PCR-Tests – seit rund einem Jahr sind sie wohl jedem ein Begriff. In-vitro-Diagnostik, kurz IVD, und Analysemethoden haben allerdings schon immer eine wichtige Rolle in der Diagnose und Behandlung von Krankheiten gespielt. Denn mittels nicht-invasiver Tests, die anhand biologischer Proben wie Blut, Urin oder Gewebe durchgeführt werden, können Krankheiten diagnostiziert oder ausgeschlossen werden. Die Covid-19-Pandemie hat IVD ins Rampenlicht gerückt: Diagnostische Tests sind fixer Bestandteil unseres Alltags geworden.
von Philippe Pinto – Industry Manager Life Science, SMC Europa
JULI 2021 - Ein Hauptziel von In-vitro-Diagnostik und Analysetechniken besteht darin, schnelle und exakte Ergebnisse zu liefern. Dabei spielt das Fluid-Handling, also die Handhabung und Dosierung von Flüssigkeiten, eine grundlegende Rolle. Entscheidend sind dabei Geschwindigkeit und Genauigkeit. Beim Fluid-Handling greifen viele kritische Komponenten ineinander und müssen exakt aufeinander abgestimmt sein. Für ein funktionierendes System ist deshalb ein kompetenter Partner, der von der Entwicklung bis zur Inbetriebnahme des Systems zuverlässige Lösungen liefert, entscheidend.
Das Herzstück: Der Analysator
Ein Analysator ist ein Instrument, das chemische Analysen von Proben oder Probenströmen durchführt, um hämatologische Werte wie Erythrozytenzahl oder Hämoglobinkonzentration zu ermitteln oder die Konzentration von Analyten wie beispielsweise Cholesterin oder Glukose zu bestimmen. Damit können Krankheiten wie Diabetes, Infektionskrankheiten, Anämien, Autoimmunschwächen, Krebs, Hepatitis, HIV/AIDS und natürlich Covid-19 diagnostiziert werden.
Es existieren drei gängige Typen von Analysatoren:
- Analysatoren für klinische Labortests
- Analysatoren für patientennahe Tests
- Analysatoren für Selbsttests
Unabhängig von der Testtechnologie, mit der die Proben zuvor entnommen wurden, zum Beispiel klinische Chemie, Hämatologie, Urinschnelltests, DNA, Biologie oder Molekular-biologie, kommt dem Fluid-Handling-System eine entscheidende Bedeutung zu: Es trägt dazu bei, die gewünschte Geschwindigkeit, Wiederholbarkeit und Genauigkeit eines Analysegeräts zu gewährleisten. Dieses komplexe System ist für die Probenextraktion, das Mischen mit Reagenzien, die Abgabe in den Analysator und schließlich die Reinigung des Kreislaufs verantwortlich.
Zwei entscheidende Parameter: Geschwindigkeit und Präzision
Eine der größten technischen Herausforderungen beim Umgang mit Flüssigkeiten ist das Zusammenspiel der Funktionen. So kann beispielsweise die Kombination von Geschwindigkeit und Druck die Prüfgenauigkeit beeinträchtigen: Denn die Geschwindigkeit erhöht das Risiko von Blasenbildung oder Turbulenzen, was wiederum die Präzision beeinträchtigen kann. Optimal gestaltete Komponenten können diese Risiken minimieren, etwa durch Minimierung des Totvolumens oder Optimierung der Schaltungstopologie. Wichtig ist dabei auch die Materialverträglichkeit im Kontakt mit der jeweiligen Flüssigkeit.
