与硅管探头取样装置和FlAFlA技术相结合使用。特别是高效液相色谱和技术相结合使用。特别是高效液相色谱和气相色谱将分离与连续检测相结合，实现了对气相色谱将分离与连续检测相结合，实现了对复杂体系中组分、价态和性质相近的元素或化复杂体系中组分、价态和性质相近的元素或化合物的分析，比较广泛地用于培养液中许多成合物的分析，比较广泛地用于培养液中许多成分的测定。分的测定。六、菌量测量I.I.菌量测量方法菌量测量方法II.II. 光学（浊度）法光学（浊度）法III.III. 荧光测量荧光测量 IV.IV.其他方法其他方法 六、菌量测量微生物进行生理活动时，总是伴随着增殖和增长微生物进行生理活动时，总是伴随着增殖和增长两种情况，前者是细胞个数的增加，而后者是细胞质量两种情况，前者是细胞个数的增加，而后者是细胞质量和组成的变化。在已知的菌量测量方法中，有称重法，和组成的变化。在已知的菌量测量方法中，有称重法，离心叠集法，光学（浊度）法，细胞蛋白质测定法，核离心叠集法，光学（浊度）法，细胞蛋白质测定法，核酸测定法，酸测定法，ATPATP测定法，染色计数法，平板培养法等多测定法，染色计数法，平板培养法等多种直接测量方法。但这些方法一般只适用于离线取样分种直接测量方法。但这些方法一般只适用于离线取样分析，在工业在线测量使用中具有较大的局限性。因此，析，在工业在线测量使用中具有较大的局限性。因此，下面介绍几种用于在线就地连续测量菌量的方法：下面介绍几种用于在线就地连续测量菌量的方法： II.光学（浊度）法液体中非溶解性及悬浮颗粒产生的光学效果液体中非溶解性及悬浮颗粒产生的光学效果浊度增加光对颗粒的作用9090散射光散射光180180散射光散射光正正散射光散射光透射光透射光( (直射光直射光) )光源光源颗粒浓度越高颗粒浓度越高, ,被散射的光的强度越大；被散射的光的强度越大；不同的样品显示不同的散射特性。不同的样品显示不同的散射特性。浊度检测技术逆散射逆散射(180):(180):适用于中到高适用于中到高浊度范围的测浊度范围的测量量散射的效率取决于散射的效率取决于: : 1.1.颗粒的浓度颗粒的浓度2.2.颗粒的形状和大小颗粒的形状和大小3.3.散射的角度散射的角度4.4.光的波长光的波长90和正和正散射散射: :适用于低浊度适用于低浊度范围的测量范围的测量透射光透射光: :适用于中浊度适用于中浊度范围的测量范围的测量II.光学（浊度）法目前常用于细胞分裂增殖的生长对象的菌量测量目前常用于细胞分裂增殖的生长对象的菌量测量是流通式浊度计。其原理是，使发酵罐中的发酵液进入是流通式浊度计。其原理是，使发酵罐中的发酵液进入一流通式薄层比色杯，用一流通式薄层比色杯，用 500600 nm500600 nm波长的光束测定波长的光束测定发酵液的光密度（也称消光系数发酵液的光密度（也称消光系数O.D.O.D.值），然后发酵液值），然后发酵液再返回发酵罐中。所测定的光密度再返回发酵罐中。所测定的光密度O.D.O.D.与菌体浓度成线与菌体浓度成线性关系。装置流程如图所示。性关系。装置流程如图所示。 II.光学（浊度）法II.光学（浊度）法流通式浊度计适用于无固体培养基的单细胞微生流通式浊度计适用于无固体培养基的单细胞微生物（例细菌）浓度的测量，在设计使用中应注意如下几物（例细菌）浓度的测量，在设计使用中应注意如下几个问题：个问题： 1 1）传感器（流通式薄层比色杯）壁生长问题。由）传感器（流通式薄层比色杯）壁生长问题。由于长时间连续使用，菌体会在传感器壁生长或形成吸附于长时间连续使用，菌体会在传感器壁生长或形成吸附菌体层，严重影响测量精度。菌体层，严重影响测量精度。 为为解解决决此此问问题题，可可提提高高发发酵酵液液通通过过比比色色杯杯表表面面的的速速度；或采用将壁生长因素考虑在内的光电补偿机构。度；或采用将壁生长因素考虑在内的光电补偿机构。 2 2）气泡对法度测量的影响。由于菌体代谢活动和）气泡对法度测量的影响。由于菌体代谢活动和采用从通气式发酵罐中的发酵液直接测量，使气体代谢采用从通气式发酵罐中的发酵液直接测量，使气体代谢物（如物（如COCO2 2）和空气进入传感器，干扰菌量测量，可以和空气进入传感器，干扰菌量测量，可以采用气液分离器，使分离出的气体回到发酵罐中，除气采用气液分离器，使分离出的气体回到发酵罐中，除气后的发酵液进入比色杯，在浊度计中采用低通滤波技术，后的发酵液进入比色杯，在浊度计中采用低通滤波技术，也能克服一些气泡的影响。也能克服一些气泡的影响。 3 3）灭菌操作问题。流通式）灭菌操作问题。流通式浊浊度计实质上是一发酵度计实质上是一发酵液循环装置，必须严格保持无菌，所以应率先进行灭菌液循环装置，必须严格保持无菌，所以应率先进行灭菌消毒。消毒。 II.光学（浊度）法 浊度法对于谷氨酸发酵、酵母发酵等单细胞微生物浊度法对于谷氨酸发酵、酵母发酵等单细胞微生物发酵较为适用，但都必须首先进行零点标定（以不含菌发酵较为适用，但都必须首先进行零点标定（以不含菌体时发酵液的浊度作为零点，一般在接种前进行）和由体时发酵液的浊度作为零点，一般在接种前进行）和由一个光密度标准物进行满度标定。另外，在高浊度测量一个光密度标准物进行满度标定。另外，在高浊度测量时，由于散射光增强的缘故时，由于散射光增强的缘故, ,可使可使O.D.O.D.值与菌量成非线值与菌量成非线性关系，所以必须选择合适厚度（一般为性关系，所以必须选择合适厚度（一般为 lmmlmm）的薄层的薄层比色杯，或使用标准曲线对照测量。比色杯，或使用标准曲线对照测量。 II.光学（浊度）法连续流通式浊度计也有设计成插入式传感器，如连续流通式浊度计也有设计成插入式传感器，如图所示。解决了可能造成的杂菌污染问题。依靠发酵搅图所示。解决了可能造成的杂菌污染问题。依靠发酵搅拌器的推动力，培养液可连续地从入口外进入传感器内，拌器的推动力，培养液可连续地从入口外进入传感器内，入口处装有不锈钢丝网用来除去气泡，器件采用了传输入口处装有不锈钢丝网用来除去气泡，器件采用了传输型光纤，提高了灵敏度，且结构紧凑。型光纤，提高了灵敏度，且结构紧凑。 II.光学（浊度）法II.