DE102010037923A1 - Bioreactor arrangement for cells, comprises closed bioreactor, cell pellet carrier, device for supplying nutrient solution into cell pellet, optical oxygen probes, laser, detector and control and signal transmitting device - Google Patents

Bioreactor arrangement for cells, comprises closed bioreactor, cell pellet carrier, device for supplying nutrient solution into cell pellet, optical oxygen probes, laser, detector and control and signal transmitting device Download PDF

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    • C12M41/32Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of substances in solution

Abstract

Bioreactor arrangement for cells, comprises (a) a closed bioreactor (10), (b) a cell pellet carrier (12) for receiving a cell pellet, (c) a device for supplying nutrient solution into the cell pellet, (d) optical oxygen probes for mixing the cells in the cell pellet, (e) a laser (14) directed on the oxygen probe, (f) a detector (20) for receiving phosphorescence signals emitted from the oxygen probes, and (g) a control- and signal transmitting device (18) for generating a value representing the oxygen content in the cell pellet.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Bioreaktor-Anordnung für Zellen enthaltend:

  • (a) einen abgeschlossenen Bioreaktor;
  • (b) ein Zellpelletträger zur Aufnahme eines Zellpellets; und
  • (c) Mittel zum Zuführen von Nährlösung in das Zellpellet.
The invention relates to a bioreactor arrangement for cells comprising:
  • (a) a sealed bioreactor;
  • (b) a cell pellet carrier for receiving a cell pellet; and
  • (c) Means for supplying nutrient solution into the cell pellet.

Derartige Bioreaktoren dienen der Kultivierung von Zellen, insbesondere der Kultivierung von Stammzellen. Die Zellen bilden ein Zellpellet und befinden sich mit einer Nährlösung auf einem Zellpelletträger. Der Zellpelletträger ist schalenförmig und innerhalb eines Flaschen-ähnlichen Bioreaktors angeordnet. Je nach Zellart ist es wichtig, dass die Umweltbedingungen der Zellart angepasst sind. So können Knieknorpel-Zellen am besten kultiviert werden, wenn ein erhöhter mechanischer Druck auf die Zellen ausgeübt wird.Such bioreactors serve the cultivation of cells, in particular the cultivation of stem cells. The cells form a cell pellet and are located on a cell pellet carrier with a nutrient solution. The cell pellet carrier is cup-shaped and disposed within a bottle-like bioreactor. Depending on the cell type, it is important that the environmental conditions of the cell type are adjusted. Thus, knee cartilage cells are best cultured when increased mechanical pressure is exerted on the cells.

Die Zellentwicklung, insbesondere die Stammzellenentwicklung in mehrdimensionalem Gewebe hängt vom Sauerstoffgehalt in der unmittelbaren Umgebung ab. Dabei unterscheidet sich der Sauerstoffgehalt in dem Zellpelletträger von dem Sauerstoffgehalt in dem Nährmedium. Es ist daher wünschenswert, den Sauerstoffgehalt im Bereich der Zellen zu messen.Cell development, especially stem cell development in multi-dimensional tissue, depends on the oxygen content in the immediate environment. The oxygen content in the cell pellet carrier differs from the oxygen content in the nutrient medium. It is therefore desirable to measure the oxygen content in the region of the cells.

Stand der TechnikState of the art

Es sind Bioreaktoren bekannt, welche eine Laminarströmung durch einen Bioreaktor leiten und so einen erhöhten mechanischen Druck erzeugen.Bioreactors are known which direct a laminar flow through a bioreactor and thus produce an increased mechanical pressure.

Es sind Anordnungen zur Messung des Sauerstoffgehalts mittels optischer Sauerstoffsonden bekannt. Laserlicht wird mit einem Messfühler mit einem Lichtleiter in ein Material einführt. In dem Material sind phosphoreszierende Mikrokugeln angeordnet, deren Phosphoreszenzeigenschaften vom Sauerstoffgehalt abhängen. Nachteilig bei dieser Technik ist es, dass die Messfühler die Zellen schädigen und die Strömungsverhältnisse beeinflussen.Arrangements for measuring the oxygen content by means of optical oxygen probes are known. Laser light is introduced with a sensor with a light guide in a material. In the material phosphorescent microspheres are arranged whose phosphorescence properties depend on the oxygen content. A disadvantage of this technique is that the sensors damage the cells and influence the flow conditions.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bioreaktor-Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher der Sauerstoffgehalt in unmittelbarer Umgebung der Zellen überwacht werden kann ohne die Zellen und Zellpelletträger zu schädigen und ohne die Strömungsverhältnisse zu beeinflussen.It is an object of the invention to provide a bioreactor arrangement of the type mentioned, in which the oxygen content in the immediate vicinity of the cells can be monitored without damaging the cells and Zellpelletträger and without affecting the flow conditions.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch:

