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Equipo médico y de laboratorio
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Los científicos que trabajan en genómica y proteómica necesitan resultados con sólo pulsar un botón para poder dedicarse a su verdadero trabajo: el descubrimiento de drogas, los diagnósticos avanzados y la comprensión de la materia de la vida. Cuando DeNovix se propuso desarrollar un espectrofotómetro para el análisis de las ciencias de la vida, se centraron en el diseño de un instrumento rápido, sencillo y a prueba de errores que pudiera extraer resultados precisos y repetibles en segundos. Con la ayuda de los pequeños motores de corriente continua de FAULHABER, el DS-11 establece automáticamente los parámetros de medición óptimos para muestras tan pequeñas como 0,5 µl, permitiendo a los usuarios capturar conjuntos de datos de calidad en todo momento.
En la espectrofotometría, la cantidad y la longitud de onda de la luz absorbida por una muestra revela el tipo y la concentración de las moléculas presentes. Los espectrofotómetros de microvolumen como el DS-11 permiten a los investigadores obtener resultados rápidos y precisos, utilizar la mínima cantidad de muestra y avanzar más rápidamente para responder a las preguntas que la investigación intenta abordar.
Para la medición óptima de la absorbancia, se debe escalar una longitud del camino óptico (OPL) para el tamaño y las características de cada muestra. Lamentablemente, los factores de conversión que se utilizan normalmente en estos cálculos suponen una OPL de 10 mm. Como resultado, la OPL debe ser ajustada para cada muestra y cada medición, y luego escalada para proporcionar el verdadero valor. Cuanto más preciso y repetible sea el OPL, más precisos serán los resultados del análisis. La innovación clave del DS-11 es la tecnología SmartPath de DeNovix, que optimiza automáticamente el OPL para asegurar resultados confiables y utilizables.
Eficiencia del diseño
Desde el principio, el equipo de DeNovix diseñó el DS-11 para facilitar su uso. El instrumento incorpora un sistema operativo Android para el funcionamiento y análisis de la pantalla táctil sin necesidad de un PC adicional. Consiste en una base de 20 x 33 cm con soportes de muestra disponibles para los modos de microvolumen y cubeta. En el diseño de microvolumen, una fibra óptica lleva la señal de una lámpara de xenón en la base del instrumento a la punta de la montura de muestra.
Durante una medición, el usuario baja un brazo de medición articulado que pone un cable de fibra óptica en contacto con la muestra. Al tocar la pantalla, el algoritmo de análisis comienza a funcionar, afinando continuamente la posición de la montura a lo largo de un período de adquisición de datos.
En la pieza de mano de la Perla, los motores y espejos del conjunto de exploración (derecha) equilibran el conjunto del láser (izquierda) para un diseño ergonómicamente efectivo. (Cortesía de DeNovix)
La energía electromagnética (190 a 840 nm) pasa a través de las fibras y las uniones ópticas, propagándose al espectrómetro, donde un detector CCD lineal de 2.048 píxeles lee los recuentos para su análisis.
La tecnología SmartPath utiliza una medición de absorbencia inicial para ajustar la posición del montaje de la muestra para optimizar el OPL. El sistema se basa en sofisticados algoritmos, pero para trabajar de forma efectiva, requieren un sistema de posicionamiento opto-mecánico preciso, de bucle cerrado, capaz de realizar múltiples iteraciones en cuestión de segundos. Como si esto no fuera suficiente desafío, el equipo de DeNovix se fijó un ambicioso calendario de desarrollo del producto. Necesitaban una ingeniería innovadora pero también un diseño eficiente.
Un primer paso fue simplificar el proceso de diseño relajando las restricciones. En lugar de tratar de optimizar el OPL en tres dimensiones, se centraron en posicionar la montura de la muestra a lo largo del eje z mientras la dejaban "flotar" en otras dimensiones. Esto eliminó componentes del dispositivo final, reduciendo el costo, el tiempo de integración y los puntos de falla.
Para el posicionamiento del eje z, el diseño impulsa un tornillo de rosca fina usando un servomotor que funciona con retroalimentación en bucle cerrado. Una cabeza de engranaje planetario introduce una relación de reducción de modo que una rotación del motor corresponde a una rotación fraccionada del tornillo. Un codificador magnético de alta resolución proporciona retroalimentación para permitir que el sistema itere a través del algoritmo SmartPath y determine el OPL óptimo.
Eligiendo un motor..