光学（浊度）法1,11,1光纤；光纤；2,22,2光镜；光镜；3,33,3乳白玻璃；乳白玻璃；44悬浮液；悬浮液； 5,55,5流入口；流入口；6,66,6流出口；流出口；插入式生长传感器插入式生长传感器荧光是某种化学物质在吸收某种波长光之后，激荧光是某种化学物质在吸收某种波长光之后，激发有另一种波长的光所具有的特性。发有另一种波长的光所具有的特性。荧光检测可分为荧光检测可分为直接荧光测量法、荧光试剂测量直接荧光测量法、荧光试剂测量法、酶键合标记法法、酶键合标记法 。 III.荧光测量直接荧光测量法直接荧光测量法 直接荧光测量法适用于测量自身能够受激发发直接荧光测量法适用于测量自身能够受激发发生荧光的物质，可不加试剂直接在激发光照射下进生荧光的物质，可不加试剂直接在激发光照射下进行比色，由于一定的荧光物质只能吸收一定频率的行比色，由于一定的荧光物质只能吸收一定频率的光，而且能产生荧光的物质发出的荧光波长也不尽光，而且能产生荧光的物质发出的荧光波长也不尽相同，因而只要控制激发光和荧光单色器的波长，相同，因而只要控制激发光和荧光单色器的波长，便可得到好的选择性结果。便可得到好的选择性结果。 仪器安装在培养液面下的反应器视镜上，激发仪器安装在培养液面下的反应器视镜上，激发光源经滤色片照射到培养液上，待测物产生荧光，光源经滤色片照射到培养液上，待测物产生荧光，荧光强度由光电倍增管测量，反射的激发光及其它荧光强度由光电倍增管测量，反射的激发光及其它波长的荧光在通过滤色片时被滤去。波长的荧光在通过滤色片时被滤去。活性细胞的荧光测量值很重要，它对于细菌、霉活性细胞的荧光测量值很重要，它对于细菌、霉菌、植物或动物细胞的一切活体测量都可以应用。菌、植物或动物细胞的一切活体测量都可以应用。虽然许多物质具有这种特性，但只有极少数在微虽然许多物质具有这种特性，但只有极少数在微生物培养中占有重要地位，其中重要的是活细胞中普生物培养中占有重要地位，其中重要的是活细胞中普遍存在的遍存在的烟酸胺腺嘌呤二核苷酸烟酸胺腺嘌呤二核苷酸的还原形式的还原形式NADHNADH。在微生物培养过程的一定时期内，细胞产生的在微生物培养过程的一定时期内，细胞产生的NADHNADH的量是不变的，在细胞活体呈对数生长时，的量是不变的，在细胞活体呈对数生长时，NADHNADH浓度与活性生物量成线性关系。在这种情况下，萤光浓度与活性生物量成线性关系。在这种情况下，萤光探测法能在线测量出生物细胞的量。探测法能在线测量出生物细胞的量。 直接荧光测量法直接荧光测量法其装置采用一个低压水银蒸汽灯作为光源，经一其装置采用一个低压水银蒸汽灯作为光源，经一滤波片保证最佳的激发光波长，用光导纤维将此光束滤波片保证最佳的激发光波长，用光导纤维将此光束引入发酵罐，此处用一光学装置以确保最佳的辐射条引入发酵罐，此处用一光学装置以确保最佳的辐射条件，产生的荧光再被光导纤维系统捕获，经过滤光片件，产生的荧光再被光导纤维系统捕获，经过滤光片（460 nm460 nm）的光由检测器测得相应的峰最大值。测量的光由检测器测得相应的峰最大值。测量信号被处理后所显示的毫伏数，表明菌量浓度的相对信号被处理后所显示的毫伏数，表明菌量浓度的相对值。值。 直接荧光测量法直接荧光测量法这种方法简便易行，灵敏度比一般比色法高得多，这种方法简便易行，灵敏度比一般比色法高得多，而且具有较好的选择性。由于采用光纤作为光发射和而且具有较好的选择性。由于采用光纤作为光发射和接收的探头，故耐高温消毒性能优良。接收的探头，故耐高温消毒性能优良。 直接荧光测量法直接荧光测量法在荧光分析中，温度和在荧光分析中，温度和pHpH将影响分子的荧光效应，将影响分子的荧光效应，低水平溶氧将阻碍从低水平溶氧将阻碍从NADHNADH到到NADNAD的氧化过程而造成的氧化过程而造成 NADHNADH的积累；碳源的限制会使细胞中的的积累；碳源的限制会使细胞中的 NADHNADH耗尽，所耗尽，所以有时也用这一方法在单细胞蛋白培养中来控制乙醇以有时也用这一方法在单细胞蛋白培养中来控制乙醇的流加，荧光强度可作为加入乙醇的合适时间的指示，的流加，荧光强度可作为加入乙醇的合适时间的指示，以提高单细胞蛋白的生产率。以提高单细胞蛋白的生产率。 直接荧光测量法直接荧光测量法荧光试剂测量法荧光试剂测量法荧光试剂测量法适用于不能直接受激发出荧光，荧光试剂测量法适用于不能直接受激发出荧光，但具有与荧光素但具有与荧光素/荧光素酶产生光发射特征的荧光素酶产生光发射特征的物质。物质。例如：将例如：将 cDNA(控制荧光素酶合成控制荧光素酶合成)插入大肠插入大肠杆菌的基因中，使其能合成荧光素酶。当往培杆菌的基因中，使其能合成荧光素酶。当往培养基中加入荧光素时，胞内养基中加入荧光素时，胞内ATP与荧光素在荧与荧光素在荧光素酶的催化下发生反应，并产生荧光。因荧光素酶的催化下发生反应，并产生荧光。因荧光强度与光强度与ATP浓度有关，所以经验检测荧光可浓度有关，所以经验检测荧光可知知ATP浓度。浓度。 酶键合标记法酶键合标记法酶键合标记法采用专一性强的键合剂，根据标酶键合标记法采用专一性强的键合剂，根据标记与非标记物在键合中心的竞争性反应，测定记与非标记物在键合中心的竞争性反应，测定由键合剂置换下来的溶液含量，由此测知代谢由键合剂置换下来的溶液含量，由此测知代谢中间物或基质的含量。中间物或基质的含量。当采用荧光标记物时，就可以用荧光分析法进当采用荧光标记物时，就可以用荧光分析法进行测定。此种测定法多用光导纤维探头。二股行测定。此种测定法多用光导纤维探头。二股光导纤维中的一股用来传输激发用的紫外光，光导纤维中的一股用来传输激发用的紫外光，另一股用来接收并传输测定室内另一股用来接收并传输测定室内(含有荧光标含有荧光标记物、待测物及被固定于光纤表面的键合剂记物、待测物及被固定于光纤表面的键合剂)激发出的荧光，荧光经滤光片后由光敏器件接激发出的荧光，荧光经滤光片后由光敏器件接收，根据光强即可测知待测液中代谢物的浓度。收，根据光强即可测知待测液中代谢物的浓度。3.1.3 生物传感器一、一、概述概述二、二、酶电极酶电极 三、三、微生物电极微生物电极 四、四、免疫敏电极免疫敏电极 五、五、采用新型换能条件的生物电极采用新型换能条件的生物电极 一、概述一、概述在发酵液成分分析中，被测体系往往是一些有机在发酵液成分分析中，被测体系往往是一些有机化合物，能否也像用离子敏感器那样，研制出一种能化合物，能否也像用离子敏感器那样，研制出一种能迅速测定出某一有机物的传感器呢？