Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Jednotka CompactDAQ a software LabVIEW pomáhají při přípravě vzorků pro analýzu potravin

Článek popisuje konstrukci automatizovaného zařízení určeného k extrakci pevnou fází (SPE), navrženého tak, aby vyhovovalo podmínkám světových regulatorních agentur z oboru potravinářství a životního prostředí, aby bylo ve srovnání se současnými řešeními rychlejší a aby bylo vybaveno autodiagnostikou. Výsledkem vývoje je několikakanálové automatické zařízení na přípravu vzorků metodou extrakce pevnou fází, řízené jednotkou CompactDAQ a softwarem LabVIEW od firmy National Instruments (NI). Zařízení vyvinula tchajwanská firma Missioncouver Technologies Ltd.

 
Kvalita potravin a bezpečnost životního prostředí jsou nyní v centru celosvětového zájmu. Jejich monitorování se stalo důležitým úkolem pro vládní instituce a s tím i pro testovací laboratoře. Protože množství vzorků pro analýzy denně roste, objevují se v procesu testování slabá místa. Jedním z nich je příprava vzorků, často manuální. Jsou třeba automatická zařízení pro přípravu vzorků, která pracují rychle a spolehlivě.
 

Zařízení pro extrakce pevnou fází

Mezi mnoha metodami pro přípravu vzorků představuje extrakce pevnou fází, ESP, jeden z nejrozšířenějších postupů separace v biochemii. Postup extrakce popisují doporučení např. Agentury pro ochranu životního prostředí (EPA) a Úřadu pro léky a potraviny (FDA) ve Spojených státech amerických. Metoda se stala součástí mnoha národních norem, včetně čínských. Výrobci analytických přístrojů proto musí vyvinout a vyrobit flexibilní a inteligentní zařízení pro extrakci pevnou fází pro všechny analytické a testovací laboratoře.
 
První automatizované systémy pro extrakci pevnou fází byly na trh uvedeny už v 90. letech minulého století a mnoho laboratoří je vybaveno automatickými přístroji pro tuto extrakční metodu různých značek, nicméně bližší průzkum ukázal, že mnoho z nich slouží spíše jako výzdoba a zaměstnanci laboratoří dávají přednost manuálním přístrojům před automatickými.
 
Jedním z hlavních důvodů je to, že současné automatické systémy nezvyšují efektivitu při úpravě vzorků, naopak. Kromě malé rychlosti je důležitým faktorem snižujícím efektivitu také skutečnost, že téměř všechny automatické systémy pro extrakci pevnou fází používají pro transport tekutin vstřikovací čerpadla, která fungují tak, že tekutinu periodicky nasávají a vytlačují, přičemž vytlačování tekutiny zabírá až jednu třetinu celkové doby extrakce. Kromě toho, že není možné jednoduše, a především automaticky sledovat ucpávání kolony se vzorky, je nemožnost účinně řídit rychlost průtoku vzorku další faktor, který brání rozšíření automatických systémů pro extrakci pevnou fází. V současnosti vyrábějí automatické systémy pro extrakci pevnou fází především dvě společnosti: Gilson a Calipher. Obě společnosti pocházejí ze Spojených států amerických a jejich přístroje dokážou současně a automaticky zpracovávat několik vzorků. Ale doba potřebná k přípravě vzorků není ve srovnání s manuálním postupem zkrácena a tyto přístroje nesplňují požadavek na zpracování stovek vzorků v krátkém čase. Kromě toho zaměstnanci laboratoří současným extrakčním zařízením nedůvěřují, a proto se při přípravě sérií vzorků stále spoléhají na manuální postupy.
 
Shrňme, jakým problémům zařízení pro extrakci pevnou fází čelí:
  • příprava vzorků je pomalá,
  • chybí autodiagnostika, která by automaticky zjistila, že se kolona se vzorky ucpala, následkem čehož je plýtvání materiálem, lidskou prací i časem,
  • není možné reagovat při poklesu rychlosti toku vzorků při extrakci, což vede k nižší účinnosti extrakce a omezené opakovatelnosti výsledků.
 
Aby tyto problémy vyřešila a poskytla laboratořím skutečně použitelné automatické zařízení na extrakci vzorků pevnou fází, vyvinula čínská firma Missioncouver Technologies několikakanálový automatický systém Multi-SPE A208 (obr. 1).
 

Princip a účel metody extrakce pevnou fází

Při extrakci pevnou fází spolu interaguje analyt, rozpouštědlo a tuhá fáze – sorbent (nejčastěji silikagel).
 
