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Sensoren für die Online-Überwachung von O2, pH und CO2 in Mikrofluidiken und Millifluidiken

Mikrofluidiken und Millifluidiken - oder die Untersuchung und Manipulation des Flüssigkeitsverhaltens in Mikrokanälen - sind eine aufkommende Technologie, und stellen für verschiedenste Wissenschaftsbereiche, von biologischer und medizinischer Forschung, über Chemie und Ingenieurswesen, bereits effiziente Werkzeuge dar. Mikrofluidikgeräte nutzen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen im Mikrobereich und haben viele Vorteile:

  • Geringeres Probenvolumen, weniger Reagenzverbrauch, Kostenreduktion
  • Minimale Probenhandhabung und geringere Exposition gegenüber gefährlichen Chemikalien
  • Vereinfachtes Prozesshandling für Endbenutzer
  • Multiplexed Assays & Hochdurchsatzanalysen
  • Kompakte Größe & Portabilität
  • Leichtere Automation & Parallelisierung
  • Kürzere Experimentdauer, schnellere Reaktionszeiten
  • Verbesserte Parameterkontrolle & analytische Sensibilität

Ein Mikrofluidik-Chip besteht aus Mikrokanälen die in ein geeignetes Chipmaterial eingegossen oder eingraviert werden. Flüssigkeit wird über Öffnungen eingeleitet oder entnommen. Das Mikrokanal-Design muss an die entsprechende Anwendung angepasst werden, um die gewünschte Funktionalität zu erhalten.

Ein Ziel in der Mikrofluidik ist es, Laborroutinen in ein Gerät zu integrieren und ein Lab-on-a-Chip (LOC) zu schaffen. Die Entwicklung in diesem Bereich hat bereits große Fortschritte gemacht und ermöglicht es Mikrofluidiken in vielen Forschungsbereichen einzusetzen.
Vor allem die medizinische Forschung kann von Untersuchungen im Mikromaßstab profitieren. Dabei wird darauf hingearbeitet 3D Zellkulturen in Mikrofluidik-Geräten zu schaffen und Schlüsselfunktionen lebender Organe nachzubilden - Organs-on-a-Chip. Verglichen mit herkömmlicher Zellkultur sind Mikrofluidiken in der Lage Mikroumgebungen ebenso wie deren Einfluss auf die Organfunktion zu simulieren.

Mikrofluidik-Chips für Zellkulturen zu verwenden hat viele Vorteile, aber hält auch einige Herausforderungen bereit. Da die Zellen im Chip eingeschlossen und von der Umgebung getrennt sind, ist eine direkte Überwachung von wichtigen Kulturparametern wie O2, pH und CO2 sehr schwierig. Chemisch-optische Sensoren eignen sich perfekt für die Überwachung in Mikrofluidiken:

  • Verschiedene Formate für unterschiedliche Mikrofluidik- und Millifluidik-Geräte
  • Nicht-invasives Auslesen durch transparentes Chip-Material
  • Überwachung in kleinen Volumina, keine Probenahme
  • Das Signal ist unabhängig von der Fließgeschwindigkeit
  • Kein Verbrauch der Anlayten

Die Fluorophore in all unseren unterschiedlichen Sensorformaten sind immobilisiert und in eine gut biokompatible Polymermatrix eingebettet. Dies verhindert ein Auslaufen des Farbstoffes und jegliche Einflüsse auf lebende Proben, die bei der Verwendung von reinem Farbstoff oder Nanopartikeln auftreten können, was vor allem bei Organ-on-a-Chip Anwendungen besonders wichtig ist.

Im Folgenden werden unsere Grund-Konfigurationen für Mikro- und Millifluidikanwendungen beschrieben:

SensorPlugs und faseroptische Messgeräte

SensorPlugs wurden speziell für Mikrofluidik- und Millifluidikanwendungen entwickelt. Der Sensor ist an der Spitze eines Plugs angebracht, der über einen entsprechenden Port in den Chip eingebracht werden kann, so dass der Sensor mit der Probe im Kanal in Kontakt ist. Die Standardversion des Plugs basiert auf einem Mini-Luer Plug, an dem ein 2 mm Sensor Spot angebracht ist. OEM Versionen für andere Ports sind ebenfalls erhältlich. Jeder SensorPlug wird mit einem zusätzlichen einfachen Plug geliefert, so dass man den Port auch einfach verschließen kann ohne einen SensorPlug für die Überwachung auf dem Chip zu haben. SensorPlugs werden vorkalibriert und beta-bestrahlt geliefert.

Der Kanaldurchmesser muss an der Überwachungsstelle mindestens 2 mm betragen, so dass der komplette Sensor Spot mit der Probe in Kontakt steht. Der Plug schließt den Port ab, sobald er eingesteckt wird, und die Spitze mit dem Sensor steht in den Kanal hinein leicht über.

SensorPlugs sind ideal geeignet, wenn beim Chip-Design einige Freiheiten bestehen. Sobald die entsprechenden Ports vorhanden sind, kann die Überwachung mit SensorPlugs problemlos mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit durchgeführt werden.