  • (d) optische, den Zellen in dem Zellpellet beigemischte, Sauerstoffsonden;
  • (e) einen auf die Sauerstoffsonden gerichteten Laser;
  • (f) einen Detektor zur Aufnahme eines von den Sauerstoffsonden emittierten Phosphoreszenzsignals; und
  • (g) eine Steuer- und Signalauswerteelektronik zur Erzeugung eines den Sauerstoffgehalt in dem Zellpellet repräsentierenden Wertes.
According to the invention the problem is solved by:
  • (d) optical oxygen probes admixed to the cells in the cell pellet;
  • (e) a laser directed to the oxygen probes;
  • (f) a detector for receiving a phosphorescence signal emitted by the oxygen probes; and
  • (g) control and signal evaluation electronics for generating a value representing the oxygen content in the cell pellet.

Die Anordnung erlaubt die kontaktlose Messung des Sauerstoffgehalts. Die Zellen und Zellträger werden nicht geschädigt und die Strömungsverhältnisse bleiben unverändert. Mit dem Laser werden die Sauerstoffsonden zur Phosphoreszenz angeregt. Das emittierte Phosphoreszenzsignal wird mit dem Detektor aufgenommen und an eine Auswerteelektronik geleitet. Aus dem Phosphoreszenzsignal kann der Sauerstoffgehalt ermittelt werden.The arrangement allows the contactless measurement of the oxygen content. The cells and cell carriers are not damaged and the flow conditions remain unchanged. With the laser, the oxygen probes are excited to phosphorescence. The emitted phosphorescence signal is recorded with the detector and passed to an evaluation. From the phosphorescence signal, the oxygen content can be determined.

Vorzugsweise weist der Bioreaktor lichtdurchlässige Fenster auf und der Laser und der Detektor sind außerhalb des Bioreaktors angeordnet. Die Kultur bleibt dann vollständig ungestört. Die Fenster haben vorzugsweise eine geringe Absorption im Bereich der Wellenlängen des Laserlichtes und des Phosphoreszenzsignals.Preferably, the bioreactor has translucent windows and the laser and detector are located outside the bioreactor. The culture then remains completely undisturbed. The windows preferably have a low absorption in the range of the wavelengths of the laser light and the phosphorescence signal.

Die optischen Sauerstoffsonden basieren insbesondere auf phosphoreszierenden Farbstoffen. Bei Anregung mit beispielsweise violettem oder blauem Licht strahlen sie eine intensive, längerwellige, insbesondere rote oder orange Phosphoreszenz aus. Diese wird von molekularem Sauerstoff (O2) in der Umgebung gelöscht. Der Prozess wird auch als „Quenching” bezeichnet. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt verringern sich sowohl die Intensität als auch die Abklingzeit des Phosphoreszenzsignals. Unter Abklingzeit wird hier die Dauer des Nachleuchtens bezeichnet. In der Praxis ist es vorteilhaft, die Abklingzeit als Messgröße zu bestimmen, da Intensitäten vielfältigen Störeinflüssen unterliegen. Solche Störeinflüsse sind beispielsweise Absorption und Streuung durch die Probe selber. Zur Messung der Abklingzeit kann die Probe mit einem beispielsweise rechteckförmigen Lichtpuls angeregt werden. Das Nachleuchten wird mit einem geeigneten Detektor, beispielsweise einem Photodetektor erfasst. Das Signal wird dann mit einer geeigneten Auswerteelektronik mit einem Computer und geeigneter Einsteckkarte oder einem Oszillographen ausgewertet. Die Abklingzeit liegt häufig im Bereich von Mikrosekunden. Aus ihr kann über eine Kalibrierkurve der Sauerstoffgehalt bestimmt werden. Diese Kalibrierkurven sind temperaturabhängig, was bei der Auswertung berücksichtigt wird.The optical oxygen probes are based in particular on phosphorescent dyes. When excited with, for example, violet or blue light, they emit an intense, longer-wave, in particular red or orange phosphorescence. This is quenched by molecular oxygen (O 2 ) in the environment. The process is also called "quenching". As the oxygen content increases, both the intensity and the decay time of the phosphorescence signal decrease. Under cooldown here is the Duration of afterglow referred to. In practice, it is advantageous to determine the decay time as a measured variable, since intensities are subject to a variety of disturbing influences. Such disturbances are, for example, absorption and scattering by the sample itself. To measure the cooldown, the sample can be excited with an example rectangular light pulse. The afterglow is detected with a suitable detector, for example a photodetector. The signal is then evaluated with suitable evaluation electronics with a computer and suitable plug-in card or oscilloscope. The cooldown is often in the range of microseconds. From this, the oxygen content can be determined via a calibration curve. These calibration curves are temperature-dependent, which is taken into account in the evaluation.

