MOTORAUSWAHL FÜR ELEKTRONISCHE PIPETTEN

Pipetten sind für Messung und Dosierung spezifischer Flüssigkeitsmengen aus modernen Labors nicht mehr wegzudenken. Im Allgemeinen kommen je nach Laborgröße und zu dosierender Menge unterschiedliche Pipettenarten zum Einsatz:

• LUFTVERDRÄNGER-PIPETTEN
• DIREKTVERDRÄNGER-PIPETTEN
• VOLLPIPETTEN
• MESSPIPETTEN

Seit 2020 kommt Luftverdränger-Mikropipetten eine zentrale Funktion bei der Bekämpfung von COVID-19 zu. Sie werden zur Probenvorbereitung beim Erregernachweis einsetzt (z. V. Echtzeit-RT-PCR). Im Allgemeinen sind manuelle und elektronische Luftverdränger-Pipetten in zwei verschiedene Designs im Einsatz. (Abbildung 1)

MANUELLE UND ELEKTRONISCHE PIPETTEN IM VERGLEICH

Bei Luftverdränger-Pipetten wird ein Kolben in der Pipette nach oben oder unten bewegt, um einen Unter- oder Überdruck an der Luftsäule zu erzeugen. Dadurch kann der Benutzer die Flüssigkeitsprobe mit der Einweg-Pipettenspitze aufnehmen oder abgeben. Die Luftsäule in der Spitze trennt dabei die Flüssigkeit von dem wiederverwendbaren Pipettenteil.(Abbildung 2)

Die Kolbenbewegung kann für die manuelle Ausführung durch die Hand des Benutzers oder die elektronische Ausführung ausgelegt sein. Im zweiten Fall wird der Kolben von einem Motor angetrieben bewegt und die Steuerung durch den Benutzer erfolgt mithilfe von Tasten.

GRENZEN MANUELLER PIPETTEN

Längeres Arbeiten mit manuellen Pipetten kann zu benutzerseitigen Beschwerden und sogar Verletzungen führen. Die Kraft, die nötig ist, um die Flüssigkeit zu dosieren und die Pipettenspitze auszuwerfen, kann in Kombination mit der immer wieder und oft über Stunden wiederholten identischen Bewegung das Risiko sogenannter RSI (Repetitive Strain Injuries) an Gelenken erhöhen, insbesondere Daumen, Ellbogen, Handgelenken und Schultern.

Bei manuellen Pipetten erfolgt die Flüssigkeitsabgabe durch Drücken eines Knopfes mit dem Daumen. Elektronische Pipetten sind dagegen wesentlich ergonomischer, zum Beispiel wie hier mit einer elektronischen Auslösetaste. (Abbildung 3)

DIE ELEKTRONISCHE ALTERNATIVE

Elektronische oder motorbetriebene Pipetten sind eine ergonomische Alternative zu manuellen Pipetten und bieten eine effiziente Methode zur Steigerung des Probendurchsatzes, ohne Einbußen in Präzision und Genauigkeit zu haben. Anstelle eines per Daumen betätigten Pipettierknopfs und einer manuellen Volumeneinstellung verfügen elektronische Pipetten über eine digitale Bedienoberfläche zur Anpassung des Volumens und einen motorbetriebenen Kolben zum Ansaugen und Dosieren der Flüssigkeit. (Abbildung 4)

Weitere Vorteile elektronischer Pipetten:

MOTORAUSWAHL FÜR ELEKTRONISCHE PIPETTEN

Da das Pipettieren in der Regel der erste Schritt in einem mehrere Schritte umfassenden Verfahren darstellt, summieren sich Ungenauigkeiten und Fehler beim Messen der winzigen Flüssigkeitsmenge, sodass Genauigkeit und Präzision am Ende leiden.

WAS BEDEUTET PRÄZISION UND GENAUIGKEIT?

Präzision ist erreicht, wenn die Pipette immer wieder dieselbe Menge abgibt. Genauigkeit liegt vor, wenn die Pipette exakt und fehlerfrei die gewünschte Menge abgibt. Das eine ist ohne das andere möglich. Wo Pipetten eingesetzt werden, werden jedoch sowohl Präzision als auch Genauigkeit vorausgesetzt. Versuchsergebnisse lassen sich nur reproduzieren, wenn diese entscheidende Anforderung erfüllt ist.