一个很自然的想迅速测定出某一有机物的传感器呢？一个很自然的想法是利用生物体本身或体内含有的物质来制造这种器法是利用生物体本身或体内含有的物质来制造这种器件。生物传感器就是这种设想的体现，它由固定化的件。生物传感器就是这种设想的体现，它由固定化的生物材料与一适当的换能器件密切接触而构成的检测生物材料与一适当的换能器件密切接触而构成的检测器件，这个换能器件能将生化信号转换成一个可定量器件，这个换能器件能将生化信号转换成一个可定量的电信号，如图所示。的电信号，如图所示。 一、概述生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理11生物体功能材料（酶，微生物，组织，动物细胞，底生物体功能材料（酶，微生物，组织，动物细胞，底物，抗体，抗原等）；物，抗体，抗原等）；22底物，辅酶，酶，维生素，抗底物，辅酶，酶，维生素，抗菌素，抗原，抗体；菌素，抗原，抗体；33换能器件；换能器件；44电信号电信号一、概述 用于生物传感器的生物材料主要有固定化酶、微用于生物传感器的生物材料主要有固定化酶、微生物、抗体抗原，近年来又出现采用生物体组织和微生物、抗体抗原，近年来又出现采用生物体组织和微小器官、结合蛋白、植物凝血素、激素受体等制成新小器官、结合蛋白、植物凝血素、激素受体等制成新的生物传感器。但是，以上这种生物敏感膜与无机敏的生物传感器。但是，以上这种生物敏感膜与无机敏感膜、有机敏感膜有明显的不同，生物敏感膜并不产感膜、有机敏感膜有明显的不同，生物敏感膜并不产生界面电势，而仅与待测物质发生催化反应，生成一生界面电势，而仅与待测物质发生催化反应，生成一种使生物膜层下面的敏感层产生响应的物质，所以也种使生物膜层下面的敏感层产生响应的物质，所以也称为二次反应膜或二次响应。近年来，也出现了利用称为二次反应膜或二次响应。近年来，也出现了利用生物膜所引起的电子转移，从而改变电极电位的原理生物膜所引起的电子转移，从而改变电极电位的原理进行成分测量。进行成分测量。 一、概述 从从7070年代起，用于生物传感器中产生二次响年代起，用于生物传感器中产生二次响应的换能器研究也有很大进展，除了原先所用的各种应的换能器研究也有很大进展，除了原先所用的各种电化学电极外，还出现了热敏电阻、离子敏场效应管电化学电极外，还出现了热敏电阻、离子敏场效应管（简称（简称ISFETISFET）、）、光纤和压电晶体等不同类型。由此可光纤和压电晶体等不同类型。由此可组成种类众多的生物传感器。下面对主要的生物传感组成种类众多的生物传感器。下面对主要的生物传感器原理作一介绍。器原理作一介绍。 二、酶电极I.I. 酶电极的基本结构原理酶电极的基本结构原理 II.II. 酶的固定化酶的固定化 III.III.电化学传感器的选择电化学传感器的选择 IV.IV. 电极的性能指标与标定曲线电极的性能指标与标定曲线 I.酶电极的基本结构原理 酶电极的基本结构原理如图所示。主要有两个部酶电极的基本结构原理如图所示。主要有两个部分组成，一个是电化学探头，另一个是附在探头表面分组成，一个是电化学探头，另一个是附在探头表面上的固定化酶层。基质（被测定物）由被测系统扩散上的固定化酶层。基质（被测定物）由被测系统扩散到固定化酶层并把基质转化成产物，然后由正方向酶到固定化酶层并把基质转化成产物，然后由正方向酶层扩散到电化学探头。产物也通过酶层扩散到液流主层扩散到电化学探头。产物也通过酶层扩散到液流主体，根据在电化学探头表面所形成的产物浓度的大小，体，根据在电化学探头表面所形成的产物浓度的大小，转化成不同大小的电信号，作为酶电极测试基质（即转化成不同大小的电信号，作为酶电极测试基质（即被测物）浓度的依据。被测物）浓度的依据。 I.酶电极的基本结构原理酶电极的基本结构原理I.酶电极的基本结构原理 由此可见，根据被测的有机物质，选择有特异作由此可见，根据被测的有机物质，选择有特异作用的生物酶，采用合适的固定化技术，以及根据酶促用的生物酶，采用合适的固定化技术，以及根据酶促反应产物的特点，选择能对这种产物有选择性响应的反应产物的特点，选择能对这种产物有选择性响应的电化学探头是酶电极技术的关键。电化学探头是酶电极技术的关键。 II.酶的固定化 所制得的酶必需经固定化，这是因为：所制得的酶必需经固定化，这是因为：1.1.固定化酶往往要比非固定化酶稳定，酶活力不易丧固定化酶往往要比非固定化酶稳定，酶活力不易丧失；失；2.2.酶不易流失，因而不需要使用过量的酶；酶不易流失，因而不需要使用过量的酶；3.3.保持稳定的几何外形，有利于稳定扩散，改善电极保持稳定的几何外形，有利于稳定扩散，改善电极的响应特性；的响应特性；4.4.被固定的酶可以有单酶、多酶系统，以及酶和辅酶被固定的酶可以有单酶、多酶系统，以及酶和辅酶系统的固定，制造成各种生化反应机理较复杂的酶系统的固定，制造成各种生化反应机理较复杂的酶电极。电极。酶的固定化方法的选择对酶电极的使用性能有很酶的固定化方法的选择对酶电极的使用性能有很大影响。大影响。II.酶的固定化 固定化方法可分为：固定化方法可分为：1)化学方法化学方法2)物理方法物理方法1)化学方法 化学方法主要依靠化学键的结合力，把载体和酶化学方法主要依靠化学键的结合力，把载体和酶的某种功能团结合起来，目前常用的方法有分子间交的某种功能团结合起来，目前常用的方法有分子间交联和共价结合两种。联和共价结合两种。 分子间的交联分子间的交联，即通过适度的双功能试剂如戊，即通过适度的双功能试剂如戊二醛把醛基与惰性载体（如硅粒）交联在一起。这种二醛把醛基与惰性载体（如硅粒）交联在一起。这种方法简单方便，交链牢固，可以通过温和的条件得到方法简单方便，交链牢固，可以通过温和的条件得到预计的酶活力。酶膜的制备常用的载体是清蛋白预计的酶活力。酶膜的制备常用的载体是清蛋白（BSABSA）或明胶，以戊二醛为交联剂直接制成酶膜或或明胶，以戊二醛为交联剂直接制成酶膜或用电沉淀法制成酶膜。用电沉淀法制成酶膜。