Bezpečnost potravin a kvalita životního prostředí jsou nyní v centru celosvětového zájmu. Monitorování těchto komodit se stalo důležitým úkolem pro vládní instituce a s tím i pro testovací laboratoře. Protože se množství vzorků pro testování denně zvyšuje, mohou se v systému projevit slabá místa. Z tohoto důvodu jsou zapotřebí automatická zařízení pro přípravu vzorků, která pracují rychle a mají vysokou propustnost. Bez odstranění slabých míst nemůže naplno fungovat ani to nejvýkonnější testovací zařízení.

Mezi mnoha metodami pro přípravu vzorků představuje SPE nejrozšířenější postup. Tuto metodu používají pro přípravu vzorků například v agentuře pro ochranu životního prostředí (EPA) a úřadu pro léky a potraviny (FDA) ve Spojených státech. Metoda se stala součástí mnoha čínských národních standardů. Výrobci analytických přístrojů proto musí vyvinout a vyrobit inteligentní SPE zařízení s vysokou propustností pro všechny relevantní analytické a testovací laboratoře.

Pozadí metody SPE

Automatizovaný systém pro SPE byl uveden v 90. letech minulého století. Mnoho laboratoří je vybaveno automatickými přístroji pro SPE různých značek, nicméně bližší průzkum ukázal, že mnoho dovezených SPE zařízení slouží spíše jako výzdoba a zaměstnanci laboratoří dávají přednost manuálním přístrojům před těmi automatickými. Jedním z hlavních důvodů je fakt, že stávající automatické systémy nezvyšují efektivitu při úpravě vzorků. Kromě malé propustnosti je důležitým faktorem snižujícím efektivitu také skutečnost, že téměř všechny automatické SPE systémy používají vstřikovací čerpadla pro transport tekutin. Vstřikovací čerpadlo funguje tak, že tekutinu periodicky nasává a vytlačuje, přičemž vytlačování tekutiny spotřebuje až jednu třetinu celkového času při SPE procesu. Kromě toho, že není možné jednoduše a především automaticky vyřešit ucpávání kolony se vzorky, představuje nemožnost efektivně řídit rychlost průtoku vzorku další faktor, který brání rozšíření automatických SPE systémů.

V současnosti vyrábějí automatické SPE systémy především dvě společnosti: Gilson a Calipher. Obě společnosti pochází ze Spojených států a jejich produkty dokážou současně a automaticky zpracovávat několik vzorků. Nicméně čas potřebný k přípravě vzorků není zkrácen a tyto přístroje nedokážou splnit požadavek na zpracování stovek vzorků v krátkém čase. Kromě toho zaměstnanci laboratoří stávajícím SPE systémům nedůvěřují a proto se stále spoléhají na manuální postupy při přípravě sérií vzorků.

SPE zařízení na trhu čelí různým výzvám, jako jsou například:

1. Nízká propustnost
2. Nízká míra inteligence, především pokud jde o nemožnost automaticky zjistit, že se ucpala kolona se vzorky, což má za následek plýtvání materiálem, lidskou prací i časem
3. Nemožnost vyřešit problém s poklesem rychlosti toku vzorků při SPE procesu, což vede k nižší účinnosti extrakce a omezené opakovatelnosti výsledků

Abychom vyřešili tyto problémy a poskytli laboratořím automatické SPE zařízení, které plní požadavky trhu, vyvinuli jsme vícekanálový automatický SPE systém MULTI-SPE A208.

Pozadí a principy návrhu systému MULTI-SPE A208

Cíle našeho automatického SPE systému zahrnovaly:

• Oddělit cílovou sloučeninu od komplexních základních sloučenin
• Odstranit příměsi, které by mohly narušit analýzu cílové sloučeniny
• Přenést cílovou sloučeninu na médium akceptovatelné pro analytický přístroj
• Provést kondenzaci vzorku, aby bylo zajištěno, že jeho koncentrace je vyšší než detekční limit přístroje

V závislosti na režimu extrakce lze SPE rozdělit do dvou kategorií: absorpce cílové sloučeniny a absorpce nečistot. Jak je vidět na obrázku 1, v režimu absorpce cílové sloučeniny se SPE kolona (či disk) používá převážně pro absorpci sloučeniny, která má být testována, z počáteční základní substance. Režim absorpce nečistot (obrázek 2) se používá především pro čištění organických extraktů. Když tekutina s organickým extraktem protéká SPE kolonou, je absorbována nečistá substance, zatímco cílová sloučenina prochází kolonou celá.

