Système de manipulation de liquides de Hamilton avec métrologie magnétique SIKO

Le positionnement des pointes de pipetage doit s’effectuer avec une extrême exactitude

L’automatisation des laboratoires permet de réduire sensiblement la possibilité d’erreur et le temps pris pour des analyses. Il s’agit de deux aspects importants dans un contexte de pression sur les coûts de la part des clients d’analyses de laboratoire. Dans le traitement entièrement automatisé d’échantillons liquides, cela plaide par exemple pour l’utilisation de systèmes de manipulation des liquides. 

La société Hamilton compte parmi les acteurs établis de fourniture de solutions d’automatisation de laboratoires pour les applications dans les domaines pharmaceutique, biotechnologique et de l’industrie chimique. Dans le domaine de la manipulation des liquides, cette entreprise de Bonaduz en Suisse propose un nouveau système de test rapide et de dépistage reproductible de différentes substances. L’installation robotisée de pipetage « système de manipulation des liquides VANTAGE de Hamilton » est capable de prélever avec précision des échantillons d’un volume de 500 nanolitres à un millilitre avec des têtes de pipetage de 96 ou 384 canaux sur une plaque de microtitration et de les délivrer sur une autre. Les différents volumes transmis étant très faibles et le nombre d’échantillons transportés simultanément pouvant être élevé, les exigences de précision sont également élevées quant au transfert des échantillons. Un prélèvement et une délivrance précis d’échantillons garantit la reproductibilité entre les différentes étapes de pipetage et influe finalement sur la réussite de tout le travail.

Le système de manipulation des liquides VANTAGE de Hamilton à canaux individuels, têtes de pipetage à 96 ou 384 canaux.

Afin de déterminer avec exactitude la position des têtes de pipetage le long des trois dimensions spatiales, Hamilton a utilisé la métrologie magnétique de la SIKO GmbH dans le nouveau robot de pipetage. L’entreprise sise en Forêt-Noire fabrique une vaste gamme de métrologies linéaire, angulaire et de rotation répondant parfaitement aux besoins de la technologie d’analyse. SIKO a adapté individuellement les bandes magnétiques utilisées et la carte de capteur aux besoins du système de manipulation des liquides VANTAGE de Hamilton. 
 

Robot de pipetage de configuration individuelle 
Le système de manipulation des liquides VANTAGE de Hamilton convient aux applications en laboratoire de tous types tels qu’analyses d’ADN, préparation et nettoyage de la PCR, préparation des échantillons de biologie moléculaire, analyses de sang etc. Parmi ses clients, elle compte des entreprises pharmaceutiques, la recherche et le diagnostic académiques. Selon la description de Martin Rupp, chef de projet Électronique de la Hamilton Bonaduz AG, « Le système de manipulation des liquides VANTAGE que nous proposons est modulaire et peut être configuré individuellement ». L’installation est disponible sous forme de robot de pipetage de 2 mètres ou 1,3 mètre et peut être enrichie d’autres systèmes de transport de laboratoire, cabines logistiques, incubateurs, récipients pour échantillons et autres unités nécessaires aux analyses. La disposition verticale des différents modules permet une configuration flexible et des appareils d’autres fabricants sont ainsi faciles à intégrer.

L’implémentation simple des appareils d’autres fabricants est assurée d’une part par un robot de manutention capable de déplacer des récipients d’échantillon à l’intérieur du système ou de les transférer sur ces autres appareils et d’autre part par la norme logicielle SiLA sur laquelle repose l’installation. Le logiciel Hamilton « INSTINCT V » se charge du contrôle des tests. Le logiciel permet à plusieurs utilisateurs de travailler simultanément sur l’installation et d’exécuter différentes expériences avec les mêmes appareils. La création et la modification de la configuration des instruments et de la structure des expériences sont simples grâce au glisser-déposer. Une simulation en 3D du transfert de l’échantillon assure la breveté du temps de réglage. Une pointe de pipetage de 10 microlitres peut par exemple distribuer un volume de 1 microlitre avec une précision de 5,0 pour cent. Ces pointes peuvent être positionnées avec exactitude sur tous les canaux d’une plaque de 1 536 puits à intervalles de 2,25 millimètres. Deux variantes de la métrologie de SIKO sont affectées à cette tâche. Deux bandes magnétiques assurent la surveillance de la commande à moteur vers le bas et latéralement sur le robot de pipetage. Une solution combinant une bande magnétique et un circuit imprimé assure une mise en œuvre précise du mouvement sur l’axe longitudinal.

