Automatisk kalibrering av vätskenivå

(1)

Automatisk kalibrering av

vätskenivå

Automatic liquid level calibration

RICKARD ÅBERG

EXAMENSARBETE INOM ELEKTROTEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP STOCKHOLM, SWEDEN 2015

(2)

(3)

Automatisk kalibrering av vätskenivå

Rickard Åberg

2015

(4)

Sammanfattning

Företaget Biosensor Applications AB utvecklar biotekniska analysintrument för detektion av otillåtna substanser såsom narkotika och sprängmedel. Instrumenten används inom tullverksamhet, kriminalvård och rehabilitering.

Instrumentens höga känslighet kräver noggrann kalibrering av hela systemet, vilket görs på automatisk väg för de esta systemmoddulerna. För en viktig del i detektionsprocessen, inställningen av en vätskenivå, saknas det dock en metod för automatisk kalibrering. Kalibreringen måste därför ske manuellt av en tekniker, vilket är tidskrävande, kostsamt och framförallt svårt då även en väldenierad manuell metod saknas.

Denna rapport beskriver examensarbetets utvärdering av de manuella metoder som idag används. Därefter utvecklas en metod för en helautomatisk kalibrering av vätskenivån. Vidare beskrivs hur den automatiska metoden implementeras i instrumentets systemjuk-vara.

I resultaten redovisas hur det uppgraderade systemet används i produktion av företaget, med stora vinster för såväl tidsåtgång, kostnad samt repeterbarhet.

(5)

Abstract

Biosensor Applications AB develops biotechnical analysis equipment for detection of il-legal substances such as narcotics and explosives. The equipment is used by customs, correctional facilities and rehabilitation centers.

The high sensitivity of the equipment requires careful calibration of the whole system, which is performed automatically for most of the system modules. For one important part of the detection process however, the setting of a liquid level, there is no method for an automatic calibration. The calibration must therefor be performed manually by a technician, which is time consuming, costly and above all dicult due to the additional lack of a well dened manual method.

This report describes the thesis evaluation of the manual methods that are used today. After that, a method for a fully automatic calibration of the liquid level is developed. Furthermore, the report describes how the automatic method is implemented into the equipments system software.

The result section presents how the upgraded system is used by the company during production, showing large benets in terms of time requirement, cost and repeatability

(6)

Automatisk kalibrering av vätskenivå

(7)

Rickard Åberg April 23, 2015Innehåll

Innehåll

Sammanfattning 1 Abstract 1 Förord 7 Terminologi 9 1 Introduktion 13 1.1 Bakgrund . . . 13 1.2 Problemformulering . . . 14 1.3 Syfte . . . 14 1.4 Mål . . . 14 1.5 Avgränsningar . . . 14 1.6 Översikt . . . 15 2 Bakgrundsmaterial 17 2.1 Spårämnessökning . . . 17 2.2 Immunanalys . . . 17 2.2.1 Markörbaserad immunanalys . . . 18 2.2.2 Markörfri immunanalys . . . 18

(8)

3.1 Biosens 300/600 . . . 23 3.2 Analysprocessen . . . 24 3.3 Fluidiksystem . . . 25 3.3.1 Sexvägsventil . . . 26 3.3.2 Nypventiler . . . 27 3.3.3 Peristaltiska pumpar . . . 28 3.3.4 Kolvpump . . . 29 3.3.5 Extraktionsenhet . . . 29 3.3.6 Övertryck . . . 30 3.4 Hårdvara . . . 31 3.4.1 Styrkort . . . 31 3.4.2 Processorkort . . . 31 3.4.3 Prob . . . 31 3.4.4 Detektor . . . 32 3.4.5 Trycksensor . . . 33 3.4.6 Temperaturgivare . . . 33 3.4.7 Lägesgivare . . . 33 3.5 Mjukvara . . . 34 3.5.1 Operativsystem . . . 34 3.5.2 Drivrutiner . . . 34 3.5.3 Styrsekvens . . . 35 3.5.4 Algoritm . . . 35 3.5.5 Graskt gränssnitt . . . 36 4 Metod 39 4.1 Arbetssteg . . . 39 4.2 Utrustning . . . 39

(9)

4.3 Mjukvara . . . 40

4.4 Mätdata . . . 40

4.5 Utvecklingsmiljö . . . 40

5 Nulägesanalys 43 5.1 Desorptionsprocessen . . . 43

5.2 Manuell mätning av vätskenivå . . . 45

5.3 Mätning av utslag . . . 46 5.3.1 Påverkan från luftbubblor . . . 46 5.3.2 Tidsåtgång . . . 47 5.4 Påverkande faktorer . . . 48 6 Konstruktion 49 6.1 Kalibreringsprincip . . . 49 6.2 Detektion av luft . . . 51 6.3 Verikation av dräneringsmängd . . . 52

6.4 Återställning efter luftbubblor . . . 55

6.5 Iterativ sökning efter gränsvärde . . . 56

6.6 Gränssnitt . . . 59 6.6.1 Nya parametrar . . . 59 6.6.2 Nya kommandon . . . 59 6.6.3 Återkoppling . . . 60 7 Resultat 61 7.1 Repeterbarhet . . . 61 7.2 Tidsbesparing . . . 62 7.3 Förbrukningsartiklar . . . 62

(10)

Rickard Åberg 23 april 2015Innehåll

7.4.1 Mindre extraktionsvolym . . . 63 7.4.2 Vätskans fysikaliska begränsningar . . . 64

8 Slutsatser 67

8.1 Förslag till fortsatt arbete . . . 67 8.2 Sociala och etiska aspekter . . . 68 8.3 Hållbar utveckling . . . 68

(11)

Rickard Åberg 23 april 2015Innehåll

Förord

Jag vill tacka Magnus Nygren och Per Månsson på Biosensor Applications AB, som med sitt stora kunnande inom både teori och praktik har hjälpt mig genom att dela med sig av sina erfarenheter. De har också bidragit med ovärderlig hjälp vid test och utvärdering av mitt arbete.

Jag vill också tacka Biosensor Applications AB som har förberett och lånat ut utrustning för att underlätta längre tester över kvällar och helger.

Inte minst vill jag även tacka Bengt Molin på KTH, som många år efter mina tidigare studier har tagit sig an och hjälpt mig med alla mina akademiska frågor.

23 april 2015 Rickard Åberg

(12)

(13)

Rickard Åberg 23 april 2015Terminologi

Terminologi

A/D-omvandlare En krets som omvandlar analog till digital data.

Antigen Ett främmande ämne i ett immunsystem som antikroppar bin-der sig till.

Antikropp Ett protein i ett immunsystem som identierar och binder sig till främmande ämnen.

Archlinux En distribution (uppsätning av mjukvaror och inställningar) av GNU/Linux, avsedd att enkelt modieras efter behov. ASCII-format Ett lformat som innebär att innehållet direkt läsbar utan

av-kodning.

Bioteknik En tvärvetenskap mellan biologi och teknik, där man använder t.ex. celler eller antikroppars egenskaper i tekniska tillämpl-ningar.

Buertlösning En vätskelösning avsedd att bibehålla en lämplig pH-nivå för exempelvis proteiner.

Desorption Fenomenet då en substans lämnar en yta. Motsatsen till ab-sorption.

Dödräkning Begreppet att beräkna ett objekts läge genom att summera dess rörelse sen senast kända position.

Elasticitetsmodul Förhållandet mellan mekanisk spänning och deformation.

Fotolitogra En fotomekanisk metod för att skapa ett mönster på en yta.

GNU/Linux Ett operativ system bestående av en Linux-kärna samt ett bas-system från projektet GNU.

(14)

IDT Inter Digital Transducer - Omvandlar en elektrisk våg till en mekanisk och tillbaks i en SAW-sensor.

Immunanalys Tekniken att simulera ett immunsystem och använda antikrop-par för att detektera främmande ämnen.

Kernel mode Ett av två körlägen för datorns CPU där mjukvaran får förhöj-da privilegier.

Korskompilering Tekniken att kompilera en mjukvara för en annan arkitektur en den som kompilatorn körs på.

Kärnmodul En drivrutin som körs av Linuxkärnan.

Linuxkärna Systemkärnan i ett Linux-baserat system.

PC104 En standard inom inbyggda datorer som denierar formfaktor och kommunikation via en ISA-buss

Peristaltisk pump En cikulär pump som masserar fram vätskan i en slang med hjälp av valsar.

Precision Noggrannhet. Ett systems förmåga att ge producera rätt resul-tat.

QCM Quartz Chrystal Microbalance - En sensorteknik som mäter hur en vågs frekvens förändras då den propagerar genom en sensoryta.

Reagent En substans som adderas till ett kemiskt system för att fram-bringa eller påvisa en reaktion.

