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Messtechnik Pipettier-Roboter bekommt Kleckerverbot im Labor

Autor / Redakteur: Carolin Ordosch* / Dipl.-Medienwirt (FH) Matthias Back

In Laboratorien sind automatisierte Liquid-Handling-Systeme unverzichtbar. Sie können Tests und Analysen mit Tausenden von Substanzen schneller, präziser und vor allem deutlich reproduzierbarer durchführen. Ein Pipettier-Roboter von der Hamilton Company schafft mit magnetischer Messtechnik eine initiale Systemgenauigkeit von 20 μm.

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Die Positionierung der Pipettierspitzen muss äußerst exakt erfolgen.
Die Positionierung der Pipettierspitzen muss äußerst exakt erfolgen.
( Siko)

Proben mit einem Volumen von 500 Nanolitern bis zu einem Milliliter präzise mit Einzelkanälen von 96 oder 384 Mehrfachpipettierköpfen von einer Mikrotiterplatte aufzunehmen und an eine andere wieder abzugeben, kann nur ein Laborant in Form einer Pipettier-Roboter-Anlage schaffen. Da die dabei übertragenen einzelnen Volumina sehr gering und die Anzahl der gleichzeitig transportierten Proben hoch sein können, werden an den Transfer der Proben hohe Ansprüche hinsichtlich der Genauigkeit gestellt. Eine präzise Probenentnahme und -abgabe gewährleistet die Wiederholgenauigkeit zwischen einzelnen Pipettierschritten und nimmt schließlich Einfluss auf den Erfolg der gesamten Arbeitsaufgabe. Das Schweizer Unternehmen Hamilton Company bietet für ein schnelles Testen und reproduzierbare Screenings von verschiedenen Substanzen das „Hamilton Vantage Liquid Handling System“ an. Um die Position der Pipettierköpfe entlang der drei Raumdimensionen exakt zu ermitteln, hat Hamilton in dem Pipettier-Roboter magnetische Messtechnik von Siko eingesetzt.

Für das Handling-System hat das Schwarzwälder Unternehmen die verwendeten Magnetbänder und die Sensorplatine individuell an die Erfordernisse angepasst. „Unser neues Vantage Liquid Handling System bieten wir als Baukastensystem an, das individuell konfiguriert werden kann“, beschreibt Martin Rupp, Projektleiter Elektronik von Hamilton Bonaduz. Die Anlage ist als 2-Meter- oder 1,3-Meter-Pipettier-Roboter erhältlich. Die Steuerung der Assays übernimmt die Hamilton-Software „Instinct V“.

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Exakte Position mit Magnetbandsystem

Mit der Software können mehrere Nutzer gleichzeitig an der Anlage arbeiten und verschiedene Experimente mit denselben Geräten ausgeführt werden. Eine Pipettierspitze von 10 Mikrolitern fasst z. B. ein Volumen von 1 Mikroliter mit einer Genauigkeit von 5 Prozent. Diese Volumina können in einem 2,25-mm-Raster (1536 Well Platte) über alle Kanäle hinweg exakt positioniert werden. Für diese Aufgabe ist die Messtechnik in zwei Varianten eingesetzt. Mit zwei Magnetbändern wird die Überwachung der Motorsteuerung am Pipettier-Roboter nach unten und seitlich sichergestellt. Eine Lösung aus Magnetband und Platine sorgt für eine präzise Umsetzung der Bewegung auf der Längsachse.

Die Pipettieranlage ist mit Linearmotoren zur Positionierung der einzelnen Achsen ausgestattet. Es gibt drei Achsen, auf denen sich der Pipettier-Roboter in allen drei Raumdimensionen bewegt: die x-Achse in die Längsrichtung, in der der Pipettierarm und damit die Kanäle fahren. Die vorwärts und rückwärts Bewegung der Pipettierkanäle verläuft über die y-Achse, und die Veränderung der Höhe wird über die z-Achse erreicht. Motoren steuern diese drei Achsen, wobei die magnetischen Sensoren ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurückgeben und so den Motor überwachen. Bei der Sensorik auf der y-Achse werden Magnetbänder von Siko eingesetzt, da Hamilton die Sensoren hierfür selbst entwickelt hat.

