Naar een geïntegreerde multi-sensor array-chip voor bioprocesbewaking

Effectieve en continue monitoring van bioprocessen vereist gelijktijdige screening van meerdere belangrijke parameters om processen te verbeteren en de productkwaliteit te verhogen. Om dit te bereiken is er een groeiende interesse in miniaturisatie en parallellisatie van sensoren, waardoor in-situ monitoring van fermentatiebaden op laboratoriumschaal mogelijk wordt. Dit onderzoek beschrijft de ontwikkeling en karakterisatie van een microgefabriceerde multi-sensor array chip voor het monitoren van gistfermentatie. De integratie van platina nanostructuren (nano-Pt) op micro-elektroden met behulp van een eenvoudige, schaalbare elektrodepositieprocedure resulteerde in zeer gevoelige en selectieve microsensoren met minimale meetvariabiliteit. De chip bevat verschillende sensoren, waaronder potentiometrische parallelle plaat nano-gestructureerde elektroden voor pH-meting, interdigitated nano-Pt elektroden voor indirecte beoordeling van microbiële groei en activiteit via elektrolytgeleiding, en nano-Pt gebaseerde micro-elektroden voor amperometrische bewaking van opgeloste zuurstof en glucoseniveaus. De referentie-elektroden op de chip maken externe conventionele referenties overbodig, waardoor autonome metingen mogelijk zijn. Daarnaast bevat de chip een dunnefilm-weerstandstemperatuurdetector voor temperatuurbewaking. De resultaten tonen stabiele metingen met de on-chip zilverzilverchloride (Ag|AgCl) referentie-elektrode, die cruciaal is voor nauwkeurige potentiometrische detectie. Het gebruik van sjabloonvrije nano-Pt oxide verbetert de gevoeligheid en lineariteit van pH-detectie in vergelijking met kale Pt elektroden. De temperatuursensor vertoont een lineaire respons in het bereik van 10-75°C en correleert goed met referentiemetingen tijdens in-situ temperatuurbewaking van gistculturen, waarbij een nauwkeurigheid van ongeveer 0,4°C wordt bereikt. De geleidbaarheidssensor op basis van impedantiespectroscopie met gedigitaliseerde elektrode (IDE) toont potentieel voor het verschaffen van inzicht in microbiële groei en activiteit, met name bij gebruik van nano-Pt IDE. De nano-Pt-sensoren voor opgeloste zuurstof tonen een verbeterde gevoeligheid en lineariteit vergeleken met naakt Pt, terwijl de glucosesensor op basis van nano-Pt (nano-Pt/GOx) gevoelig blijft voor glucose en niet beïnvloed wordt door storende stoffen. Bij het testen van gistfermentatiemonsters vertonen de nano-Pt/GOx elektroden overeenstemming met een commerciële discrete analyzer en amperometrische tests tonen een betrouwbare werking aan bij +0,3 V, waardoor de nano-Pt biosensor een veelbelovende kandidaat is voor het monitoren van biologische monsters. De nieuwigheid van dit werk ligt in de ontwikkeling van een geïntegreerd sensorsysteem met nano-Pt elektroden, dat gelijktijdige detectie van pH, opgeloste zuurstof, celgroei en glucose in fermentatieprocessen mogelijk maakt. Nano-Pt biedt voordelen zoals een laag toegepast potentiaal, verbeterde reproduceerbaarheid en gevoeligheid, afwezigheid van interferentie, uitgebreid lineariteitsbereik en een laag energieverbruik. De veelzijdigheid van de chip maakt het mogelijk om extra detectieplaatsen aan te passen aan specifieke vereisten, zoals aromadetectie. Het compacte formaat maakt autonoom gebruik van minicapsules mogelijk, waardoor het ideaal is voor real-time bewaking van bioprocessen. Toekomstige inspanningen zullen zich richten op anti-fouling coatings, sterilisatiestrategieën en geïntegreerde elektronica om gelijktijdige en continue in-situ monitoring van fermentatieprocessen mogelijk te maken. Dit platform betekent een aanzienlijke vooruitgang in het in-situ monitoren van gistfermentatie en het controleren van procesparameters in grootschalige bioreactoren, met potentieel voor diverse toepassingen.