BR102013007167A2 - Sistema automatizado para extração em fase sólida - Google Patents

Abstract

SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA Refere-se o presente pedido de patente de Invenção a um sistema de extração em fase sólida contendo sensor de nível que permite detectar a presença e o nível de líquido (solventes e amostras) no interior do cartucho, determinar a vazão empregada para a eluição do líquido e também detectar se o líquido foi completamente eluido do cartucho. Esse dispositivo apresenta chaves opteletrônicas transmissivas que são acopladas aos cartuchos de extração para que o sinal lógico proveniente desse dispositivo seja utilizado por um circuito eletrônico para a automação das diversas etapas de extração em fase sólida.

Description

SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA Campo da invenção A presente patente de Invenção se refere a um dispositivo para acoplamento à cartuchos de extração em fase sólida e sistemas de extração em fase sólida (SPE) que permite detectar a presença e o nível de líquido (solventes e amostras) no interior do cartucho, determinar a vazão empregada para a eluição do líquido e também detectar se o líquido foi completamente eluido no cartucho.

Esse dispositivo está baseado em chaves optoeletrônicas transmissivas compostas de: um fotodiodo emissor e um fotodiodo coletor. Ao posicionar adequadamente o cartucho de extração entre esses dois fotodiodos, a intensidade da luz coletada pelo fotodiodo coletor será dependente da presença ou não de líquido no interior do cartucho. A variação da intensidade da luz coletada resulta em uma variação de tensão elétrica que pode ser usada como um sinal lógico para o acionamento de uma válvula, de uma bomba de vácuo ou de qualquer outro dispositivo eletro-eletrônico empregado nos sistemas de extração em fase sólida automatizados ou semi-automatizados.

Esse sistema semi-automatizado para extração em fase sólida contendo sensores de nível baseado em chaves optoeletrônicas transmissivas destina-se principalmente a laboratórios e indústrias na área química, farmacêutica, alimentícia, biotecnológica e agropecuária.

Fundamentos da invenção A extração em fase sólida (SPE) empregando cartuchos e discos representa uma grande parcela dos procedimentos de preparo de amostras em virtude das vantagens peculiares desta técnica (Lanças, 2004).

Os procedimentos de SPE padrão requerem de quatro a cinco etapas onde diferentes líquidos (amostra e solventes) passam através do sorvente do cartucho ou disco. Durante as quatro primeiras etapas do procedimento de extração é de fundamental importância que o sorvente esteja sempre em contato com algum líquido evitando que ele volte a secar. Outro cuidado bastante importante é em relação ao momento correto para a introdução dos solventes no cartucho. Quanto um solvente está sendo substituído por outro o analista deve ter o cuidado para que não sobre um volume muito grande de solvente acima do filtro superior do cartucho Esses cuidados visam garantir a repetibilidade e a eficiência do preparo da amostra. Quando esse procedimento é realizado manualmente com os sistemas tipo manifold convencionais a necessidade de manter o nível do líquido recobrindo o sorvente de extração (fase sólida) torna sua execução bastante estressante e dificulta ou impede a realização de várias extrações simultaneamente. Neste sentido, os sistemas mecanizados, automatizados ou semi-automatizados são preferencialmente empregados.

Os sistemas automatizados ou semi-automatizados empregam válvulas solenóides, bombas de vácuos ou peristálticas, sensores (pressão, posição e movimento) além de dispositivos dispensadores de líquidos que podem promover tanto a entrada dos líquidos no interior dos cartuchos quanto a saída desse líquidos, empregando pouca ou nenhuma manipulação manual do operador durante as etapas da extração.

Mesmo para os sistemas automatizados e semi-automatizados uma grande dificultade operacional do dispositivo é controlar adequadamente o nível de líquido no interior do cartucho de extração.

Algumas patentes descrevem o uso de câmaras empregando sensores de imagem CCD (dispositivo de carga acoplada), dispositivos a laser ou ainda dispositivos com sensores de ultrassom ou pressão (Patentes: JP2006007081 (A) — 2006-01-12; EP1159597 (A1) — 2001-12-05; EP1159597 (A1) — 2001-12-05; JP2005204578 (A) — 2005-08-04; JP2007298445 (A) — 2007-11-15).

Apesar de apresentarem capacidade de detectar o nível de líquido no interior do cartucho todos esses dispositivos apresentam uma série de desvantagens quando comparados com as chaves optoeletrônicas transmissivas apresentadas aqui. Entre estas desvantagens podemos destacar: maiores dimensões desses dispositivos eletrônicos, maior complexidade de funcionamento, os custos mais elevados e as dificuldades de serem acoplados com qualquer tipo de cartucho. Para os sensores de ultrassom e pressão, pequenas variações na densidade e na viscosidade dos solventes empregados podem levar a medições errôneas do nível do líquido no cartucho. Já os sensores representados por câmeras CCD ou a laser não podem ser utilizados empregando cartuchos metálicos ou de material opaco e são dispositivos relativamente caros.

