Optisches Messprinzip eröffnet neue Möglichkeiten

Sensoren für O2, pH, CO2 & Biomasse in Forschung & Industrie

  • Optisches Messprinzip eröffnet  neue MöglichkeitenOptisches Messprinzip eröffnet neue Möglichkeiten
  • Optisches Messprinzip eröffnet  neue Möglichkeiten
  • Abb. 1: Unterschiedliche Bauformen der Sensoren (Credit: Presens).

Seit den späten 90er Jahren sind chemisch-optische Sensoren kommerziell erhältlich und haben sich mittlerweile als Messinstrumente für Laboranwendungen etabliert. Während sie in den Anfängen hauptsächlich für Forschungszwecke eingesetzt wurden, hat kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologie nach und nach hochmoderne Überwachungsgeräte für industrielle Anwendungen hervorgebracht. Das optische Messprinzip macht es möglich, diese Sensoren in verschiedensten Ausführungen und für unterschiedlichste Anwendungsbereiche – auch Einweg-Anwendungen – herzustellen. Mit ihnen können wichtige Parameter in Echtzeit im Mikro- als auch im Makrobereich gemessen werden.

In industriellem Maßstab ist die kontinuierliche Überwachung und Kontrolle von Kultivierungsparametern längst gängige Praxis. Gerade in diesem Bereich des Prozess-Monitorings ersetzen faseroptische Sauerstoffsensoren immer mehr die üblichen Elektroden. Optische pH und gelöste CO2-Sensoren sind hauptsächlich für Einweg-Anwendungen und nicht-invasive Messungen in physiologischen Lösungen geeignet. Auch wenn Elektroden dort weiterhin die Standardanalytik darstellen, sind diese gerade für kleinformatige Kulturgefäße oft zu groß und unhandlich. Deshalb wurde in der Vergangenheit die Überwachung kleinformatiger Kulturen oft vernachlässigt, oder musste mühsam über Probenahme oder Endpunktanalysen bewerkstelligt werden. Optische Sensoren lassen sich dagegen sehr leicht verkleinern und eröffnen ganz neue Möglichkeiten um in kleinen Maßstäben oder in Einwegbehältern zu messen.

Das Messprinzip
Die Vielseitigkeit optischer Sensoren beruht auf ihrem fluoreszenzbasierten Messprinzip. Ein nicht-toxischer Farbstoff, der auf den zu messenden Analyten reagiert, wird mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt und emittiert daraufhin Fluoreszenz. Dieses Fluoreszenzsignal verändert sich je nach Anzahl an vorhandenen Analytmolekülen. Die Veränderungen im Signal lassen sich mit dem entsprechenden opto-elektronischen Messgerät auslesen und in Konzentrationswerte umrechnen. Um das Anregungslicht zum Sensor und die entsprechende Sensorantwort zurück zum Messgerät zu übertragen, wird eine optische Faser verwendet.

Der fluoreszierende Farbstoff ist in ein Polymer eingebettet und kann auf verschiedenste Materialien aufgetragen werden, so dass sich unterschiedliche Sensorausführungen herstellen lassen.

Für Sensorfolien oder kleine Sensor Spots, üblicherweise mit einem Durchmesser von 5 mm, wird der Farbstoff auf eine Polyesterunterlage aufgetragen. Das Sensormaterial kann aber auch direkt an das Ende einer optischen Faser angebracht werden, um so ultradünne Mikrosensoren für Profiling und hochauflösende Messungen zu schaffen. Auch Tauchsonden in unterschiedlichen Abmessungen sind erhältlich, bei denen die optische Faser und der Sensor in ein Stahlgehäuse integriert sind (Abb. 1). Diese robusten Sonden sind autoklavierbar, und können zur Überwachung in Stahlfermentern oder großen Bioreaktoren eingesetzt werden.