Un des systèmes de mesure magnétiques pour lequel SIKO a fourni la bande magnétique et le codeur développé par Hamilton.

Solution de bande magnétique adaptée individuellement : plus de courses de référence 
L’installation de pipetage est équipée de moteurs linéaires de positionnement des différents axes. Il y a trois axes sur lesquels le mouvement du robot de pipetage a lieu dans les trois dimensions spatiales : l’axe x dans le sens longitudinal dans lequel le bras de pipetage et donc les canaux se déplacent. Le mouvement d’avance et de recul des canaux de pipetage a lieu sur l’axe y et la modification de la hauteur s’obtient avec l’axe z. Des moteurs commandent ces trois axes. Les capteurs magnétiques renvoient un feedback de position à l’unité de commande et surveillent ainsi les moteurs. Sur l’axe y, des bandes magnétiques SIKO sont utilisées pour les capteurs qu’Hamilton a développé elle-même. « SIKO a réagi avec grande flexibilité à nos désirs car deux axes étaient déjà équipés de nos propres capteurs magnétiques. SIKO a fourni les bandes magnétiques dotées d’un codage spécial » confirme Martin Rupp. Cette bande magnétique se trouve sur le bras de pipetage. Le moteur linéaire a besoin d’une information de positionnement pour le mouvement à exécuter. Le système de bande magnétique se charge d’une part de la fonction de déterminer la position du bras de pipetage et assure en outre aussi que les canaux de pipetage soient exactement positionnés sur cet axe.

Les canaux doivent être étroits afin de pouvoir fonctionner sans collision dans l’espace restreint du bras de pipetage. Pour répondre à cette exigence, Hamilton a ordonné les canaux des deux côtés du bras de pipetage. C’est la raison pour laquelle deux bandes magnétiques placées à droite et à gauche du bras de pipetage ont été nécessaires. Dans cet ordonnancement, les canaux de pipetage ne devaient de plus pas dépasser 18 millimètres de largeur. « Il n’y a sur le marché aucun système de mesure magnétique fonctionnant sur une largeur de 18 millimètres capable d’un codage absolu sur une longueur d’environ 700 millimètres » selon Martin Rupp. La solution originale avec bande magnétique fonctionnait techniquement parlant, mais sa fiabilité était insuffisante. Le chef de projet confirme : « Pour nous, il est également important de toujours recevoir les produits dans les délais et la qualité définis. Nous avons donc misé sur SIKO. ». 
 

Un avantage important est que la technique absolue utilisée est très fiable et que la valeur de position est encore disponible après une coupure de courant sans course de référence supplémentaire. Grâce au codage absolu des bandes magnétiques, les courses d´initialisation usuelles sur les autres installations lors de la mise sous tension sont inutiles. L’entraînement est immédiatement opérationnel sans qu’il soit nécessaire de procéder à une course de référence chronophage ou à une commutation de moteur.

Le système de mesure OEM entièrement développé par SIKO ; la bande magnétique est marron et le codeur derrière la tôle.
 