Obrázek 1. Režim absorpce cílové sloučeniny	Obrázek 2. Režim absorpce nečistot

Obrázek 3. Schematický nákres průtokových cest v systému

Jak je vidět na obrázku 3, systém MULTI-SPE A208 se skládá z následujících pěti částí:

1. Sample Unit — Přenáší vzorek nebo rozpouštědlo do skupiny jehel určené pro vzorky pomocí stlačeného vzduchu.
2. Solvent Unit — Přenáší rozpouštědlo do skupiny jehel určené pro rozpouštědlo s pomocí vysoce přesného odměřovacího čerpadla.
3. SPE Unit — Přesouvá SPE trubici do požadované pozice pro eluci nebo natahování.
4. Effluent Unit — Přesouvá jednotku pro odtok do požadované pozice pro odběr odpadní tekutiny, její klasifikaci a odstranění ze systému.
5. Collecting Unit — Přesouvá sběrnou trubici do požadované pozice pro sběr finálního vzorku po extrakci.

Využili jsme návrh se dvěma průtokovými cestami, abychom oddělili cestu vzorku od cesty rozpouštědla. Vzorek ve své jednotce tak může procházet pouze cestou pro vzorek. Nemůže se nikdy dostat do cesty pro rozpouštědlo, čímž je eliminována možnost křížové kontaminace rozpouštědla vzorkem.

Obrázek 4. Hardwarové součásti systému

Z obrázku 4 je vidět, že srdce celého řídicího systému MULTI-SPE A208 tvoří šasi NI cDAQ-9174. Používá se především pro příjem řídicích signálů z hostitelského počítače, pro souběžné řízení zdroje energie a ventilu a pro sběr signálů z různých senzorů. Nadřazený počítač tak může na různé stavy zařízení reagovat příslušnými řídicími příkazy. Moduly řady C, které jsou nainstalovány v šasi cDAQ-9174, mají následující funkce:

1. Analogový výstupní modul NI 9263 generuje analogové signály 0 až 10 V pro řízení zdroje stlačeného vzduchu z proporčního ventilu.
2. Digitální vstupní modul NI 9425 monitoruje sepnutí každého z ventilů v systému a zajišťuje sběr signálů ze senzorů.
3. Digitální výstupní modul NI 9474 používá čtyři časovače/čítače pro generování pulzních signálů pro asynchronní řízení čtyř stejnosměrných generátorů.

Obrázek 5. Schéma řídicího systému

Jak je vidět na obrázku 5, řídicí software nejprve načte extrakční metody uložené v počítači. Poté software posílá příkazy hardwarové jednotce, která je zodpovědná za řízení NI CompactDAQ systému. Systém NI CompactDAQ sbírá signály ze senzorů a v závislosti na těchto signálech dokáže software rozlišit, zda je kanál pro daný vzorek ucpaný. Pokud je kanál ucpaný, je vypnut, aby se zajistil bezchybný běh celé extrakce.

Obrázek 6. Vícekanálový systém MULTI-SPE A208 pro extrakci pevné fáze

Plná automatizace s použitím MULTI-SPE A208

Vícekanálový automatický SPE systém MULTI-SPE A208 (obrázek 6) dokáže současně zpracovávat šest vzorků. Ve srovnání s použitím konvenčního vstřikovacího čerpadla ušetří MULTI-SPE A208 při natahování vzorku alespoň jednu třetinu času a dramaticky tak zvyšuje celkovou efektivitu extrakce.