Postupy extrakce pevnou fází jsou různé:
  • analyt se od ostatních sloučenin obsažených ve vzorku oddělí záchytem v pevné fázi a extrahuje z ní následnou elucí (ostatní složky vzorku procházejí zařízením bez zádrže),
  • příměsi, které jsou rušivé (interferující) při stanovování analytu, se odstraní absorpcí v pevné fázi (analyt prochází bez zádrže),
  • analyt i interferující látky se oddělí absorpcí v pevné fázi a následně se selektivní elucí extrahuje analyt,
  • analyt i interferující látky se oddělí absorpcí v pevné fázi, selektivně se vymyjí interferující látky a nakonec se elucí extrahuje analyt.
 
Cílem je vždy upravit analyt tak, aby byl použitelný pro daný analytický přístroj, tj. za prvé prekoncentrovat jej, aby bylo zajištěno, že jeho koncentrace bude vyšší než detekční limit analytické metody, a zadruhé odstranit interferující látky.
 

Zařízení Multi-SPE A208

Z obr. 2 je patrné, že systém Multi-SPE A208 se skládá z těchto pěti částí:
  • jednotka přípravy vzorků: pomocí stlačeného vzduchu přenáší vzorek nebo rozpouštědlo do skupiny vstřikovacích trysek určené pro vzorky,
  • jednotka rozpouštědel: pomocí vysoce přesného odměřovacího čerpadla přenáší rozpouštědlo do skupiny vstřikovacích trysek určené pro rozpouštědlo,
  • extrakční jednotka: přesouvá extrakční kolonku do požadované pozice pro eluci nebo natahování vzorku,
  • výtoková jednotka: přesouvá jednotku pro odtok do požadované pozice pro odběr odpadní tekutiny, její klasifikaci a odstranění,
  • sběrná jednotka: přesouvá sběrnou nádobu do požadované pozice pro odběr analytu po extrakci.
 
Konstruktéři navrhli zařízení se dvěma průtokovými cestami, aby oddělili cestu vzorku od cesty rozpouštědla. Vzorek tak může ve své jednotce procházet pouze cestou pro vzorek a nemůže se nikdy dostat do cesty pro rozpouštědlo, čímž je eliminována možnost křížové kontaminace rozpouštědla vzorkem.
 

Řídicí systém zařízení Multi-SPE A208

Základní částí řídicího systému Multi-SPE A208 je jednotka cDAQ-9174 (obr. 3). Používá se především pro příjem řídicích signálů z nadřazeného počítače, pro souběžné řízení zdroje energie a ventilu a pro příjem signálů z různých snímačů. Nadřazený počítač tak může na různé stavy zařízení reagovat příslušnými řídicími příkazy. Moduly řady C, které jsou nainstalovány v šasi cDAQ-9174, mají tyto funkce:
  • analogový výstupní modul NI 9263 generuje analogové signály 0 až 10 V pro řízení zdroje stlačeného vzduchu z proporcionálního ventilu,
  • digitální vstupní modul NI 9425 monitoruje sepnutí každého z ventilů v systému a zajišťuje příjem signálů ze snímačů,
  • digitální výstupní modul NI 9474 používá čtyři časovače/čítače pro generování pulzních signálů pro asynchronní řízení čtyř stejnosměrných generátorů.
 
Z obr. 3 je zřejmé, že řídicí software nejprve načte popis extrakční metody uložené v počítači. Poté software posílá příkazy hardwarové jednotce, která je zodpovědná za řízení systému CompactDAQ. Systém CompactDAQ přijímá signály ze snímačů a podle nich dokáže jeho software rozlišit, zda je kanál pro daný vzorek ucpaný. Je-li kanál ucpaný, je vypnut, aby byl zajištěn bezchybný běh celé extrakce.
 

Řídicí aplikace

Vícekanálový automatický systém pro extrakci pevnou fází Multi-SPE A208 dokáže současně zpracovávat až osm vzorků. Ve srovnání s použitím konvenčního vstřikovacího čerpadla ušetří Multi-SPE A208 při natahování vzorku alespoň jednu třetinu času a zvyšuje tak celkovou efektivitu extrakce.
 
Řídicí software Degressio pro systém Multi-SPE A208 byl vyvinut s použitím návrhového prostředí LabVIEW. Software je jednoduchý, přímočarý, flexibilní a uživatelsky přívětivý. Uživatelé softwaru Degressio mohou v grafickém prostředí pomocí několika jednoduchých kroků definovat vlastní extrakční metody. Při řízení základního systému CompactDAQ prostřednictvím softwaru Degressio si uživatelé mohou zvolit, v závislosti na svých potřebách, zda chtějí současně zpracovávat až osm vzorků, popř. nechat vzorky rozdělit do různých skupin, které jsou potom zpracovávány různými způsoby. Jde nejen o pohodlí uživatele, ale také o zvýšení efektivity práce.
 