1)化学方法 化学方法主要依靠化学键的结合力，把载体和酶化学方法主要依靠化学键的结合力，把载体和酶的某种功能团结合起来，目前常用的方法有分子间交的某种功能团结合起来，目前常用的方法有分子间交联和共价结合两种。联和共价结合两种。 共价结合共价结合是借助于共价键把酶的功能团与载体是借助于共价键把酶的功能团与载体结合起来，可用的载体种类很多，如二氧化硅、葡聚结合起来，可用的载体种类很多，如二氧化硅、葡聚糖、纤维素、尼龙、聚苯乙烯等，适合于共价结合的糖、纤维素、尼龙、聚苯乙烯等，适合于共价结合的功能团有功能团有和和氨基，氨基，、和和羧基，半胱氨酸羧基，半胱氨酸的一的一SHSH基，丝氨酸中的一基，丝氨酸中的一OHOH基，组氨酸中的咪唑基和基，组氨酸中的咪唑基和酪氨酸中的苯酚基等。酪氨酸中的苯酚基等。 2)物理方法 物理法主要根据酶和载体间的分子吸附，按分物理法主要根据酶和载体间的分子吸附，按分子大小不一的包理而达到固定化。常用的方法有吸附子大小不一的包理而达到固定化。常用的方法有吸附法和包埋法两种：法和包埋法两种： 吸附法吸附法即酶被吸附在水不溶性的载体上，可用的即酶被吸附在水不溶性的载体上，可用的吸附介质很多，例如多孔玻璃、纤维素、活性炭，也吸附介质很多，例如多孔玻璃、纤维素、活性炭，也有用离子交换树脂等。有用离子交换树脂等。 包理法包理法是把酶包埋在情性的载体里。常制成凝胶是把酶包埋在情性的载体里。常制成凝胶格子的形式或物理夹持的方法包于电极的敏感部分。格子的形式或物理夹持的方法包于电极的敏感部分。这种方式制成的酶电极性能不如化学法稳定，但操作这种方式制成的酶电极性能不如化学法稳定，但操作简单。淀粉、凝胶、聚丙烯酰胺是常用的凝胶剂。简单。淀粉、凝胶、聚丙烯酰胺是常用的凝胶剂。 III.电化学传感器的选择 根据不同的酶反应产物或副产物选用不同的根据不同的酶反应产物或副产物选用不同的电化学传感器。根据传感器的基本性能可以分为电流电化学传感器。根据传感器的基本性能可以分为电流型电极和电位型电极两种。型电极和电位型电极两种。电流型电极电流型电极的响应与被分析物的浓度成线性关系。的响应与被分析物的浓度成线性关系。它又可分为原电池型和电解型电极（或称极谱型）。它又可分为原电池型和电解型电极（或称极谱型）。 电位型电极电位型电极的响应与被分析物浓度的对数成线的响应与被分析物浓度的对数成线性关系。可以根据酶反应的产物选用各种离子选择电性关系。可以根据酶反应的产物选用各种离子选择电极，如极，如H H+ +、NHNH+ +4 4 、 NHNH3 3 、 COCO2 2 和和I I+ +电极等。电极等。IV.电极的性能指标与标定曲线 1 1）酶电极的响应曲线和标定；）酶电极的响应曲线和标定； 当酶电极放在一定的基质溶液时，电极信号就随当酶电极放在一定的基质溶液时，电极信号就随时间逐渐增加，最后处于稳定状态，称为稳态响应。时间逐渐增加，最后处于稳定状态，称为稳态响应。图图A A为青霉素酶电极对不同青霉素钾盐浓度的响应曲线。为青霉素酶电极对不同青霉素钾盐浓度的响应曲线。由此可得到酶电极的各种标准曲线。标准曲线可以根由此可得到酶电极的各种标准曲线。标准曲线可以根据动态原理与静态原理制定。前者以变化的初速率对据动态原理与静态原理制定。前者以变化的初速率对已知基质浓度作图，如图已知基质浓度作图，如图B B所示。该图中所示的标准曲所示。该图中所示的标准曲线是根据图线是根据图A A所示的初速率来作图，这个速率决定于阻所示的初速率来作图，这个速率决定于阻力和样品与酶层间的浓度差。静态原理是根据电极的力和样品与酶层间的浓度差。静态原理是根据电极的稳态响应值对已知浓度作图，见图稳态响应值对已知浓度作图，见图B B的静态标准线。的静态标准线。 IV.电极的性能指标与标定曲线 图A青霉素酶电极对青霉素钾盐的响应AB图B青霉素酶电极标准曲线IV.电极的性能指标与标定曲线 1 1）酶电极的响应曲线和标定；）酶电极的响应曲线和标定； 酶电极的标准曲线大多是按静态原理进行标定，酶电极的标准曲线大多是按静态原理进行标定，但当基质处于高浓度时，反应稳态受到抑制时，动态但当基质处于高浓度时，反应稳态受到抑制时，动态法标定可取得较好的结果。法标定可取得较好的结果。 酶电极标准曲线的线性范围是电极的重要性能，酶电极标准曲线的线性范围是电极的重要性能，这种线性关系受酶活力、米氏常数这种线性关系受酶活力、米氏常数K Km m、酶层厚度等影酶层厚度等影响，也随着基质浓度和测试介质的操作条件的影响。响，也随着基质浓度和测试介质的操作条件的影响。 IV.电极的性能指标与标定曲线 2)2)响应时间响应时间 ； 响应时间是指当改变基质浓度后电信号输出随着响应时间是指当改变基质浓度后电信号输出随着改变达到稳态值的某一百分数所需要的时间。如到达改变达到稳态值的某一百分数所需要的时间。如到达最终值的最终值的9595的时间就称为的时间就称为9595响应时间。响应时间。 影响响应时间的主要因素是酶膜的厚度和扩散速影响响应时间的主要因素是酶膜的厚度和扩散速率。酶层越厚，响应时间越长。酶层的扩散速率随不率。酶层越厚，响应时间越长。酶层的扩散速率随不同的固定化方法和选用的材料而异。此外，响应时间同的固定化方法和选用的材料而异。此外，响应时间也受被测系统的基质浓度大小的影响，高基质浓度转也受被测系统的基质浓度大小的影响，高基质浓度转移到低浓度时，就可能产生拖尾现象，响应时间就延移到低浓度时，就可能产生拖尾现象，响应时间就延长。长。 IV.电极的性能指标与标定曲线 3)3)酶电极的专一性和抗离子干扰酶电极的专一性和抗离子干扰 ； 生物酶的专一性是酶电极作用的突出优点，但在生物酶的专一性是酶电极作用的突出优点，但在实际使用时，由于各种酶电极结构上的不同，还是必实际使用时，由于各种酶电极结构上的不同，还是必须注意电极使用时的非专一性和各种离子干扰。须注意电极使用时的非专一性和各种离子干扰。 引起测量干扰的因素主要有几方面，其中有酶作引起测量干扰的因素主要有几方面，其中有酶作用的非专一性，酶反应中的中间产物干扰，同离子响用的非专一性，酶反应中的中间产物干扰，同离子响应干扰，以及来自选择电极的离子干扰。此外，溶液应干扰，以及来自选择电极的离子干扰。