Exakte Flüssigkeitssteuerung sichert Qualität
In einem Analysator steuert das Absperrventil die Ein-/Aus-Funktion und die Flussrichtung vom Probenahme- bis zum Ableitungskreislauf. Das Ventil steuert den Durchfluss der Bleich- oder Kochsalzlösung, mit der Schläuche im Testgerät sowie die Enden von Pipetten und Pumpen gereinigt werden, bevor eine neue Probe analysiert wird. Die Minimierung des Totvolumens kann entscheidend dazu beitragen, Kontaminationen zu vermeiden. Das wichtigste Merkmal der Absperrventile ist die Membran aus EPDM, FKM oder FFKM. Der Rest des medienberührenden Teils besteht aus PEEK, das innere Teile vollständig vom Durchflussweg des Analysegeräts isoliert, um das Risiko einer Kontamination der Prozess-flüssigkeit zu senken. Insbesondere die Ventilinnenkammer und der Strömungsweg sind so konstruiert, dass das Totvolumen minimiert wird. Dadurch wird verhindert, dass Restflüssigkeiten im Ventil verbleiben, wenn dieses geschlossen wird. Der interne Strömungsweg eines SMC Absperrventils zeichnet sich zudem durch seine glatten Oberflächen aus. Das verhindert Blasenbildung und andere Strömungsprobleme. Dieses Absperrventil ist in zahlreichen Varianten verfügbar, sodass es exakt auf die Anwendung abgestimmt werden kann. Das Sortiment ist breitgefächert, mit zahlreichen Optionen und Größenvarianten. Ein zentrales Merkmal der SMC Absperrventile ist der geringe Stromverbrauch. So wird jegliche Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit verhindert.
Mehrfachanschlussplatte: Präzise und effiziente Dosierung ohne Kontamination
Eine Kunststoff-Mehrfachanschlussplatte (Acrylic Manifold) ist ein mehrschichtiger Verteiler, vergleichbar mit einer Leiterplatte, jedoch für Flüssigkeiten. Er sorgt dafür, dass die Probeflüssigkeit und das Reagenz im richtigen Verhältnis in das Analysegerät eingebracht werden. Diese Lösung bietet gegenüber Schlauch-zu-Schlauch-Verbindungen viele Vorteile: Eine Mehrfachanschlussplatte reduziert die Anzahl der Verbindungen erheblich. Damit verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Lecks oder undichten Schläuchen, was häufig zu Problemen bei Analysatoren führt. Außerdem wird die Fluid-Baugruppe kompakter und platzsparender. Ein weiterer Vorteil ist die Transparenz der Mehrfachanschlussplatte. Damit wird eine visuelle Kontrolle möglich, um beispielsweise Verschmutzungen des Fließwegs zu überprüfen.
Die kundenspezifische Anpassung dieser Komponente ist unerlässlich: Jede Mehrfachanschlussplatte von SMC wird kundenspezifisch konstruiert, um den Anforderungen der Anwendung in Bezug auf den Medienkreislauf, montierte Komponenten, Platzbedarf, chemische Kompatibilität und Fließgeschwindigkeit gerecht zu werden. Im Hinblick auf den Durchfluss sind die internen Kanäle der Mehrfachanschlussplatte so optimiert, dass eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit möglich wird; damit werden gleichzeitig Totvolumen und Blasenbildung minimiert. Die einzelnen Schichten der Mehrfachanschlussplatte werden durch Wärme und Druck zusammengefügt; chemische Reaktionen können so erst gar nicht entstehen. Zu den gängigen Materialien gehören Acryl, aber auch PVC, Polysulfon und Ultem™.
Jede Mehrfachanschlussplatte wird bei SMC vor der Auslieferung umfangreichen Funktionstests unterzogen, damit sie beim Kunden direkt eingesetzt werden kann und zuverlässig arbeitet.
Mikrodosierung für eine hohe Genauigkeit
Eine präzise Flüssigkeitsdosierung gewährleistet den Durchfluss und die Messung von flüssigen oder gasförmigen Proben, Reagenzien und Waschlösungen. Eine Magnet-Membranpumpe liefert bei jeder Betätigung des Magneten die gewünschte Menge an Flüssigkeit und ist daher perfekt zum Dosieren oder zum Mischen von Lösungen geeignet.
