Mikrofluidik Messung von gelösten Gasen in mikrofluidischen Einheiten

Die zuverlässige, nicht-invasive Messung von gelösten Gasen ist beim Einsatz von mikrofluidischen Einheiten in biologischen Anwendungen ein wichtiger, aber auch schwieriger Aspekt. Ein neues Messgerät verspricht nun Abhilfe.

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PreSens - Precision Sensing GmbH

Mikrofluidische Einheiten für biologische Anwendungen erlauben nur ein geringes Volumen an Kulturmedium und sehr niedrige Durchflussraten. So wird eine Minimierung benötigter Reagenzien erreicht. Allerdings stellt es eine Herausforderung dar, die Konzentrationen verschiedener Stoffe in diesen geringen Mengen an Kulturmedium zu messen. Für die biologische Anwendung von mikrofluidischen Einheiten ist es von großer Bedeutung, bereits kleine Änderungen in der Konzentration verschiedener, im Medium gelöster Gase entsprechend schnell bestimmen zu können.

Um eine passende Umgebung für die zellulären Komponenten zu gewährleisten, muss das Niveau von gelösten Gasen im zirkulierenden Medium im physiologischen Bereich liegen. Entscheidend ist die schnelle Ansprechzeit von Sensoren, um einen Feedback-Mechanismus zu entwickeln, der die prompte Anpassung der Gaskonzentrationen ermöglicht. Die kleinen Volumina an Kulturmedium, die in mikrofluidischen Geräten verwendet werden, ermöglichen keine Entnahme von Proben für Analysen.

Die Möglichkeit ein nicht-invasives Überwachungssystem einzusetzen, spielt daher eine entscheidende Rolle, bei der Entwicklung derartiger Geräte. Der entsprechende Sensor darf allerdings nur eine begrenzte Menge des zu messenden Gases verbrauchen – nicht nur wegen der kleinen Mengen an Medium, sondern auch wegen der niedrigen Durchflussraten in mikrofluidischen Einheiten.

Kohlendioxid nicht-invasiv bestimmen

Das pCO2 mini von Presens kann zusammen mit chemisch optischen CO₂-Sensoren Kohlendioxid in der Umlaufflüssigkeit eines solchen Systems nicht-invasiv bestimmen. Tests zeigten, dass das Gerät im Bezug auf die Stabilität der Messergebnisse, Ansprechzeit und Flexibilität bei der Anwendung, ein handelsübliches elektrochemisches Messsystem signifikant an Leistung übertrifft.

Es hat nur einen Durchmesser von 5 mm und eine Dicke von 1 mm. Auf diese Weise nimmt der CO₂-Sensor-Spot sehr wenig Platz ein, wenn er mit der Lösung in Kontakt gebracht wird.

In den folgenden Tests wurde geprüft, ob das pCO2 mini dazu geeignet ist, sich ändernde Konzentrationen an gelöstem CO₂ in einer mikrofluidischen Einheit zu messen, die später in einem mikrofluidischen biologischen Kultivierungsgerät zum Einsatz kommen soll.

Zwei Anordnungen wurden hierbei getestet. Zum einen wurde eine Durchflusszelle mit integriertem CO₂-Sensor außerhalb der mikrofluidischen Einheit angebracht, zum anderen wurde ein CO₂-Sensor-Spot direkt in die Einheit selbst integriert. Die Wiederholbarkeit der Messungen und Ansprechzeit des Sensors wurden gemessen und mit einer handelsüblichen Severinghaus-Elektrode verglichen.

Sensoren in mikrofluidischen Einheiten

Zur Messung von gelöstem Kohlendioxid wurde die CO₂-Durchflusszelle mit integriertem, chemisch optischem Sensor von Presens in Serie mit einer handelsüblichen Severinghaus-Durchflusszelle angebracht. Dazu wurden Viton-Verbindungsschläuche (1/16“ ID) verwendet, die ausgewählt worden waren, um den Gastransport durch das Schlauchmaterial zu minimieren. Mit CO₂ versetztes Wasser in zwei unterschiedlichen Konzentrationen (5 % und 10 % pCO₂) wurde abwechselnd mit einer peristaltischen Pumpe und einer Rate von 900 µl/min durch die Durchflusszellen mit den Sensoren gepumpt. Beide Sensoren wurden unter Verwendung dieser Flüssigkeiten kalibriert.

Der chemisch optische Sensor wurde mit nur einer der Flüssigkeiten kalibriert. Dazu steht in der Software eine 1-Punkt-Kalibrierung zur Verfügung, die nach Eingabe von Herstellerdaten einer Werkskalibrierung, durchgeführt wurde. Das pCO2 mini übertrug die Daten der Durchflusszelle auf einen PC, während ein Labtrax-Datenerfassungsmodul die Messwerte des Severinghaus-Sensors auf einen Rechner speicherte. Um das Verhalten eines chemisch optischen CO₂-Sensors innerhalb der mikrofluidischen Einheit zu testen, wurde in einer speziell dafür vorgesehenen Kammer auf der Innenseite der Acrylwand, ein Sensor-Spot mit Kwiksil-Silikonkleber angebracht.