Aufbau

  • Kompaktes faseroptisches Messgerät + POF + SensorPlug + PreSens Measurement Studio 2 Software

Sensorfolien und das VisiSens™ Imaging System

Planare Optoden können während des Zusammenbaus, als eine zusätzliche Schicht zwischen dem Boden und dem Deckel, über die ganze Chipfläche und die komplette Kanalstruktur integriert werden. Die Kanalgeometrie wird dadurch nicht verändert, und ist vor allem während des Entwerfens eines Chips sehr nützlich um Gradienten und Mischeffizienz zu untersuchen, oder Gradienten-Chips allgemein.  Zellen können direkt auf die Folie ausgesät werden. Es könnte eine Vorbehandlung nötig sein, um die Zellanhaftung zu vereinfachen.

Das Imaging basiert auf FRIM und die VisiSens™ Detektoreinheiten werden verwendet um das Signal zweidimensional auszulesen. Die entsprechende Software unterstützt den Kalibrierprozess und die erste Bildauswertung, ebenso wie den Export in Standard-Bildauswertungswerkzeuge wie ImageJ. Eine Kalibrierung muss im entsprechenden Aufbau vorgenommen werden. Die Folien können nicht mit konventioneller Mikroskopie kombiniert werden. Es kann eine maximale räumliche Auflösung von 25 µm erreicht werden (O2 Sensorfolie SF-RPSu4 ohne optische Isolationsschicht).

Aufbau

  • VisiSens™ Detektoreinheit + Sensorfolie + VisiSens™ AnalytiCal Software + Adapter Tubus (optional)

Durchflusszellen und faseroptische Messgeräte

Durchflusszellen (flow-through cells = FTCs) mit integrierten optischen O2, pH oder CO2 Sensoren können in die Schläuche am Inlet und Outlet des Mikrofluidik-Chips integriert werden. Über eine optische Polymerfaser werden die FTCs mit kleinen Messgeräten verbunden. Die Messgeräte werden über eine Software gesteuert, die es erlaubt die Messungen online zu verfolgen. FTCs sind in verschiedenen Formaten mit unterschiedlichem Innenvolumen erhältlich, beginnend bei 2,1 µl. Auch beta-bestrahlte Durchflusszellen sind erhältlich.

Aufbau

  • Kompaktes faseroptisches Messgerät + Durchflusszelle + PreSens Measurement Studio 2 Software

Sensor Spots und faseroptische Messgeräte

O2, pH und CO2 Sensor Spots können vor dem Verschließen direkt in die Kanäle (oben oder unten) des Chips durch Einkleben integriert werden. Der Durchmesser und die Dicke des Spots müssen berücksichtigt werden, ebenso wie die Sterilität und Reinigung. Sensor Spots können beta-bestrahlt geliefert werden. Autoklavieren ist nicht möglich, oder eher, autoklavierbare Spots sind für Mikrofluidiken nicht geeignet, da sie mehrere Millimeter dick sind. Spots, die für Mikrofluidik in Frage kommen, haben einen Durchmesser beginnend bei 2 mm, und sie sind mindestens 75 µm dick. Die Spots werden über eine optische Polymerfaser, die gegenüber dem Spot an der Außenseite des Chips positioniert wird, ausgelesen. Die Faser ist mit dem entsprechenden Messgerät verbunden, das über eine mitgelieferte Software gesteuert wird.

Aufbau

  • Kompaktes faseroptisches Messgerät + POF + Sensor Spots + PreSens Measurement Studio 2 Software

Mikrosensoren und faseroptische Messgeräte

O2 und pH Mikrosensoren basieren auf sehr dünnen Glasfasern, bei denen das Sensormaterial an der Spitze angebracht ist. Die Fasern sind in Edelstahlkanülen integriert. Diese Sensoren sind sehr fragil und normalerweise nur für die Verwendung in weichen PDMS Chips geeignet, bei denen das Chipmaterial direkt mit der Kanüle durchstochen werden kann. Die Sensorspitze wird dann in den Kanal hinein ausgefahren um mit der Probe in Kontakt zu kommen. Der kleinste Spitzendurchmesser dieser Sensoren ist 50 µm.

Aufbau

  • Kompaktes faseroptisches Messgerät + Optischer Mikrosensor in Nadelbausweise + PreSens Measurement Studio 2 Software
Aufbau zur Messung mit optischen Mikrosensoren in Mikrofluidiken

OEM Komponenten

Alle PreSens Sensoren - ob Spots, FTCs, Mikrosensoren oder SensorPlugs - können auch mit speziellen Elektro-Optischen Modulen (EOMs) verwendet werden. Diese Boards können in speziell angepasste Kontrolleinheiten eingebaut werden. PreSens bietet dazu Softwarelösungen und Kommunikationsprotokolle, so dass die Sensordaten in Ihre Mikrofluidik-Kontrollen mit eingebettet werden können.

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