Kommerzielle optische Sauerstoffmessgeräte mit Messfühler benutzen zumeist ein Messverfahren, bei dem der optische Sensor mit sinusförmig moduliertem Licht angeregt wird. Die Abklingzeit wird über die Messung der Phasenverschiebung ermittelt. Dabei wird das kurzwellige, blaue Anregungslicht sinusförmig intensitätsmoduliert. Die phosphoreszierende Sonde sendet längerwelliges, rotes ebenfalls sinusförmig moduliertes Licht aus. Je nach Sauerstoffgehalt erfolgt die Aussendung des Phosphoreszenzsignals mehr oder weniger zeitverzögert, also mit einer Phasenverschiebung. Aus der Phasenverschiebung lässt sich bekanntermaßen eine mittlere Abklingzeit ausrechnen und so über eine Kalibrierkurve der Sauerstoffgehalt ermitteln.Commercial optical oxygen meters with probes usually use a measuring method in which the optical sensor is excited with sinusoidally modulated light. The cooldown is determined by measuring the phase shift. The short-wave blue excitation light is sinusoidally intensity-modulated. The phosphorescent probe emits longer-wave, red, also sinusoidally modulated light. Depending on the oxygen content, the emission of the phosphorescence signal takes place more or less time-delayed, ie with a phase shift. From the phase shift, it is known to calculate a mean decay time and thus determine the oxygen content via a calibration curve.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die von dem Laser emittierte Strahlung simultan mit zwei verschiedenen Frequenzen moduliert. Die Modulationsfrequenzen können oberhalb von 1 kHz liegen.In a particularly preferred embodiment of the invention, the radiation emitted by the laser is simultaneously modulated with two different frequencies. The modulation frequencies can be above 1 kHz.

Anders als bei bekannten Anordnungen wird bei der vorliegenden Erfindung der Laserstrahl mit zwei unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig moduliert. Dadurch wird erreicht, dass Stör- und Untergrundsignale korrigiert werden können. Wenn nämlich zusätzlich zum Phosphoreszenzsignal auch eine Fluoreszenz im gleichen Wellenlängenbereich vorliegt überlagern sich die Signale mit einer neuen, kleineren Phasenverschiebung. Störsignale mit kleinen Intensitäten reichen aus um erhebliche Messfehler zu verursachen. Derartige Störsignale werden beispielsweise von optischen Komponenten im Strahlengang, gefärbten Nährlösungen oder anderen Zellen hervorgerufen. Die Modulierung mit zwei Frequenzen erlaubt die Berechnung und Korrektur der Untergrundsignale. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass Fluoreszenzsignale praktisch ohne Zeitverzögerung in Phase emittiert werden. Die Modulation mit zwei Frequenzen ist in weiten Bereichen unabhängig von der Amplitude.Unlike known arrangements, in the present invention the laser beam is modulated at two different frequencies simultaneously. This ensures that noise and background signals can be corrected. If, in addition to the phosphorescence signal, fluorescence also exists in the same wavelength range, the signals overlap with a new, smaller phase shift. Interference signals with small intensities are sufficient to cause significant measurement errors. Such interference signals are caused for example by optical components in the beam path, colored nutrient solutions or other cells. The modulation with two frequencies allows the calculation and correction of the background signals. This is based on the finding that fluorescence signals are emitted in phase with virtually no time delay. The modulation with two frequencies is independent of the amplitude in many areas.