此外，溶液中离子强度的差异也要引起测定偏差，这时必须加入中离子强度的差异也要引起测定偏差，这时必须加入定量的不干扰测定的离子强度调节剂。定量的不干扰测定的离子强度调节剂。 IV.电极的性能指标与标定曲线 4 4）酶电极的稳定性和使用寿命）酶电极的稳定性和使用寿命 ； 酶电极的稳定性大多是固定化酶的失活和酶的渗酶电极的稳定性大多是固定化酶的失活和酶的渗漏引起的，也与酶层的扩散特性变化有关，此外与被漏引起的，也与酶层的扩散特性变化有关，此外与被测系统中可能存在的破坏活性酶的物质（例蛋白酶等）测系统中可能存在的破坏活性酶的物质（例蛋白酶等）的存在以及不良的操作条件和保存方法有关。表现在的存在以及不良的操作条件和保存方法有关。表现在电极的灵敏度，线性范围及响应时间的变化，限制了电极的灵敏度，线性范围及响应时间的变化，限制了酶电极的使用寿命。酶电极的使用寿命。 为了提高酶电极的稳定性和使用寿命，可以采用为了提高酶电极的稳定性和使用寿命，可以采用各种方法，其中主要有：在酶固定化时采用化学法或各种方法，其中主要有：在酶固定化时采用化学法或物理法；在酶层外面增加半渗透支撑薄膜，辅酶的使物理法；在酶层外面增加半渗透支撑薄膜，辅酶的使用以及恰当的酶电极保存方法。用以及恰当的酶电极保存方法。 IV.电极的性能指标与标定曲线 5 5）酶电极器件与种类）酶电极器件与种类 ； 酶电极种类很多，研究得较多的有各种糖电极、酶电极种类很多，研究得较多的有各种糖电极、尿电极、氨基酸电极、醇类电极、青霉素电极等。随尿电极、氨基酸电极、醇类电极、青霉素电极等。随着研制的深入，又出现了包括酶序列电极、酶竞争电着研制的深入，又出现了包括酶序列电极、酶竞争电极、抗干扰酶层电极等多酶系统电极，辅酶及其再生极、抗干扰酶层电极等多酶系统电极，辅酶及其再生技术的酶电极和测定酶活力的基质电极。技术的酶电极和测定酶活力的基质电极。 IV.电极的性能指标与标定曲线 5 5）酶电极器件与种类）酶电极器件与种类 ； 在发酵液成分检测与控制中所使用的酶电极最好如在发酵液成分检测与控制中所使用的酶电极最好如 pHpH电极那样插入发酵罐内使用，为此必需遵循：电极那样插入发酵罐内使用，为此必需遵循： 1.1.电极必须能灭菌消毒；电极必须能灭菌消毒；2.2.在酶电极使用时，样品不需作任何处理，例如稀释在酶电极使用时，样品不需作任何处理，例如稀释和去除杂质干扰；和去除杂质干扰；3.3.电极应尽可能的预先校正。电极应尽可能的预先校正。但这些都是比较难以解决的问题，因此目前较多采但这些都是比较难以解决的问题，因此目前较多采用的还是自动渗析取样法，在罐外测量。用的还是自动渗析取样法，在罐外测量。 三、微生物电极 前面所研究的酶电极中所用的酶一般都从生物前面所研究的酶电极中所用的酶一般都从生物细胞中通过复杂的过程提取得到的，且多数为不稳定细胞中通过复杂的过程提取得到的，且多数为不稳定的，使用寿命短的测量值受酶活力变化的影响较大的的，使用寿命短的测量值受酶活力变化的影响较大的酶。因此有人考虑用产酶微生物代替酶，由于它具有酶。因此有人考虑用产酶微生物代替酶，由于它具有各种酶的生理功能，特别是具有能维持生命活动的独各种酶的生理功能，特别是具有能维持生命活动的独立单元，就有可能制成功能复杂的、具有较长时间稳立单元，就有可能制成功能复杂的、具有较长时间稳定性的生物电极。定性的生物电极。目前应用微生物电极原理开发成功的电极有谷氨目前应用微生物电极原理开发成功的电极有谷氨酸电极、醋酸电极、乙醇电极、糖电极、酸电极、醋酸电极、乙醇电极、糖电极、BODBOD电极、甲电极、甲酸电极、甲烷电极、二氧化氮电极、酸电极、甲烷电极、二氧化氮电极、NONO3 3- -电极和测量菌电极和测量菌数或菌体细胞生长的微生物电极，它们已在工业生产、数或菌体细胞生长的微生物电极，它们已在工业生产、环境科学及临床医学等领域广泛应用。环境科学及临床医学等领域广泛应用。 三、微生物电极 微生物电极是利用微生物中某单一酶的作用进行微生物电极是利用微生物中某单一酶的作用进行测定，但大多是利用微生物整体的某些生理机能来进测定，但大多是利用微生物整体的某些生理机能来进行测定。可以分为呼吸活性测定型和代谢产物测定型。行测定。可以分为呼吸活性测定型和代谢产物测定型。 下图下图A A为呼吸测定型微生物电极。微生物呼吸所为呼吸测定型微生物电极。微生物呼吸所消耗的氧或产生的二氧化碳可用氧电极或二氧化碳电消耗的氧或产生的二氧化碳可用氧电极或二氧化碳电极测量。以氧电极为例，把生存状态的微生物固定在极测量。以氧电极为例，把生存状态的微生物固定在胶原膜中，再把这个膜附着在复膜式氧电极的透气膜胶原膜中，再把这个膜附着在复膜式氧电极的透气膜上，即制成了这种类型的生物敏感电极，如图上，即制成了这种类型的生物敏感电极，如图B B所示。所示。把这种电极插入被测试液中，被测的有机物即向微生把这种电极插入被测试液中，被测的有机物即向微生物膜扩散，并被微生物所摄取，呼吸旺盛，耗氧量增物膜扩散，并被微生物所摄取，呼吸旺盛，耗氧量增加。即被紧贴于膜的氧电极直接测量。加。即被紧贴于膜的氧电极直接测量。 三、微生物电极 图A 呼吸测定型微生物电极三、微生物电极 图图B B 呼吸测定型微生物呼吸测定型微生物敏感器敏感器1 1一铂电极；一铂电极；2 2一聚四氟乙烯膜；一聚四氟乙烯膜；3 3一固定化微生物膜；一固定化微生物膜；4 4一尼龙网；一尼龙网；5 5一铂电极；一铂电极；6 6一一O-O-型环；型环；7 7一电解液一电解液三、微生物电极 图图C C为代谢物测定型电极示意图。微生物摄取有为代谢物测定型电极示意图。微生物摄取有机物后，生成各种代谢产物，这些代谢物中含有能使机物后，生成各种代谢产物，这些代谢物中含有能使电极产生响应或与之反应的电极活性物质。常选见的电极产生响应或与之反应的电极活性物质。常选见的电化学装置有燃料电池型电极、离子选择性电极或二电化学装置有燃料电池型电极、离子选择性电极或二氧化碳电极等。氧化碳电极等。