Nicht invasive Messungen in kleinen Kulturgefäßen
Die herausragende Eigenschaft optischer Sensoren ist die Möglichkeit nicht invasiv zu messen. Da die Signalübertragung optisch erfolgt, kann durch transparente oder halb-transparente Materialien hindurch gemessen werden. Sensor und Auslesegerät stehen dabei in keinem direkten Kontakt. Dazu wird ein Spot an die Innenwand eines Behälters, Kulturgefäßes oder optischen Sichtfenster angebracht, wo er in Kontakt mit dem zu messenden Medium ist. Selbstklebende Spots erleichtern dabei die Integration, da sie einfach an der gewünschten Stelle wie ein Aufkleber befestigt werden können. Die optische Faser wird dann gegenüber des Spots an die Außenwand gehalten, und das Sensorsignal durch die Gefäßwand oder das Fenster ausgelesen. Diese Form der berührungslosen Messung macht optische Sensoren so interessant für viele Laboranwendungen, da kontinuierlich und ganz ohne Sampling oder Kontaminationsgefahr gemessen werden kann. Optische Sensor Spots sind so klein, dass sie Strömungsmuster und Flussgeschwindigkeit in gerührten oder geschüttelten Kulturen nicht stören. Verschiedene, gängige Kulturgefäß-Formate mit bereits integrierten optischen Sensoren sind kommerziell erhältlich. Diese Einweg-Gefäße können sofort benutzt und mit kleinen Einkanal- Messgeräten oder speziellen Messsystemen, für die direkte Anwendung in Inkubatoren und Schüttlern, ausgelesen werden. Durch kabellose Datenübertragung zu einem PC können mit diesen Systemen mehrere Parameter in einer Vielzahl von Gefäßen gleichzeitig überwacht werden. Die neueste Entwicklung in diesem Bereich ist ein Auslesegerät, das die Biomasse in Schüttelkolben durch Streulichtmessung bestimmt, während es gleichzeitig die Daten von integrierten optischen Sensoren im Kolben aufzeichnet. Mikrotiterplatten, Erlenmeyer Kolben, Zellkulturflaschen oder -röhrchen, verschiedenste Formate können mit diesen Geräten überwacht werden. Sie sind ideal geeignet für Hochdurchsatz-Screenings, Medienoptimierung oder zur Untersuchung von Vorkulturen. Optische Spots lassen sich auch so weit verkleinern, dass sie in ein T-Stück integriert werden können, um so Durchflusszellen zur nicht invasiven Überwachung von Perfusionssystemen herzustellen. Diese Zellen können beispielsweise in Bypässe oder den Zu- und Abfluss von Perfusionsbioreaktoren integriert werden. Spezielle Imaging-Geräte in Kombination mit optischen Sensorfolien ermöglichen zudem auch die zweidimensionale Erfassung von ganzen Sensorbereichen, so dass Gradienten visualisiert und gemessen werden können, was besonders für Untersuchungen in Mikrofluidiken oder Zellkulturen interessant ist.

Mikroprofiling und hochaufgelöste Messungen
Optische pH- und Sauerstoff-Mikrosensoren werden schon seit längerem in der medizinischen und biologischen Forschung eingesetzt. Mit winzigen Sensorspitzen, bis hin zu nur 50 µm Durchmesser, können genaueste Punktmessungen durchgeführt werden. Darüber hinaus haben diese Sensoren eine sehr schnelle Ansprechzeit. Die sogenannten bare fiber Mikrosensoren, bei denen die Faser mit Sensorspitze in kein Gehäuse eingebaut ist, können in individuell angepasste Messaufbauten oder Katheter integriert werden. Da die feine Sensorspitze sehr empfindlich ist, sind Mikrosensoren in Nadelgehäusen aber die gängigere Ausführung. Bei diesen Sensoren wird die Faser von einer Stahlkanüle geschützt, die durch ein Septum, Verpackungsmaterial oder Gewebeschichten gestochen werden kann. Die Faser mit Sensorspitze wird dann direkt am Messpunkt ausgefahren. Seit kürzerem sind aber auch spezielle Profiling-Mikrosensoren erhältlich, die mit einer stabileren, widerstandsfähigeren Faser konstruiert sind. Kombiniert mit Mikromanipulatoren kann man mit diesen Sensoren genaues Mikroprofiling z. B. in gezüchtetem Gewebe oder der Tumorforschung durchführen. Da optische Sensoren den Analyten während der Messung nicht verbrauchen, sind sie ideal für die Messung in kleinsten Probevolumina geeignet. So können schnell Qualtitätskontrollen in Verpackungen von Pharmazeutika gemacht, oder Gradienten in kleinsten Zellkulturen und Gewebekonstrukten überwacht werden.

