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Nicht-invasive online CO2-Messung mit chemisch-optischen CO2 Sensoren
Chemisch-optische CO2 bieten ein vielseitiges Werkzeug für die Online-Überwachung von gelöstem CO2 in verschiedenen Maßstäben und Designs
Athanas Apostolidis
PreSens Precision Sensing GmbH, 93053 Regensburg, Deutschland
Eine genaue CO2-Messung in der flüssigen Phase ist seit Jahrzehnten eine Herausforderung. Obwohl die Abgasmessung mittels IR-Spektroskopie eine bewährte Technologie ist, ist die Korrelation der CO2-Konzentrationen in der Gas- und Flüssigphase in biologischen Systemen schwierig.
Das pCO2 mini ist ein präzises faseroptisches CO2 Meter. Es wird mit CO2 Sensoren auf Basis einer 2 mm Glasfaser verwendet und an einen PC angeschlossen, um die einfach zu bedienende Software zu starten. pCO2 mini ist zusätzlich mit einem analogen Ausgang und einem Trigger-Eingang ausgestattet. Das Gerät verfügt außerdem über einen Temperatursensor Pt1000 zur Online-Temperaturmessung und Kompensation des Messsignals. Die Software pCO2 View dient zur Steuerung des pCO2 mini. Die vom Gerät gesendeten Daten werden auf dem Display angezeigt und grafisch in einem Diagramm dargestellt. Die Software beinhaltet Menüs zur kundenspezifischen Kalibrierung von Sensoren sowie die Möglichkeit, mit vordefinierten Kalibrierwerten zu arbeiten. Daten können jederzeit innerhalb einer Messung gespeichert und in MS Excel oder reine ASCII-Dateien exportiert werden. Der Upload gespeicherter Messungen für spätere Auswertungen ist ebenfalls möglich.
CO2 Sensorperformance
Die CO2 Sensoren sind für physiologische Lösungen optimiert. Sie werden mit Gasgemischen definierter CO2-Konzentration kalibriert und mit einem Abnahmeprotokoll ausgeliefert. Der Kunde kann entweder die Werksdaten zur Kalibrierung des pCO2 mini verwenden oder eine eigene Kalibrierung durchführen. Der dynamische Messbereich des CO2 Sensors beträgt 1 % bis 25 % CO2, um den typischen CO2-Werten innerhalb der Zellkultur oder anderer biotechnologischer Anwendungen gerecht zu werden. Sensoren können beta-bestrahlt oder unbehandelt geliefert werden. Autoklavierbare Sensoren sind ebenfalls erhältlich.
Das Messprinzip
Der chemisch-optische Kohlendioxidsensor basiert auf unserem patentierten DLR-Messprinzip [1]. Das Licht der blauen LED regt den Sensor zur Lumineszenz an. Die gemessene Lumineszenzlebensdauer ist eine Überlagerung der Signale eines analytsensitiven Indikators und eines inerten Referenzindikators. Beide Indikatoren haben sehr unterschiedliche Lumineszenzlebensdauer und die Lumineszenz des CO2-sensitiven Indikators wird durch CO2 unterdrückt (siehe (2) in Abb. 4). Das Messsignal korreliert mit dem Partialdruck von Kohlendioxid. Dieses interne Referenzieren kompensiert Intensitätsschwankungen, die z. B. durch Änderungen der Anregungsintensität hervorgerufen werden können.
PreSens CO2 als Alternative zu Offline-Probenahmen[2]
PreSens CO2 Sensoren wurden bei der Überwachung einer Zellkultivierung in einem 3-Liter Bioreaktor evaluiert. Die Sensoren zeigen über einen Zeitraum von 10 Tagen eine ausgezeichnete Langzeitstabilität während der Zellkultivierung von CHO-Zellen mit einer anfänglichen Zelldichte von 0,4 × 106 Zellen/ml, wie in Abb. 5 dargestellt ist. Die Messwerte des PreSens CO2 Sensors korrelierten auch gut mit offline CO2-Messungen. Darüber hinaus bietet der PreSens CO2 Sensor die Möglichkeit, die CO2-Konzentration zwischen zwei Offline-Messungen kontinuierlich zu überwachen.
Referenzen
[1] Patent DLR Nr. EP 1000345 (B1) and Nr. US 6602716 (B1)
[2] Baggio, et al. Physical-Chemical Sensors: Application to Bioreactor Monitoring and Control. ESACT 2009, Dublin, Ireland