Bei der vorliegenden Erfindung erlaubt die Modulation des anregenden Laserlichts mit zwei Frequenzen die Messung unabhängig von der geometrischen Position von Laser und Detektor. Das hat den weiteren Vorteil, dass sich die Signalanteile und Signalstärken während des Wachstumsprozesses der Zellen ändern dürfen ohne dass die Messergebnisse verfälscht werden. Auch können Teile des Reaktors zur Steuerung der Strömung ohne Einfluss auf das Messergebnis mechanisch bewegt werden.In the present invention, the modulation of the exciting laser light with two frequencies allows the measurement independent of the geometric position of the laser and detector. This has the further advantage that the signal components and signal strengths may change during the growth process of the cells without the measurement results being falsified. Also, parts of the reactor for controlling the flow can be mechanically moved without affecting the measurement result.

Vorzugsweise sind in der Bioreaktor-Anordnung Mittel zur Erzeugung von mechanischem Druck auf die Zellmasse in dem Bioreaktor vorgesehen. Bei derartigen Bioreaktoren ist eine kontaktlose Sauerstoffmessung von besonderem Vorteil.Preferably, means for generating mechanical pressure on the cell mass in the bioreactor are provided in the bioreactor arrangement. In such bioreactors, non-contact oxygen measurement is of particular advantage.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Sauerstoffsonden von Mikrokugeln mit einem Durchmesser von 10 bis 150 Mikrometer gebildet, die mit Pt-Prophyrin, Ruthenium-Phenanthrolin oder deren Derivaten gefärbt sind.In a preferred embodiment of the invention, the oxygen probes are formed by microspheres with a diameter of 10 to 150 micrometers, which are stained with Pt propyrin, ruthenium phenanthroline or their derivatives.

Bei einer besonders einfachen Bioreaktor-Anordnung ist der Laser von einem Diodenlaser gebildet.In a particularly simple bioreactor arrangement, the laser is formed by a diode laser.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. An embodiment is explained below with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine schematische Darstellung eines Bioreaktors mit Sauerstoff-Messung. 1 is a schematic representation of a bioreactor with oxygen measurement.

2 zeigt den Farbstoff PT(II)-tetrapentafluorophenylporphyrin 2 shows the dye PT (II) -tetrapentafluorophenylporphyrin

3 illustriert die Energiezustände des Farbstoffs aus 2 3 illustrates the energy states of the dye 2

4 ist ein typischer Verlauf der Abklingzeit in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts für den Farbstoff aus 2 in einer festen Matrix 4 is a typical course of the cooldown depending on the oxygen content of the dye 2 in a solid matrix

5 zeigt Abklingkurven bei verschiedenem Sauerstoffgehalt. 5 shows decay curves at different oxygen content.

6 illustriert die Bestimmung der Abklingzeit mittels Phasenmodulation 6 illustrates the determination of the decay time by means of phase modulation

7 illustriert die Interferenz durch Fluoreszenz 7 illustrates the interference by fluorescence

8 illustriert die Maskierung des Fluoreszenzsignals durch Zweifrequenz-Phasenmodulation mit Messung bei Frequenz ω1 und Messung bei Frequenz ω2, wobei gezeigt wird ein Untergrundsignal (keine Phasenverschiebung, τ2 << τ1 ⇒ τ2 ≈ 0), Sensorsignal Abklingzeit τ1 und Gesamtsignal (Untergrund + Sensor) mit auftretenden Phasenverschiebungen. Die Messungen erfolgen bei jeweils ΦApp und φApp bei ω1 und ω2, Auswertung des unveränderten τ1. Es gilt

Figure 00050001
8th illustrates the masking of the fluorescence signal by two-frequency phase modulation with measurement at frequency ω 1 and measurement at frequency ω 2 , showing a background signal (no phase shift, τ 2 << τ 1 ⇒ τ 2 ≈ 0), sensor signal decay time τ 1 and total signal (Background + sensor) with occurring phase shifts. The measurements are carried out at Φ App and φ App at ω 1 and ω 2 , evaluation of the unchanged τ 1 . It applies
Figure 00050001