Řídicí software Degressio pro systém MULTI-SPE A208 byl vyvinut s pomocí návrhového prostředí LabVIEW. Software je jednoduchý, přímočarý, flexibilní a uživatelsky přívětivý. Uživatelé softwaru Degressio mohou v grafickém prostředí definovat vlastní SPE metody pomocí několika jednoduchých kroků. Při řízení základního systému NI CompactDAQ pomocí softwaru Degressio si uživatelé mohou zvolit, v závislosti na svých potřebách, zda chtějí současně zpracovávat až osm vzorků, případně nechat vzorky rozdělit do různých skupin, které jsou potom zpracovávány různými způsoby. Jde nejen o pohodlnou funkci pro uživatele, ale také o zvýšení efektivity práce.

Přihlášení do systému

Software Degressio využívá LabVIEW Database Connectivity Toolkit pro připojení k systémové databázi. Po spuštění softwaru musejí uživatelé zadat správné uživatelské jméno a heslo. Jednotliví uživatelé mají různé úrovně oprávnění, aby nedošlo k poškození zařízení v důsledku neodborné manipulace. Tento přístup zvyšuje úroveň zabezpečení systému Degressio .

Obrázek 7. Rozhraní pro přihlášení k aplikaci Degressio

Hlavní nabídka systému

Po přihlášení k systému Degressio vidí uživatelé zcela novou uživatelskou nabídku (obrázek 8). Uživatelé mohou přepínat mezi okny s ovládacími funkcemi prostřednictvím ikon v hlavní nabídce. Navrhli jsme stručné a vizuálně přitažlivé uživatelské prostředí, které je přizpůsobeno chování uživatelů.

Obrázek 8. Hlavní nabídka aplikace Degressio

Editace metody

Díky komplexnosti SPE a skutečnosti, že různé extrakty vyžadují často různý proces extrakce, musí Degressio podporovat úpravu extrakční metody na míru uživatelským požadavkům. Pro dosažení tohoto cíle jsme využili možnosti grafického programování v LabVIEW (obrázek 9).

Obrázek 9. Metoda otevřená v aplikaci Degressio

Obrázek 10. Editace metody v aplikaci Degressio

Obrázek 11. Zobrazení dat metody v aplikaci Degressio

Spouštění metod

Po dokončení editace metody může uživatel kliknout na ikonu Method Execution v hlavní nabídce (obrázek 8) a přepnout se do rozhraní Methods Execute, které umožňuje spouštění jednotlivých metod (obrázek 12).

Obrázek 12. Spouštění metod v aplikaci Degressio

Jak je vidět na obrázku 12, aplikace Degressio dokáže zpracovávat současně až osm vzorků. Těchto osm vzorků může paralelně procházet kolonami a být zpracováno různými extrakčními metodami. Jde o patentovanou technologii systému MULTI-SPE A208, která přináší flexibilitu celého zařízení a zároveň zajišťuje dostatečnou propustnost pro splnění praktických požadavků laboratoře.

Když je dokončena konfigurace pro spuštění, přepne se aplikace Degressio do rozhraní SPE Methods Execute (obrázek 13). Po stisknutí tlačítka Execution systém MULTI-SPE A208 automaticky provede SPE podle uživatelem nakonfigurovaných metod.

Obrázek 13. Spuštění metod v aplikaci Degressio

Za běhu metody volá Degressio ovladač NI-DAQmx a software s měřicími službami, jejichž prostřednictvím řídí sběr dat ze senzorů v reálném čase pro kanál každého vzorku. Pokud při natahování vzorku dojde v kterémkoliv kanále k ucpání kolony, informuje software modul NI CompactDAQ, aby kanál nebyl využíván při dalších operacích, zatímco extrakce v dalších kanálech bude pokračovat (obrázek 14). Pro lepší dohled nad systémem software zobrazuje informace o běhu všech metod v reálném čase.

Obrázek 14. Monitorování kanálů pro jednotlivé vzorky v aplikaci Degressio

Další funkce aplikace Degressio

Kromě dříve zmíněných funkcí pro editaci a spouštění metod nabízí aplikace Degressio další funkce, mezi které spadají konfigurace systému, manuální ovládání (obrázek 15), tvorba reportů, správa uživatelů (obrázek 16) a nápověda v reálném čase.