Repeterbarhet Ett systems förmåga att producera samma resultat upprepade gånger.

RS232 En standard för seriell kommunikation.

SAW Surface Acoustic Wave - En sensorteknik som mäter hur en akustisk våg förändras då den propagerar över en sensoryta. Sexvägsventil En ventil med sex anslutningar som parvis kopplas ihop olika

beroende på ventilens läge.

(15)

Spikat provlter Ett referenslter till vilket en känd mängd spårämne har till-satts.

Stegmotor En motor som drivs med olika stegtyper genom att skicka pulsmönster till motorns lindningar och därmed ställas i ex-akta lägen.

(16)

(17)

Rickard Åberg 1. Introduktion23 april 2015

1 Introduktion

1.1 Bakgrund

Biosensor Applications AB tillverkar och säljer analysinstrument för detektering av otillåt-na substanser, i form utav otillåt-narkotika och sprängmedel. Instrumenten är konstruerade för att kunna detektera spårämnen i mycket små mängder (ett antal nanogram) med hjälp av en biokemisk process.

Företagets mest avancerade system för spårämnesdetektering nns i två modeller. Den första är Biosens 300, avsedd för spårämnesdetektion inom exempelvis tullverksamhet med främsta fokus på snabba analyser och kort återhämtningstid efter positivt svar. Den andra modellen, Biosens 600, erbjuder utöver detta även möjligheten till noggrannare tester, för exempelvis sjukhus och rehabiliteringscenter.

Kärnan i systemet består av en SAW-detektor (Surface Acoustic Wave) som mäter reak-tionen mellan ett antal preparerade ytor och eventuella spårämnen i en buertlösning. I den automatiska analysprocessen behöver instrumentet överföra provet (från t.ex. en tungskrapa) till buertlösningen med hjälp av förångning, överföra buertlösningen till sensorn och göra en bedömning av informationen från sensorns tolv kanaler.

Med anledning av de små mängder spårämne som instrumentet är avsett att detektera, ställs det höga krav på såväl känslighet såsom precision och repeterbarhet.

En förutsättning för att kunna uppnå detta är en noggrann kalibrering av de komponenter eller processer som dels kan skilja sig mellan olika instrument, men även förändras över tid eller andra förändrade omständigheter, såsom t.ex. lufttemperatur.

Idag används olika kalibreringsmetoder beroende på vilken komponent som kalibreras. Metoderna är antingen automatiska eller manuellt utförda. Det nns dock en strävan om att så många kalibreringsförfaranden som möjligt ska ske på automatisk väg, då detta normalt ger både högre precision samt repeterbarhet.

(18)

1.2 Problemformulering

En av analyssystemets delprocesser som antas ha en stor påverkan på instrumentets pre-standa kalibreras idag på manuell väg. Det är själva momentet under vilket det aktuella provet blandas tillsammans med reagenter i en buertlösning.

Mängden buertlösning som spädningen sker i påverkar provets koncentration vid ef-terföljande mätning i systemets sensor. För att kunna bestämma lämpliga tröskelnivåer för att avgöra om ett prov är positivt eller negativt krävs en god kännedom av denna koncentration, alternativt en god reproducerbarhet över både instrument och tid.

Den manuella kalibreringen av en lämplig vätskenivå för buertvätskan är mycket tidskrä-vande, och det kan ta era timmar att uppnå ett gott resultat.

Kalibreringen är utöver tidsåtgången både svår och dyr. Det är svårt att utföra den korrekt för otränad personal, och det går oftast åt en stod mängd antikroppar som är mycket kostsamma.

1.3 Syfte

Syftet med arbetet är att kartlägga och utvärdera de metoder som idag används för att kalibrera vätskenivån, och undersöka möjligheterna till att utföra motsvarande kalibrering på automatisk väg.

Om en sådan automatisering anses möjlig, ska en sådan implementeras och utvärderas. Vidare nns en förhoppning om att kalibreringen även kan göras mindre kostsam genom en minskad användning av antikroppar.

1.4 Mål

Arbetet bör efter avslut ha nått fram till en slutsats om bästa, alternativt minst kostsam-ma, metod för att utföra kalibreringen av vätskenivån.

En automatisk implementation bör vara tillräckligt användarvänlig för att kunna användas direkt av en slutkund.

1.5 Avgränsningar

Målet med arbetet är en lösning som ger en bra prestanda över tidshorisonter som är längre än själva projekttiden. Efter utredning och implementation kommer endast en mindre tid återstå för testning, och längre tidstester kan därför inte förväntas ingå i arbetet.

(19)

Arbetet kan heller inte utreda samtliga misstänkta faktorer som kan påverka systemets prestanda med avseende på vätskenivån.

Exempel på faktorer som är svåra att utreda är luftfuktighet och omgivningstemperaturer då sådana tester kräver en klimatanläggning.

Även vissa faktorer som rör egenskaperna hos spårämnen bör anses som för svåra att utreda, exempelvis hur hög vätskenivån på buertlösningen måste vara för att nå upp till det misstänkta spårämnet, då detta kan antas bete sig på olika sätt beroende på miljö.

1.6 Översikt

Rapporten inleds med ett kapitel med bakgrundsmaterial, som syftar till att ge en inblick i biotekniska metoder som används vid spårämnesdetektering. Förutom de biokemiska metoderna beskrivs även några vanliga sensortekniker.

Systembeskrivningen är avsedd att ge en överblick över instrumentets uppbyggnad och användningsförfarande. Avsnittet är främst riktat för läsare som inte är insatta i systemet för att öka förståelsen då det refereras till olika systemkomponenter i senare avsnitt. I nulägesanalysen utvärderas de manuella metoder för att kalibrera vätskenivån som nns på företaget.

Konstruktionskapitlet beskriver framtagning av metoder för en ny, helautomatisk kalibre-ringsmetod. Det beskrivs även hur denna metod implementeras i den bentliga system-mjukvaran.

I resultatkapitlet redovisas utvärderingen av den implementerade kalibreringsmetoden. Utvärderingen har skett på era olika instrument under produktion inför leverans. Slutligen återges slutsatser från de erfarenheter och resultat som har framkommit under arbetets gång.

(20)

(21)

Rickard Åberg 2. Bakgrundsmaterial23 april 2015

2 Bakgrundsmaterial

2.1 Spårämnessökning

Spårämnessökning (eng. Trace analysis) är samlingsnamnet för tillämpningen av metoder för att upptäcka eller påvisa förekomsten av en substans i ett prov, eller inom annat denierat område (exempelvis en lokal eller en i blodomloppet hos en patient).

Namnet innefattar olika tekniker för insamling av prov, separering av substans från övrig provmassa, detektion av sökt substans samt kvantiering av mängd.

Insamlingsmetoderna är ofta väldigt specika för det aktuella användningsområdet. Inom sjukvård är exempelvis blodprov för vanligt förekommande, samtidigt som spårsökning av sprängmedel eller narkotika i en lokal kräver helt andra metoder.

I efterkommande steg, exempelvis vid detektering av substansen, är metoderna ofta de-samma oavsett det slutliga ändamålet.

Till de vanligaste metoderna hör HPLC - High performance liquid chromatography samt GC - Gas chromatography. Båda dessa metoder är dock både dyra och tidskrävande samt kräver oftast utbildade laborationstekniker för att kunna utföra och tolka analysen [1, s. 1].

2.2 Immunanalys

Immunanalys är en biokemisk metod för spårämnessökning som är baserad på användan-det av antikroppar och deras förmåga att identiera och binda sig till en specik molekyl. I den eftersökta substansen identieras en molekyl, även kallad ett antigen till vilken en specik antikropp kan binda. Antikroppar för varje eftersökt substans blandas i provet och en detektor används för att påvisa en eventuell bindning.

En viktig egenskap hos immunanalys är den höga specicitet hos antikroppar vilket bland annat innebär låg risk för falska positiver.

(22)

2.2.1 Markörbaserad immunanalys

En vanlig metod för att detektera bindningen är att använda en markör.

I en vanlig implementation av metoden, s.k. icke-kompetitiv immunanalys, fäster sig det eftersökta antigenet i detektorn. För att detektera det har en markör fästs på antikroppen som blandas till provet. Vid ett positivt prov binder den markerade antikroppen till antigenet. Obundna antikroppar sköljs därefter bort, varpå bindningen kan detekteras genom att påvisa förekomsten av markören.

Figur 2.1: Exempel på markörbaserad immunanalys. Antikroppar med en markör fäster vid det eftersökta antigenet. Efter bortspolning av obundna an-tikroppar kan markören sedan detekteras med olika tekniker.

Till vanliga markörer hör enzymer som tillsammans med en reagent skapar en färg, eller gör provet självlysande. Förekomsten kan då ofta påvisas genom okulär inspektion, eller med hjälp av t.ex. en spektrofotometer.