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten Bioreaktor. Der Bioreaktor 10 ist etwa flaschenförmig. Innerhalb des Bioreaktors 10 wird eine Laminarströmung und somit ein erhöhter mechanischer Druck erzeugt. Im mittleren Bereich des Bioreaktors 10 ist ein Zellpellet 12 mit Zellkulturen angeordnet. Die Zellkulturen sind mit phosphoreszierenden Sensorpartikeln versetzt. Die Sensorpartikel haben die Form von Mikrokügelchen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 Mikrometer. Die Mikrokügelchen sind mit phosphoreszierenden Farbstoffen, beispielsweise Pt-tetrapentafluorophenylporphyrin gefärbt. Die Strukturformel dieses Farbstoffes ist in 2 dargestellt. 1 shows a general with 10 designated bioreactor. The bioreactor 10 is about bottle-shaped. Inside the bioreactor 10 a laminar flow and thus an increased mechanical pressure is generated. In the middle area of the bioreactor 10 is a cell pellet 12 arranged with cell cultures. The cell cultures are mixed with phosphorescent sensor particles. The sensor particles are in the form of microspheres with a diameter in the range of 100 microns. The microspheres are colored with phosphorescent dyes, for example Pt-tetrapenta-fluorophenylporphyrin. The structural formula of this dye is in 2 shown.

Auf dem oberen Bereich des Bioreaktors ist eine Haltevorrichtung installiert. In der Haltevorrichtung ist ein Diodenlaser 14 mit einer Wellenlänge von 450 nm gehaltert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein blu-ray-Laser mit einer Wellenlänge von 405 nm verwendet. Der Diodenlaser 14 ist auf das Zellpellet 12 gerichtet. Hierzu ist der Einlass des Bioreaktors mit einem Fenster aus Quarzglass versehen. Man erkennt, dass der von dem Diodenlaser emittierte Laserstrahl 16 frei durch den Raum geht. Der Diodenlaser 14 wird von einer Lasersteuerung gesteuert. Insbesondere erfolgt die Steuerung derart, dass das Laserlicht mit zwei unterschiedlichen, bekannten Frequenzen von 63 kHz und 33 kHz moduliert werden, wie dies in 7 und 8 dargestellt ist. Die Größenordnung richtet sich nach der Abklingzeit des verwendeten Farbstoffs.On the upper part of the bioreactor, a holding device is installed. In the fixture is a diode laser 14 held at a wavelength of 450 nm. In an alternative embodiment, a blu-ray laser with a wavelength of 405 nm is used. The diode laser 14 is on the cell pellet 12 directed. For this purpose, the inlet of the bioreactor is provided with a window made of quartz glass. It can be seen that the laser beam emitted by the diode laser 16 walking freely through the room. The diode laser 14 is controlled by a laser control. In particular, the control is such that the laser light with two different known frequencies of 63 kHz and 33 kHz are modulated, as in 7 and 8th is shown. The order of magnitude depends on the cooldown of the dye used.

