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Messen von gel?stem 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 zuverl?ssige, nicht-invasive Messung von gel?sten Gasen in mikrofluidischen Vorrichtungen ist ein wichtiger und schwieriger Aspekt für biologische Anwendungen. Das PreSens pCO2 mini und chemisch-optischen CO2 Sensoren k?nnen Kohlendioxid in der zirkulierenden Flüssigkeit in diesen Ger?ten nicht-invasiv messen. Die Leistung des pCO2 mini Systems hat gezeigt, dass es ein kommerziell erh?ltliches Severinghaus-System hinsichtlich Konsistenz, Reaktionsgeschwindigkeit und Anwendungsflexibilit?t deutlich übertrifft.
Das PreSens pCO2 mini Kohlendioxid-Messsystem erm?glicht die nicht-invasive Messung von gel?sten Kohlendioxidkonzentrationen in L?sung. Der kleine CO2 Sensor Spot, der in Kontakt mit der L?sung kommt, nimmt nur sehr kleines Volumen ein und hat ein dünnes Profil mit ungef?hr 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 Ger?te in biologische Anwendungen sind die Reaktionszeit und die F?higkeit, kleine Ver?nderungen der Gaskonzentration zu detektieren, sehr wichtig. Die Konzentrationen an gel?stem Gas in den zirkulierenden Medien müssen innerhalb eines physiologischen Bereichs liegen, um die geeignete Umgebung für die zellul?ren Komponenten aufrechtzuerhalten. Eine schnelle Reaktionszeit ist entscheidend für die Schaffung eines Feedback-Mechanismus, der eine schnelle Anpassung der Gaskonzentrationen erm?glicht. Die kleinen Volumen der in den mikrofluidischen Vorrichtungen verwendeten Medien schlie?en eine Medienentnahme für die Analyse aus, so dass die F?higkeit 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 F?higkeit hin untersucht, sich ?ndernde Konzentrationen von gel?stem CO2 in einer mikrofluidischen Vorrichtung, die in einer mikrofluidischen biologischen Kulturvorrichtung verwendet werden soll, zu überwachen. Zwei Konfigurationen wurden evaluiert: eine Durchflusszelle, die sich au?erhalb 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 erh?ltlichen Severinghaus CO2 Sensor mit 1/16 " ID Viton?-Schl?uchen, 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 Acryloberfl?che der mikrofluidischen Vorrichtung, geklebt. In einer stromaufw?rts 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 ?l/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 str?mender Flüssigkeit in der Gasübertragungskammer gel?ste 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 ?l/min gegenüber der Sensordurchflusszelle vom Severinghaus-Typ viel schneller. Die Ansprechzeit für den PreSens Sensor war ungef?hr 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 ben?tigte. Die Gleichgewichtswerte des PreSens CO2 Sensors waren stabil und wiederholbar, w?hrend die Sensorantwort des Severinghaus-Sensors driftete. Es gab w?hrend der gesamten Messperiode keine beobachtbare Drift in der PreSens Sensorantwort, wogegen der Severinghaus-Sensor eine Drift von ungef?hr 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 ?berwachung 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 ge?ndert wurde, aus der Kohlendioxid in die rezirkulierende Flüssigkeit diffundierte, und somit die Konzentration an gel?stem Gas ver?nderte. In der mikrofluidischen Vorrichtung mit einer sehr niedrigen Flussrate von 30 ?l/min war die PreSens CO2 Sensor Spot Antwort wiederholbar und zeigte eine vollst?ndige Antwort in etwa 10 Minuten. Bei einer ?nderung der Konzentration des gel?sten 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 vollst?ndige Reaktionszeit umfasst nicht nur die Reaktionszeit des Sensors, sondern auch die Zeitspanne, die die Flüssigkeit ben?tigte, um nach einer Gaskonzentrations?nderung bei dieser niedrigen Flussrate im Flie?system einen stabilen Zustand zu erreichen.
Zusammenfassung
Die chemisch-optischen CO2 Sensoren von PreSens haben gezeigt, dass sie den Kohlendioxidsensor vom Typ Severinghaus hinsichtlich Wiederholbarkeit, Stabilit?t und Reaktionszeit bei Anwendungen mit kleinem Volumina und niedriger Durchflussrate deutlich übertreffen. Darüber hinaus erm?glichte das PreSens pCO2 mini System das nicht-invasive Auslesen eines Sensor Spots in einem mikrofluidischen Ger?t, was mit dem kommerziellen Severinghaus-Sensor nicht m?glich war. Das pCO2 mini System misst effektiv, schnell und reproduzierbar gel?ste Kohlendioxidkonzentrationen in der mikrofluidischen Vorrichtung und ist eine praktikable Option zur Messung von gel?sten Kohlendioxidkonzentrationen für mikrofluidische Anwendungen, einschlie?lich Body-on-a-Chip-Vorrichtungen.