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Nicht-invasive online CO2-Messung mit chemisch-optischen CO2 Sensoren
Chemisch-optische CO2 bieten ein vielseitiges Werkzeug für die Online-?berwachung von gel?stem CO2 in verschiedenen Ma?st?ben 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 bew?hrte Technologie ist, ist die Korrelation der CO2-Konzentrationen in der Gas- und Flüssigphase in biologischen Systemen schwierig.
Das pCO2 mini ist ein pr?zises 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 zus?tzlich mit einem analogen Ausgang und einem Trigger-Eingang ausgestattet. Das Ger?t verfügt au?erdem über einen Temperatursensor Pt1000 zur Online-Temperaturmessung und Kompensation des Messsignals. Die Software pCO2 View dient zur Steuerung des pCO2 mini. Die vom Ger?t gesendeten Daten werden auf dem Display angezeigt und grafisch in einem Diagramm dargestellt. Die Software beinhaltet Menüs zur kundenspezifischen Kalibrierung von Sensoren sowie die M?glichkeit, mit vordefinierten Kalibrierwerten zu arbeiten. Daten k?nnen jederzeit innerhalb einer Messung gespeichert und in MS Excel oder reine ASCII-Dateien exportiert werden. Der Upload gespeicherter Messungen für sp?tere Auswertungen ist ebenfalls m?glich.
CO2 Sensorperformance
Die CO2 Sensoren sind für physiologische L?sungen 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 betr?gt 1 % bis 25 % CO2, um den typischen CO2-Werten innerhalb der Zellkultur oder anderer biotechnologischer Anwendungen gerecht zu werden. Sensoren k?nnen beta-bestrahlt oder unbehandelt geliefert werden. Autoklavierbare Sensoren sind ebenfalls erh?ltlich.
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 ?berlagerung 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 Intensit?tsschwankungen, die z. B. durch ?nderungen der Anregungsintensit?t hervorgerufen werden k?nnen.
PreSens CO2 als Alternative zu Offline-Probenahmen[2]
PreSens CO2 Sensoren wurden bei der ?berwachung einer Zellkultivierung in einem 3-Liter Bioreaktor evaluiert. Die Sensoren zeigen über einen Zeitraum von 10 Tagen eine ausgezeichnete Langzeitstabilit?t w?hrend der Zellkultivierung von CHO-Zellen mit einer anf?nglichen 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 M?glichkeit, 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