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Messen von gelöstem Kohlendioxid in mikrofluidischen Vorrichtungen für die biologischen Anwendung mittels einer Durchflusszelle
Christopher Long, Wesley Anderson, Craig Finch, and James Hickman
Nano Science Technology Center, University of Central Florida, Orlando, FL, USA
Die zuverlässige, nicht-invasive Messung von gelösten Gasen in mikrofluidischen Vorrichtungen ist ein wichtiger und schwieriger Aspekt für biologische Anwendungen. Das PreSens pCO2 mini und chemisch-optischen CO2 Sensoren können Kohlendioxid in der zirkulierenden Flüssigkeit in diesen Geräten nicht-invasiv messen. Die Leistung des pCO2 mini Systems hat gezeigt, dass es ein kommerziell erhältliches Severinghaus-System hinsichtlich Konsistenz, Reaktionsgeschwindigkeit und Anwendungsflexibilität deutlich übertrifft.
Das PreSens pCO2 mini Kohlendioxid-Messsystem ermöglicht die nicht-invasive Messung von gelösten Kohlendioxidkonzentrationen in Lösung. Der kleine CO2 Sensor Spot, der in Kontakt mit der Lösung kommt, nimmt nur sehr kleines Volumen ein und hat ein dünnes Profil mit ungefähr 5 mm Durchmesser und 0,1 mm Dicke. Mikrofluidische Vorrichtungen für biologische Anwendungen begrenzen die Kulturmedien auf kleine Volumina und kleine Flussraten, wodurch der Verbrauch von Reagenzien minimiert wird. Die kleinen Volumina sind jedoch eine Herausforderung bei der Konzentrationsmessung verschiedener chemischer Spezies in den Medien. Für mikrofluidische Geräte in biologische Anwendungen sind die Reaktionszeit und die Fähigkeit, kleine Veränderungen der Gaskonzentration zu detektieren, sehr wichtig. Die Konzentrationen an gelöstem Gas in den zirkulierenden Medien müssen innerhalb eines physiologischen Bereichs liegen, um die geeignete Umgebung für die zellulären Komponenten aufrechtzuerhalten. Eine schnelle Reaktionszeit ist entscheidend für die Schaffung eines Feedback-Mechanismus, der eine schnelle Anpassung der Gaskonzentrationen ermöglicht. Die kleinen Volumen der in den mikrofluidischen Vorrichtungen verwendeten Medien schließen eine Medienentnahme für die Analyse aus, so dass die Fähigkeit des Erfassungssystems, nicht-invasiv zu überwachen, entscheidend ist. Mit den kleinen Volumina und den niedrigen Flussraten, die in diesen mikrofluidischen Vorrichtungen verwendet werden, darf der Sensor nur eine sehr geringe Gas-Verbrauchsrate haben. Das pCO2 mini System wurde auf seine Fähigkeit hin untersucht, sich ändernde Konzentrationen von gelöstem CO2 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, die in einer mikrofluidischen biologischen Kulturvorrichtung verwendet werden soll, zu überwachen. Zwei Konfigurationen wurden evaluiert: eine Durchflusszelle, die sich außerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung befand, und ein Sensor Spot, der in der Vorrichtung angebracht war. Die Wiederholbarkeit und Reaktionszeit wurden gemessen und mit einem handelsüblichen Severinghaus-Sensor verglichen.
Material & Methoden
Die Durchflusszelle mit integriertem CO2 Sensor von PreSens wurde mit einem kommerziell erhältlichen Severinghaus CO2 Sensor mit 1/16 " ID Viton®-Schläuchen, die den Gastransport minimieren sollten, in Reihe geschaltet. Zwei Konzentrationen von begastem Wasser, 5 % und 10 % pCO2, wurden abwechselnd über eine Peristaltikpumpe mit einer Flussrate von 900 μl/min durch die beiden Durchflusszellen mit Sensoren gepumpt. Die beiden Sensoren wurden mit diesen beiden Flüssigkeiten kalibriert. Der PreSens CO2 Sensor wurde mit einer dieser Flüssigkeiten in einer 1-Punkt-Justierung kalibriert, die in der Software nach Eingabe der Prüfdaten aus der Werkskalibrierung gemacht werden kann. Der pCO2 mini Transmitter erfasste die Messwerte der CO2-Durchflusszelle an einem PC und ein LabTrax-Datenerfassungsmodul übertrug die Messwerte der Severinghaus-Durchflusszelle zum Rechner. Zur Bewertung der Leistung des PreSens CO2 Sensor Spots wurde dieser mit Kwik-Sil™ in eine extra für den Sensor vorgesehenen Kammer, auf die Acryloberfläche der mikrofluidischen Vorrichtung, geklebt. In einer stromaufwärts gelegene Gasübertragungskammer innerhalb der Vorrichtung konnte CO2 aus einer gasgefüllten Kammer durch eine PDMS-Membran in das Wasser diffundierte, das durch die Vorrichtung gepumpt wurde. Die Gaskonzentration in der gasgefüllten Kammer wurde zwischen 5 % und 10 % CO2 gewechselt. Eine viel geringere Flussrate von 30 µl/min wurde verwendet, um sie an eine für die mikrofluidischen Vorrichtungen geeignete Flussrate anzupassen. Die Konfiguration des Systems erzeugte aufgrund der begrenzten Verweilzeit eines Volumens von strömender Flüssigkeit in der Gasübertragungskammer gelöste CO2-Niveaus unterhalb der Gleichgewichtskonzentrationen.