三、微生物电极 代谢物测定型电极示意图三、微生物电极 如把能生产氢气的细菌固定在琼脂凝胶膜中，并如把能生产氢气的细菌固定在琼脂凝胶膜中，并把它装在燃料电池上，燃料电池的阳极为白金极，阴把它装在燃料电池上，燃料电池的阳极为白金极，阴极是过氧化银（极是过氧化银（AgAg2 20 02 2电极，电介液浓度为电极，电介液浓度为 0.lmol0.lmolL L磷酸缓冲液）。将此传感器浸入到被测试液中，有机磷酸缓冲液）。将此传感器浸入到被测试液中，有机物即向菌体层扩散，被菌体作用生成氢气，氢气又向物即向菌体层扩散，被菌体作用生成氢气，氢气又向燃料电池的阳极扩散，并被氧化而产生电流。测得的燃料电池的阳极扩散，并被氧化而产生电流。测得的电流值与电极上反应的氢气量成比例，所以可以从电电流值与电极上反应的氢气量成比例，所以可以从电流值测出被测的有机物的浓度。图流值测出被测的有机物的浓度。图D D为这种电极的结构为这种电极的结构示意图。示意图。 三、微生物电极 图图D D 电极活性物质测电极活性物质测定型敏感器定型敏感器1 1一过氧化银电极；一过氧化银电极；2 2一电解液；一电解液；3 3一一O-O-型环；型环；4 4一铂电极；一铂电极；5 5一固定化微生物膜；一固定化微生物膜；6 6一阴离子交换膜；一阴离子交换膜；四、免疫敏电极 生物体在抵抗外来病菌或异体蛋白侵入时，产生生物体在抵抗外来病菌或异体蛋白侵入时，产生抗体来识别这些异物（既抗原），并把他们排出体外，抗体来识别这些异物（既抗原），并把他们排出体外，这种抗原与抗体的结合称为免疫反应，具有特别高的这种抗原与抗体的结合称为免疫反应，具有特别高的特异性。免疫敏电极就是利用这种对抗原的识别和结特异性。免疫敏电极就是利用这种对抗原的识别和结合的功能研制而成的生物电极，由于这种电极重复性合的功能研制而成的生物电极，由于这种电极重复性强、敏感性高、专一性强和快速而引起人们的注意。强、敏感性高、专一性强和快速而引起人们的注意。免疫敏电极可分为两大类：非标记免疫敏电极和免疫敏电极可分为两大类：非标记免疫敏电极和标记免疫敏电极。标记免疫敏电极。 I.非标记免疫敏电极非标记免疫敏电极是使抗原抗体复合物在电极表非标记免疫敏电极是使抗原抗体复合物在电极表面上形成，并把所产生的物理化学变化直接转换成电面上形成，并把所产生的物理化学变化直接转换成电信号的传感装置。到目前为止，这种传感器有两类：信号的传感装置。到目前为止，这种传感器有两类： 1.1.膜免疫电极膜免疫电极2.2.化学修饰免疫电极：化学修饰免疫电极： 1.膜免疫电极把抗体（或抗原）固定在膜上，使抗原抗体反应把抗体（或抗原）固定在膜上，使抗原抗体反应在膜的表面上进行，测定反应前后的膜电位变化，如在膜的表面上进行，测定反应前后的膜电位变化，如图所示。图所示。1.膜免疫电极把固定化抗原膜安装在凹槽内，槽被间隔成把固定化抗原膜安装在凹槽内，槽被间隔成、室，室，与与室被抗原膜分开，室被抗原膜分开，与与之间装上之间装上不含抗原的膜，不含抗原的膜，I I、室注入室注入0.90.9的生理盐水，若的生理盐水，若室也注入生理盐水，则在室也注入生理盐水，则在、室中的电极不产生电室中的电极不产生电位差。若注入含有抗体的生理盐水，则抗体会在固定位差。若注入含有抗体的生理盐水，则抗体会在固定化抗原膜表面进行抗原抗体反应，抗体是带有电荷的化抗原膜表面进行抗原抗体反应，抗体是带有电荷的蛋白质，由于反应而引起固定化抗原膜表面电荷状态蛋白质，由于反应而引起固定化抗原膜表面电荷状态的变化，产生感应性膜电位差，其数值随膜上抗体的的变化，产生感应性膜电位差，其数值随膜上抗体的密度、被测抗原的浓度、抗原抗体反应的时间及测定密度、被测抗原的浓度、抗原抗体反应的时间及测定条件而定。因此，如能使被测抗原浓度以外的各项保条件而定。因此，如能使被测抗原浓度以外的各项保持恒定，就可由电位差或电位差的变化速率来求出被持恒定，就可由电位差或电位差的变化速率来求出被测抗原浓度。测抗原浓度。 2.化学修饰免疫电极把抗原（或抗体）用化学修饰法固定在金属电极把抗原（或抗体）用化学修饰法固定在金属电极的表面，电极电位由于表面上发生的抗原抗体反应将的表面，电极电位由于表面上发生的抗原抗体反应将发生变化。发生变化。 化学修饰的生物材料固定化方法一般采用复有氧化学修饰的生物材料固定化方法一般采用复有氧化钛膜的钛丝，在溴化氰溶液中活化，再浸入欲固定的化钛膜的钛丝，在溴化氰溶液中活化，再浸入欲固定的抗体或抗原溶液，即得抗体或抗原修饰的免疫电极，称抗体或抗原溶液，即得抗体或抗原修饰的免疫电极，称为为BrCNBrCN法。其化学修饰的机理是由于在热处理时钛丝氧法。其化学修饰的机理是由于在热处理时钛丝氧化膜表面上的氢氧基与溴化氰反应生成活性亚氨基，再化膜表面上的氢氧基与溴化氰反应生成活性亚氨基，再与抗体或抗原蛋白质的氨基结合，从而达到在钛丝表面与抗体或抗原蛋白质的氨基结合，从而达到在钛丝表面固定。固定。 II.标记免疫敏电极标记免疫电极是由标记免疫测定法原理而设计形标记免疫电极是由标记免疫测定法原理而设计形成的。即根据标记与非标记物（抗体或抗原）在结合成的。即根据标记与非标记物（抗体或抗原）在结合中心的竞争性反应，然后测定由反应终了由键合剂分中心的竞争性反应，然后测定由反应终了由键合剂分离下来的标记物含量，即可推测出抗原抗体反应前所离下来的标记物含量，即可推测出抗原抗体反应前所加入的本标记物的量。标记剂可采用同位素（即放射加入的本标记物的量。标记剂可采用同位素（即放射免疫法免疫法RIARIA）或酶（即酶标免疫法或酶（即酶标免疫法EIAEIA），），此外也有采此外也有采用荧光物质、稳定的游离基、金属、红细胞、脂质体用荧光物质、稳定的游离基、金属、红细胞、脂质体及噬菌体等。标记免疫电极就是以电化学传感器的方及噬菌体等。标记免疫电极就是以电化学传感器的方法直接把这些残留在电极表面的标记剂的量转化成电法直接把这些残留在电极表面的标记剂的量转化成电量进行测定。量进行测定。 II.标记免疫敏电极免疫敏感器测定原理图 II.标记免疫敏电极在测定人血清白蛋白在测定人血清白蛋白(HSA)(HSA)时，时，HSAHSA的酶免疫电极的酶免疫电极是以抗体膜为探测材料，氧电极为电化学转换器，以是以抗体膜为探测材料，氧电极为电化学转换器，以过氧化氢酶为标记剂，如图过氧化氢酶为标记剂，如图 所示。向含有所示。