Das Kernstück einer elektronischen Pipette ist ihr Motor, der sich nicht nur wesentlich auf Präzision und Genauigkeit, sondern auch auf andere wichtige Faktoren wie Gehäusegröße, Leistung und Gewicht auswirkt. Pipettendesigner wählen in der Regel LinearSchrittmotor-Aktuatoren oder Gleichstrommotoren. Letztendlich haben sowohl Schritt- als auch Gleichstrommotoren ihre Stärken und Schwächen.

GLEICHSTROMMOTOR

Gleichstrommotoren sind einfache elektrische Maschinen, die sich beim Anlegen von Gleichstrom drehen. Der Motor lässt sich ohne komplexe Elektronik betreiben. Angesichts der linearen Bewegungsanforderung einer elektronischen Pipette muss eine Gleichstrommotorlösung jedoch zusätzlich mit einer Leitspindel und einem Getriebesystem ausgestattet sein, um die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung umzusetzen und die nötige Kraft zu liefern. Die Gleichstromlösung müsste außerdem mit einem Rückführmechanismus in Form eines optischen Sensors oder Encoders ausgerüstet sein, um die lineare Kolbenposition genau steuern zu können. Aufgrund der hohen Trägheit des Rotors würden einige Entwickler vielleicht ein Bremssystem zur Verbesserung der Positioniergenauigkeit in die Konstruktion integrieren. Die Verwendung eines Gleichstrommotors kann die Präzision und Genauigkeit des Pipettiersystems insgesamt verbessern, führt jedoch zu einer relativ kostspieligen Lösung.

SCHRITTMOTOR

Viele Ingenieure ziehen die Verwendung eines LinearSchrittmotor-Aktuators vor, weil dieser sich leicht integrieren lässt, eine hohe Leistung bietet und kostengünstig ist. Ein LinearSchrittmotor-Aktuator besteht aus einem Can-Stack-Schrittmotor mit einem Gewinderotor mit integrierter Leitspindel, der eine direkte lineare Bewegung in einer kleinen Baugröße liefert. (Abbildung 5 Abbildung 6)

Anders als beim Gleichstrommotor bewegt sich der LinearSchrittmotor-Aktuator in diskreten Schritten auf und ab, wenn elektrische Impulse angelegt werden. Einer der wichtigen Vorteile eines Linear-Schrittmotor-Aktuators ist die Möglichkeit der Ansteuerung in einem offenen Regelkreis, denn damit sind keine kostspieligen Rückführ- oder Bremssysteme zur Positionierung erforderlich. Üblicherweise lässt sich mit kleinen Schrittwinkeln und einer Auswahl an Leitspindelsteigungen eine hochauflösende Positionierung erreichen, die sich noch verbessern lässt, wenn der Linear-Schrittmotor-Aktuator im Mikroschrittbetrieb angetrieben wird.

Wenn Schrittmotoren nicht richtig ausgelegt sind, können Schritte verloren gehen, was beim Dosieren zu Ungenauigkeiten führen würde. Das Problem lässt sich jedoch leicht beheben, indem die passende Motorleistung für das Antriebssystem sichergestellt wird.

Nachstehend sind einige wichtige Überlegungen für die Auswahl des Motors aufgeführt:

• WAHREN SIE EINEN SICHERHEITSFAKTOR VON MINDESTENS 50 % AUS DER GESCHWINDIGKEIT/KRAFT-KENNLINIE.
• VERMEIDEN SIE IM BETRIEB RESONANZPUNKTE BEI NIEDRIGEN FREQUENZEN.
• VERMEIDEN SIE RÜCKFAHRVORGÄNGE, PLÖTZLICHE BEWEGUNGEN UND ÄNDERUNGEN AN EXTERNEN LASTEN.

FAZIT

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sowohl Schritt- als auch Gleichstrommotoren jeweils eigene Vorteile für diese Anwendung bieten. Das Gleichstrommotorkonzept mit einem integrierten Rückführmechanismus bietet zwar eine höhere Präzision und Genauigkeit, aber der Schrittmotor ist die kostengünstigere Lösung und kann im offenen Regelkreis ganz einfach durch Variieren der Anzahl der Eingangsimpulse und deren Frequenz präzise gesteuert werden. Wenn ein Schrittmotor passend zur Anwendung ausgelegt ist, bietet er die Zuverlässigkeit, die für eine präzise und genaue Dosierung erforderlich ist.

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