Système de mesure de déplacement : seulement carte de circuit imprimé et bande magnétique 
Hamilton utilise une solution globale de SIKO pour l’enregistrement de position sur l’axe longitudinal. Il s’agit d’un capteur avec bande magnétique appropriée. Ici aussi, le peu de place disponible a dû être pris en compte. Il a d’abord été pensé à un capteur de 82,6 x 20 millimètres impossible à installer en raison de sa taille. Hamilton et SIKO ont donc jeté leur dévolu sur une solution avec platine : seule la platine du capteur et les éléments de ce dernier par dessus ont été monté directement dans le boîtier. Une solution uniquement avec platine n’est pas forcément toujours possible, en particulier en cas d’apparition d’encrassement ou quand le capteur pourrait entrer en contact avec de l’eau. Le boîtier existant du robot de pipetage offrait la protection contre les influences extérieures et a rendu la solution avec platine possible. L’effet secondaire positif de cette version allégée de capteur est une réduction des coûts pour Hamilton.

Sur cette version, le capteur détecte le mouvement du bras et sert de système de mesure de déplacement. Martin Rupp le décrit ainsi : « Le positionnement exact des canaux n’est possible que si celui du bras de pipetage l’est aussi. » « Les canaux sont placés sur le bras. Quand ce dernier se déplace, il doit le faire avec au moins autant de précision que l’axe du canal. Le positionnement par le bras sur l’axe x » doit être très précis ». Avant d’utiliser la solution SIKO, un produit de la concurrence a été employé, mais donnait lieu à des restrictions dans le champ d'action des canaux de pipetage, donc sur l’axe y. Il est pour Hamilton très important que les canaux puissent aussi atteindre les plaques de microtitration sur le bord de l’installation. Avec la solution utilisée précédemment, le champ d'action des canaux ne pouvait être entièrement exploité. Il fallait donc un produit nécessitant moins de place en profondeur et qui offrait l’espace de travail complet aux canaux. SIKO a adapté pour ce faire le capteur magnétique MSA501. Selon les dires de Martin Rupp, « C’est ainsi qu’il nous a été possible, avec le grand savoir-faire de SIKO et de faibles coûts de développement, d’obtenir un capteur offrant un champ d'action maximal alors que la version précédente n’avait pu le faire ».

Le capteur absolu SIKO MSA501 utilisé par Hamilton

Grande précision des systèmes de capteurs magnétiques SIKO 
La solution globale à base de platine, comme la version alliant le capteur du client aux bandes magnétiques SIKO, montrent que les adaptations personnalisées peuvent être décisives pour un système de mesure fonctionnant avec précision. Selon le chef de projet, « La capacité à fonctionner de l’installation est entre autres déterminée par les bandes magnétiques et les capteurs. Sans eux, les canaux de pipetage et donc le robot de pipetage dans son entier ne fonctionnent pas. » Dans cette application, la précision du système de mesure est particulièrement essentielle pour la qualité de l’installation. Le capteur SIKO adapté possède une résolution maximale absolue de 10 μm et incrémentale de 2,5 μm. La reproductibilité est de 5 μm. Grâce à leur fonctionnement sans contact, les capteurs sont inusables et ne demandent que peu de maintenance. Dans le système de manipulation des liquides de Hamilton, la précision initiale du système requise était de 20 μm. Elle n’a pu être atteinte par le produit concurrent.

Pour Hamilton, il était important lors du choix du système de mesure SIKO que deux systèmes soient disponibles en un seul : un absolu et un incrémental. L’absolu se compose de pôles magnétiques au codage absolu qui sont balayés par un capteur. Le résultat est traité dans l’unité incrémentale. Les données transmises de cette manière sont absolues/incrémentales. « Une plus grande précision ne pouvait être obtenue chez le concurrent que par une interface absolue. Cependant, l’électronique utilisée positionne avec l’interface incrémentale » déclare Martin Rupp. Les systèmes Hamilton dotés de capteurs SIKO sont sur le marché depuis septembre 2014. Selon Martin Rupp, « De notre point de vue, une collaboration convaincante. Il n’y aura plus à l’avenir que des systèmes de manipulation des liquides VANTAGE de Hamilton dotés de la métrologie magnétique de SIKO. »

Auteure : Rédactrice indépendante, Madame Carolin Ordosch

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