Anhand von 3 wird schematisch dargestellt, wie der Farbstoff zur Phosphoreszenz angeregt wird. Das Laserlicht versetzt den Farbstoff der Mikrokügelchen aus dem Grundzustand 26 in einen angeregten Singulett-Zustand 28. Dies ist durch einen Pfeil 30 repräsentiert. Aus dem angeregten Zustand 28 gehen die Farbstoffpartikel zurück in den Grundzustand unter Emission von Strahlung. Die Strahlung wird in alle Richtungen ausgesendet. Ein Teil der Strahlung wird durch Fluoreszenz erzeugt. Dies ist durch einen Pfeil 32 repräsentiert. Die Fluoreszenz-Strahlung klingt sehr schnell ab. Ein anderer Teil der Strahlung wird von Farbstoff-Atomen erzeugt, die über einen längeren Zeitraum phosphoreszieren. Hierzu erfolgt zunächst ein strahlungsloser Übergang in den angeregten Triplett-Zustand 34. Dieser hat eine längere Lebensdauer als der Singulett-Zustand. Entsprechend gelangen die Atome langsamer aus dem Triplett-Zustand 34 unter Emission von phosphoreszierender Strahlung 36 zurück in den Grundzustand. Nur die phosphoreszierende Strahlung 36 wird gemessen.Based on 3 is shown schematically how the dye is excited to phosphorescence. The laser light displaces the dye of the microspheres from the ground state 26 in an excited singlet state 28 , This is by an arrow 30 represents. From the excited state 28 The dye particles go back to the ground state with emission of radiation. The radiation is emitted in all directions. Part of the radiation is generated by fluorescence. This is by an arrow 32 represents. The fluorescence radiation sounds very fast. Another part of the radiation is produced by dye atoms, which phosphoresce over a longer period of time. For this purpose, a radiationless transition into the excited triplet state takes place first 34 , This has a longer life than the singlet state. Accordingly, the atoms get out of the triplet state more slowly 34 under emission of phosphorescent radiation 36 back to the ground state. Only the phosphorescent radiation 36 is being measured.

Die durch ein Fenster 22 aus dem Bioreaktor austretende Strahlung wird mit einem Objektiv gebündelt, durch ein optisches Filter von gestreutem Anregungslicht getrennt und mit einem Detektor 20 detektiert. Das Detektorsignal wird an eine Signalauswertung geleitet. Das ist durch einen Pfeil 24 repräsentiert. Ein Beispiel für die gemessenen Signale ist in 4 und 5 dargestellt. 5 zeigt die Intensität eines Phosphoreszenzsignals in Abhängigkeit von der Zeit (Abklingkurve) für verschiedene Proben mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt. 4 zeigt die Abklingzeit in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts.The through a window 22 Radiation exiting the bioreactor is collimated with a lens, separated by an optical filter from scattered excitation light, and a detector 20 detected. The detector signal is directed to a signal evaluation. That's an arrow 24 represents. An example of the measured signals is in 4 and 5 shown. 5 shows the intensity of a phosphorescence signal as a function of time (decay curve) for different samples with different oxygen content. 4 shows the cooldown depending on the oxygen content.

Die Signalauswertung misst die Phasenverschiebungen 40 bei beiden Modulationsfrequenzen ω, wie sie in 6 dargestellt ist. Anschließend wird eine Untergrundkorrektur durchgeführt, die Abklingzeit ermittelt und der Sauerstoffgehalt durch Vergleich mit gespeicherten Kalibrierkurven bestimmt. Die Phasenverschiebung ϕ hängt dabei mit der Abklingzeit τ zusammen nach τ = (tan ϕ)/ω.The signal evaluation measures the phase shifts 40 at both modulation frequencies ω, as in 6 is shown. Subsequently, a background correction is performed, the decay time is determined and the oxygen content is determined by comparison with stored calibration curves. The phase shift φ is related to the decay time τ after τ = (tan φ) / ω.

Die Untergrundkorrektur ist in 8 illustriert. Unter der Annahme, dass die Abklingzeit τ2 des Untergrundsignals wesentlich kleiner ist, als die Abklingzeit τ1 der Phosphoreszenz und dass somit auch die Phasenverschiebung des Untergrund- und Sensorsignals φApp kleiner ist als die Phasenverschiebung φ durch die Phosphoreszenz, erhält man aus dem gemessenen Signal eine gesamte Phasenverschiebung ϕ. Zusammen mit den Modulationsfrequenzen ω1 und ω2 lässt sich die Untergrund-korrigierte Phasenverschiebung nach der in 8 dargestellten Formel ermitteln.The background correction is in 8th illustrated. Assuming that the decay time τ 2 of the background signal is much smaller than the decay time τ 1 of the phosphorescence and thus that the phase shift of the background and sensor signal φ App is smaller than the phase shift φ by the phosphorescence, one obtains from the measured Signal an entire phase shift φ. Together with the modulation frequencies ω 1 and ω 2 , the background-corrected phase shift can be determined according to the in 8th determine the formula shown.

Die so ausgewerteten Signale liefern ein Maß für den Sauerstoffgehalt in unmittelbarer Umgebung der Zellen ohne dass diese bei ihrer Entwicklung beeinträchtigt werden.The signals thus evaluated provide a measure of the oxygen content in the immediate vicinity of the cells without their being affected during their development.