2.2.2 Markörfri immunanalys

En metod för att minska mängden processteg och förbrukningsartiklar och därmed mini-mera både tidsåtgång och kostnad för en analys, är att använda s.k. markörfri immuna-nalys [2, s. 71].

För detta krävs en detektor som kan detektera bindningar mellan antikropp och antigen, utan att de är märkta med någon specik markör.

I produkter för spårämnessökning har det under långt tid använts bland annat QCM-teknik (Quartz chrystal microbalace) för att utföra en sådan detektion.

I en QCM-sensor består mediet, till vilken antikroppar eller antigen fäster till, utav en kvartskristall kopplad till en oscillator. Kristallen sätts i svängning med dess resonansfre-kvens. Om exempelvis antikroppar fäster sig på dess yta, kommer den totala massan att

(23)

öka, och kristallen svängningsfrekvens att minska [1, s. 1]. Relationen mellan massa och resonansfrekvens kan beskrivas med Sauberbreys ekvation:

∆f = − 2f 2 0 A√ρqµq ∆m (2.1) där: f0 =Kristallens resonansfrekvens

A =Kristallens aktiva yta rhoq =Densiteten hos kvarts

muq =Vågens propageringshastighet i kvarts

QCM-sensorn kan användas för era olika typer av markörfri immunanalys. Till de vligare metoderna hör kompetitiv analys, under vilken man låter provet blandas med an-tikroppar innan det förs över till sensorn, vars yta är belagd med en modierad variant av antigenet. Om den äkta versionen av antigenet befann sig i blodet kommer antikrop-parna redan ha bundit och därmed vara mättade när de når sensorn. Om de däremot är obundna kommer de istället att sätta sig på detektorn, varpå massan stiger och reso-nansfrekvensen minskar. I en sådan analys är det alltså en oförändrad resonansfrekvens som påvisar ett positivt prov.

(24)

Figur 2.2: Exempel på kompetitiv markörfri immunanalys. I den övre bilden har antikropparna inte utsatts för det eftersökta antigenet och binder därför till det modierade som sitter fast på QCM-sensorn. Kristallens massa ökar, och över tid sjunker frekvensen. I bilden nedan har ett positivt prov adderats. Antikropparna är då redan upptagna då de passerar sensorn, och frekvensen förblir oförändrad.

2.3 SAW - Surface acoustic wave

En mindre vanlig typ av detektor för att detektera massförändring under markörfri im-munanalys är SAW-sensorn.

Den är nära besläktad med QCM-sensorn, då båda är baserade på en akustisk vågs för-måga att propagera genom ett medium. I en QCM-sensor propagerar denna våg genom större delen av sensormediet, medans den i en SAW-sensorn endast propagerar på ytan. Sensordelen i en SAW-detektor består av en sändare, en sensoryta och en mottagare. Sändaren, kallad IDT (Inter Digital Transducer) består av elektroder som omvandlar en elektrisk våg till en mekanisk rörelse (akustisk).

Vågen propagerar över sensorytan, som består av ett piezoelektriskt material. Föränd-ringar i exempelvis massa, temperatur på sensorytan förändrar vågen med avseende på såväl amplitud och frekvens som fas- och tidsförskjutning [3, s. 3-4].

(25)

I mottagaren, även den en IDT, omvandlas den mekaniska vågen tillbaks till en elektrisk signal som analyseras av detektorn.

En fördel med SAW-sensorn i förhållande till QCM är att det normalt går att göra sen-sorerna väldigt små, och då sensorytan kan framställas med exempelvis fotolitogra går det att få plats med ett stort antal sensorer på en liten yta [4, s. 69].

SAW-sensorn är även känsligare för massförändringar än QCM-sensorn, vilket lämpar sig för immunanalys. Nackdelen är dock att SAW-sensorn är känslig för er faktorer som kan påverka sensorytan, så som exempelvis temperatur, viskositet eller konduktivitet [5, s. 75].

Denna faktor gör sensorn mindre robust än en QCM-sensor, och en detektor baserad på tekniken blir normalt mer avancerad då den t.ex. måste innehålla väldigt noggrann tem-peraturstyrning, samt kunna utvärdera er aspekter av den akustiska vågens förändring. Som exempel ger en massförändring på sensorytan större skillnad i fasförskjutning än i amplitud, vilket gör den möjlig att särskilja från störningar som påverkar andra storheter. I förhållande till massan är vågens propageringshastighet proportionerlig enligt:

υ ∝ s

E

ρ (2.2)

där:

E =Elasticitetsmodul (Youngs modul) ρ =Materialets densitet

Figur 2.3: Principskiss av en SAW-sensor. Fördröjningslinjen utgörs i immunoassay-applikationen av sensorytan belagd med ett modierat antigen. Detektorn registrerar hur den akustiska vågen har förändrats från in-vågen.

(26)

(27)

Rickard Åberg 3. Systembeskrivning23 april 2015

3 Systembeskrivning

I detta kapitel beskrivs analysinstrument både med avseende på användning och upp-byggnad.

Inställningen av den vätskenivå som ska kalibreras berör en stor del av systemkomponen-terna, och kapitlets syfte är att beskriva deras funktion, möjligheter och begränsningar. Kapitlet beskriver endast de systemkomponenter som kommer användas under arbetets gång. Andra komponenter, som t.ex. termoskrivare eller LCD-skärm beskrivs inte.

3.1 Biosens 300/600

Både Biosens 300 och 600 är portabla system som inte är beroende av någon kringutrust-ning för att kunna utföra analyser. De två modellerna är riktade mot olika kundsegment där eftersökta spårämnestyper och provtagningsmetoder kan skilja sig.

Den systemmodul som det aktuella arbetet berör är dock densamma mellan de båda instrumentmodellerna, och de kommande referenser till Biosens-instrumentet, eller endast instrumentet avser dem båda.

(28)

Figur 3.1: Biosens 600 och Biosens 300

3.2 Analysprocessen

Nedan beskrivs övergripande de steg som ingår i en fullständig provtagning, från insamling av prov till detektion.

1. Ett prov samlas in på en tungskrapa eller provlter. Tungskrapan är främst avsedd för att fånga upp spår av narkotika i testobjektets saliv. I övriga fall så används provltret som stryks mot de ytor som misstänks bära spårämnet.

2. Operatören placerar provet på en provhållare i maskinen och trycker på startknap-pen för den typ av analys som ska utföras.

3. Instrumentet fyller upp en behållare, kallad extraktionsenhet, med en bestämd vo-lym buertvätska. Därefter injiceras antikroppar av olika typer in i extraktionsen-heten. Varje substans som ska kunna detekteras motsvaras av en typ av antikropp. 4. Provhållaren dras in i systemet, där provytan på tungskrapan eller ltret pressas mot ett värmeelement. Provet förångas och eventuella partiklar fastnar på en metallprob ovanför värmeelementet.

5. Metallproben yttas till extraktionsenheten och sänks ned i lösningen med buf-fertvätska och antikroppar. De partiklar som har fastnat på proben lossnar och blandas i lösningen.

(29)

6. Partiklar som stämmer överens med en specik typ av antikropp binder sig till dessa. 7. Provlösningen sugs in i en ventil och växlas in i ett konstantöde, där det passerar en sensor som är belagd med modierade antigener. Om ett eftersökt spårämne har funnits i provet är antikropparna upptagna och passerar sensorn. Lediga antikrop-par fäster till sensorns antigener.

8. En detektor registrerar massförändringen på sensorns yta under hela förloppet. En förminskad eller utebliven massökning påvisar ett positivt prov.

Den delprocess som arbetet berör sker i steg 3, då extraktionsvolymen ska fyllas upp till en bestämd vätskenivå.

3.3 Fluidiksystem

Instrumentets uidiksystem avser samtliga komponenter som hanterar de vätskor som krävs både för analys samt för underhåll av systemet.

I gur 3.2 visas de viktigaste komponenter som används under analys, och som kommer att beröras under arbetet.

I systemets s.k. konstantöde drivs vätskan med en konstant hastighet med hjälp av en peristaltisk pump. I detta öde benner sig systemets detektor.

Utöver detta nns en kolvpump som med hjälp av nypventiler kan kopplas antingen till en behållare med buertvätska eller till extraktionsenheten. Den kan på detta sätt hämta vätska i buertbehållaren, slå ventilerna och trycka ut vätskan i extraktionsenheten för att senare blandas med inkommande prov. Även antikroppar kan injiceras direkt in i extraktionsenheten med hjälp av ytterligare peristaltisk pump.

Kolvpumpen och extraktionsenheten är kopplade till konstantödet med hjälp av en sex-vägsventil.

