Spezifikation der Bewegungslösung für elektronische Pipetten von entscheidender Bedeutung

May 04, 2023

Pipetten sind in Laboratorien, die auf Biowissenschaften und klinische Diagnostik spezialisiert sind, allgegenwärtig und ein wichtiges Werkzeug für die Übertragung flüssiger Proben. Die wiederholte Aktivierung manueller Geräte kann Labortechniker belasten, während elektronische Pipetten die Benutzerfreundlichkeit verbessern und die Dosiergenauigkeit und Wiederholbarkeit erhöhen. Um die Anforderungen der Flüssigkeitsabgabe zu optimieren und die Anforderungen an ergonomisches Design zu erfüllen, ist die Spezifikation des richtigen Bewegungssystems von entscheidender Bedeutung.

DerBewegungssystem ist für die Funktion einer elektronischen Pipette von zentraler Bedeutung, und ihre Spezifikation hat weitreichende Auswirkungen auf die anderen darauf aufbauenden Funktionen des Geräts. Die Einbeziehung des Bewegungssystemdesigns so früh wie möglich in den Entwicklungsprozess führt zu einem effektiveren und effizienteren Ergebnis.

Eine wichtige Anforderung an das Bewegungssystem ist Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Pipettengeräte sind in der Regel so programmierbar, dass sie jedes Mal genau die Flüssigkeitsmenge abgeben, was eine lineare Bewegungssteuerung erfordert. Um Genauigkeit zu erreichen, erfordert das Design ein Motor-Feedback-Gerät, das die Position des Bewegungssystems meldet, oder alternativ einen Motor, der seine Position im offenen Regelkreis durch seinen Betriebsmodus bestätigt. Neben der Regelgenauigkeit sollte auch der Dosierzyklus möglichst schnell erfolgen, um wertvolle Laborzeit zu minimieren und den Prozess für den Labortechniker zu vereinfachen.

Das Bewegungssystem muss außerdem ausreichend lineare Kraft liefern, um die Flüssigkeit anzutreiben. Die erforderliche Kraft wird durch die Viskosität der Flüssigkeit beeinflusst. Viele Pipetten können mit einer Reihe von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität betrieben werden. Je größer also die Kraft ist, die ein Motor liefern kann, desto flexibler ist sein Einsatz im Labor. Auch der Kraftbedarf vervielfacht sich, wenn eine Pipette für die Mehrkanaldosierung vorgesehen ist. Neben der Kraft, die die Flüssigkeit vorantreibt, ist das größte erforderliche Spitzendrehmoment einer Pipette das Auswerfen der Einwegpipettenspitze, die normalerweise entfernt wird, um eine Kreuzkontamination der Probe zu vermeiden.

Um den Einsatz durch den Labortechniker zu optimieren, sollte die Pipette außerdem kompakt und leicht sein. Der Motortyp und seine Steuerungsmethode wirken sich erheblich auf die Gesamtfläche und das Gewicht des Geräts aus. Daher müssen die Anforderungen an die Motorleistung, einschließlich Überlegungen zur Stromversorgung, mit ergonomischen Anforderungen in Einklang gebracht werden. Diese umfassendere Auswirkung, zusätzlich zur Kolbenbetätigung allein, unterstreicht die Notwendigkeit, dass die Spezifikation des Bewegungssystems so schnell wie möglich im gesamten Designprozess einer Pipette erfolgt.

Bei der Umsetzung der Anforderungen von Labortechnikern in das Bewegungsdesign einer Pipette bleiben die Betätigungseigenschaften von grundlegender Bedeutung. Beginnend mit der Regelgenauigkeit sorgt ein Bürsten-Gleichstrommotor mit Encoder für Präzision gegenüber der Kolbenbetätigung. Alternativ dreht sich ein Can-Stack-Schrittmotor bei jedem Stromimpuls in definierten Schritten, was bedeutet, dass seine Position relativ zum Winkel jedes Schritts immer bekannt ist. Dieser bietet zwar nicht die gleiche Präzision wie ein Gleichstrommotor mit Encoder, ein Schrittmotor bietet jedoch bei den meisten Pipettenanwendungen eine hohe Genauigkeit. Die Positionierung des Schrittmotors kann auch durch die Gestaltung kleiner Schrittwinkel und den Antrieb des Motors im Mikroschrittmodus optimiert werden. Zur Feinsteuerung kann auch die Steigung der Leitspindel, die den Motor mit dem Kolben verbindet, individuell angepasst werden.

