Sensores integrados para parámetros clave de biorreactores
La detección y el control son cruciales para obtener resultados significativos en biorreactores. Por ejemplo, el crecimiento y la productividad de los microorganismos dependen del pH y la temperatura, mientras que otros factores como el oxígeno disuelto y la concentración de CO2 también juegan un papel importante, al menos en los biorreactores estándar.
El control y la medición a menor escala se vuelven extremadamente difíciles debido a la baja concentración y volúmenes de productos, ya sean productos metabólicos o enzimáticos. Una HPLC típica requiere una muestra de 50 μl, pero el volumen de un BRoC puede ser de 100 nl. Por lo tanto, un requisito esencial para los biorreactores basados en microfluidos son los sensores en línea para medir los parámetros de reacción. La ventaja de la microtecnología es que permite integrar sensores en el chip. Varias técnicas de sensores para medir los diferentes parámetros incluyen sensores electroquímicos, sensores de fluorescencia, sensores de quórum y sensores de bioluminiscencia. El problema con los microbioreactores y los sensores ópticos es el tamaño. Es posible que se deban utilizar filtros para separar las longitudes de onda de excitación y emisión de las diferentes longitudes de onda necesarias para excitar los diferentes optodos o sensores ópticos. Las fibras ópticas se pueden utilizar para guiar la luz en espacios pequeños.
Temperatura
Debido al tamaño del BRoC, mantener una temperatura constante no es tan difícil si hay un disipador de calor lo suficientemente grande, en comparación con los sistemas convencionales, lo que puede llevar mucho tiempo elevar la temperatura. Se necesitan casi 10 minutos para elevar la temperatura en un recipiente de 16 l, pero solo unos minutos en un microbiorreactor para elevar la temperatura en 10 ° C. Una placa calefactora estable, un baño de agua, un calentador de aluminio, un calentador de encendido y apagado, un calentador Peltier con controlador PID o colocar el dispositivo en una incubadora son algunas formas para mantener una temperatura estable. Además, los calentadores se pueden integrar en chip utilizando calentadores microfabricados. Cabe señalar que, debido a su tamaño de calor, la transferencia es grande y muy rápida. Por lo tanto, el sistema debe colocarse en un área sin convección, como un gabinete cerrado de bioseguridad.
La forma más común de medir la temperatura en un chip es usar termistores integrados o detectores de temperatura de resistencia (RTD). En RTD, la resistencia del sensor varía según la temperatura. Por lo general, están hechos de platino (por ejemplo, sensores Pt100 o Pt1000), pero también pueden estar hechos de oro. La medición y el control de la temperatura se realizan fuera del chip y pueden controlarse por computadora.
Los sensores de pH estándar no se pueden usar en chip, debido a su tamaño. Otros métodos que permiten mediciones de pH en chip incluyen sensores ópticos en puntos de fluorescencia (optodos) o iones metálicos sensibles al pH, y transistores de efecto de campo sensibles a iones de estado sólido (ISFET). Sin embargo, se prefieren los sensores ópticos debido a su naturaleza no invasiva, facilidad de integración y precio, que se prestan bien para BRoC desechables. Los sensores ópticos de pH se excitan con un LED azul de onda cuadrada modulada (465 nm) y se miden con un amplificador de bloqueo para determinar el cambio de fase, que se correlaciona con el pH. El último desarrollo es en nanosensores basados en nitruros de aluminio y galio (AlGaN / GaN). En comparación con un ISFET, exhibe una estabilidad química superior y biocompatibilidad, mientras que tiene una transparencia favorable en el espectro visible.
O2
La concentración de oxígeno disuelto también se puede medir ópticamente utilizando optodos, que se basan en la extinción de la fluorescencia por oxígeno. La sensibilidad óptima de estos optodos es a bajas concentraciones de oxígeno, lo cual es relevante para una variedad de procesos de biorreactor. Los puntos sensores también pueden fabricarse incrustando octaetilporfirina-cetona de platino (II) (PtOEPK) en poliestireno e inmovilizándolo en discos de vidrio. Otro método es colocar un punto de sensor de oxígeno en la parte inferior de un microbioreactor transparente y excitarlo con un LED azul-verde de onda cuadrada (505 nm). Nuevamente, con la ayuda de un amplificador de bloqueo, el cambio de fase entre la excitación y la emisión se puede medir y correlacionar con la concentración de oxígeno disuelto. Otros sensores incluyen sensores amperométricos, que pueden medir la concentración de oxígeno en función de la reducción electroquímica del oxígeno. Otro método para la detección de oxígeno y pH es mediante el uso de un sensor de microarrays de hidrogel fluorescente PEG con BCECF-dextrano.
CO2
Además, el CO2 se puede medir con un sensor óptico basado en un tinte fluorescente en una membrana de silicona.
Concentración celular (OD)
En los biorreactores, es necesario controlar la masa celular en tiempo real, generalmente por medio de métodos ópticos como la ley de Beer-Lambert o infrarrojo cercano (NIR). La densidad óptica se puede calcular a partir de una medición de transmisión utilizando un LED naranja (600 nm), una lente de colimación y un fotodetector. Otro método utiliza la espectroscopía de impedancia. Este método aplica una corriente alternativa a través del biorreactor y mide la conductividad celular en función de la frecuencia. Debido a que solo las membranas de las células vivas pueden polarizarse, las células muertas se excluyen de la medición. Los métodos para medir la densidad celular de Escherichia coli en sistemas microfluídicos incluyen la detección de quórum para observar la dinámica del cultivo celular.