(30)

Antikroppar Antikroppspump Extraktionsenhet Prov Detektor Konstantflöde Sexvägsventil Konstantflödespump Kolvpump Nypventiler Buffervätska

Figur 3.2: Förenklad principskiss över uidiksystemet. Komponenter för t.ex. tryckmätning, dränering, rengörning m.m. är utelämnade.

Utöver komponenterna i gur 3.2 en större mängd uidikkopmonenter som inte är en del av detektionsprincipen, men ändå nödvändiga för systemets funktion. Flera av dessa nämns senare i systembeskrivningen.

3.3.1 Sexvägsventil

Den ventil som används för att växla in provet i konstantöde kallas för sexvägsventil, med anledning av de sex kopplingar som nns till den.

Ventilen kan ställas i två lägen, i vilka de sex kopplingshålen är parvis sammankopplade på olika sätt.

Till ventilen har det anslutits en slang, kallad loop", till två olika kopplingspar. I ventilens ena läget är loopen inkopplad i systemets konstantöde, och i det andra läget mellan extraktionsenheten och kolvpumpen (Se gur 3.3).

Ventilen växlas med hjälp av en DC-motor, och kan till skillnad från övriga ventiler i systemet stå i båda lägen en obegränsad tid utan risk för överhettning. DC-motorn kan i sig dock ta skada om exempelvis systemets mjukvara skulle hänga sig mitt i ett slag och

(31)

motorn förblir påslagen under en längre tid.

Figur 3.3: I bilden till vänster är sexvägsventilen ställd så att loopen är in-kopplad i konstantödet. I bilden till höger har ventilen vridits och kolvpumpen kan dra in vätska från extraktionsenheten in i loopen.

3.3.2 Nypventiler

Utöver sexvägsventilen är systemet utrustat med ett antal nypventiler. Dessa består av en elektromagnet (solenoid) ansluten till en modul med en eller två skåror för en mjuk silikonslang. I ventilens öppna läge löper slangen fritt genom skåran, och i det stängda pressas en plastdel mot slangen och förhindrar att vätska passerar genom den.

Ventilerna är kan antingen vara aktivt öppna eller aktivt stängda. I gur 3.4 visas en ventil med två skåror som tillåter båda lägen samtidigt.

(32)

Figur 3.4: När elektromagneten är inaktiv pressar en fjäder en plastdel mot den övre slangen och förhindrar öde, samtidigt som den under löper fritt. I aktivt läge drar elektromagneten plastdelen mot den undre slangen, varpå den övre skåran istället öppnas.

Flera av nypventilerna i systemet är utrustade med elektromagneter som kan bli överhet-tade om de står i slaget läge för länge.

Att stänga en slang som aktivt matas av en pump kan dessutom skapa ett snabbt övertryck och i värsta fall kan en slang lossna och skapa ett läckage i systemet.

3.3.3 Peristaltiska pumpar

En peristaltisk pump driver fram vätska genom att låta valsar massera en mjuk slang (Se gur 3.5). En stor fördel med pumptypen är att vätskan aldrig lämnar slangen, vilket reducerar risk för läckage och kontaminering. Pumpen kan även drivas både fram- och baklänges.

Figur 3.5: I en peristaltisk pump masseras vätskan fram i slangen via rote-rande valsar.

(33)

Systemet har tre stycken peristaltiska pumpar som drivs av stegmotorer. En stor för att driva konstantödet och dränering av extraktionsenheten, samt två mindre för injektion av antikroppar till extraktionsenheten och injektion av tvättvätska.

3.3.4 Kolvpump

Fluidiksystemets kolvpump är en mycket exakt pump som till skillnad från de peristaltiska pumparna inte kontinuerligt låter vätskan löpa genom den, utan istället suger upp en bestämd mängd vätska genom en slang, och därefter sprutar ut den igen genom via annan. Vätskan föryttas med hjälp av det under- eller övertryck som bildas då en intern kolv rör sig fram och tillbaks.

Kolvpumpen drivs av en stegmotor, och kan via en ventil vara kopplad till antingen extraktionsenheten eller behållaren för buertlösning (se gur 3.2). Den har en lägesgivare i sitt yttersta läge (då all vätska är uttryckt) och styrmjukvaran använder dödräkning för alla rörelser som suger in vätska.

3.3.5 Extraktionsenhet

Extraktionsenheten är den provbehållare i vilken provet blandas. Den rymmer teoretiskt ca 433 µl vätska utan prob.

För att kunna ha en reproducerbar volym har extraktionsenheten en smal spalt i vilken vätska kan rinna över till ett större avlopp. Avloppet är kopplat till en dräneringspump som alltid är påslagen under normal operation.

Den önskade volymen nås genom att provbehållaren fylls upp med en större volym än den rymmer, så att överskjutande vätskan rinner över till avloppet via spalten. Sprutpumpen suger därefter tillbaks vätskan till den önskade nivån.

(34)

Figur 3.6: Genomskärning av extraktionsenheten

Det är viktigt att notera att sprutpumpen kan fylla upp avloppet upp till avrinningsspal-ten snabbare än dräneringspumpen hinner tömma avloppet. Om detta händer kommer vätskenivån i badkaret att bli för hög, och volymen odenierad. I värsta fall riskerar ytan att överstiga den övre kanten av extraktionsenheten, varpå vätska kan rinna ut över systemet och skada bland annat känslig elektronik.

Av denna anledning är det därför viktigt att vid upprepad påfyllnad av extraktionsen-heten, exempelvis under den föreslagna automatiska kalibreringsprocessen, se till att det nns tillräckligt med tid för dräneringspupmpen att hålla vätskan inom en säker nivå.

3.3.6 Övertryck

En av de största riskerna vid förändringar av systemets hård- eller mjukvara, är att det introduceras ett fel som genererar ett övertryck i uidiksystemet.

Slangar riskerar då att lossna från sina kopplingar och stora mängder salt buertlösning kan komma att läcka ut över systemets elektronik.

Ett sådant övertryck kan snabbt uppstå om exempelvis fel ventil växlas, så att en slang som fortfarande har en drivande pump blir strypt.

(35)

3.4 Hårdvara

I denna sektion beskrivs de systemdelar som inte är en del av uidiksystemet.

3.4.1 Styrkort

Samtliga motorer, ventiler, mikrobrytare och andra givare eller utgångar kontrolleras av två dedikerade styrkort.

Det primära styrkortet, baskortet, innehåller stegmotordrivare, A/D-omvandlare samt ut-gångar med fast spänning för exempelvis DC-motorer och ventiler. Kortet sitter inkopplat mot systemets processorkort över en PC104-buss.

Systemet innehåller även ett mindre styrkort, som kontrollerar värmeelementets tempe-ratur. Detta kort kommunicerar med processorkortet via dedikerade GPIO-anslutningar. Mer detaljerad beskrivning om styrning av specik hårdvara nns i respektive avsnitt nedan.

3.4.2 Processorkort

Systemet har en i386-kompatibel, enkelkärnig 32-bitars Pentium-processor som hanterar både låg- och högnivåmjukvara. Processorn sitter placerad på ett s.k. SBC-kort (Single Board Computer), vilket innebär att det kan betraktas som en komplett inbyggd dator, utrustad med lagring, nätverkskort, grakkort, nätverkskort och serieportar. Kortet följer formfaktorn för PC104.

Kortets utgångar är exponerade på instrumentets baksida, vilket innebär att det går att ansluta tangentbord, mus, USB-enheter, nätverkskabel samt en VGA-skärm.

3.4.3 Prob

Den prob som föryttar provet från värmeelementet till extraktionsenheten består av en metallcylinder med konisk spets fäst på en metallarm.

Metallarmen kan med hjälp av stegmotorer röra sig i horisontell och vertikal led. Under uppfyllning av vätska benner sig proben i extraktionsenheten (se gur 3.7).

(36)

Figur 3.7: Skiss av proben nere i extraktionsenheten.

3.4.4 Detektor

Systemets detektor är en separat modul inkapslad i analysinstrumentet. Den innehåller en sensordrivare och värmestyrning som kontrolleras av en inbyggd mikroprocessor. Systemets styrsekvens kommunicerar med detektorn via en RS232-anslutning. Styrsekven-sen skickar inställningar rörande arbetstemperatur, arbetsfrekvens, samplingsfrekvens m.m. till detektorn och begär efter detta samplingsdata. Detektorn skickar samplingsdata i be-gärt intervall fram tills att ett stopkommando mottages.

Mjukvaran i detektorn har även inbyggda funktioner för exempelvis sökning efter optimal arbetsfrekvens eller detektion av sensor. Det är dock alltid styrsekvensen som fattar beslut om vilka parametrar som används.