Wenn die Pipette ein höheres Drehmoment benötigt, beispielsweise bei der Mehrkanaldosierung, ist ein DC-Bürstenmotor von Vorteil. Der Gleichstrommotor kann schneller laufen als ein Schrittmotor, was den Einbau eines Getriebes oder die Verwendung einer engeren Steigung der Leitspindel ermöglicht. Die Pipette kann eine größere Kraft erzeugen und dennoch die gewünschte Abgaberate beibehalten.

Da ein Schrittmotor keinen Encoder zur Steuerung seiner Position benötigt, trägt dies zu einem kompakteren und leichteren Design bei. Und da der Motor so konstruiert werden kann, dass er einen Gewinderotor und eine integrierte Leitspindel umfasst, wird eine lineare Bewegungslösung erreicht, die koaxial mit dem Kolben verbunden ist und ein dünneres Pipettenprofil ermöglicht. Aus Sicht eines Originalgeräteherstellers (OEM) ist die Integration eines linearen Schrittmotors dadurch relativ einfach, was Zeit und Entwicklungskosten spart. Um eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, benötigt ein Gleichstrommotor alternativ ein Zahnrad oder eine Riemenscheibe, die den Motor mit der Leitspindel und dem Kolben auf einer separaten, parallelen Achse verbindet. Dieser Ansatz erhöht die Designkomplexität und erhöht die Größe und Masse, sodass ein breiterer Pipettenkörper erforderlich ist, um dem Design gerecht zu werden.

Um die Bewegungslösung mit Strom zu versorgen, sind Batteriegröße und -gewicht wichtige Aspekte der Ergonomie, aber diese Attribute müssen mit der Ladedauer in Einklang gebracht werden. Eine Batterie muss einen Tag lang mit der gewünschten Anzahl an Dispensierungen ausreichen, aber um die Benutzerfreundlichkeit für den Labortechniker zu optimieren, muss die Batterie so kompakt wie möglich sein. Dies wirkt sich auf das Design der Motorwicklung und die Drehmomentabgabe aus. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen der Leistung bei der verfügbaren Spannung und der spezifischen Stromaufnahme sowie der Batteriekapazität und der Ladedauer gefunden werden.

Schrittmotoren sind der gängige Ansatz für die Pipettenkonstruktion, nicht zuletzt weil sie kostengünstiger sind. Allerdings könnten Bürsten-Gleichstrommotoren in Betracht gezogen werden, wenn ein höheres Drehmoment und eine höhere Genauigkeit erforderlich sind. Unabhängig davon, welche Technologie ausgewählt wird, ist die genaue Definition ihrer Spezifikationen, einschließlich der Dimensionierung, von entscheidender Bedeutung. In Anbetracht der weitreichenden Auswirkungen hält die Zusammenarbeit mit einem Entwickler von Bewegungslösungen vor jeder Spezifikationsentscheidung die Flexibilität für ein optimiertes Design der Pipette offen.

Die Anpassung einer Bewegungslösung an die Kundenanforderungen im Pipettendesign erfordert eine Vielzahl von Überlegungen, die Bereiche von den Wicklungen und Magneten bis hin zur mechanischen Integration mit der Spritze abdecken. Die Pipette ist grundsätzlich auf die Bewegungslösung angewiesen, und es ist ein hohes Maß an Designintegration erforderlich. Daher ist ein kollaborativer Ansatz zwischen den Entwicklungsteams für Bewegungslösungen und Pipetten von entscheidender Bedeutung.

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