向含有HSAHSA的待测的待测液中加入一定量的过氧化氢酶标记的液中加入一定量的过氧化氢酶标记的HASHAS， HSAHSA和酶标和酶标HSAHSA就在抗体膜表面上争相与抗体结合，形成抗原抗体就在抗体膜表面上争相与抗体结合，形成抗原抗体复合物，将抗体膜洗净，以除去未形成复合物的游离复合物，将抗体膜洗净，以除去未形成复合物的游离抗原，然后把酶免疫电极浸入抗原，然后把酶免疫电极浸入H H2 20 02 2溶液中，结合在抗体溶液中，结合在抗体膜上的过氧化氢酶将催化膜上的过氧化氢酶将催化H H2 20 02 2的分解反应，生成的氧被的分解反应，生成的氧被紧贴在膜后的氧电极所检测，可从电流值求出结合在紧贴在膜后的氧电极所检测，可从电流值求出结合在膜上的标记酶的量。膜上的标记酶的量。 II.标记免疫敏电极酶免疫传感器作用示意图 五、采用新型换能条件的生物电极 生物电极所使用的换能器件，除前面已述生物电极所使用的换能器件，除前面已述的电位型或电流型电化学传感器以外，近年来的电位型或电流型电化学传感器以外，近年来研制出很多新的换能器件，对生物电极的研制、研制出很多新的换能器件，对生物电极的研制、性能、改造以及生物电极的推广使用起了重要性能、改造以及生物电极的推广使用起了重要作用，其中主要有测量微热量的酶热敏电极，作用，其中主要有测量微热量的酶热敏电极，离子敏场效应管，光纤生物电极等。下面对这离子敏场效应管，光纤生物电极等。下面对这些电极的原理和结构作简单介绍。些电极的原理和结构作简单介绍。 I.酶热敏生物电极 固定化酶在促进底物参加反应时，总是伴随着热固定化酶在促进底物参加反应时，总是伴随着热量的产生或吸收，如果配用一个灵敏度足够高的热敏量的产生或吸收，如果配用一个灵敏度足够高的热敏电阻来检测变化的温电阻来检测变化的温 度，度，并用记录仪记录，并用记录仪记录， 就就可以得到有关待测可以得到有关待测 物物的含量。的含量。酶热敏生物电极测酶热敏生物电极测量的结构原理量的结构原理 I.酶热敏生物电极 由于固定化酶反应的高度专一性，只要选由于固定化酶反应的高度专一性，只要选择合适的固定化酶，就可以对某特定的组分进择合适的固定化酶，就可以对某特定的组分进行测量；又由于以热量形式引起温度变化而被行测量；又由于以热量形式引起温度变化而被测量，不象酶电极那样，必须有产生为电化学测量，不象酶电极那样，必须有产生为电化学传感器所敏感的电极活性物质。因此，从原理传感器所敏感的电极活性物质。因此，从原理上看，酶热敏电阻法具有应用上的普遍性，特上看，酶热敏电阻法具有应用上的普遍性，特别是对那些透光性差，粗制溶液或菌体悬浮液别是对那些透光性差，粗制溶液或菌体悬浮液等更是适合。等更是适合。 II.离子敏场效应管（ISFET） 近年来，由于电化学和半导体理论的相互近年来，由于电化学和半导体理论的相互渗透，出现了一类能够对离子或分子敏感的半渗透，出现了一类能够对离子或分子敏感的半导体器件，称为化学敏感半导体器件。其中研导体器件，称为化学敏感半导体器件。其中研究得较多的是把离子选择电极制造技术和固体究得较多的是把离子选择电极制造技术和固体微电子技术结合起来的对离子敏感的半导体器微电子技术结合起来的对离子敏感的半导体器件，简称为件，简称为 ISFETISFET。它是一种对离子具有选择它是一种对离子具有选择性敏感的场效应管，既具有离子选择电极性敏感的场效应管，既具有离子选择电极（ISEISE）的特性，又具有场效应晶体管的特性，的特性，又具有场效应晶体管的特性，是一种微型固态电化学敏感器件。是一种微型固态电化学敏感器件。II.离子敏场效应管（ISFET）II.离子敏场效应管（ISFET） ISFETISFET是将普通的场效应晶体管（是将普通的场效应晶体管（MOSFETMOSFET）的金的金属栅去掉，利用绝缘栅或在上面涂覆一层对离子有选属栅去掉，利用绝缘栅或在上面涂覆一层对离子有选择性的敏感膜，让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感择性的敏感膜，让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择性响应，从而调制膜对溶液中的离子有选择性响应，从而调制ISFETISFET的漏的漏流的变化，利用这个特性就能检测溶液中离子的活度。流的变化，利用这个特性就能检测溶液中离子的活度。 生物敏感膜（生物敏感膜（FETFET）可以分为三类，即酶可以分为三类，即酶FETFET，免免疫疫FETFET和微生物和微生物FETFET。 已出现的酶已出现的酶FETFET有尿素酶有尿素酶FETFET，葡萄糖酶葡萄糖酶FETFET，青霉青霉素素FETFET，以及可测量氨基酸的含量氨含量的以及可测量氨基酸的含量氨含量的FETFET。目前在目前在医疗上正在研究较多的免疫医疗上正在研究较多的免疫FETFET有抗人体血清蛋白质有抗人体血清蛋白质FETFET，梅毒抗体梅毒抗体FETFET，血型抗原血型抗原FETFET等。等。 1.发光反应的生物传感器发光反应的生物传感器是根据生物发光反发光反应的生物传感器是根据生物发光反应所产生的光效应，把生物材料固定化在光纤应所产生的光效应，把生物材料固定化在光纤或透明塑料板极表面，用光度计进行光测量。或透明塑料板极表面，用光度计进行光测量。例如固定于光纤器件端部的用来测定例如固定于光纤器件端部的用来测定ATPATP的的荧光素酶传感器，在荧光素酶传感器，在4 4种内可完成浓度为种内可完成浓度为5105107 7g gmLmL（10106 6molmolL L）的检测。的检测。 基于间接发光效应的生物传感器是根据生物反应基于间接发光效应的生物传感器是根据生物反应结果引起其他物质发光效应的变化进行光测量。结果引起其他物质发光效应的变化进行光测量。例如把某种酶与一种染料结合而固定化，由于酶例如把某种酶与一种染料结合而固定化，由于酶促反应引起促反应引起pHpH变化，这种变化，这种pHpH改变引起染料颜色的改变，改变引起染料颜色的改变，可用相对应于某吸收峰的发光二极管和光电管来检测。可用相对应于某吸收峰的发光二极管和光电管来检测。