El equipo de DeNovix necesitaba una solución de movimiento que hiciera el trabajo de forma fiable y económica, y que les permitiera centrarse en su propuesta de valor principal, el espectrofotómetro, y en llevar su producto al mercado lo antes posible. La aplicación requería movimientos intermitentes cortos y rápidos con una precisión de nivel micrométrico. Después de la investigación y las pruebas, eligieron un módulo de motor DC sin núcleo con un codificador y un reductor planetario totalmente plástico, producido por FAULHABER.
El motor cepillado simplificó significativamente el proceso de diseño e integración. Un servomotor sin cepillos estándar habría sido más complicado. Requeriría ocho conexiones: tres fases de energía, tres para los sensores de efecto Hall, y dos líneas para alimentar la electrónica. Por el contrario, un motor con escobillas sólo requiere dos puntos de conexión, lo que hace que el esquema de accionamiento, el montaje y el sistema general sea más sencillo.
"Ir con un motor de cc cepillado realmente no complicó nuestro mundo", dice Dave Ward, gerente de ingeniería de DeNovix. "Eso también significaba que teníamos capacidades de frenado convencionales. Queríamos lo mejor de ambos mundos. Un sistema pasivo sería estable mientras tomaba medidas, y nos permitió desarrollar un algoritmo de frenado activo. La combinación nos dio lo que el instrumento necesita: un movimiento rápido, repetible y preciso.
” Muchos diseñadores asumen que un motor sin escobillas da el mejor rendimiento, lo que lo convierte en su primera opción. No siempre es la solución ideal. Es cierto que un motor con escobillas probablemente fallará eventualmente debido al desgaste entre las escobillas y el conmutador, pero es cuestión de tiempo. Los motores de CC sin núcleo con baja inductancia pueden durar muchos miles de horas, mucho más allá de lo que la mayoría de las aplicaciones necesitarán. Los movimientos intermitentes del DS-11 le dieron al sistema de movimiento un ciclo de bajo rendimiento, dejando que un motor de CC con escobillas resuelva el problema.
La elección del motor también ayudó al equipo a lograr otro objetivo de diseño: la velocidad de operación. Los ajustes individuales de la posición del eje z de la montura de la muestra tardan de 0,25 a 0,5 segundos, para un tiempo total de adquisición de datos de menos de 4 segundos. Al seleccionar un motor sin núcleo, el equipo de DeNovix minimizó la inercia, permitiendo que el eje de movimiento se posicionara de forma rápida y fiable sin sobreimpulso o anillos. "Ahí es donde el motor entra en juego", dice Kevin Kelley, Director de Negocios de DeNovix. "El sistema toma muchas decisiones en tiempo real y la velocidad de reacción del motor le permite controlar con precisión la longitud de la trayectoria, que es la parte más crítica del aparato"
Módulos integrados
Una vez que el equipo determinó lo que quería, la siguiente pregunta era cómo obtenerlo. Empezaron con componentes comerciales y descargaron algunos de los dolores de cabeza a su proveedor eligiendo un motor reductor completo preintegrado de FAULHABER que llega listo para instalar. "El mayor desafío fue tratar de llevar el producto al mercado lo más rápido posible, por lo que el hecho de que varios conjuntos de motor prototipo estuvieran disponibles para una rápida evaluación hizo que esta parte del proyecto fuera fácil de manejar", dice Kelley. La compañía de motores mecanizó planos en el eje de la cabeza del engranaje en la etapa de prototipo para ayudar con el montaje. Ahora que el instrumento ha aumentado su volumen de producción, los planos se mecanizan en la fábrica.
Al recibir un módulo de movimiento, DeNovix puede centrarse en la óptica y dejarnos el diseño de movimiento a nosotros. También agiliza la fabricación, además de eliminar el riesgo de dañar los componentes de movimiento durante la integración. "No queríamos construirlo a destajo", dice Ward, "así que el paquete integrado era importante"
Con la ayuda de la tecnología SmartPath, impulsada por un movimiento de precisión, el DS-11 puede medir muestras con OPLs de tan sólo 0,03 mm. Esto se correlaciona con 500 unidades de absorbencia en el estándar de 10 mm de OPL equivalente, lo que representa una concentración de proteína BSA de 750 mg/mL o una concentración de dsDNA de 25000 ng/µL. Alimentado por el fiable sistema de movimiento, el instrumento demuestra una repetibilidad mejor del 1%.
El sistema sobrevivió a rigurosas pruebas de por vida. Hasta la fecha, DeNovix no ha reportado fallas de motor en el campo, un hecho que acreditan en parte al desempeño del módulo de control de movimiento.