„Siko hat sehr flexibel auf unsere Wünsche reagiert, denn zwei Achsen waren bereits mit unseren eigenen Magnetsensoren bestückt“, bestätigt Martin Rupp. Diese Magnetband-Lösung sitzt auf dem Pipettierarm. Der integrierte Linearmotor benötigt eine Positionsinformation für die auszuführende Bewegung. Das Magnetbandsystem übernimmt einerseits die Funktion, die Position des Pipettierarms zu ermitteln und sorgt andererseits auch dafür, dass die Pipettierkanäle exakt in dieser Achse positioniert werden. Die Kanäle müssen schmal sein, damit sie in den engen Platzverhältnissen im Pipettierarm kollisionsfrei arbeiten können.

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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 mm breit sein. „Es gibt auf dem Markt kein magnetisches Messsystem, das auf einer Breite von 18 mm arbeitet und eine Länge von rund 700 mm absolut kodieren könnte“, sagt Martin Rupp. Ein wichtiger Punkt ist, dass die verwendete Absoluttechnik sehr zuverlässig ist und der Positionswert auch nach einer Stromunterbrechung ohne zusätzliche Referenzfahrt zur Verfügung steht. Grundsätzlich entfallen durch die Absolut-Kodierung der Magnetbänder die bei anderen Anlagen üblichen Initialisierungsfahrten beim Einschalten. Der Antrieb ist sofort betriebsbereit, ohne dass eine zeitaufwendige Referenzfahrt oder Motorkommutierung vorgenommen werden muss.

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Sensor mit geringen Entwicklungskosten

Zur Positionserfassung auf der Längsachse setzt Hamilton einen Sensor mit entsprechendem Magnetband von Siko ein. Auch hier mussten die sehr engen Platzverhältnisse berücksichtigt werden. Hamilton und Siko entschieden sich für eine Platinenlösung, d. h. es wurde nur die Platine des Sensors mit den Sensorelementen direkt in das Gehäuse eingebaut. Bei dieser Variante detektiert der Sensor die Bewegung des Arms als Wegmesssystem. „Die exakte Positionierung der Kanäle ist nur durch eine entsprechende Positionierung des Pipettierarms möglich“, beschreibt Martin Rupp. „Die Kanäle sitzen auf dem Arm, wenn dieser sich bewegt, muss er mindestens so genau sein wie die Achse des Kanals. Der Arm muss also sehr exakt in der x-Achse positionieren.“ Gefragt war also ein Produkt, dass in der Tiefe weniger Platz benötigte und den Kanälen den umfassenden Arbeitsraum verschaffte. Siko adaptierte hierfür den Magnetsensor MSA501.

„Die Funktionsfähigkeit der Anlage wird unter anderem über die Magnetbänder und Sensoren bestimmt“, so der Projektleiter, „ohne diese funktionieren die Pipettierkanäle und damit der gesamte Pipettier-Roboter nicht.“ Die Genauigkeit des Messsystems entscheidet in dieser Anwendung über die Qualität der Anlage. Der angepasste Sensor verfügt über eine maximale Auflösung von 10 μm absolut und 2,5 μm inkremental. Die Wiederholgenauigkeit liegt bei 5 μm. Dank der berührungslosen Funktionsweise sind die Sensoren verschleißfrei und verursachen nur einen geringen Wartungsaufwand. Im Liquid-Handling-System von Hamilton war eine initiale Systemgenauigkeit von 20 μm gefordert. Bei Hamilton arbeiten jetzt zwei Systeme in einem: ein absolutes und ein inkrementales Messsystem. Das absolute besteht aus absolut kodierten Magnetpolen, die über einen Sensor abgetastet werden und zusammen mit der Inkremental-Einheit verrechnet werden. Auf diese Weise werden kombinierte Absolut-Inkremental-Daten ausgeben.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke elektrotechnik.

* *Carolin Ordosch ist freie Redakteurin

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