Präzision auf engstem Raum

Sensorik

Positionssensorik – Automatisierte Liquid-Handling-Systeme für Laboratorien ermöglichen zahlreiche Analysen in kurzer Zeit. Magnetische Messtechnik von Siko gewährleistet dabei eine hochpräzise Positionierung der Pipettierköpfe.

17. September 2015

Eine unverzichtbare Komponente vieler Laboratorien in der Biotechnologie, der pharmazeutischen und der chemischen Industrie sind automatisierte Liquid-Handling-Systeme, mit denen sich Laboranwendungen wie DNA-Analysen, PCR-Vorbereitung, Blutanalysen etc. mit Tausenden von flüssigen Proben schneller, präziser und vor allem reproduzierbarer durchführen lassen als mit klassischer manueller Pipettierarbeit. Zu den etablierten Anbietern solcher Laborautomationslösungen gehört die Hamilton Company mit Sitz in Bonaduz in der Schweiz. Ein Highlight des Unternehmens ist die Roboter-Pipettieranlage Vantage Liquid Handling System zum schnellen und reproduzierbaren Testen und Screening von verschiedenen Substanzen. Die Anlage ist in der Lage, Proben mit Volumina zwischen 500 Nanolitern und einem Milliliter mit Einzelkanälen oder mit 96 bzw. 384 Mehrfachpipettierköpfen präzise von einer Mikrotiterplatte aufzunehmen und an unterschiedliche Analysestationen abzugeben. Die zugehörige Steuerungssoftware ermöglicht, dass mehrere Nutzer gleichzeitig an der Anlage arbeiten und verschiedene Experimente ausführen können.

Da die übertragenen einzelnen Volumina sehr klein und die Anzahl der gleichzeitig transportierten Proben hoch sein können, muss der Transfer der Proben mit hoher Genauigkeit erfolgen. Maßgeblich für die Wiederholgenauigkeit zwischen den einzelnen Pipettierschritten und somit für den Erfolg der gesamten Arbeitsaufgabe ist jedoch eine präzise Probenentnahme und -abgabe. Das Gerät benötigt deshalb eine Systemgenauigkeit von 20 Mikrometer.

Integriertes Feedback

Die Positionierung der Pipettierköpfe entlang der drei Raumachsen geschieht durch Linearmotoren. Um deren Position exakt zu ermitteln, nutzt der Schweizer Hersteller Magnetbandsensoren der Siko GmbH aus Buchenbach im Schwarzwald, die ein Positionsfeedback an die Steuereinheit zurückgeben. Die verwendeten Magnetbänder und die Sensorköpfe hat das Unternehmen dazu individuell für den Einsatz in dem Liquid Handling System angepasst, so dass sie ideal in das vorgegebene Raumkonzept der Anlage passen.

Für die Positionssensorik der y- und der z-Achse lieferte Siko dabei jedoch lediglich maßgeschneiderte Magnetbänder, da Hamilton die entsprechenden Sensoren selbst entwickelt hat. Diese Magnetband-Lösung auf dem Pipettierarm ermittelt einerseits dessen Position und gewährleistet andererseits, dass die Pipettierkanäle exakt in dieser Achse positioniert werden, schließlich müssen die einzelnen Kanäle aufgrund der engen Platzverhältnisse im Pipettierarm sehr schmal sein, damit sie kollisionsfrei arbeiten können. So muss das Pipettiersystem zum Beispiel Proben mit einem Volumen von 1 Mikroliter in einem 2.25-Millimeter-Raster über alle Kanäle hinweg an 1.536 Orten exakt positionieren. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, hat Hamilton die Kanäle an beiden Seiten des Pipettierarms angeordnet und mit jeweils einem Magnetband rechts und links vom Pipettierarm versehen. Zudem durften die Pipettierkanäle für diese Anordnung maximal 18 Millimeter breit sein, erzählt Martin Rupp, Projektleiter Elektronik der Hamilton Bonaduz AG, und erinnert sich an den Anfang der Kooperation mit Siko: »Es gab auf dem Markt kein magnetisches Messsystem, das auf einer Breite von 18 Millimetern arbeitet und eine Länge von rund 700 Millimetern absolut kodieren könnte. Zudem kommt es auch darauf an, dass wir die Ware immer termingerecht bekommen und die Qualität stimmt; also haben wir uns auf Siko festgelegt.«

Angepasste Lösung

Zur Positionserfassung auf der Längsachse dient dagegen eine Komplett-Lösung von Siko auf Basis des Magnetsensors MSA501 und dem entsprechenden Magnetband. Wegen der sehr engen Platzverhältnisse wurde dabei jedoch nicht der komplette Sensor, sondern lediglich die Platine mit den Sensorelementen direkt in das vorhandene Gehäuse des Pipettierroboters eingebaut. Mit der vorher genutzten Sensorlösung dagegen ließ sich der Arbeitsbereich der Kanäle nicht voll ausschöpfen, weil sie die Mikrotiterplatten am Rand der Anlage nicht erreichen können. Gefragt war also ein Produkt, dass in der Tiefe weniger Platz benötigte und den Kanälen den umfassenden Arbeitsraum verschaffte. »So kam es, dass wir mit geringen Entwicklungskosten einen Sensor einsetzen konnten, der den Arbeitsbereich maximierte«, erzählt Rupp. Der angepasste Siko-Sensor bietet eine Auflösung von 10 µm absolut und 2,5 µm inkremental. Die Wiederholgenauigkeit liegt bei 5 µm. Dank ihrer berührungslosen Funktionsweise sind die Sensoren verschleiß-frei und verursachen nur einen geringen Wartungsaufwand.

Ein wichtiger Grund für Wahl der Siko-Lösungen war für Hamilton, dass die Sensoren gleichzeitig als absolutes und als inkrementales Messsystem arbeiten und kombinierte Absolut-Inkremental-Daten ausgeben. Zudem ist die verwendete Absoluttechnik sehr zuverlässig, und der Positionswert steht wegen der Absolut-Kodierung der Magnetbänder auch nach einer Stromunterbrechung ohne zusätzliche Referenzfahrt zur Verfügung. Mittlerweile sind die Hamilton-Systeme mit Siko-Sensorik seit September 2014 auf dem Markt, und Rupp bilanziert: »Aus unserer Sicht eine überzeugende Zusammenarbeit. Es wird in Zukunft nur noch Hamilton Vantage Liquid Handling Systeme mit Siko-Magnetmesstechnik geben.« bt

Auf einen Blick

- Die Siko GmbH mit Sitz in Buchenbach im Schwarzwald ist ein führender Hersteller von Messtechniksystemen für den industriellen Einsatz.

- Das Produktprogramm umfasst unter anderem Positionsanzeigen, Drehgeber, Seilzuggeber, Stellantriebe, Sensoren für die magnetische Weg- und Winkelmessung sowie optische Messysteme.

Erschienen in Ausgabe: 07/2015