Überwachung und Kontrolle in industriellen Anwendungen
Optische Tauchsonden mit stabilem Stahlgehäuse benötigen weniger Wartungsaufwand als klassische Elektroden. Es muss keine Membran gereinigt oder Elektrolyt ersetzt werden. Die Sonden gibt es in verschiedenen Längen und unterschiedlichen Durchmessern und sie sind mit den meisten Ports oder Portadaptern kompatibel. Sie können autoklaviert werden und eignen sich für die Anwendung in großen Bioreaktoren oder zur In-Line Messung in Leitungen während der Produktion. Optische Tauchsonden können an Messgeräte mit Wandhalterung angeschlossen werden, die direkt mit der Kontrolleinheit verbunden sind, so dass eine wartungsarme, durchgängige Bioprozesskontrolle im industriellen Maßstab möglich ist. Es gibt auch optische Proben bei denen das elektro-optische Lesegerät direkt im Sonden-Gehäuse mit eingebaut ist und die, ohne das Zwischenschalten eines externen Lesegerätes, an den Controler angeschlossen werden können. Der optische Sensor der in diesen Sonden verbaut ist, ist in eine abnehmbare Stahlkappe integriert, so dass eine verbrauchte Sensorkappe einfach ausgetauscht werden kann, ohne gleich die ganze Sonde ersetzen zu müssen. Diese Kappen sind in verschiedenen, auf spezielle Anwendungen zugeschnittenen Ausführungen erhältlich, wie etwa USP Klasse VI kompatible oder für Nahrungsmittelanwendungen zugelassene Sensoren. Auch für die Messung in Flüssigkeiten gibt es spezielle Sensorkappen die eine Bildung von Luftblasen an der Sondenspitze reduzieren. Diese Vielseitigkeit macht optische Tauchsonden für viele Anwendungen in der Industrie und Forschung zu einem idealen Messwerkzeug.

Durch die vielen verschiedenen Sensorausführungen in Kombination mit kleinen, spezialisierten Auslesegeräten, die in jeden Messaufbau passen, sind optische Sensoren eine Lösung für die Echtzeitüberwachung von Kulturen von kleinstem Maßstab bis hin zu industriellen Prozessen. Im Vergleich zu Endpunktanalysen und Probenahmen ermöglichen diese Sensoren einen großen Schritt hin zu mehr ökonomischen und Ressourcen schonenden Arbeitsabläufen. Die durchgängige Kontrolle von lebensnotwendigen Parametern ermöglichen ganz neue Einsichten in metabolische Abläufe. Von der Gradientenanalyse im Mikrometer-Bereich, über hoch parallelisierten Messungen in Screenings oder während des Hochskalierens von Bioprozessen, bis hin zu industriellen Anwendungen können die vielen Vorteile optischer Sensoren einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis und durchgängiger Qualität leisten.

Zugehörigkeit
PreSens Precision Sensing GmbH,
Regensburg, Germany

Kontakt
Dr. Gernot Thomas John
Director of Marketing & Innovation
PreSens Precision Sensing GmbH
Regensburg, Germany
g.john@presens.de

Weitere Beiträge zum Thema Biotechnologie
Analytica 2018: Halle A2 Stand 324

Autor(en)

Kontaktieren

PreSens GmbH
Am BioPark 11
93053 Regensburg
Germany
Telefon: +49 941 942 72 0
Telefax: +49 941 942 72 27

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.