Sensor

Själva sensorn är en förbrukningsvara som monteras i detektorn via instrumentets framsi-da. Tillsammans med detektorn utgör den en SAW-sensor med fjorton fristående kanaler. Upp till tolv kanaler är belagda med olika antigen för de substanser som ska detekteras. Två kanaler är reserverade som referenser.

Dataformat

Under sampling rapporterar detektorn signalen till SAW-sensons mottagarsida beskriven som I- och Q-komponenter. Styrsekvensen räknar om de mottagna värdena till fas och amplitud. Då fasförskjutning bäst representerar massförändrings skickas endast denna signal vidare till beräkningsalgoritmen för utvärdering.

(37)

3.4.5 Trycksensor

För att snabbt kunna identiera ett stigande uidiktryck är systemet utrustat med en trycksensor för detta ändamål. Sensorn består av en tryckgivare som är monterad i en av företaget egenutvecklad sensormodul.

Tryckgivaren, med mätområdet 0-500 millibar, har en analog anslutning som är kopplad till en A/D-omvandlare på systemets baskort.

Systemets mjukvara övervakar trycket konstant genom att läsa av tryckgivarens värde en gång per sekund. Om trycket överstiger 350 millibar reverseras konstantödet tills trycket har sjunkit till under fem millibar, varpå åtgärder föreslås för användaren.

Vissa procedurer i mjukvaran, exempelvis injektioner eller slagning av ventiler, kan under en kort genereras ett tryck som överstiger den tillåtna gränsen. Vid ett sådant tillfälle kan det hända att mjukvaran tillfälligt ökar tryckgränsen eller helt stänger av övervakningen. Under denna tid kan mjukvaran anses benna sig i ett systemkritiskt skede. Om arbetet kräver en sådan åtgärd måste extra testning utföras för att säkerställa att det inte nns någon risk för att övervakningen inte lämnas deaktiverad under en längre period.

3.4.6 Temperaturgivare

Systemet är utrustat med tre stycken temperaturgivare, bortsett från de som nns inte-grerade i vissa processorkretsar.

Fluidik Det här är en analog givare, som är placerad på ett avstånd från värmealstrande komponenter. Syftet med givaren är att grovt kunna uppskatta konstantödets tempera-tur. Temperaturen utläses av styrmjukvaran via baskortets A/D-omvandlare.

Sensor Detektorn har en inbyggd temperaturgivare som mäter sensorns temperatur. Denna givare är exaktare än övriga givare och ger en tillförlitligt temperatur med 0,001 grads noggrannhet. Eftersom sensorn är placerad inuti detektorn, sker utläsning av tem-peraturen via detektorns RS232-gränssnitt.

Baskort Den här givaren är identisk med uidikgivaren, men är istället placerad direkt på systemets baskort. Syftet är att snabbt kunna läsa av en eventuell överhettning i systemet.

Det anses inte vara en hög risk för överhettning i systemet, och även om temperaturerna övervakas av mjukvaran är det främst uidik- och sensortemperatur som är av intresse på grund av den biokemiska påverkan de kan medföra.

(38)

De används för att avgöra ändlägesposition för rörliga mekaniska delar samt för detektera om en lucka har öppnats.

Samtliga lägesgivare är anslutna till systemets baskort, och kan läsas av individuellt. Steg-motordrivrutinerna på baskortet läser också ändlägesgivarna internt om det har beordrats att exempelvis stegmotor kör till ett ändläge, snarare än ett givet antal steg.

3.5 Mjukvara

Den inbyggda mjukvaran i systemet kan delas upp i fem huvudsakliga komponenter. Ope-rativsystem, drivrutiner, styrsekvens, algoritm och det graska gränssnittet. Dessa kom-ponenter är väl separerade från varandra även kodmässigt, och behandlas som separata mjukvarupaket med egna versioner.

Nedan följer en kort beskrivning av dessa olika komponenter.

3.5.1 Operativsystem

Systemet använder GNU/Linux som operativsystem. Detta består av ett bassystem byggt på distributionen ArchLinux samt en Linux-kärna som är optimerad för systemets pro-cessorkort.

All egenutvecklad mjukvara installeras på systemet via pakethanteringssystemet pac-mansom är standard för ArchLinux. Detta innebär att mjukvara efter kompilering måste paketeras på korrekt sätt.

3.5.2 Drivrutiner

All kommunikation mot uidiksystemets hårdvara sker via en kärnmodul som vid uppstart laddas in i linuxkärnan.

Kärnmodulen ansvarar således för:

• Styrning av stegmotorer • Styrning av DC-motorer • Styrning av ventiler • Styrning av värmeelement • Övervakning av mikrobrytare • Övervakning av temperaturgivare

(39)

• Övervakning av trycksensor

Valet att placera denna del av mjukvaran i en kärnmodul beror på två huvudsakliga anledningar.

Den första är att koden måste köras i kernel mode för att få fulla läs- och skrivrättigheter till nödvändiga processorregister.

Den andra anledningen är att era delar av systemet har specika krav avseende timing. Det är därför viktigt att koden exekveras med en högre prioritet än andra processer. De stegmotorer som driver systemets samtliga pumpar drivs genom att mjukvaran skic-kar olika stegsekvenser beroende på hur motorn ska köras. Om fördröjningar uppstår i mjukvaran kommer stegmotorn fortfarande att ta de steg som efterfrågats, men i en oregelbunden takt som kan skapa störningar i uidiködet.

3.5.3 Styrsekvens

Styrsekvensen är systemmjukvarans huvudkomponent. Den är implementerad som en till-ståndsmaskin som i dess olika tillstånd utför specika uppgifter samt tillåter olika åtgärder från operatören.

Under exempelvis en analys är det styrsekvensen som kontrollerar uidiksystemet genom att styra hårdvaran via ordrar till drivrutinerna i linuxkärnan. Den kontrollerar även detektorn, och skickar vidare utläst data till beräkningsalgoritmen. Efter erhållet svar från algoritmen, är det styrsekvensen som tolkar resultatet som positivt, negativt eller ogiltigt och utför åtgärder därefter.

Förutom analys, nns det motsvarande tillstånd för uppstart, nedstängning, byte av för-brukningsartiklar, övertryck osv.

Om arbetet leder till en automatisk kalibreringsmetod, bör ett eller era nytt tillstånd implementeras för ändamålet.

Vid sidan av tillståndsmaskinen kör styrsekvensen parallella trådar för övervakning av ventiler, tryck, temperatur samt ansvarar för att inga uidikkomponenter blir stillastående för länge och därmed ökar risken för igensaltning.

Styrsekvensen är inte beroende av något användargränssnitt, men kan kontrolleras via en nätverksport.

3.5.4 Algoritm

(40)

1. Bedömning av signalkvalité 2. Filtrering av störningar 3. Kvantiering av utslag

Algoritmen har ingen kännedom om kanaler, substanstyper eller tröskelvärden för positivt respektive negativt resultat. Styresekvensen anropar istället algoritmen individuellt för varje kanal, och ger i samband med detta passande inparametrar för den aktuella kanalens position och substanstyp.

3.5.5 Graskt gränssnitt

Styrsekvensen kontrolleras via ett nätverksprotokoll där sekvensen agerar värd. Det går att ansluta till sekvensen t.ex. via telnet, och ge direktkommandon manuellt för att t.ex. påbörja en analys. För laborationsändamål kan man istället ansluta via ett skript och programmera en serie av kommandon.

Det normala sättet att interagera med instrumentet är dock via det graska gränssnitt -GUI:t, som visas på instrumentets tryckkänsliga LCD-skärm.

Figur 3.8: Det graska gränssnittet, visandes signaldata från två sensorkana-ler

(41)

GUI:t tar kontinuerligt emot statusmeddelanden från styrsekvensen och presenterar detta för operatören, som i sin tur kan begära åtgärder, som t.ex. start av en analys. Endast åtgärder som är tillåtna i det aktuella tillståndet presenteras för operatören.

Det nns även möjlighet att via GUI:t justera systemparametrar, plotta signaldata, titta på systemloggar, exportera data samt skicka specialkommandon. Vissa av dessa åtgärder kräver att användaren loggar in som administratör eller servicetekniker.

GUI:t ansluter till styrsekvensens nätverksport via en lokal nätverksadress, men det går även att kompilera och köra på t.ex. en skrivbordsdator som har åtkomst till instrumentet via ett nätverk.

Styrsekvensen är inte beroende av uppkopplingen oavsett klienttyp. Om anslutningen upphör, t.ex. för att klienten kraschar, fortsätter styrsekvensen med oförändrat beteende.

(42)

(43)

Rickard Åberg 23 april 20154. Metod

4 Metod

Följande kapitel beskriver den metod genom vilken arbetets problemställning har angri-pits.