Ergebnisse
Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, war die Wiederholbarkeit der PreSens CO2-Durchflusszelle erheblich besser und die Reaktionszeit bei 900 µl/min gegenüber der Sensordurchflusszelle vom Severinghaus-Typ viel schneller. Die Ansprechzeit für den PreSens Sensor war ungefähr doppelt so schnell wie die für den Severinghaus-Sensor, da der PreSens Sensor nach 3,7 Minuten 99 % des Endwerts ablesen konnte, wogegen der Severinghaus-Sensor dazu 7.8 Minuten benötigte. Die Gleichgewichtswerte des PreSens CO2 Sensors waren stabil und wiederholbar, während die Sensorantwort des Severinghaus-Sensors driftete. Es gab während der gesamten Messperiode keine beobachtbare Drift in der PreSens Sensorantwort, wogegen der Severinghaus-Sensor eine Drift von ungefähr 10 Torr aufwies. Die Sensorreaktion des Severinghaus-Typs zeigte auch Sprünge, kehrte aber typischerweise innerhalb weniger Sekunden auf die vorherigen Messwerte zurück, obwohl die Reaktion in mindestens einem Fall für einige Minuten instabil blieb. Im Gegensatz dazu war die PreSens Sensor Spot Antwort glatt und kontinuierlich, mit einer schnelleren Reaktionszeit. Der verwendete Severinghaus-Sensor war nur als Durchflusszelle verfügbar, so dass eine nicht-invasive Überwachung innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung nicht mit diesem Sensortyp durchgeführt werden konnte. Das PreSens pCO2 mini wurde als nicht-invasives Messsystem konzipiert und der Sensor konnte somit problemlos in die Vorrichtung integriert werden. Die Reaktion des PreSens pCO2 mini ist in Abbildung 3 gezeigt, wobei die Gaskonzentration in einer Kammer im Mikrofluidik-Chip geändert wurde, aus der Kohlendioxid in die rezirkulierende Flüssigkeit diffundierte, und somit die Konzentration an gelöstem Gas veränderte. In der mikrofluidischen Vorrichtung mit einer sehr niedrigen Flussrate von 30 µl/min war die PreSens CO2 Sensor Spot Antwort wiederholbar und zeigte eine vollständige Antwort in etwa 10 Minuten. Bei einer Änderung der Konzentration des gelösten Gases von 13,5 Torr betrug die Standardabweichung der stabilisierten Sensorantwort bei den hohen Konzentrationen 0,4 und bei niedrigen Konzentrationen 0,2 Torr. Die erwarteten Werte, die in Abb. 3 als gestrichelte Linien dargestellt sind, unterscheiden sich geringfügig von den gemessenen Werten der PreSens Sensor Spots, wahrscheinlich, weil die einfachste Art der Kalibrierung (1-Punkt) vorgenommen wurde. Die 10-minütige vollständige Reaktionszeit umfasst nicht nur die Reaktionszeit des Sensors, sondern auch die Zeitspanne, die die Flüssigkeit benötigte, um nach einer Gaskonzentrationsänderung bei dieser niedrigen Flussrate im Fließsystem einen stabilen Zustand zu erreichen.
Zusammenfassung
Die chemisch-optischen CO2 Sensoren von PreSens haben gezeigt, dass sie den Kohlendioxidsensor vom Typ Severinghaus hinsichtlich Wiederholbarkeit, Stabilität und Reaktionszeit bei Anwendungen mit kleinem Volumina und niedriger Durchflussrate deutlich übertreffen. Darüber hinaus ermöglichte das PreSens pCO2 mini System das nicht-invasive Auslesen eines Sensor Spots in einem mikrofluidischen Gerät, was mit dem kommerziellen Severinghaus-Sensor nicht möglich war. Das pCO2 mini System misst effektiv, schnell und reproduzierbar gelöste Kohlendioxidkonzentrationen in der mikrofluidischen Vorrichtung und ist eine praktikable Option zur Messung von gelösten Kohlendioxidkonzentrationen für mikrofluidische Anwendungen, einschließlich Body-on-a-Chip-Vorrichtungen.