Obrázek 15. Manuální ovládání v aplikaci Degressio	Obrázek 16. Správa uživatelů v aplikaci Degressio

Použití systému MULTI-SPE A208

Díky svým revolučním funkcím je systém MULTI-SPE A208 široce využíván v různých oborech. Byl použit pro přípravu vzorků například v následujících oblastech:

• Kontrola bezpečnosti potravin, především extrakce a čištění zbytků organických pesticidů ze zemědělské výroby.
• Kontrola bezpečnosti poživatelných zvířecích tkání, především extrakce a čištění zbytků veterinárních léků a hormonů legálně i ilegálně podávaných s krmením drůbeži, dobytku i vodním živočichům.
• Detekce ilegálních aditiv v potravinách, jako je melamin v mlékárenských výrobcích, malachitová zeleň ve vodních produktech a barvivo Sudan v jídle.
• Zkoumání dalších toxických a škodlivých látek v potravinách, jako je extrakce a čištění ftalátů ve smažených produktech, aflatoxinů v arašídech a obilninách, toxických látek v měkkýších a korýších a persistentních sloučenin v jídle.

Kromě přípravy vzorků má MULTI-SPE A208 i další využití:

• Extrakce a čištění léků, toxických látek a reziduí po explozích.
• Monitorování terapeutických látek v lidském těle a farmakokinetika v klinických laboratořích.
• Extrakce vzorků a čištění různých organických pesticidů a persistentních škodlivých látek při ochraně životního prostředí a zkoumání kvality vody.
• Separace a čištění genů a proteinů v biomedicíně a při vývoji nových léků.

Na obrázcích 17 a 18 vidíme použití systému MULTI-SPE A208 při přípravě vzorků léků a toxických látek bezpečnostním odborem v obvodu Baiyun v Guangzhou (Čína). Systém MULTI-SPE A208 urychlil přípravu sérií vzorků, což mělo za následek mnohem rychlejší zpracování a analýzu zabavených drog a toxických látek, kterou úřad provádí. Dodávání důkazů v kriminalistických případech je tak mnohem efektivnější, což napomáhá k ochraně veřejného zájmu.

Obrázek 17. Dr. Chen demonstruje používání systému MULTI-SPE A208

Obrázek 18. Nasazení systému MULTI-SPE A208 v praxi

Obrázek 19. Dr. Chen představuje prezidentovi Hu technologické pokroky systému MULTI-SPE A208

 

" S použitím hardwaru NI CompactDAQ, NI modulů řady C a softwaru LabVIEW pro návrh systémů jsme vyvinuli plně automatický SPE systém MULTI-SPE A208. Hardware od NI je stabilní i výkonný a ve spojení s LabVIEW nám umožnil snadný vývoj našeho systému. Jeho význam, bezprecedentní funkce a výkon ocenilo i vedení na všech úrovních."

 

Výhody použití hardwaru a softwaru od NI v našem systému

použitím hardwaru NI CompactDAQ, NI modulů řady C a softwaru LabVIEW pro návrh systémů jsme vyvinuli plně automatický SPE systém MULTI-SPE A208. Hardware od NI je stabilní i výkonný a ve spojení s LabVIEW nám umožnil snadný vývoj našeho systému. Jeho význam, bezprecedentní funkce a výkon ocenilo i vedení na všech úrovních.

Systém MULTI-SPE A208 je pouze prvním krokem při vývoji a výrobě SPE systémů. I nadále budeme používat NI CompactDAQ a platformy NI CompactRIO a NI PXI spolu s LabVIEW při vývoji laboratorních přístrojů pro přípravu vzorků, které budou mít ještě vyšší míru automatizace a inteligence.

Informace o autorovi:
Qiming Li
Missioncouver Technologies Ltd.
 

Další kroky

• Nakonfigurujte si svůj vlastní systém NI CompactDAQ 
• Stáhněte si LabVIEW