Precisione negli spazi più ristretti
Con l'ausilio dell'automazione di laboratorio, è possibile ridurre sensibilmente sia il tempo necessario per eseguire le analisi sia la suscettibilità agli errori. Si tratta di due aspetti cruciali in un contesto di contenimento dei costi richiesto dai committenti delle analisi di laboratorio. Nel trattamento completamente automatizzato dei campioni liquidi, ad esempio, questo depone a favore dell'uso dei sistemi di manipolazione dei liquidi.
Uno degli operatori più affermati tra i fornitori di soluzioni di automazione di laboratorio per applicazioni nell'industria biotecnologica, farmaceutica e chimica è la Hamilton Company. Nel settore della manipolazione dei liquidi, l'azienda svizzera di Bonaduz offre un nuovo sistema per l'analisi rapida e lo screening riproducibile di varie sostanze. Il sistema robotico di pipettaggio "Hamilton VANTAGE Liquid Handling System" è in grado di prelevare con grande precisione da una piastra per microtitolazione campioni con volume da 500 nanolitri a un millilitro, con pipette monocanale o a teste di pipettaggio multicanale per piastre da 96 o 384 pozzetti, e di trasferirli a un'altra. Poiché i singoli volumi spostati in questo processo possono essere molto piccoli mentre al contempo il numero dei campioni trasportati elevato, il trasferimento dei campioni deve soddisfare gli esigenti requisiti in termini di precisione. La precisione in fase di prelevamento e trasferimento dei campioni garantisce la ripetibilità tra le singole fasi di pipettaggio e, di conseguenza, la riuscita dell'intero processo di lavoro.
Per determinare con precisione la posizione delle teste di pipettaggio lungo le tre dimensioni spaziali, nel nuovo robot di pipettaggio, Hamilton ha adottato la tecnologia di misura magnetica di SIKO GmbH. L'azienda della Foresta Nera produce un'ampia gamma di tecnologie di misura lineare, angolare e del numero di giri che soddisfano con performance di precisione i requisiti della tecnologia analitica. Per poter utilizzare il Liquid Handling System VANTAGE di Hamilton, SIKO ha adattato alle esigenze specifiche le bande magnetiche e le schede sensore elettroniche impiegate.
SIKOSIKO ha reagito in modo molto flessibile ai nostri desideri, considerando che due assi erano già dotati di sensori magnetici nostri. SIKO ha fornito le bande magnetiche corrispondenti con una codifica speciale per questo scopo
Martin Rupp, Responsabile di progetto Elettronica presso Hamilton Bonaduz AG
Robot di pipettaggio configurabile individualmente
Il Liquid Handling System VANTAGE di Hamilton si presta a tutti i tipi di applicazioni di laboratorio, come l'analisi del DNA, la preparazione e la purificazione di PCR, la preparazione di campioni di biologia molecolare, l'analisi del sangue, etc. Tra i clienti si annoverano aziende farmaceutiche, centri di ricerca accademica e diagnostica. "Offriamo il nostro nuovo Liquid Handling System VANTAGE come sistema modulare che può essere configurato individualmente", illustra Martin Rupp, Project Manager Electronics della Hamilton Bonaduz AG. Il sistema è disponibile come robot di pipettaggio da 2 o 1,3 metri, che può essere ampliato per includere ulteriori unità di trasporto di materiale da laboratorio, cabine operative, incubatori, contenitori per campioni e altre unità necessarie per le analisi. È proprio la disposizione verticale dei singoli moduli a rendere questa configurazione flessibile, facilitando anche l'integrazione di dispositivi di altri produttori.
