Liquid-Robotics

Modular + intelligent:

Lab-in-a-Pipette
Bild 2: Sensorplatine zur Messung der optischen Dichte.
Pipetten gehören zur Standardausstattung eines Labors. Das »Lab-in-a-Pipette« beschreibt eine neue »umgekehrte« Entwicklung am Fraunhofer IPA.

Proben zu nehmen, dosieren, verdünnen und vermessen gehören zu den alltäglichen Arbeitsschritten im Labor. Ihre Handhabung erfolgt in der Regel in genauer Abfolge, manuell und assistiert von Geräten. Die manuellen Anteile sind einerseits fehleranfällig, zeit- und kostenintensiv, bringen andererseits aber eine hohe Flexibilität mit sich, vor allem aber Fingerspitzengefühl und Intuition der Mitarbeiter ein. Neue Entwicklungen für den Laboreinsatz in der biotechnischen, chemischen und pharmazeutischen Forschung oder Produktion zielen daher nicht auf eine durchgängige Automatisierung, sondern auf die bessere Unterstützung der Arbeitsabläufe im Labor.

Pipette enthält Messtechnik

Instrumente für das Probenhandling sind Pipetten. Sie zählen zu den wichtigsten Handhabungswerkzeugen im Labor und sind Bestandteil seiner Grundausstattung. In seinem Projekt »Lab-in-a-Pipette« hat das Fraunhofer IPA nun die Arbeitsabläufe im Labor entscheidend optimiert. Es entwickelte eine modulare, intelligente Pipette, die die handelsübliche Laborpipette um messtechnische und analytische Funktionen erweitert. Damit können sowohl die Qualität der Arbeit als auch die Zuverlässigkeit, die Nachverfolgbarkeit und die Wiederholgenauigkeit einzelner Prozessschritte im Laboralltag gesteigert werden. Die zeitintensive Laborbuchführung entfällt, da Prozessschritte und Messdaten automatisch in der Pipette protokolliert und drahtlos an vernetzte Rechner übertragen werden können. Durch den Einsatz eines eingebetteten Systems wird die Anbindung an ein komplexes Laborinformationsmanagementsystem realisierbar.

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Der Lösungsansatz basiert auf einem modularen Aufbau der Pipette, die aus einem Pipettenrumpf, verschiedenen Sensorikmodulen und einer Ladestation besteht. Im Rumpf sind die Hardwarekomponenten enthalten, die allen Handhabungsschritten gemein sind. Die Sensorikmodule beinhalten Hardware- und Elektronikkomponenten, die für die jeweilige Messart erforderlich sind.

Der Rumpf der Pipette und die Module werden durch eine standardisierte Schnittstelle verbunden, die fluidische und elektronische Zuführungen vereint. Im Rumpf ist eine eigens entwickelte Mikrokontrollerplatine integriert, die die zentrale Steuereinheit der Pipette bildet. Der Mikrokontroller steuert u.a. die fluidischen Ventile, die Mikrozahnringpumpe und die LEDs. Außerdem wertet der Mikrokontroller Messsignale aus, die von der Modulsensorik übermittelt werden.

Verschiedene Messmodule

Die Pipette wird über mechanische Taster bedient, wofür am Handgriff der Pipette Druckknöpfe angebracht sind. Ein eingebettetes System im Rumpf der Pipette stellt eine graphische Bedienoberfläche auf einem berührungsempfindlichen Bildschirm bereit. Diese Bedienoberfläche assistiert u.a. bei der Auswahl und der Durchführung von Pipettierschritten sowie der Messungen.

Eines der bereits realisierten Module ist das optische Dichte-Modul. Die Messung der optischen Dichte eines Mediums lässt Rückschlüsse auf die Anzahl von Zellen in einem Medium zu. Somit kann während des Pipettierens der Kultivierungsstand der Zellen bestimmt werden.

Weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Dipl.-Ing. Alexej Domnich, E-Mail: alexej.domnich@ipa.fraunhofer.de. Oder: Dipl.-Inf. Sebastian Schöning, E-Mail: sebastian.schoening@ipa.fraunhofer.de.

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