Medizintechnik: Magnetbandsensoren für präzises Liquid-Handling

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Mit Laborautomation lassen sich Zeitaufwand und Fehleranfälligkeit von Analysen deutlich verringern. Dies ist wichtig, da ein hoher Kostendruck auf den Anbietern von Laboranalysen lastet. In der Aufarbeitung von flüssigen Proben spricht dies für den Einsatz von automatisierten Liquid-Handling-Systemen. Zu den Anbietern von Laborautomation für Biotechnologie, pharmazeutische und chemische Industrie gehört die Hamilton Company.
Im Bereich des Liquid-Handlings bietet das Unternehmen aus Bonaduz in der Schweiz ein neues System zum schnellen Testen und reproduzierbaren Screening von verschiedenen Substanzen. Die Pipettier-Roboter-Anlage „Hamilton Vantage Liquid Handling System“ ist in der Lage, Proben aufzunehmen und wieder abzugeben, und zwar mit einem Volumen von 500 Nanolitern bis zu einem Milliliter präzise mit Einzelkanälen sowie 96 oder 384 Mehrfachpipettierköpfen von einer Mikrotiterplatte.

Das Vantage-Liquid-Handling-System von Hamilton mit Einzelkanälen sowie 96 oder 384 Mehrfachpipettierköpfen.

 

Da die dabei übertragenen einzelnen Volumina sehr gering und die Zahl der gleichzeitig transportierten Proben sehr hoch sein kann, sind auch die Ansprüche an die Genauigkeit beim Transfer sehr hoch.
Um die Position der Pipettierköpfe entlang der drei Raumdimensionen exakt zu ermitteln, hat Hamilton den neuen Pipettierroboter mit magnetischer Messtechnik ausstaffiert. Einen Teil dieser Sensorik liefert das Schwarzwälder Sensorik-Unternehmen Siko. Für den Einsatz im Liquid-Handling-System hat Siko die Magnetbänder und die Sensorplatine individuell angepasst.

Individueller Pipettier-Roboter

Ein Transportroboter bewegt die Probengefäße innerhalb des Systems oder gibt diese an die Drittgeräte weiter. Die Steuerung der Assays übernimmt die Hamilton-Software „Instinct V“. Mit der Software können mehrere Nutzer gleichzeitig an der Anlage arbeiten und verschiedene Experimente mit denselben Geräten ausführen.

Eines der magnetischen Messsysteme, bei dem Siko das Magnetband lieferte und der Encoder von Hamilton selbst stammt.

 

Die Konfiguration der Instrumente und Layouts der Experimente kann einfach per Drag & Drop erzeugt und modifiziert werden. Eine 3D-Simulation des Probentransfers sorgt für eine kurze Einrichtzeit. Beispielsweise fasst eine Pipettierspitze von 10 Mikrolitern ein Volumen von einem Mikroliter mit einer Genauigkeit von 5 Prozent. Diese Volumina können in einem 2,25-Millimeter-Raster (1.536-Well-Platte) über alle Kanäle hinweg exakt positioniert werden.

Wegfall von Referenzfahrten

Die Pipettieranlage verfügt über drei Achsen, auf denen sich der Roboter in allen drei Raumdimensionen bewegt: die X-Achse in Längsrichtung, die Y-Achse in Vorwärts- und Rückwärts-Richtung und die Z-Achse zur Veränderung der Höhe. Linearmotoren bewegen diese Achsen, wobei die magnetischen Sensoren die Position an die Steuereinheit zurückgeben. Bei der Sensorik auf der Y-Achse kommen Siko-Magnetbänder zum Einsatz, während Hamilton die Sensoren für diese Achse selbst entwickelt hat. „Siko hat sehr flexibel auf unsere Wünsche reagiert, denn zwei der Achsen waren bereits mit unseren eigenen Magnetsensoren bestückt. Siko hat dazu die entsprechenden Magnetbänder mit einer Spezialcodierung geliefert“, kommentiert  kommentiert Martin Rupp, Projektleiter bei Hamilton.

Das von Siko entwickelte Messsystem – das Magnetband in Braun und hinter dem Blech der Encoder.