4.1 Arbetssteg

Arbetet har delats in i tre delar. Nulägesanalys, konstruktion och utvärdering. De arbet-steg som löper genom samtliga delar är följande:

1. Arbetet inleds med en nulägesanalys, där det utreds vilka metoder som nns för manuell kalibrering av vätskenivån.

2. De manuella metoderna utvärderas och jämförs. Eventuella styrkor och svagheter noteras.

3. En metod för att på automatisk utvärdera en given vätskenivå tas fram.

4. En metod för att på automatisk väg söka sig fram till en given vätskenivå tas fram. 5. Utvärdera metoderna genom att mäta utslag och spridning mellan olika instrument.

4.2 Utrustning

För utvärdering av bentliga manuella metoder, samt implementerade automatiska me-toder, har instrument av modell Biosens 600 använts.

Under nulägesanalysen har instrumenten varit laddade med ordinarie förbrukningsartik-lar, inklusive buertvätska och antikroppar.

Under konstruktionsfasen har instrumentet varit laddat med destillerat vatten (av typ MiliQ) istället för buertvätska, samt en tioprocentig etanollösning istället för antikoppar. Anledningen till denna ändring var dels för att spara på antikroppar, men även för att undvika igensaltning av systemet då det under utvecklingsarbetet inte kördes på normalt

(44)

Under utvärderingsfasen har återigen ett större antal instrument med normala förbruk-ningsartiklar använts.

4.3 Mjukvara

Konstruktionsarbetet utfördes på en modierad version av systemets bentliga mjuk-varan. En separat mjukvarumodul skrevs, i vilken all implementation av kalibreringen skedde.

Styrsekvensens tillståndsmaskin utökades med ett antal nya tillstånd för att inte interfe-rera med övriga systemtillstånd.

För att kunna anropa de nya kalibreringsfunktionerna skapades motsvarande komman-don i systemets protokoll för nätverkskommunikation. Under utvecklingsarbetet styrdes därefter instrumentet via det vanliga graska gränssnittet, över en nätverksuppkoppling alternativt via en telnet-terminal.

4.4 Mätdata

För utvärdering av de automatiska metoderna har i huvudsak instrumentets inbyggda detektor används. För att kunna studera all mätdata med valfria verktyg har denna lag-rats i teckenavgränsat ASCII-format, istället för instrumentets vanligtvis komprimerade format. Detta innebär att det inte går att använda företagets vanliga kurvanalysprogram för att studera data från kalibreringskörningarna.

För att undvika blandning med instrumentets normala analysler, har alla instrument som använts i arbetet en särskild katalog i systemets logglskatalog, där samtlig mätdata nns lagrad.

4.5 Utvecklingsmiljö

Allt utvecklingsarbete har skett i Linux-miljö. Såväl mjukvaruutveckling samt analys av mätdata och resultat.

De automatiska kalibreringsfunktionerna samt funktioner för utvärdering har skrivits i C, via implementationen glibc (GNU C Library).

Som byggmiljö har CMake använts, med kompilatorn gcc (GNU Compiler Collection). Alla funktioner har först provats lokalt på utvecklingsdatorn med hjälp av den systemsi-mulator som nns inbyggd i systemets styrsekvens.

(45)

bitar, samt systembibliotek som är nyare och inte längre kompatibla med de som nns i systemet, krävdes en korskompileringsmiljö.

En sådan miljö nns på företagets utvecklingsserver, men då denna inte var tillgänglig under större delen av konstruktionsfasen, kopierades systemets systempartition över till utvecklingsdatorn, och kompileringen utfördes i en schroot-miljö.

(46)

(47)

Rickard Åberg 5. Nulägesanalys23 april 2015

5 Nulägesanalys

Under produktens livstid har ett ertal olika metoder använts för att kalibrera in vätske-nivån i extraktionsenheten. Det här kapitlet syftar till att utvärdera de vanligaste meto-derna och identiera för- och nackdelar samt de steg som skulle kunna återanvändas i en automatiserad process.

5.1 Desorptionsprocessen

Gemensamt för de manuella metoderna är att de använder sig utav systemets automatiska desorptionsprocess för att utföra kalibreringen. Anledningen till detta är att det är den processen som används under analys, och kalibreringen utförs därför med exakt samma rörelser och hastigheter hos de mekaniska delarna som kommer att användas under faktisk körning.

För att få bättre förståelse för de olika manuella metoderna och de faktorer som kan påverka kalibreringen, följer en ingående beskrivning av desorptionsprocessen från det att teknikern trycker på startknappen.

För att på ett enkelt vis kunna referera till specika tidpunkter i processen har beskriv-ningen på ett godtyckligt vis delats in steg.

Steg 1 Eftersom instrumentet har befunnit sig i ett körklart tillstånd (då startknap-pen var tillgänglig i gränssnittet) är proben positionerad nere i extraktionsenheten och sprutpumpen laddad med 700 µl buertlösning.

I detta läge växlar sprutpumpens in/ut-ventil till sexvägsventilen och tömmer hela sitt innehåll (700 ul)

Steg 2 Vätskan går via sexvägsventilen ut i extraktionsenheten, som med prob rymmer långt mindre än den mottagna mängden buertlösning. Den överödiga vätskan leds via en avrinningskanal ut i extraktionsenhetens avlopp. Detta ger en väldenierad vätskenivå som inte beror på eventuella restvätskor i extraktionsenheten.

(48)

Steg 3 Därefter suger sprutpumpen tillbaks en specicerad mängd vätska, angiven av parametern inj_drain_amount (µl). Den vätska som återstår i extraktionsenheten är den eftersökta volymen som kalibreras.

Steg 4 I nästa steg dras lterhållaren in samtidigt som proben yttas till värmeelemen-tet. När lterhållaren är helt indragen yttas värmeelementet uppåt mot proben. I detta läge blir de mekaniska delarna stående enligt parametern Desorb_time (s).

Not. Instrumentet kan, t.ex. vid en självkalibrering, avstå från att utföra de mekaniska rörelserna i detta steg. I sådana fall förlängs pausen med en tid som motsvarar den normala tidsåtgången för dessa rörelser.

Steg 5 Proben yttas därefter tillbaks till extraktionsenheten, varpå en lösning med antikroppar injiceras från en separerat öppning i extraktionsenheten med hjälp av en pe-ristaltisk pump. Mängden lösning som injiceras anges av parametern THC_vol_microlitre (µl).

Steg 6 Värmeelementet sänks ner, och ltret skickas ut. Precis som ovan hoppas detta steg över, vid exempelvis en kalibrering. Denna gång kompenseras dock inte tiden med hjälp av en paus.

Om någon av den aktuella sensorns kanaler är avsedd för att detektera substansen THC, så utförs en liten vertikal rörelse av proben, där den lyfts upp en specicerad höjd och därefter sänks ner igen. Detta för att säkerställa att partiklarna lämnar proben och blandas ordentligt i vätskan. Det är endast substansen THC som anses vara i behov av denna extra rörelse. Rörelsens höjd speciceras med parametern Probe_dip_height (mikrosteg) och utförs Probe_dip_times antal gånger.

Steg 7 Styrsekvensen väntar nu på att de injicerade antikropparna ska bindas till ett eventuellt antigen. Tiden speciceras av Extraction_time (s).

Steg 8 Sprutpumpen drar därefter ut provet ur extraktionsenheten, via sexvägsventilen. Sträckan som sprutpumpen yttar provet är noggrant avvägd så att provet lägger sig mitt över sexvägsventilens loop-kanal. Provet måste ha en viss marginal på båda sidor om loopkanalen. Om provet yttas för långt så kommer luft med i loopen. Om det tvärtom yttas en för kort sträcka så blir provet istället utspätt av buertlösning. Den mängd vätska som sprutpumpen drar in för att förytta provet anges av parametern Inj_transport (µl).

Steg 9 Efter en kort paus, angiven av Inj_sample_transport_delay (s), avsedd att tillåta en viss hysteres, växlar sexvägsventilen läge, varpå provet skiftas in i systemets konstantöde. Flödet passerar kort därefter sensorn, där en analys av provet sker.

(49)

5.2 Manuell mätning av vätskenivå

En välbeprövad metod för att kalibrera in en lagom stor volym på provvätskan är att manuellt mäta vätskenivån med en spruta. Detta görs i steg 9, då sprutpumpen har dragit in extraktionsenhetens innehåll i sprutpumpen.

Teknikern lyssnar efter sexvägsslaget och suger sedan snabbt upp innehållet från botten och kontrollerar vätskemängden mot en rekommenderad mängd. Om t.ex. vätskenivån är för stor, ökas parametern inj_drain_amount med den överskjutande mängden och proceduren upprepas. Förloppet beskrivs i ödesdiagrammet i gur 5.1

Fel volym

Rätt volym < 5 ggr

5 ggr

Starta analys Lyssna efter 6-vägsventil Mät överskott

Justera inj_drain

Figur 5.1: Flöde för manuell mätning av vätskenivå

En fördel med denna metod är att den, korrekt utförd, anger den verkliga vätskenivån som nns i badkaret.