A garantire la facilità d'implementazione dei dispositivi di terzi ci sono, da un lato un apposito robot di trasporto che può spostare i porta-campioni all'interno del sistema o trasferirli ai dispositivi di terzi, e dall'altro il software standard di SiLA su cui il sistema si basa. I saggi sono controllati dal software Hamilton "INSTINCT V" che consente a più utenti di lavorare contemporaneamente sul sistema e di eseguire esperimenti diversi con gli stessi dispositivi. La configurazione degli strumenti e i layout degli esperimenti possono essere creati e modificati facilmente tramite drag-and-drop. La simulazione 3D del trasferimento del campione riduce i tempi di messa a punto. Un puntale da 10 microlitri contiene ad esempio un volume di 1 microlitro con una precisione del 5,0%. Questi volumi possono essere posizionati con precisione in una griglia di 2,25 millimetri (piastra da 1536 pozzetti) per tutti i canali; per farlo vengono utilizzate due versioni della tecnologia di misura SIKO. Due bande magnetiche assicurano il monitoraggio del controllo motore del robot di pipettaggio verso il basso e lateralmente, mentre la soluzione costituita da una banda magnetica e una scheda elettronica garantisce la perfetta esecuzione del movimento sull'asse longitudinale.
Soluzione con banda magnetica personalizzata: senza referenziazione
Il sistema di pipettaggio è dotato di motori lineari per il posizionamento dei singoli assi. Ci sono tre assi su cui il robot di pipettaggio si muove nelle tre dimensioni spaziali: l'asse x in direzione longitudinale, in cui si muove il braccio di pipettaggio e quindi i canali; l’asse y tramite cui avviene il movimento in avanti e indietro dei canali di pipettaggio; l’asse z tramite cui si ottiene invece il cambiamento di altezza. I motori controllano questi tre assi, mentre i sensori magnetici forniscono un feedback di posizione all'unità di controllo al fine di monitorare il motore. Per i sensori sull'asse y, SIKO utilizza solamente le bande magnetiche, poiché Hamilton ha sviluppato i sensori appositamente per questo. "SIKO ha reagito in modo molto flessibile ai nostri desideri, considerando che due assi erano già dotati di sensori magnetici nostri. SIKO ha fornito le bande magnetiche corrispondenti con una codifica speciale per questo scopo", conferma Martin Rupp. Questa soluzione a banda magnetica è collocata sul braccio di pipettaggio. Il motore lineare integrato necessita di un'informazione di posizione per eseguire il movimento. Da un lato, il sistema a banda magnetica assume la funzione di rilevare la posizione del braccio di pipettaggio e, dall'altro, garantisce che i canali di pipettaggio siano posizionati esattamente in questo asse.
I canali devono essere stretti in modo da poter lavorare senza collisioni negli spazi ristretti del braccio di pipettaggio. Per soddisfare questo requisito, Hamilton ha disposto i canali su entrambi i lati del braccio di pipettaggio. Per questo motivo sono state necessarie due bande magnetiche, collocate una a destra e una a sinistra del braccio di pipettaggio, con la conseguenza che i canali di pipettaggio potevano avere una larghezza massima di 18 millimetri. "Sul mercato non esiste un sistema di misura magnetico che funzioni su una larghezza di 18 millimetri e che possa codificare in modo assoluto una lunghezza di circa 700 millimetri", afferma Martin Rupp. La soluzione iniziale a banda magnetica era tecnicamente funzionale, ma non risultava soddisfacente l'affidabilità della consegna. "Per noi è fondamentale che la merce arrivi sempre in tempo e che la qualità sia perfetta; per questo abbiamo deciso di affidarci a SIKO", conferma il responsabile del progetto.
Un vantaggio importante è che la tecnologia assoluta utilizzata risulta molto affidabile e il valore di posizione resta disponibile anche dopo un'interruzione dell'alimentazione, senza bisogno di effettuare un'ulteriore corsa di riferimento. In sostanza, la codifica assoluta delle bande magnetiche elimina le corse di inizializzazione tipiche di altri sistemi al momento dell'accensione. L'azionamento è pronto per il funzionamento senza bisogno di effettuare una corsa di riferimento o una commutazione del motore che richiedono tempo.