 

Die Kanäle müssen schmal sein, damit sie in den engen Platzverhältnissen im Pipettierarm kollisionsfrei arbeiten können. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, hat Hamilton die Kanäle an beiden Seiten des Pipettierarms angeordnet. Aus diesem Grund wurden auch zwei Magnetbänder benötigt, die jeweils rechts und links vom Pipettierarm angebracht sind. Zudem durften die Pipettierkanäle für diese Anordnung maximal 18 Millimeter breit sein. „Es gibt auf dem Markt kein magnetisches Messsystem, das auf einer Breite von 18 Millimetern arbeitet und eine Länge von rund 700 Millimetern absolut kodieren könnte“, erklärt Martin Rupp.
Die bisherige Magnetband-Lösung war zwar technisch funktional, jedoch die Liefertreue unzureichend. „Uns kommt es auch darauf an, dass wir die Ware immer termingerecht bekommen und die Qualität stimmt; also haben wir uns auf Siko festgelegt“, erläutert Martin Rupp. Ein wichtiger Vorteil ist, dass die verwendete Absoluttechnik den Positionswert auch nach einer Stromunterbrechung ohne zusätzliche Referenzfahrt korrekt widergibt.

Die Positionierung der Pipettierspitzen muss äußerst exakt erfolgen.

 

Platine und Magnetband

Zur Positionserfassung auf der Längsachse (X-Richtung) setzt Hamilton eine Komplett-Lösung von Siko ein: einen Sensor mit passendem Magnetband. Auch hier mussten die sehr engen Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Angedacht war zunächst ein 82,6 mal 20 Millimeter großer Sensor, der sich jedoch als zu groß herausstellte. Daher entschied man sich für eine Platinen-Lösung, das bedeutet, es wurde nur die Platine mit den Sensorelement eingebaut. Eine reine Platinen-Lösung ist unter anderen Umständen nicht ohne weiteres möglich, insbesondere, wenn Verschmutzung auftritt oder der Sensor mit Wasser in Berührung kommen könnte. Das vorhandene Gehäuse des Pipettier­roboters bietet ausreichenden Schutz vor äußeren Einflüssen und machte die Platinen-Lösung möglich. Diese Lösung war unter dem Strich sogar günstiger.

Hohe Systemgenauigkeit

Sowohl die Platinen-Lösung als auch die Lösung aus kundeneigenem Sensor und Siko-Magnetbändern zeigen, dass individuelle Anpassungen entscheidend für die Integration präziser Messsysteme sein können. „Die Funktionsfähigkeit der Anlage wird unter anderem über die Magnetbänder und Sensoren bestimmt“, erklärt Projektleiter Martin Rupp, „ohne diese funktionieren die Pipettierkanäle und damit der gesamte Pipettierroboter nicht.“ Die Genauigkeit des Messsystems entscheidet in dieser Anwendung ganz besonders über die Qualität der Anlage. Der angepasste Sensor verfügt über eine maximale Auflösung von 10 Mikrometern absolut und 2,5 Mikrometern inkremental. Die Wiederholgenauigkeit liegt bei 5 Mikrometern. Dank ihrer berührungslosen Funktionsweise sind die Sensoren verschleißfrei und verursachen nur geringen Wartungsaufwand. Im Liquid-Handling-System von Hamilton war eine initiale Systemgenauigkeit von 20 Mikrometern gefordert.

Der eingesetzte Absolutwertsensor MSA501.

 

Für Hamilton war bei der Wahl des Messsystems bedeutend, dass sich zwei Systeme in einem befinden: ein absolutes und ein inkrementales Messsystem. Das absolute besteht aus absolut kodierten Magnetpolen, die über einen Sensor abgetastet und zusammen mit der Inkremental-Einheit verrechnet werden. Auf diese Weise werden kombinierte Absolut-Inkremental-Daten ausgegeben. „Beim Mitbewerber war es so, dass eine erhöhte Systemgenauigkeit nur über die absolute Schnittstelle zu erreichen war. Die verwendete Elektronik jedoch positioniert mit der inkrementalen Schnittstelle“, erklärt Martin Rupp.
Seit September 2014 sind die Hamilton-Systeme mit Siko-Sensorik auf dem Markt. „Aus unserer Sicht eine überzeugende Zusammenarbeit. Es wird in Zukunft nur noch Hamilton-Liquid-Handling-Systeme mit Siko-Magnetmesstechnik geben“, schließt Martin Rupp. (jbi)

Carolin Ordosch ist freie Redakteurin aus Veitsbronn.

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