电极及其他:生物加工中的pH测量

在生物处理工作流程中测量的**关键且经常监测的参数之一是pH。蛋白质和其他大分子对pH敏感,在**佳pH条件下会失去稳定性。精简和扩大蛋白质生物加工时,准确的pH测量变得更加重要。

pH计  确定的酸度或溶液的碱度,或氢离子的其浓度,通过测量两个电极之间的电势差- pH电极,这是氢离子敏感,和参考电极-其携带一公知的电极电位。典型的电极含有氯化钾作为电解质的溶液。理想地,pH由电极电位之间的差异计算。在现实世界中,许多因素会干扰准确的测量。这些包括电极的年龄和状况以及是否正确校准。

对于生物加工工作流程,pH通常控制在非常窄的范围内。监测pH有三种主要方法:离线监测,在线监测和现场测量。对从过程中移除的样品执行离线监测,并在过程中集成现场监测。在线监测是两者之间的流行折衷,其中样本自动从流中转移并快速分析。在本文中,我们将讨论pH监测在生物加工工作流程中的不同方法和应用。

电极选项

离线测量是测量生物处理参数的非常直接的方法。从过程中取出的样品进行离线测量。这通常是一种非常可靠和准确的监测方法,但它可能是缓慢且劳动密集的。使用容器内的传感器或流动管线进行现场或在线监测。这些传感器提供快速,实时的测量,但它们在pH范围和耐用性方面的测量灵敏度可能不足。

在线监测适用于离线和现场监测之间的某种程度。通常,在线监测是指自动撤回和分析样品的过程。该方法在原位测量的快速性和离线测量的可靠性之间提供了良好的折衷。

可以使用台式pH计或自动滴定系统处理离线pH测量。为了获得准确的pH读数,应快速进行离线测量,以避免CO2排气引起的漂移。

样品对电极的影响

样品的质量也可能使获得准确的pH测量的任务复杂化。

生物加工专注于大批量发酵和蛋白质纯化。需要测试的样品类型包括:组织培养基,细菌和酵母悬浮液,细胞裂解液,纯化蛋白质和蛋白质和核酸溶液。pH电极的功能依赖于样品的电导率。如果样品缺乏导电离子,则难以获得任何准确的pH读数。例如,非常纯净的水是用于pH测量的困难介质。

另一个极端是含有许多大有机分子的样品。大多数生物过程样品都含有大量这些大分子,包括目标蛋白质以及核酸和细胞碎片。这些解决方案可能导致电极隔膜或参比结的堵塞,这是电极中系统和溶液电接触的部分。参比接点必须足够透过,以使参比电解液流出。参考接头有多种材料可供选择,适用于不同的应用。陶瓷连接点在一般应用中很受欢迎,但其孔隙很容易被有机物堵塞。铂结不容易堵塞,但其扩散潜力低于陶瓷。

“为了获得准确且可重复的测量,隔膜必须非常干净。如果由于有机分子较大而导致隔膜堵塞或阻塞,电解液就无法流过,而且您的pH读数将会振荡,“瑞士万通美国市场经理Hari Narayanan说。Narayanan建议Metrohm的Unitrode电极用于难溶液,Viscotrode用于粘性溶液。

由于液体电极的复杂性,其中电解质与样品接触,一些生物加工研究人员更喜欢凝胶电解质,其由氯化钾和聚合物胶凝剂组成,以防止电解质在参比接头处泄漏到样品中。凝胶在测量过程中与样品表面接触,但不会流入样品或与样品混合。

YSI的TruLine pH 21和pH 27电极使用聚合物电解质。根据YSI的网站,这些电极维护成本低,因为它们不需要再填充电解质溶液。

除了改进的电极技术外,许多供应商还提供滴定系统,其功能超出简单的pH读数。瑞士万通的Omnis滴定仪是一个完整的系统,可以同时对四个样品进行pH分析。它包括液体处理功能和自动分析的软件。

超越电极:光学传感器

光学传感器是一些在现场和在线监测系统中使用的新技术。

光学传感器使用pH敏感染料。pH的变化引发可以通过分光光度法检测的吸光度或荧光的变化。PreSens Precision Sensing GmbH为生理解决方案和培养基提供无创pH传感器。SensorSpots是非侵入式光学氧传感器,可以粘附在透明容器的内表面上。根据PreSens的网站,这些传感器可以与培养瓶,试管,培养皿和培养袋一起使用。PreSens的流通式细胞pH采用小型光纤化学传感器,集成在流通池中,用于在线pH监测。

PreSens营销和创新总监Gernot Thomas John表示,客户常常对传感器的稳定性和准确性感到好奇。“由于采用了专利的双寿命参考机制,PreSens pH传感器显示出更高的稳定性。通过单点调整,准确度**高,这是大多数控制器支持的功能,“John说。

Ocean Optics开发了一种溶胶 - 凝胶(湿化学制造技术)装置,称为光电极,用于pH值范围5到9的pH测量。光电传感器使用固定在溶胶 - 凝胶基质中的pH敏感染料(胶体)通过将纳米颗粒分散在液体中形成的混合物。来自溶液的氢离子扩散到凝胶中并引发颜色变化。根据Ocean Optics的网站,溶胶 - 凝胶传感器的响应时间比典型的聚合物凝胶快。

通常,在线光学传感器用于上游处理,而下游处理需要电极的精度。但这取决于目标产品以及工作流程的优化方式。

无论是离线,在线还是介于两者之间,生物加工工作流程中的pH测量绝对**关重要。酶分子的结构和动力学可以通过pH的小偏差显着影响。大多数酶动力学是pH依赖性的,并且如果允许pH在加工中偏离,则酶活性将很差或不存在。基于蛋白质的药物产品在**佳pH范围之外可能在结构上不稳定,并且如果pH不保持在一定范围内,则一些纯化过程可能工作不良或失败。对于大批量制备,pH值调整的错误在美元方面可能是极其昂贵的,并且延迟严格的生产计划。寻找**佳系统和**佳电极或传感器取决于许多过程变量。虽然pH计通常在实验室中被认为是理所当然的,但维护不良或脏的电极会给出错误的读数。因此,请务必为您的应用选择**佳工具,并仔细遵循使用,维护和校准说明。

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