Att utföra mätningen på korrekt sätt upprepade gånger är dock svårt. Exempelvis så måste man använda sig av en mycket smal spruta för att nå ner botten på extraktionsenheten, vilket innebär att sprutan även går ner i hålet för kopplingen till sexvägsventilen. Det är då svårt att veta om man förutom den avsedda vätskan även har sugit upp en mängd från slangen.

(50)

5.3 Mätning av utslag

En numer vanligare metod för kalibrering av vätskenivån är att använda sig av hela analysprocessen och justera in parametrarna genom att titta på algoritmresultat från sensordata.

I steg fem i desorptionsprocessen injiceras en antikroppslösning in i extraktionsenheten. Lösningen innehåller antikroppar som matchar de antigen som sitter på sensorn. Eftersom kalibreringen utförs utan något provlter bör det inte nnas något spårämne innehållan-de antigen på proben då innehållan-den kommit tillbaks från värmeelementet. Såleinnehållan-des är samtliga antikroppar lediga då de når sensorn efter steg nio, och en viss mängd av dem kommer att fästa sig vid sensorns antigen. En stor mängd antikroppar kommer därför ge ett högt utslag, och därmed ett stort numeriskt värde i algoritmen.

Om vätskenivån är för stor, kommer koncentrationen antikroppar i buertlösningen att vara mindre när en del av provet isoleras i sexvägsventilen i steg 8. När provet senare når sensorn kommer således algoritmen att svara med ett lägre värde.

Under kalibreringsprocessen justerar man godtyckligt parametern inj_drain_amount tills man får ett så högt värde som möjligt från algoritmen.

Med den här metoden fokuserar man alltså inte längre på att få en väldenierad väts-kenivå efter steg 3, utan väljer istället att endast beakta slutresultatet och få så många antikroppar som möjligt att binda till sensorn. Eftersom en analys normalt innefattar en kalibreringskörning utan prov, mot vilken provsvaret jämförs, kan detta anses som ett försök att uppnå ett högt signal till brus-förhållande.

5.3.1 Påverkan från luftbubblor

Under sökandet efter det optimala dräneringsvärdet är det sannolikt att teknikern provar ett värde som generar en luftbubbla i sensorn. Vid utvärdering av metoden under nuläge-sanalysen, noterades att en sådan störning kan ge följdfel även efter att signalen ser bra ut igen.

Genom att upprepa analyser med samma dräneringsvärde, före och efter en forcerad luftbubbla påvisades skillnader i den signal som utlästes från sensorn. Skillnaden medförde i sin tur en förändring i det numeriska värdet från algoritmen. Ett exempel på eekten visas i gur 5.2.

(51)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 0 0.1 0.2 0.3 0.4 sec phase deg.

Figur 5.2: Exempel på skillnad i signal före och efter en luftbubbla. Blå kurva visar signalen efter inväxling för metamfetamin, med ett dräneringsvärde på 100 ul. Den röda kurvan visar motsvarande signal efter en luftbubbla.

Två möjliga förklaringar ges till den förändrade signalen.

1. Ytan på sensorn har förändrats så till den grad att SAW-detektorns arbetsfrekvens inte längre är optimal. Förändringen skulle t.ex. kunna bero på antikroppar som tidigare har suttit fast i sensorn nu har slitits bort av ytspänningen från luftbubblan. 2. En mindre luftbubbla kan ha fastnat någonstans i ödet nära sensorn, vilket skulle

kunna medföra ett förändrat uidiktryck.

Då båda dessa förklaringar kan anses rimliga, föreslås att det under lösningskonstruktionen tas fram metoder för att undvika eller kompensera för signalförändring vid en eventuell luftbubbla.

5.3.2 Tidsåtgång

Eftersom metoden kräver en fullständig analys för att teknikern ska kunna erhålla ett resultat är tidsåtgången ansenlig.

För varje provad vätskenivå utför instrumentet automatiskt en referensanalys samt en normal analys.

Om luft påträas utförs dessutom en eller er extra analyser för att veriera att luften har försvunnit. Detta påbörjas innan teknikern får en möjlighet att återställa parametern till en nivå som inte ger vätska, vilket gör att det ofta krävs er sådana analyser.

(52)

5.4 Påverkande faktorer

Under utvärderingen av metoderna har era faktorer som kan påverka den slutgiltiga vätskenivån under en kalibrering påträats.

• Valet av kalibreringsmetod

• Teknikerns förmåga att manuellt mäta vätskenivån korrekt • Olika teknikers individuella uppfattning om en god vätskenivå • Den vertikala positionen på proben

• Storleken på proben

• Mängden påträade luftbubblor under kalibrering • SAW-sensorns arbetsfrekvens

• SAW-sensorns ålder • Antikropparnas ålder

• Ålder på slangar i peristaltiska pumpar

• Toleranser vid tillverkning mellan olika instrument.

Vid konstruktion av en ny kalibreringsmetod bör så många som möjligt av dessa faktorer elimineras.

(53)

Rickard Åberg 6. Konstruktion23 april 2015

6 Konstruktion

I en strävan att implementera en helautomatisk kalibrering av vätskenivån som ger ett likvärdigt resultat mellan olika instrument oavsett användare, föreslås en metod som an-vänder sig av element från båda tidigare beskrivna manuella metoder.

Den första manuella metoden går ut på att erhålla en så lik vätskenivå som möjligt, men är känslig för teknikerns handhavande, då den faktiska vätskenivån är svår att mäta. Den andra metoden använder instrumentets sensor och beräkningsalgoritm för att hitta en nivå som ger ett stort utslag, men är i sin tur beroende av statusen på förbrukningsartiklar, samt kostsam både i avseende på antikroppsförbrukning och tidsåtgång.

Antikroppskostnaden kan förvisso undvikas genom användning av exempelvis en etanol-lösning, men detta introducerar ytterligare en förbrukningsartikel om kalibreringen ska kunna utföras exempelvis ute hos kund, samt försvårar en helautomatisk process då för-brukningsartiklar i dagens utförande skulle behöva bytas ut inför en kalibrering.

Det som i förstudien visade sig vara mest tidskrävande i den andra manuella metoden var då instrumentet ställdes in på en för låg vätskenivå så att luft drogs in i systemet och störde sensorn.

I den föreslagna metoden används denna störning som en markör för en given vätskenivå, vilket medför möjligheten till en helautomatisk kalibreringmetod utan användande av an-tikroppar eller någon annan reagent. Förutom de uppenbara fördelarna avseende kostnad och tidsåtgång, nns det även en möjlighet att låta instrumentet automatiskt utföra re-gelbundna kalibreringar, då det inte krävs något byte av förbrukningsartiklar eller andra ingrepp av användaren.

6.1 Kalibreringsprincip

Metoden går ut på att låta instrumentet automatiskt hitta det värde på parametern inj_drain där luft uppstår och sedan använda detta som en basnivå för den slutgiltiga vätskenivån, till vilken en bestämd extra volym adderas.

(54)

extraktionsenheten. Se gur 6.1.

Om instrumentet i teorin yttade provet exakt så långt att loopen just fylldes upp med provet, skulle det innebära att den minsta möjliga extraktionsvolymen var densamma som loopvolymen, dvs 50µl.

Figur 6.1: Innan provet sugs in i loopen måste extraktionsenheten innehålla minst en volym motsvarande loopen (50µl). För att provet ska hamna i loopen måste det föryttas 40 + 50 = 90 µl.

Under normal användning är extraktionsvolymen oftast större än så. Den extra volymen gör att provet späds, och motsvarande extra volym kommer vid inväxling av provet till konstantödet att benna sig utanför loopen, och således aldrig nå sensorn. Se gur 6.2.

Figur 6.2: Efter insugning av en korrekt inställd vätskenivå hamnar 50 µl i loopen och eventuellt överskott utanför. Slangen mellan extraktionsenheten och den extra volymen är nu fylld med luft.

(55)

Om vätskenivån i extraktionsenheten är för låg från början så kommer däremot sprut-pumpen dra in en mängd luft i slutet av loopen (se gur 6.3). Vid inväxling av provet kommer denna luft komma in i konstantödet och därefter skapa en störning på sensorn.

Figur 6.3: Vid en för låg vätskenivå i extraktionsenheten dras luft med in i sexvägsloopen.

Genom att låta instrumentet automatiskt prova olika dräneringsvolymer, och använda sensorn för att detektera om en resulterande vätskenivån i extraktionsenheten ger luft i sexvägsventilen, kan önskad vätskenivå reproduceras mellan olika instrument och tid-punkter.