Weitere, alternative Ausführungsbeispiele verwenden Laser mit einer längeren Wellenlänge im Bereich von 532 nm. Diese streuen weniger und dringen daher tiefer in den Zellträger ein. Zudem erzeugen längerwellige Laser weniger störende, photochemische Reaktionen, da das in Nährmedien enthaltene Rivoflavin im kurzwelligen blauen oder violetten Wellenlängenbereich absorbiert. Dabei wird aktivierter Sauerstoff erzeugt. Dieser verfälscht das Ergebnis und kann die Zellen schädigen. Eine Anregungslichtquelle bei 532 nm liegt außerhalb der Absorptionsbande von Riboflavin und ist schonend bezüglich des Detektors.Further alternative embodiments use lasers having a longer wavelength in the range of 532 nm. These scatter less and therefore penetrate deeper into the cell carrier. In addition, longer-wave lasers produce less disturbing, photochemical reactions, as the rivoflavin contained in nutrient media absorbs in the short-wave blue or violet wavelength range. This activates activated oxygen. This distorts the result and can damage the cells. An excitation light source at 532 nm is outside the absorption band of riboflavin and is gentle to the detector.

Claims (7)

Bioreaktor-Anordnung für Zellen enthaltend: (a) einen abgeschlossenen Bioreaktor (10); (b) einen Zellpelletträger (12) zur Aufnahme eines Zellpellets; und (c) Mittel zum Zuführen von Nährlösung in das Zellpellet; gekennzeichnet durch (d) optische, den Zellen in dem Zellpellet beigemischte, Sauerstoffsonden; (e) einen auf die Sauerstoffsonden gerichteten Laser (14); (f) einen Detektor (20) zur Aufnahme eines von den Sauerstoffsonden emittierten Phosphoreszenzsignals; und (g) eine Steuer- und Signalauswerteelektronik (18) zur Erzeugung eines den Sauerstoffgehalt in dem Zellpellet repräsentierenden Wertes.Bioreactor arrangement for cells comprising: (a) a sealed bioreactor ( 10 ); (b) a cell pellet carrier ( 12 ) for receiving a cell pellet; and (c) means for delivering nutrient solution into the cell pellet; characterized by (d) optical oxygen probes admixed to the cells in the cell pellet; (e) a laser directed to the oxygen probes ( 14 ); (f) a detector ( 20 ) for receiving a phosphorescence signal emitted by the oxygen probes; and (g) control and signal evaluation electronics ( 18 ) for generating a value representing the oxygen content in the cell pellet. Bioreaktor-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor lichtdurchlässige Fenster (22) aufweist und der Laser (14) und der Detektor (20) außerhalb des Bioreaktors (10) angeordnet sind.Bioreactor arrangement according to claim 1, characterized in that the bioreactor translucent window ( 22 ) and the laser ( 14 ) and the detector ( 20 ) outside the bioreactor ( 10 ) are arranged. Bioreaktor-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Laser (14) emittierte Strahlung simultan mit zwei verschiedenen Frequenzen moduliert ist.Bioreactor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that of the laser ( 14 ) emitted radiation is simultaneously modulated with two different frequencies. Bioreaktor-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsfrequenzen oberhalb von 1 kHz liegen.Bioreactor arrangement according to claim 3, characterized in that the modulation frequencies are above 1 kHz. Bioreaktor-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung von mechanischem Druck auf die Zellen in dem Bioreaktor (10) vorgesehen sind.Bioreactor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that means for generating mechanical pressure on the cells in the bioreactor ( 10 ) are provided. Bioreaktor-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffsonden von Mikrokugeln mit einem Durchmesser von 10 bis 150 Mikrometer gebildet sind, die mit Pt-Prophyrin, Ruthenium-Phenanthrolin oder deren Derivaten gefärbt sind.Bioreactor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen probes are formed by microspheres with a diameter of 10 to 150 micrometers, which are stained with Pt-propyrin, ruthenium-phenanthroline or derivatives thereof. Bioreaktor-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (14) von einem Diodenlaser gebildet ist.Bioreactor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the laser ( 14 ) is formed by a diode laser.
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