Steuereinheit für Photometer
Maßgeschneidert bis auf den letzten Nanometer
Anwenderbericht | Das Unternehmen Implen entwickelt und fertigt Photometer für die Analyse kleiner Volumen. Heitec hat den Kunden bereits bei früheren Projekten unterstützt und erhielt auch für die Entwicklung des »NanoPhotometer N120« den Zuschlag.
Aus modernen Laboren ist die Spektralphotometrie (photometrische Analyse) nicht mehr wegzudenken. Dabei handelt es sich um eine Methode der quantitativen Analyse, bei welcher mittels eines gebündelten Lichtstrahls der Absorptionsgrad sowie die optische Dichte einer bekannten chemischen Substanz im Gewebe gemessen werden kann. In der Medizin kommt sie unter anderem bei der Konzentrationsbestimmung einer Substanz in einer klinisch-chemischen Lösung wie zum Beispiel der Hämoglobinkonzentration im Blut zum Einsatz und ermöglicht damit wichtige diagnostische Aussagen.
Wie arbeiten Spektralphotometer?
Die Messungen in einem Spektralphotometer beruhen auf Absorptions-/Transmissionsmessungen oder auch Streulichtmessungen – je nach zu analysierender Probe. Absorptionsmessungen werden etwa für die Konzentrationsbestimmung von Nukleinsäuren beziehungsweise Proteinen genutzt, welche einen typischen Absorptionspeak bei 260 nm beziehungsweise 280 nm aufweisen. Mit der gemessenen Absorption kann über die Lambert-Beer Formel die Konzentration der Nukleinsäure beziehungsweise des Proteins errechnet werden.
Streulichtmessungen werden dagegen für Bakterienkulturen verwendet, welche keinen typischen Absorptionspeak aufweisen. Allerdings streuen Bakterien Licht entsprechend ihrer Zellgröße. Somit lassen sich anhand der Streulichtmessung Rückschlüsse auf die Anzahl der Bakterien in der Kultur ziehen.
12 Proben in 20 Sekunden analysiert
Für die Analyse mit dem »NanoPhotometer« von Implen wird polychromatisches Licht verwendet, welches in diesem Fall ein Monochromator nach dem Probendurchtritt zerlegt. Das Spektrum der Probe wird dann mithilfe eines Detektors ausgewertet. Je nach Probe beziehungsweise deren charakteristischen Absorptionsspektren kann dann die gewünschte Absorption ausgewertet werden.
Mit dem »NanoPhotometer N120« präsentierte das Unternehmen in diesem Jahr die neueste Gerätegeneration der Serie. Damit können bis zu zwölf Proben parallel aufgebracht und in kürzester Zeit sequenziell vermessen werden. Die Messung einer Probe dauert etwa 1,7 s und die Auswertung aller zwölf Proben ist bereits nach rund 20 s abgeschlossen. Es steht ein dynamischer Konzentrationsbereich von unverdünnter doppelsträngiger DNA (2 bis 8000 ng/µl) und von Proteinen (BSA: 0,06 bis 230 mg/ml) zur Verfügung.
Die Bedienung des Spektralphotometers kann dabei auf mehrere Weisen erfolgen. Eine Möglichkeit ist ein 7-Zoll Touchscreen, der auch mit Laborhandschuhen bedienbar ist. Zudem lässt sich das Gerät über einen Computer oder mit einer App auch über Tablet steuern. Dabei stehen dem Benutzer verschiedene Schnittstellen wie WiFi, USB, HDMI und LAN für die Ausgabe und Datenübertragung und weitere Features wie die Erzeugung von formatierten Excel- und PDF-Dokumenten sowie die verschiedene Standarddruckertreiber und -protokolle zur Verfügung.
SMARC 2.0 vs. Qseven
Mittlerweile sind für beide Standards zahlreiche CPU-Architekturen am Markt verfügbar. Auch bei den Abmessungen unterscheiden sich die jeweils gängigen Formate der beiden Standards zumindest hinsichtlich der zur Verfügung stehenden Fläche nicht allzu sehr. So ist bei Qseven das gängige Format 70 mm × 70 mm (µQseven 70 mm × 40 mm) und bei SMARC 2.0 82 mm × 50 mm. Der größte Unterschied und damit Vorteil für SMARC 2.0 ist der Steckverbinder. Beide Embedded Standards setzen MXM-Konnektoren ein, welche seitens des Moduls keinen Gegenstecker benötigen, da die Kontakte direkt auf der Leiterplatte des Moduls realisiert sind.
Bei Qseven stehen mit dem MXM-2-Stecker schon 230 Pins und bei SMARC 2.0 mit dem MXM-3 mehr als 80 Pins zusätzlich – nämlich 314 – zur Verfügung. Dieses Mehr an verfügbaren Pins spiegelt sich beim SMARC-2.0-Formfaktor natürlich in den zur Verfügung stehenden Schnittstellen wieder. So hat sich die Anzahl der Netzwerkschnittstellen auf zwei erhöht. Darüber hinaus stehen dem Anwender vier zusätzliche GPIO-Leitungen (General Purpose Input Output) und zwei weitere serielle Schnittstellen zur Verfügung. Für Multi-Display Anwendungen können durch den SMARC-2.0-Formfaktor bis zu drei Monitore angesteuert werden. Abhängig vom Prozessor ist durch Splitting der LVDS-Schnittstelle ein weiterer Monitor möglich, was die Anzahl auf vier Monitore erhöht..
Während in der vorausgegangenen Generation noch ein Qseven CPU-Modul auf Arm-Basis (i.MX6) eingesetzt war, fiel nun die Wahl auf ein SMARC-2.0-Modul mit einem x86-N3350-Celeron-Prozessor von Congatec. Bedingt durch die Umstellung des Betriebssystems war zudem Support bei der Portierung auf das nun eingesetzte Embedded Linux gegeben.
Mehr Leistung bei gleichem Formfaktor
Mit Abmessungen von 20 cm × 20 cm × 12 cm ist die Größe zu den bisherigen Instrumenten unverändert geblieben. Durch den integrierten Akkupack ist das Gerät portabel, der Hersteller garantiert eine Laufzeit von bis zu 3 Stunden pro Ladung. Daher wurde zusätzöich ein Embedded FPGA von Lattice integriert, welches für das Power-Management (Ladecontroller für Akku) und die speziellen Interfaces zuständig ist.
Während dem Nutzer vorher 32 GByte an internem Speicher zur Verfügung standen, sorgen nun 128 GByte für ausreichend Kapazität zur Speicherung der Messergebnisse. Schließlich wurden digitale Inputs und Outputs, Motorsteuerungen zur genauen Positionierung der Analyseeinheit und die bereits genannten Standardschnittstellen implementiert. So misst beispielsweise das Carrierboard in Länge und Breite einen Zentimeter weniger (je 190 mm) als die Außenabmessungen des Gerätes und ist mit mehreren Ausbrüchen versehen, um sich nahtlos in das Gehäusedesign einzufügen.
Autoren: Alexander Jäger ist Produktmanager im Geschäftsgebiet Elektronik bei Heitec Schlagworte: Spektralphotometrie, Photometer, Labortechnik, Analysegeräte Genannte Firmen: Congatec, Heitec, Implen Zuerst gesehen: Dieser Beiträg erschien in einer längeren Version zuerst in der Medizin+elektronik Nr. 5 vom 6.September 2019. |
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