6.2 Detektion av luft

Den bentliga beräkningsalgoritmens främsta funktion är att kvantiera storleken av ett utslag på sensorn. Den har ingen kännedom om huruvida resultatet är positivt eller ne-gativt, utan det är en bedömning som styrsekvensen gör utifrån inställda tröskelvärden. Däremot nns det en inbyggd säkerhetsfunktion för att bedöma rimligheten i det kvanti-erade resultatet. Detta görs dels genom att kontrollera att derivatan mellan datapunkter håller sig inom rimliga gränser och att det inte existerar för många spikar.

En luftbubbla orsakar väldigt stora fasförskjutningar i SAW-sensorns signal under loppet av ett par få samples. Det är därför stor sannolikhet att beräkningsalgoritmen kommer döma ut signalen som ogiltig.

För vissa substanser nns det dock kända störningar som algoritmen tillåter. Exempelvis kan provtagning via tungskrapa ge en störning i fasförskjutningen då saliv passerar

(56)

sen-Automatisk kalibrering av vätskenivå

Eftersom den automatiska kalibreringen måste kunna detektera alla förekomster av en luftbubbla, måste algoritmens inställningsparametrar justeras så att samtlig data från analysen analyseras och bedöms.

I den implementerade kalibreringsproceduren har därför anropet av algoritmen ändrats så att vissa parametrar tillfälligt byts ut. De parametrar som justeras är:

• Alg_response_origin_delay → 0 • Alg_use_derivative → 0

Efter att kalibreringsproceduren avslutats återgår algoritmen till att använda de norma-la parametervärdena. Förändringen är dessutom vonorma-latil vilket innebär att parametrarna återställs även om exempelvis ett strömavbrott skulle uppstå under kalibreringen.

6.3 Verikation av dräneringsmängd

I de utvärderade manuella metoderna används en vanlig analys med desorptionsprocess för att utvärdera olika värden på parametern inj_drain. Även om detta skulle vara möjligt även för den föreslagna automatiska kalibreringsmetoden, skulle det innebära ett antal nackdelar:

• Onödigt lång analystid, eftersom operationer såsom indragning av provhållare, styr-ning av värmeelement etc. inte behövs.

• Oanvändbara delanalyser, då instrumentet med jämna mellanrum genomför refe-renskörningar och blankverikationer.

• Lång återställningstid efter luft, då analysprocessen efter eventuell luft prioriterar att säkerställa att luften är borta genom verikationskörningar, framför en snabb återställningstid.

• Onödig förbrukning av antikroppar, då den föreslagna metoden inte kräver några. • Stor mängd ovidkommande kördata i instrumentets arkiv, som är avsett att främst

innehålla äkta analyser.

Istället har en helt ny analysprocess skrivits för styrsekvensen. Den utför endast de nöd-vändiga operationerna för att på kort tid veriera om en viss dräneringsmängd leder till luft eller ej.

Den aktuella dräneringsvolymen provas genom att extraktorn fylls upp till maxvolymen. Därefter dräneras den angivna mängden bort. Efter dräneringen sugs innehållet i extrak-torn i sexvägsloopen där den sedan växlas in i konstantödet. När hela loopvolymen har passerat detektorn (analyslängden), skickas datat till beräkningsalgoritmen för analys. Hela ödet visas i gur 6.4.

(57)

Starta sensor

Fyll extraktor

Dränera x ul

Dra in prov till loop

6-väg till konstantflöde 20 sek

3 sek

Analysera Stoppa sensor

6-väg till kolvpump

Spara data

Figur 6.4: Flöde för automatiskt test av en dräneringsvolym. Hela processen sker med proben i extraktorn.

Pauser är inlagda för att säkerställa att vätskan har hunnit stabilisera sig i alla steg. (Detta visat sig ha stor påverkan, se kapitlet Resultat)

Val av analyslängd

Analystiden i ödet ovan (gur 6.4) är satt till 15 sekunder, vilket är kortare än vid en normal analys då det är noga att få med hela kurvan för att detektera maximalt utslag. Tiden behöver minst vara så lång att en luftbubbla med stor säkerhet kommer detekteras av beräkningsalgoritmen, men eftersom endast förekomsten av en luftbubbla i sexvägsventilen ska påvisas, behöver vi i detta skede inte kvantiera storleken på utslaget. Nödvändig analyslängd erhölls med hjälp av tidsstämplar i koden och deras förhållande till störningar i mätdata från sensorn. Sekvensen kongurerades därför först med en drä-neringsmängd som garanterat genererar luft - 200 µl, samt en analystid efter inväxling

(58)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 −20 −10 0 sec phase deg.

Figur 6.5: En luftbubblas passage förbi sensorn

Enligt Tidtagning i koden sker inväxlingen av provet efter 4,2 sekunder (datapumkt 23). Signalen i gur 6.5 visar att luften når sensorns första kanal 8,2 sekunder senare. Det kan även noteras att signalen återgår till en stabil signal efter att luftbubblan har passerat. Detta är viktigt för att kunna göra efterföljande tester utan omkalibrering av sensorn. För god marginal sattes insamlingstiden till 20 sekunder efter inväxling av prov. Att ha tiden längre än nödvändigt påverkar inte analysen eftersom vi endast söker närvaron av en störning från en luftbubbla. Om denna metod skulle visa sig vara lämplig för en slutgiltig produkt kan detta värde optimeras för att korta ned tiden för en kalibrering, men detta kräver en studie av spridningen av luftbubblans propageringshastighet såväl mellan analys till analys, som mellan instrument.

En efterföljande analys med den kortare tiden visar att luftbubblan når sensorn vid samma tidpunkt igen. Detta är väntat beteende då luftbubblan har en skarp gräns som följer konstantödet, till skillnad från en lösning som diuserar.

(59)

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 −10 −5 0 sec phase deg.

Figur 6.6: Upprepade analyser visar att en samplingstid på 20 sekunder efter sexvägsslag räcker med god marginal för att med hög säkerhet detektera en luftbubbla

6.4 Återställning efter luftbubblor

Nulägesanalysen visade att sensorn påverkas på ett oförutsägbart sätt av luftbubblor. Påverkan är dock tillräckligt liten för att det fortfarande ska gå att detektera en luft-bubblas förekomst, och det rekommenderas därför en ny sökning efter optimal frekvens för SAW-detektorn efter att kalibreringen är klar.

Utöver detta nns det dock även en risk att en luftbubbla stannar kvar i systemet och inte passerar sensorn förrän vid nästkommande analys. Detta kommer i så fall med största sannolikhet ge en felaktig kalibrering. Den iterativa processen bör därför säkerställa att all eventuell luft sköljs ur.

Automatisk kalibrering av vätskenivå

Automatisk kalibrering av

vätskenivå

Automatic liquid level calibration

RICKARD ÅBERG

Automatisk kalibrering av vätskenivå

Rickard Åberg

2015

Innehåll

Förord

Terminologi

1 Introduktion

1.1 Bakgrund

1.2 Problemformulering

1.3 Syfte

1.4 Mål

1.5 Avgränsningar

1.6 Översikt

2 Bakgrundsmaterial

2.1 Spårämnessökning

2.2 Immunanalys

2.2.1 Markörbaserad immunanalys

2.2.2 Markörfri immunanalys

2.3 SAW - Surface acoustic wave

3 Systembeskrivning

3.1 Biosens 300/600

3.2 Analysprocessen

3.3 Fluidiksystem

3.3.1 Sexvägsventil

3.3.2 Nypventiler

3.3.3 Peristaltiska pumpar

3.3.4 Kolvpump

3.3.5 Extraktionsenhet

3.3.6 Övertryck

3.4 Hårdvara

3.4.1 Styrkort

3.4.2 Processorkort

3.4.3 Prob

3.4.4 Detektor

3.4.5 Trycksensor

3.4.6 Temperaturgivare

3.5 Mjukvara

3.5.1 Operativsystem

3.5.2 Drivrutiner

3.5.3 Styrsekvens

3.5.4 Algoritm

3.5.5 Graskt gränssnitt

4 Metod

4.1 Arbetssteg

4.2 Utrustning

4.3 Mjukvara

4.4 Mätdata

4.5 Utvecklingsmiljö

5 Nulägesanalys

5.1 Desorptionsprocessen

5.2 Manuell mätning av vätskenivå

5.3 Mätning av utslag

5.3.1 Påverkan från luftbubblor

5.3.2 Tidsåtgång

5.4 Påverkande faktorer

6 Konstruktion

6.1 Kalibreringsprincip

6.2 Detektion av luft

6.3 Verikation av dräneringsmängd

6.4 Återställning efter luftbubblor

3.5.5 Graskt gränssnitt

6.3 Verikation av dräneringsmängd