Eine Vorkammer im Inneren der Einheit diente dem Gastransfer, wobei CO₂ von einer gasgefüllten Kammer durch eine PDMS-Membran in das durch das Gerät gepumpte Wasser diffundierte. Der CO₂-Gehalt in der gasgefüllten Kammer wurde zwischen 5 % und 10 % gewechselt. Eine sehr viel kleinere Durchflussrate von 30 µm wurde gewählt, um den üblichen Durchflussraten in mikrofluidischen Einheiten zu entsprechen. Diese Anordnung erzeugte CO₂-Niveaus in der strömenden Flüssigkeit, die unter der Gleichgewichtskonzentration lagen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die strömende Flüssigkeit nur einen sehr begrenzten Zeitraum innerhalb der Gastransferkammer befand.

Messungen von CO₂ in einer mikrofluidischen Einheit

Sowohl die Wiederholbarkeit der Messungen, als auch die Ansprechzeit der chemisch optischen Durchflusszelle waren bei einer Durchflussrate von 900 µl/min signifikant besser als die der elektrochemischen Durchflusszelle vom Severinghaus-Typ (s. Abb. 2). Die Ansprechzeit des chemisch optischen Sensors betrug etwa nur die Hälfte der Ansprechzeit des Severinghaus-Sensors, wobei der chemisch optische Sensor 99 % des endgültigen Wertes nach 3,7 min anzeigte, im Vergleich zu 7,8 min beim elektrochemischen Sensor. Die Werte des chemisch optischen CO₂-Sensors im stationären Zustand waren gleichmäßig und wiederholbar während der ganzen Messzeit. Die Sensorantwort des Severinghaus-Sensors dagegen zeigte Schwankungen von etwa 10 torr. Darüber hinaus sprangen die Werte dieses Sensortyps, pendelten sich aber üblicherweise innerhalb von Sekunden wieder ein. Mindestens einmal jedoch dauerte dieser Prozess mehrere Minuten. Im Gegensatz dazu war der Verlauf der Messungen mit dem chemisch optischen Sensor kontinuierlich und ebenmäßig. Außerdem war die Ansprechzeit schneller.

Der Severinghaus Sensor war nur als Durchflusszelle erhältlich, was eine nicht-invasive Messung im Inneren der mikrofluidischen Zelle nicht möglich machte. Die chemisch optische Messmethode dagegen ist auf nicht-invasive Messungen ausgelegt und der entsprechende Sensor konnte einfach im Inneren des Gerätes angebracht werden. Die Sensorantwort des chemisch optischen Sensorsystems ist in Abbildung 3 dargestellt, wobei über Diffusion die Gaskonzentration an gelöstem CO₂ im durchfließenden Medium geändert wurde. In einer mikrofluidischen Einheit mit sehr geringer Durchflussrate zeigte der chemisch optische Sensor wiederholbare Messergebnisse und eine volle Sensorantwort innerhalb von 10 min. Bei einer Änderung der Konzentration von gelöstem CO₂ von 13,5 torr, war die Standardabweichung des stationären Zustandes bei hohen und niedrigen Konzentrationen entsprechend 0,4 und 0,2 torr. Die erwarteten Werte, in der Grafik als gestrichelte Linie dargestellt, sind leicht abweichend von den Werten, die mit dem Sensor-Spot gemessen wurden. Dies kann an der Verwendung der einfachsten Kalibriermethode – der 1-Punkt-Kalibrierung – liegen. Die 10 min um den vollen Wert zu erhalten, zeigen nicht nur die Ansprechzeit des Sensors, sondern auch die Zeit, die die Flüssigkeit brauchte, um wieder eine konstante CO₂-Konzentration zu erreichen, nachdem die Gaskonzentration geändert worden war.

Chemisch optische Sensoren als Lösung für die Mikrofluidik

Die chemisch optischen Sensoren zeigten signifikant besseres Verhalten als der Severinghaus-Sensor bei der Messung von gelöstem CO₂, was Wiederholbarkeit, Stabilität und Ansprechzeit in kleinen Volumina mit geringer Durchflussrate betrifft. Zusätzlich erlaubte das System pCO2 mini das Einbringen eines Sensor-Spots für nicht-invasive Messungen direkt in die Zelle, was mit der elektrochemischen Messmethode nicht möglich war.

Mit diesem chemisch optischen Messsystem konnte effizient der Gehalt an gelöstem CO₂ in mikrofluidischen Geräten gemessen werden. Es stellt somit eine funktionsfähige Option für derartige Anwendungen, wie etwa in Body-On-A-Chip-Geräten, dar.

* C. Long, W. Anderson, C. Finch, J. Hickman: Nano Science Technology Center, University of Central Florida/USA

* **Dr. G. John:Presens Precision Sensing GmbH, 93053 Regensburg

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