Bei den Elektromagnet-Flüssigkeitsdosierpumpen, die SMC bietet, kann das Pumpvolumen von 5 µl bis 200 µl pro Stoß eingestellt werden. Die selbstansaugenden Miniaturpumpen sind auf sehr hohe Genauigkeit ausgelegt – mit einer Präzision von ±1 %. Die wartungsfreie Konstruktion ermöglicht einen einfachen und langlebigen Einsatz, während das kompakte Gehäuse Platz spart und problemlos in komplexe Systeme integriert werden kann. Je nach Anforderung kann die Pumpe aus verschiedenen chemisch resistenten Materialien konfiguriert werden, der medienberührende Teil aus PEEK oder PP, während sich für Membrane und Dichtungen EPDM oder FKM eignen.
Automatisierung mit pneumatischer oder elektrischer Steuerung
Für die Automatisierung von Prozessen wie Probenmanagement und -beladung, das Öffnen der Reagenzkammertüren, die Reinigung der Kreisläufe und das Auswerfen benutzter Küvetten kann der Hersteller des Analysators auf elektrische oder luftbasierte Lösungen zurückgreifen. Probleme mit Lärm, Vibration, Abmessungen, Wartung oder Leckagen führen jedoch zunehmend zu einem Verzicht auf Druckluftsystemen bei Analysatoren. Erfolgt eine elektrische Automatisierung, können beispielsweise Drehtische integriert werden, die kontinuierliche 360º-Drehungen ermöglichen und damit ideal für die Indexierung von Rädern auf Proben- und Reaktionstabletts sind. Kompakte und leichte elektrische Greifer mit regulierbarer Greifkraft erleichtern die Handhabung diverser Fläschchen und Röhrchen.
Wird ein luftbasiertes System eingesetzt, ist der Membranlufttrockner ein Schlüsselelement, um die Feuchtigkeit zu entziehen. Eine komplette Entfeuchtung ist sehr wichtig, da schon geringe Menge an Druckluftfeuchtigkeit zu Problemen des Analysators führen können. Feuchtigkeit kann die Lebensdauer und Funktionalität der Komponenten verringern, wodurch wiederum die Zuverlässigkeit des Analysators beeinträchtigt wird. Unabhängig davon, welche Technologie für die Automatisierung gewählt wird, unterstützt SMC die Hersteller von Analysegeräten mit einer vollständigen Palette an pneumatischen Lösungen, aber auch elektrischen Antrieben und Steuerungen.
Temperaturkontrolle des Reagenzes verlängert Haltbarkeit
Ein kritischer Punkt ist die Temperaturkontrolle der Reagenzien, insbesondere bei großen Analysatoren, die Hunderte von Tests pro Stunde durchführen und verschiedene Reagenzien mitführen. Die Haltbarkeit eines ungekühlten Reagenzes beträgt teilweise nur zwei Tage. Wird es jedoch gekühlt aufbewahrt, kann die Haltbarkeit auf bis zu 35 Tage verlängert werden. Viele Analysegeräte sind deshalb mit integrierten Kühlern oder thermischen Steuereinheiten in ihren Reagenzienkammern ausgestattet. Die richtige Zusammenstellung von Komponenten im Fluid-Handling-Bereich eines Analysators wirkt sich in hohem Maße auf die Geschwindigkeit, Präzision und Gesamt-genauigkeit der Testdiagnostik aus. Darüber hinaus führt eine optimierte Lösung zu einer besseren Kosteneffizienz, reduziertem Wartungsaufwand und einem sicheren Betrieb.
Entscheidend für ein optimales Ergebnis ist die gemeinsame Entwicklung mit dem Hersteller und die entsprechende Expertise. Bereits im frühen Entwicklungsstadium ist entscheidend, auf die kundenspezifischen Anforderungen zu achten und Komponenten dementsprechend zu konfigurieren. SMC Kunden profitieren von der jahrzehntelangen engen Zusammenarbeit zwischen SMC und Herstellern von Analysegeräten und einer Zusammenarbeit von lokalen Ingenieuren mit einem Netzwerk internationaler Entwicklungszentren.