也有将带有荧光标记的第二种抗体结合到被检测的物也有将带有荧光标记的第二种抗体结合到被检测的物质上，然后在光纤的输出端检测荧光，即所谓质上，然后在光纤的输出端检测荧光，即所谓“夹心夹心”技术技术 。这种发光免疫传感器要比放射免疫测定法优。这种发光免疫传感器要比放射免疫测定法优越，避免了使用放射性标记物，并获得较高的灵敏度。越，避免了使用放射性标记物，并获得较高的灵敏度。 2.基于间接发光效应的生物传感器2.基于间接发光效应的生物传感器测定葡萄糖浓度的一种亲和型传感器的结构原理图测定葡萄糖浓度的一种亲和型传感器的结构原理图在光导纤维束表面固定有能对葡萄糖选择性作用在光导纤维束表面固定有能对葡萄糖选择性作用的刀豆球蛋白的刀豆球蛋白 A A（ConConA A），），在测量室里放有少量的在测量室里放有少量的荧光标记的葡聚糖（荧光标记的葡聚糖（FITC-FITC-葡聚糖）作为葡萄糖对葡聚糖）作为葡萄糖对ConConA A健合中心进行竞争反应的配位体。如下式所示：健合中心进行竞争反应的配位体。如下式所示： 2.基于间接发光效应的生物传感器当被测试液的葡萄糖浓度增加时，由于竞争反应当被测试液的葡萄糖浓度增加时，由于竞争反应的结果，的结果，FITCFITC一葡聚糖的含量增加，也就增加了测量一葡聚糖的含量增加，也就增加了测量室里的荧光强度，通过光导纤维传递，由光电管检测室里的荧光强度，通过光导纤维传递，由光电管检测并输出信号，即可得知被测溶液的葡萄糖浓度。并输出信号，即可得知被测溶液的葡萄糖浓度。 我们可以用改变光纤表面界面的光折射率我们可以用改变光纤表面界面的光折射率的方法来改变光纤的传输性质。其中在光的波的方法来改变光纤的传输性质。其中在光的波导方向涂敷一层抗体，当抗体与它所识别的抗导方向涂敷一层抗体，当抗体与它所识别的抗原相结合时，就出现了光散射，散射测量与波原相结合时，就出现了光散射，散射测量与波导成直角方向，这种系统可用来灵敏地测量大导成直角方向，这种系统可用来灵敏地测量大分子蛋白质。分子蛋白质。 3.基于改变光的传导特性的生物传感器各检测技术的应用前景分析 目前存在的各种在线检测技术都具有自身的特目前存在的各种在线检测技术都具有自身的特点，在不同程度上反映了生物过程的变化信息。点，在不同程度上反映了生物过程的变化信息。总的来说，能实现总的来说，能实现原位检测原位检测的技术有更大的发的技术有更大的发展优势，因展优势，因非原位检测非原位检测需将培养液引流出反应需将培养液引流出反应器，从而存在一定时间滞后、过滤膜易被菌体器，从而存在一定时间滞后、过滤膜易被菌体堵塞等缺点。堵塞等缺点。 各检测技术的应用前景分析 红外光谱技术红外光谱技术的新型探头能耐高温灭菌，可承的新型探头能耐高温灭菌，可承受高压、强酸、强碱环境，实现原位监测，适受高压、强酸、强碱环境，实现原位监测，适用面广。体系中存在气泡、固体颗粒、悬浮物用面广。体系中存在气泡、固体颗粒、悬浮物不干扰测定，且不破坏样品。不影响正常培养不干扰测定，且不破坏样品。不影响正常培养过程。过程。但当多组分共存时谱峰重叠现象普遍。目前化但当多组分共存时谱峰重叠现象普遍。目前化学计量学中对混合物多成分同时定量分析的迅学计量学中对混合物多成分同时定量分析的迅速发展，重叠峰分解、多元非线性修正、多次速发展，重叠峰分解、多元非线性修正、多次叠加平均、因子分析、偏最小二乘法等对不同叠加平均、因子分析、偏最小二乘法等对不同样品和测量误差的计算和修正等的发展，为避样品和测量误差的计算和修正等的发展，为避免红外光谱这一缺陷提供了条件和可能性。免红外光谱这一缺陷提供了条件和可能性。各检测技术的应用前景分析 荧光分析法荧光分析法灵敏度很高，其中酶键合标记法所灵敏度很高，其中酶键合标记法所用的光纤探头因未使用固定化生物活性物质，用的光纤探头因未使用固定化生物活性物质，能承受高温灭菌处理，若在同一传感器内放入能承受高温灭菌处理，若在同一传感器内放入多种键合剂，可同时测定多个代谢物。多种键合剂，可同时测定多个代谢物。直接荧光测量法简便易行，不用另加试剂。直接荧光测量法简便易行，不用另加试剂。但酶键合标记法所使用的电极易受其它代谢物但酶键合标记法所使用的电极易受其它代谢物干扰，专一性不如酶电极。同时培养液温度、干扰，专一性不如酶电极。同时培养液温度、粘度、粘度、pH值以及光散射，荧光淬灭现象对荧光值以及光散射，荧光淬灭现象对荧光分析均有影响。在实际测试中，应根据不同的分析均有影响。在实际测试中，应根据不同的对象、不同的影响因素，分清主次，依具体情对象、不同的影响因素，分清主次，依具体情况采用合理的措施，以得到准确的结果。况采用合理的措施，以得到准确的结果。 各检测技术的应用前景分析 离子敏场效应晶体管离子敏场效应晶体管具有高输入阻抗、低输出具有高输入阻抗、低输出阻抗、响应快、抗干扰及灵敏度高等优点，且阻抗、响应快、抗干扰及灵敏度高等优点，且这种传感器体积很小，价格低廉，可望广泛用这种传感器体积很小，价格低廉，可望广泛用于实际检测中。于实际检测中。核磁共振技术核磁共振技术可对过程流体及其组成进行非接可对过程流体及其组成进行非接触、不干扰的测量。是有广阔发展前景的技术。触、不干扰的测量。是有广阔发展前景的技术。 各检测技术的应用前景分析 生物传感器生物传感器灵敏、专一、微量、快速、准确，灵敏、专一、微量、快速、准确，具有特异的生物分子识别功能均快速的物理化具有特异的生物分子识别功能均快速的物理化学方法相结合的特点，其中压电技术仪器装置学方法相结合的特点，其中压电技术仪器装置简单，无需标记物。简单，无需标记物。但此类传感器均不能经受高温灭菌，且微生物但此类传感器均不能经受高温灭菌，且微生物电极有易导致物质染菌的缺点。电极有易导致物质染菌的缺点。 各检测技术的应用前景分析 质谱分析技术质谱分析技术偏差小、响应快、精度高、维修偏差小、响应快、精度高、维修问题少，但仪器设备昂贵，不过微处理机的问问题少，但仪器设备昂贵，不过微处理机的问世有助于降低质谱仪的价格，也降低了调节它世有助于降低质谱仪的价格，也降低了调节它的复杂性。的复杂性。色谱分析技术色谱分析技术虽然发展成熟，测定精确，是一虽然发展成熟，测定精确，是一种理想的在线检测技术；种理想的在线检测技术； 但其需复杂的预处但其需复杂的预处理，测样时间长。理，测样时间长。