Parker Hannifin hjälper laboratorier optimera doserings-prestandan för små volymer och utan kontakt mellan medier

Parker har konstruerat en ny doseringspump med enastående doserings-prestanda vid låg volym och utan kontakt mellan medier. Pumpen kan med sin långa livslängd klara minst 5 miljoner cykler, kompakt lösning med låg vikt ger lägre totalkostnad för instrumentet. Denna smarta doseringspump med bredden 30 mm har bäst prestanda i sin klass för system som kräver mycket noggrann vätskedosering.

De flesta instrument som används för vätskeanalys i laboratoriemiljö kräver någon sorts system av vätskedosering för dosering av provet i instrumentet. Precisionen i denna fas är väsentlig, eftersom feldosering ofta leder till fel i slutresultatet. Reagenser behöver ofta tillsättas till proverna på ett liknande sätt. Detta innebär att instrumenttillverkarna som vill uppnå hög noggrannhet behöver ett mycket effektivt system för tillsats av vätskor.

Tillsats av små volymer, ner till mikroliter- och nanolitermängder, innebär ett problem för befintliga vätskesystem. Detta beror på att dynamiken i små vätskevolymer kan leda till problem med att säkerställa att hela den doserade vätskevolymen verkligen kommer in i det önskade kärlet. Tillsats av små volymer innebär ofta att droppar av provet hänger kvar på provtagnings-instrumentet, vilket påverkar noggrannheten.

Dagens doseringsutrustning och kolvpumpar som används av instrument-tillverkarna kan normalt leverera stora volymer på ett bra sätt, med noggrant utsläpp av vätska från spetsen, men de har problem vid volymer på 10 µl och därunder. Många av dessa pumpsystem har inte den noggrannhet som krävs vid provtagning av små volymer.

De flesta doseringsutrustningar och kolvpumpar är försedda med stegmotorer som driver sprutkolven eller pumpkolven. Stegmotorer har emellertid en begränsad noggrannhet, som mäts i hur många steg sprutkolven eller pumpkolven kan delas in i. De flesta är begränsade till mellan 20 000 och 30 000 steg (full slaglängd).

Detta innebär att strategin för att förbättra noggrannheten vid provtagning av små volymer skulle vara att använd spruta med liten volym eller lågt vätsketryck. Detta leder till problem med fyllning av pumpen, eftersom bubblor tenderar att fastna på väggarna i de små passagerna i pumpen eller tryckkammaren. En allvarligare begränsning uppstår när systemet doserar ut droppen från änden på instrumentet. Sådana små volymer begränsar hastigheten på den vätska som ska flyttas och ger inte tillräcklig hastighet för att överbrygga ytspänningen i droppen.

Lösningen är att använda spruta för större volym eller högre tryck – normalt 500 µl eller mer. Detta ger tillräcklig hastighet på vätskan efter doseringen, förutsatt att motorns acceleration, driftvarvtal och inbromsning är tillräckligt snabba för att få bort droppen med noggrannhet. Om man emellertid försöker göra detta med befintlig teknik med stegmotordriven pump uppstår två problem. För det första innebär en större spruta eller högre pumptryck att pumpens noggrannhet kommer att begränsa dess förmåga att leverera exakt vätskemängd vid små doseringsvolymer. För det andra ger tekniken med stegmotor inte tillräcklig acceleration, driftvarvtal eller inbromsning för tillförlitlig droppdosering, vilket i sin tur leder till otillräcklig doseringsnoggrannhet.

Om doseringspumpar och kolvpumpar, p.g.a. av deras storlek, är monterade långt in i instrumentet och har långa doseringsledningar (upp till 1 meter) och vätskan måste transporteras långt till doseringspunkten uppstår även ett annat problem. Tyvärr påverkar dessa ledningar mätnoggrannheten, ger större vätskeförlust och lägre flöde.

På divisionen Precision Fluidics hos Parker Hannifin Corporation har man intervjuat ett stort antal tillverkare av laboratorieinstrument, för att förstå deras behov. Resultatet är Parkers smarta doseringspump, med en standardsprutkolv på 30 mm som bara är en tredjedel så stor och tung som konkurrerande doseringspumpar. Den har också en livslängd på minst fem miljoner cykler.

I stället för en stegmotor används en servomotor med högt moment och ett brett varvtalsområde för att driva doseringskolven. Servomotorn arbetar med 228 495 steg på ett fullt utslag.

Servomotorn på Parkers smarta doseringspump klarar också mycket högre acceleration, driftvarvtal och inbromsning än stegmotordrivna pumpar. Denna kombination innebär att det är möjligt att använda en spruta med stor volym för att få tillräcklig flödeshastighet bakom doseringen för att droppen ska släppa på ett tillförlitligt sätt. Samtidigt är noggrannheten tillräckligt hög för att dosera rätt mängd vätska till den aktuella platsen vid högt flöde och noggrannhet.
 
För att bevisa denna prestanda skaffade Parker 30-millimeters doserings-pumpar (halv höjd) från de tre ledande tillverkarna och jämförde deras respektive prestanda med Parkers smarta doseringspump. De modeller som valdes hade högsta noggrannhet i sina respektive produktgrupper.

Systemen iordningställdes och optimerades för bästa prestanda för kontaktfri lågvolymsdosering. Pumparna kördes också med maximal upplösning för att bästa noggrannhet med tillgängligt motormoment. Samma sond och spruta på 1000 µl användes med varje pump, med ett undantag, som krävde en annan gängad kolv som passade den aktuella pumpen.

Parkers smarta doseringspump visade en tydlig fördel vad gäller doseringsnoggrannheten, när den var ansluten på samma sätt som de tre konkurrentpumparna via en ledning på 1 meter. Den smarta doseringspumpen visade också att den kunde dosera små volymer med högre noggrannhet när överföringsledningen uteslöts genom att doseringsröret i stället monterades direkt på pumpen.

Tack vare den högre upplösningen, högre flödeshastigheten och inbromsningsegenskaperna hos Parkers smarta doseringspump kan tillverkare av laboratorieinstrument snabbt och på ett säkert sätt genomföra kontaktfri dosering av små vätskevolymer. Pumpens begränsade storlek och låga vikt gör det också möjligt för teknikerna att förenkla vätskekretsen genom att ta bort matarledningen och de nackdelar den ger, vilket gör det möjligt att minska storleken på nya instrument.