2. 溶氧探头类型与工作原理

在发酵罐的在线溶氧（DO）监测中，探头是整条测量链路的起点。探头选型不当，后续无论标定多仔细、维护多勤快，都难以获得稳定可信的数据。目前工业发酵罐上使用最广的两类溶氧探头是极谱式（电化学式）和光学式（荧光淬灭式）。理解它们的测量原理、结构差异与信号输出特点，是正确安装、标定和维护的前提。

一、极谱式探头：靠电化学反应"消耗"氧来测氧

极谱式探头的核心是一个电化学电池：阴极（通常为金或铂）与阳极（通常为银/氯化银）浸在电解质溶液中，两者之间由一层只允许气体分子通过的透气膜隔开。工作时在阴极与阳极之间施加一个稳定的极化电压（典型约 0.6～0.8 V）。发酵液中的溶解氧穿过透气膜扩散到阴极表面，在阴极被还原，反应可简写为：

阴极：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
阳极：4Ag + 4Cl⁻ → 4AgCl + 4e⁻
总反应：O₂ + 2H₂O + 4Ag + 4Cl⁻ → 4OH⁻ + 4AgCl

氧被还原时产生电流，在膜扩散控制条件下，该电流与氧分压（即溶解氧浓度）近似成正比，变送器把电流转换为 4～20 mA 或数字信号输出。这里有一个关键工程含义：极谱式探头在测量时持续消耗溶解氧，因此探头周围必须保持一定的液体流速，否则膜表面会形成"贫氧层"，读数偏低。这也是极谱式探头在发酵罐上安装时要求搅拌充分、或探头端部不能处于死区的原因。

结构上，极谱式探头包含透气膜、电解液腔、阴极/阳极、极化电路。透气膜是易损件，蛋白质吸附、灭菌反复热胀冷缩、膜被划伤都会改变扩散特性，导致灵敏度漂移。因此极谱式探头需要定期更换电解液和膜，并在每次更换膜、灭菌后重新标定。它的优点是技术成熟、成本低、响应较快（典型 t90 约 30～60 s），在常规发酵场景中仍是主力。

二、光学式探头：靠荧光淬灭"看"氧，不消耗氧

光学式探头（也称荧光法、LDO）端部是一层含荧光染料的敏感膜。探头内的 LED 发出特定波长的激发光，染料分子吸收后发出波长更长的荧光。当氧分子扩散进敏感膜时，会以非辐射方式淬灭荧光，氧浓度越高，荧光寿命越短、强度越弱。探头通过测量荧光寿命（相位差法）反推氧分压，再换算为溶解氧浓度。

与极谱式相比，光学式的本质区别在于：测量过程不消耗氧，因此不受流速影响，在低流速、黏稠发酵液或静止标定液中都能稳定读数；没有电解液，不需要换膜和补液，维护量小；没有极化过程，开机即可测量，不需要长时间极化等待。其响应速度通常略慢于极谱式（t90 约 40～90 s，视膜厚而定），且敏感膜长期受高温灭菌和强光照射会老化，需要按周期更换敏感帽。光学式探头输出多为数字信号（如 Modbus、RS-485 或厂家协议），抗干扰能力较强，便于接入现代发酵控制系统。

三、两类探头的对比与选型

下表从测量原理、结构、信号输出、维护与适用场景几个维度做对比，便于在发酵罐配置时快速判断：

选型时还要结合发酵罐的安装方式：极谱式探头通常采用侧壁插入式或顶插式，探头端部需伸入液面以下并避开搅拌死区；光学式探头同样可侧插或顶插，但因不耗氧，对安装位置流速要求更宽松，适合安装在取样口附近或大罐的缓流区域。无论哪种探头，安装时都要保证O 形圈密封可靠、探头端部不被搅拌桨扫到、灭菌时能承受罐内压力和温度。

四、安装与信号输出中的实际注意点

在发酵罐上安装探头时，两类探头都要注意插入深度和密封。以常见的 25 mm 直径侧插式探头为例，探头端部应伸入液面以下至少 100～150 mm，且避开搅拌桨形成的强剪切区和罐壁死区。极谱式探头若安装在流速过低的区域，读数会系统性偏低，此时可在标定记录中注明安装位置，或改用光学式。光学式探头则要避免安装在强光直射的视镜附近，防止环境光干扰荧光检测。

信号输出方面，极谱式的 4～20 mA 模拟信号在长距离传输时易受电磁干扰，建议使用屏蔽双绞线并单端接地；光学式的数字信号抗干扰更好，但要注意通信地址、波特率与上位机配置一致。无论哪种探头，接入控制系统后都应做一次零点与满度核对：零点可用无氧水（如加入亚硫酸钠的标定液）核对，满度可用饱和溶氧水（在标定温度下曝气至饱和）核对，核对结果与标定记录一并留存，作为后续漂移判断的基线。

总结来说，极谱式探头以电化学还原电流测氧，成熟、响应快、成本低，但耗氧、需换膜补液；光学式探头以荧光淬灭测氧，不耗氧、维护少、数字输出友好，但响应略慢、敏感帽有寿命。发酵罐配置时应结合流速条件、灭菌频次、维护能力和控制系统接口综合选择，并在安装与信号链路上把好密封、位置和核对三道关。