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24.07.2020

DC-Motoren im Spektralphotometer

Wissenschaftler, die in der Genomik und Proteomik arbeiten, brauchen Ergebnisse auf Knopfdruck, damit sie sich an ihre eigentliche Arbeit machen können - Arzneimittelforschung, moderne Diagnostik und Aufbau von Verständnis für die Dinge des Lebens. Als DeNovix anfing, ein Spektralphotometer für Life-Science-Analysen zu entwickeln, lautete die Zielvorgabe, ein schnelles, einfaches und kinderleicht bedienbares Gerät zu schaffen, das in Sekundenschnelle genaue und reproduzierbare Ergebnisse liefert. Mit Hilfe kleiner Gleichstrommotoren von FAULHABER stellt das DS-11 automatisch die optimalen Messparameter für Proben von nur 0,5 µl ein, so dass der Anwender jedes Mal qualitativ hochwertige Datensätze erfassen kann.

In der Spektrophotometrie geben die Menge und Wellenlänge des von einer Probe absorbierten Lichts Aufschluss über die Art und Konzentration der vorhandenen Moleküle. Mikrovolumen-Spektralphotometer wie das DS-11 ermöglichen es den Forschern, schnelle und genaue Ergebnisse zu erzielen, mit minimalen Probenmengen auszukommen und schneller zur Beantwortung der eigentlichen Fragen überzugehen, die Gegenstand der Forschung sind.

Um eine optimale Absorptionsmessung durchzuführen, muss eine optische Weglänge (Optical Wavelength, OPL) für die Größe und Eigenschaften jeder einzelnen Probe skaliert werden. Leider wird bei den in diesen Berechnungen üblicherweise verwendeten Konvertierungsfaktoren eine OPL von 10 mm zugrunde gelegt. Dies hat zur Folge, dass die OPL für jede Probe und jede Messung angepasst und dann skaliert werden muss, um den tatsächlichen Wert zu ermitteln. Je genauer und reproduzierbarer die OPL ist, desto genauer sind die Ergebnisse der Analyse. Die entscheidende Innovation der DS-11 ist die SmartPath-Technologie von DeNovix, die die OPL automatisch optimiert, um zu verlässlichen und aussagefähigen Ergebnissen zu kommen.

Effizientes Design

Für das DeNovix-Team stand bei der Entwicklung des DS-11 von Anfang die Benutzerfreundlichkeit im Vordergrund. Das Gerät arbeitet mit einem Android-Betriebssystem für die Bedienung und Analyse über einen Touchscreen, kommt also ohne einen zusätzlichen PC aus. Es besteht aus einem 20 x 33 cm großen Sockel mit Probenhaltern, die für den Mikrovolumen- und Küvettenmodus erhältlich sind. Bei der Mikrovolumen-Version überträgt ein Lichtwellenleiter das Signal von einer Xenonlampe im Sockel des Instruments zur Spitze des Probenhalters.

Während einer Messung senkt der Benutzer einen Gelenkmessarm ab, der ein Lichtleitfaserkabel mit der Probe in Kontakt bringt. Bei Berühren des Touchscreens wird der Analysealgorithmus gestartet, der während einer Datenerfassungsperiode kontinuierlich die Feineinstellung der Halterposition vornimmt.


Elektromagnetische Energie (Licht im Wellenlängenbereich von 190 bis 840 nm) durchläuft die Lichtwellenleiter und die optischen Verbindungen und gelangt zum Spektrometer, wo ein linearer 2.048-Pixel-CCD-Detektor die Werte zur Analyse ausliest.

Mit Hilfe der SmartPath-Technologie wird eine erste Absorptionsmessung zur Anpassung der Position des Probenhalters und damit zur OPL-Optimierung durchgeführt. Das System basiert auf ausgeklügelten Algorithmen, aber damit diese effektiv arbeiten können, benötigen sie ein genaues, opto-mechanisches Positionierungssystem mit geschlossenem Regelkreis, das mehrere Iterationen in wenigen Sekunden durchführen kann. Als ob all das nicht schon schwierig genug wäre, hat sich das DeNovix-Team einen ehrgeizigen Zeitplan für die Produktentwicklung gesetzt. Nötig war dafür innovative Technik, aber auch ein effizientes Design.

Ein erster Schritt auf diesem Weg war die Vereinfachung des Entwicklungsprozesses durch Entschärfung der Randbedingungen. Statt zu versuchen, die OPL in drei Raumrichtungen zu optimieren, konzentrierte sich das Team darauf, den Probenhalter nur entlang der z -Achse zu positionieren und ihn in den anderen Raumrichtungen "schweben" zu lassen. Damit entfielen Komponenten im fertigen Gerät, wodurch Kosten, Integrationszeit und Fehlerquellen reduziert wurden.

Ein erster Schritt auf diesem Weg war die Vereinfachung des Entwicklungsprozesses durch Entschärfung der Randbedingungen. Statt zu versuchen, die OPL in drei Raumrichtungen zu optimieren, konzentrierte sich das Team darauf, den Probenhalter nur entlang der z -Achse zu positionieren und ihn in den anderen Raumrichtungen "schweben" zu lassen. Damit entfielen Komponenten im fertigen Gerät, wodurch Kosten, Integrationszeit und Fehlerquellen reduziert wurden.

Zur Positionierung der z-Achse wird bei dieser Konstruktion eine Feingewindespindel über einen 

Servomotor angetrieben, der in einem geschlossenen Regelkreis arbeitet. Ein Planetengetriebe sorgt mit seinem Untersetzungsverhältnis dafür, dass eine Umdrehung des Motors einer Teilumdrehung der Spindel entspricht. Ein hochauflösender magnetischer Encoder liefert eine Feedback-Meldung, anhand derer das System durch den SmartPath-Algorithmus eine Iteration durchführt und die optimale OPL bestimmt.