Software Degressio využívá pro připojení k systémové databázi LabVIEW Database Connectivity Toolkit. Po spuštění softwaru tedy uživatel musí zadat správné uživatelské jméno a heslo. Jednotliví uživatelé mají různé úrovně oprávnění, aby bylo sníženo nebezpečí poškození zařízení neodbornou manipulací.
 
Po přihlášení k systému Degressio uživatel vidí základní nabídku a prostřednictvím ikon v hlavní nabídce může přepínat mezi okny s ovládacími funkcemi.
 
Vzhledem ke složitosti extrakčních metod a skutečnosti, že různé analyty vyžadují různé metody extrakce, musí Degressio podporovat úpravu extrakční metody přesně podle požadavků uživatele. Pro dosažení tohoto cíle bylo použito grafické programování v LabVIEW.
 
Po dokončení editace metody může uživatel kliknout na ikonu Method Execution v hlavní nabídce a přepnout se do rozhraní, které umožňuje spouštět extrakce podle jednotlivých metod.
 
Degressio tedy dokáže zpracovávat současně až osm vzorků. Těchto osm vzorků může paralelně procházet kolonami a být zpracováváno různými extrakčními metodami. Jde o patentovanou metodu, která zařízení přináší flexibilitu a zároveň zajišťuje dostatečnou rychlost extrakce.
 
Za provozu zařízení volá Degressio ovladač DAQmx a software s měřicími službami, jejichž prostřednictvím řídí sběr dat ze snímačů v reálném čase pro kanál každého vzorku. Ucpe-li se při natahování vzorku v kterémkoliv kanále kolona, informuje software modul CompactDAQ, aby kanál nebyl při dalších operacích využíván, zatímco extrakce v dalších kanálech bude pokračovat. Pro lepší dohled nad systémem software zobrazuje aktuální informace o běhu všech extrakcí.
 
Kromě zmíněných funkcí pro editaci a spouštění extrakcí nabízí aplikace Degressio další funkce, např. pro konfiguraci systému, manuální ovládání, tvorbu zpráv o provozu zařízení, správu uživatelů a nápovědu.
 

Využití zařízení Multi-SPE A208

Díky svým funkcím může být zařízení Multi-SPE A208 široce využíváno v různých oborech. Byl použit pro přípravu vzorků např. v těchto oblastech potravinářství:
  • kontrola bezpečnosti potravin, především extrakce analytů a čištění vzorků před analýzou zbytků organických pesticidů ze zemědělské výroby,
  • kontrola bezpečnosti masa a masných výrobků, především extrakce analytů a čištění vzorků před analýzou reziduí 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 v rybích produktech a barvivo Sudan v potravinách,
  • zkoumání dalších toxických a škodlivých látek v potravinách, jako jsou ftaláty ve smažených produktech, aflatoxiny v arašídech a obilninách, toxické látky v měkkýších a korýších a perzistentní organické látky v potravinách.
 
Kromě přípravy vzorků v potravinářství má Multi-SPE A208 i další využití, např. pro:
  • extrakci a čištění léků,
  • přípravu vzorků v toxikologii,
  • zkoumání reziduí po explozích,
  • monitorování terapeutických látek v lidském těle a zkoumání farmakokinetiky v klinických laboratořích,
  • extrakci analytů ze vzorků pro sledování výskytu různých organických pesticidů a persistentních škodlivých látek v životním prostředí,
  • zkoumání kvality vody,
  • separaci a čištění genů a proteinů v biomedicíně a při vývoji nových léků.
 

Výhody použití hardwaru a softwaru od National Instruments

Při vývoji plně automatického zařízení pro extrakci pevnou fází Multi-SPE A208 bylo pro řízení navrženo využití jednotky CompactDAQ, modulů řady C a softwaru LabVIEW. Hardware od NI je stabilní i výkonný a ve spojení s LabVIEW umožnil snadný vývoj řídicího systému. Jeho význam, bezprecedentní funkce a výkon ocenili i čínští státní a straničtí představitelé na všech úrovních.
 
Systém Multi-SPE A208 je pouze prvním krokem při vývoji a výrobě systémů pro extrakci pevnou fází. Firma Missioncouver Technologies Ltd. bude i nadále používat hardware CompactDAQ, CompactRIO a PXI spolu s LabVIEW při vývoji laboratorních přístrojů pro přípravu vzorků, které budou mít ještě vyšší míru automatizace a autodiagnostiky.
 
Qiming Li, Xiaobo Chen,
Dr. Xiaohua Chen,
Missioncouver Technologies Ltd.
 
Obr. 1. Několikakanálový systém Multi-SPE A208 pro extrakci pevnou fází
Obr. 2. Schematický nákres průtokových cest v zařízení MultiSPE A208
Obr. 3. Hardwarové součásti systému