Sistema di rilevazione della posizione: solo scheda elettronica e banda magnetica
Per la rilevazione della posizione sull'asse longitudinale, Hamilton utilizza una soluzione completa di SIKO: un sensore con relativa banda magnetica. Anche in questo caso si è dovuto tenere conto degli spazi molto ristretti. Inizialmente era stato preso in considerazione un sensore di 82,6 x 20 millimetri, ma le sue dimensioni ne impedivano l'installazione. Hamilton e SIKO hanno quindi optato per una soluzione con scheda elettronica, in cui venivano installati direttamente nell'alloggiamento solo la scheda elettronica del sensore e gli elementi del sensore. Una soluzione a circuito elettronica puro non è facilmente realizzabile in altre circostanze, soprattutto se si verificano contaminazioni o se il sensore rischia di entrare in contatto con l'acqua. L'alloggiamento esistente del robot di pipettaggio ha fornito una protezione contro le aggressioni esterne e ha reso possibile la soluzione con scheda. Un effetto collaterale positivo di questa variante di sensore si riscontra nella riduzione dei costi per Hamilton.
In questa variante, il sensore rileva il movimento del braccio come sistema di rilevazione della posizione. "Il posizionamento esatto dei canali è possibile solo posizionando il braccio di pipettaggio in modo adeguato", spiega Martin Rupp. "I canali si trovano sul braccio, quindi il movimento del braccio deve essere preciso almeno quanto l'asse del canale. Il braccio deve quindi posizionarsi in modo molto preciso sull'asse x." Prima di ricorrere a SIKO, è stato utilizzato un prodotto concorrente che causava limitazioni nel campo di lavoro dei canali di pipettaggio, cioè sull'asse y. Per Hamilton è estremamente importante che i canali siano in grado di raggiungere anche le piastre per microtitolazione situate ai margini del sistema. Con la soluzione di sensori utilizzata in precedenza, il campo di lavoro dei canali non poteva essere sfruttato completamente. Era quindi necessario un prodotto che richiedesse meno spazio in profondità e fornisse ai canali uno spazio di lavoro completo. A tal fine, SIKO ha adattato il sensore magnetico MSA501. "Grazie al know-how di SIKO e ai bassi costi di sviluppo, siamo riusciti a utilizzare un sensore che massimizza il campo di lavoro come non era possibile fare con la variante precedente", afferma Martin Rupp.
Elevata precisione di sistema con i sensori magnetici SIKO
Sia la soluzione completa basata sulla scheda elettronica che la variante costituita dal sensore del cliente e dalle bande magnetiche SIKO dimostrano che gli adeguamenti personalizzati possono essere decisivi per un sistema di misura che funzioni con la massima precisione. "La funzionalità del sistema è determinata, tra l'altro, dalle bande magnetiche e dai sensori", precisa il responsabile del progetto, "senza questi non funzionerebbero i canali di pipettaggio e quindi l'intero robot di pipettaggio." In questa applicazione, la precisione del sistema di misura è particolarmente decisiva per la qualità del sistema. Il sensore SIKO adattato ha una risoluzione massima di 10 μm assoluti e 2,5 μm incrementali, mentre la ripetibilità è di 5 μm. Grazie alla modalità di funzionamento senza contatto, i sensori non sono soggetti a usura e richiedono poca manutenzione. Nel liquid handling system di Hamilton era richiesta una precisione di sistema iniziale di 20 μm, che il prodotto concorrente non riusciva a raggiungere.
Per Hamilton, l'aspetto determinante nella scelta del sistema di misura SIKO è stato il fatto di avere due sistemi in uno: un sistema di misura assoluto e uno incrementale. L'assoluto è costituito da poli magnetici codificati in modo assoluto che vengono scansionati tramite un sensore e computati insieme all'unità incrementale. In questo modo si ricavano dati combinati assoluti e incrementali. "Con il prodotto concorrente, era possibile ottenere una maggiore precisione del sistema solo tramite l'interfaccia assoluta, mentre l'elettronica utilizzata prevede un'interfaccia incrementale", spiega Martin Rupp. I sistemi Hamilton con sensoristica SIKO sono sul mercato da settembre 2014. "Dal nostro punto di vista, una collaborazione convincente. In futuro ci saranno solo liquid handling system VANTAGE di Hamilton con tecnologia di misura magnetica SIKO", afferma Martin Rupp.
Autrice: redattrice freelance, signora Carolin Ordosch
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