Auswahl eines Motors

Das DeNovix-Team brauchte eine Motion-Control-Lösung, die diese Aufgabe zuverlässig und wirtschaftlich erledigen würde, konzentrierte sich aber gleichzeitig auf sein zentrales Leistungsversprechen, nämlich das Spektralphotometer, und auf die schnellstmögliche Markteinführung ihres Produkts. Die Anwendung erforderte die Beherrschung intermittierender, kurzer, schneller Bewegungen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich. Nach ausgiebigen Recherchen und Tests entschied man sich für ein Modul mit eisenlosem DC-Motor mit einem Encoder und einem aus Vollkunststoff bestehenden Planetengetriebe von FAULHABER.

Der bürstenbehaftete DC-Motor vereinfachte den Entwicklungs- und Integrationsprozess erheblich. Ein bürstenloser Servomotor wäre komplizierter gewesen. Dieser hätte acht Verbindungen erfordert: Drei für die Stromversorgung, drei für die Hall-Effekt-Sensoren und zwei für die Stromversorgung der Elektronik. Im Gegensatz dazu benötigt ein DC-Motor nur zwei Anschlusspunkte, was das Antriebsschema, die Montage und das Gesamtsystem vereinfacht.

„Ein bürstenbehafteter DC-Motor hat uns die Arbeit wirklich erleichtert“, sagt DeNovix-Entwicklungsleiter Dave Ward. "Dadurch konnten wir außerdem konventionelle Bremsmöglichkeiten nutzen. Wir wollten das Beste aus beiden Welten. Ein passives System würde während der Messungen stabil sein, und hat es uns ermöglicht, einen aktiven Bremsalgorithmus zu entwickeln. Die Kombination gab uns genau das, was das Instrument erfordert: Schnelle, reproduzierbare und präzise Bewegungen.”

Viele Entwickler sind der Auffassung, dass ein bürstenloser Motor optimale Leistungen erbringt und daher ihre erste Wahl ist. Er ist aber nicht immer die ideale Lösung. Es trifft zwar zu, dass ein Bürstenmotor wahrscheinlich irgendwann aufgrund von Verschleiß zwischen den Bürsten und dem Kommutator ausfällt, aber das ist eine Frage der Zeit. Eisenlose Gleichstrommotoren mit niedriger Induktivität können es auf viele tausend Betriebsstunden bringen, weit mehr als das, was in den meisten Anwendungen jemals benötigt wird. Wegen der intermittierenden Bewegungen des DS-11 arbeitet das Bewegungssystem mit einer geringen Einschaltdauer, so dass ein DC-Bürstenmotor das Problem lösen konnte.

Die Wahl des Motors unterstützte das Team außerdem dabei, ein weiteres Entwicklungsziel zu erreichen, nämlich eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit. Individuelle Anpassungen an die z-Achsen-Position des Probenhalters dauern 0,25 bis 0,5 Sekunden bei einer Gesamtdatenerfassungszeit von weniger als 4 Sekunden. Durch die Wahl eines eisenlosen Motors konnte das DeNovix-Team die Trägheit minimieren, so dass die Bewegungsachse schnell und zuverlässig ohne Über- oder Nachschwingen positioniert werden kann. "Hier kommt der Motor ins Spiel," sagt Kevin Kelley, Business Director bei DeNovix. "Das System trifft viele Entscheidungen in Echtzeit, und die Ansprechgeschwindigkeit des Motors ermöglicht eine präzise Steuerung der Weglänge, die der entscheidendste Teil der Apparatur ist."

Integrierte Module

Nachdem das Team festgelegt hatte, was es wollte, lautete die nächste Frage, woher es zu beziehen war. Die Entwickler begannen mit handelsüblichen Standardkomponenten und übertrugen einen Teil des Problems auf ihren Lieferanten, indem sie sich für einen kompletten, vorintegrierten Getriebemotor von FAULHABER entschieden, der einbaufertig geliefert wird. "Die größte Herausforderung bestand darin, das Produkt möglichst schnell auf den Markt zu bringen. Da mehrere Prototyp-Motorbaugruppen für eine kurzfristige Evaluierung zur Verfügung standen, war dieser Teil des Projekts leicht zu bewältigen”, sagt Kelley. Der Motorhersteller fräste im Prototypenstadium Flachstellen in die Getriebewelle, um die Montage zu erleichtern. Nachdem nun das Instrument in Serie gefertigt wird, werden die Flachstellen im Werk eingearbeitet.

Durch den Zukauf eines fertigen Bewegungsmoduls kann sich DeNovix auf die Optik konzentrieren und uns das Motion-Control-Design überlassen. Dadurch wird außerdem die Fertigung rationalisiert und die Gefahr einer Beschädigung von Bewegungskomponenten während der Integration ausgeschaltet. "Wir wollten das Gerät nicht stückweise bauen“, sagt Ward. "Wichtig war also das integrierte Paket."

Mit Hilfe der SmartPath-Technologie, die mit Präzisionsbewegungen arbeitet, kann das DS-11 Proben mit OPLs von nur 0,03 mm messen. Dies entspricht 500 Absorptionseinheiten bei der äquivalenten Standard-OPL von 10 mm, was einer BSA-Proteinkonzentration von 750 mg/ml oder einer dsDNA-Konzentration von 25000 ng/µl entspricht. Durch das zuverlässige Bewegungssteuerungssystem erreicht das Instrument eine Wiederholgenauigkeit von unter 1%.

Das System hat harte Lebensdauertests erfolgreich absolviert. Bis heute wurden DeNovix keine Motorausfälle im praktischen Einsatz gemeldet, was zum Teil auf die Leistung des Motion-Control-Moduls zurückzuführen ist.