Todas _ essas dificuldades e limitações são facilmente solucionadas com o uso das chaves optoeletrônicas transmissivas conhecidas como optos. A simplicidade desses dispositivos eletrônicos, a grande variedade comercial e o baixo custo possibilitam que esses dispositivos sejam empregados como detectores de nível para cartuchos de extração em fase sólida de forma muito mais simplificada e barata. O emprego de chaves optoeletrônicas transmissivas (caso seja inserida dentro do cartucho) também permitem o uso de cartuchos conectados em série ou mesmo cartuchos com paredes metálicas. Devido ao seu tamanho reduzido e ao baixo custo os optos podem ser acoplados a dezenas de cartuchos ao mesmo tempo ao passo que, nos sistemas comerciais totalmente automatizados frequentemente é possível executar no máximo 4 extrações simultaneamente. Optos também são perfeitamente ajustáveis aos mais variados diâmetros de cartuchos o que não é geralmente possível com os demais sensores empregados nos sistemas automatizados.

Breve descrição da invenção Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um sistema semi-automatizado para extração em fase sólida contendo sensores de nível baseado em chaves optoeletrônicas transmissivas para acoplamento em cartuchos e discos de extração em fase sólida e sistemas de extração em fase sólida. O referido sistema é constituído basicamente de: a) chave optoeletrônica transmissiva convencional ou adaptada contendo um diodo emissor de luz e um diodo coletor de luz 1.1 e 1.2. b) suporte ou guia provido de encaixe para os fotodiodos emissores e coletores além do acoplamento e posicionamento adequados do cartucho de extração em fase sólida 2.1 e 2.2. c) um cartucho de extração em fase sólida convencional ou adaptado com marcas ou modificações na superfície da parede do cartucho para facilitar o posicionamento do opto 3.1 e 3.2. d) um circuito eletrônico para entrada e monitoramento do sinal proveniente do sensor.

Compreende ainda, a presente invenção, ao uso do sensor de nível descrito para qualquer processo de extração em fase sólida acoplado ou não a sistemas de pressão negativa (bomba de vácuo e bomba peristáltica) ou sistema de pressão positiva.

Breve descrição das figuras Segue abaixo uma breve descrição das figuras anexas com a finalidade de facilitar o entendimento e compreensão do presente pedido, não devendo estas serem entendidas com a finalidade de limitar o escopo de proteção da presente tecnologia. A Figura 1 traz uma representação esquemática de uma chave optoeletrônica transmissiva convencional com as regiões do emissor de luz e do coletor de luz 1.1 e 1.2. A Figura 2 traz uma representação esquemática do suporte ou guia com encaixe para acoplamento do cartucho de extração em fase sólida. A Figura 3 traz uma representação esquemática de um cartucho de extração em fase sólida convencional e um exemplo de modificação do cartucho (protuberância) para facilitar o posicionamento do sensor. A Figura 4 traz uma representação esquemática de um circuito eletrônico composto pelo fotodiodo emissor e coletor além de um amplificador operacional e da saída do sinal lógico. A Figura 5 traz uma representação esquemática de um cartucho de extração em fase sólida 5.1 posicionado na região fotoativa da chave optoeletrônica 5.2 pelo auxílio do suporte 5.3. A Figura 6 traz uma representação esquemática de um cartucho de SPE acoplado com três chaves optoeletrônicas diferentes simultaneamente 6.1. A Figura 7 traz uma representação esquemática de uma chave optoeletrônica que foi modificada pelo revestimento dos fotodiodos com material polimérico resistente a solvente e que pode ser introduzida dentro do cartucho de extração de fase sólida. A Figura 8 traz uma representação do protótipo do sistema de extração automatizado com os detalhes para as trilhas para encaixe das chaves optoeletrônicas 8.1, os suportes para posicionamento dos cartuchos de extração com as chaves optoeletrônica 8.2 e a região de conexão dos cartuchos com o sistema de extração 8.3.

Descrição detalhada da invenção Refere-se o presente pedido de patente de Invenção a um Sistema semi-automatizado contendo sensores de nível baseado em chaves optoeletrônicas que permite detectar a presença e o nível de líquidos (solventes e amostras) no interior do cartucho, determinar a vazão empregada para a eluição do líquido e também detectar se o líquido foi completamente eluido no cartucho. Empregando esse dispositivo acoplado a circuitos eletro eletrônicos, os sinais de variação de tensão elétrica do foto dtodo coletor podem ser utilizados para controlar o acionamento de sistemas de pressão, válvulas tipo abre-e-fecha, válvulas multivias entre outros com o intuito de automatizar o procedimento e diminiuir tanto os erros operacionais como o estresse do analista durante a execução da extração. A Invenção utiliza como elemento inventivo básico a implementação de uma chave optoeletrônica transmissiva ou opto, que apresenta como componentes principais na sua construção um fotodiodo emissor e outro fotodiodo coletor de luz, que são mantidos separados a uma distância adequada um do outro. Esses dois componentes são alimentados com uma tensão elétrica apropriada para fazer com que o fotodiodo emissor irradie, de forma relativamente constante, luz sobre o fotodiodo coletor. A luz que incide sobre o fotodiodo coletor faz com que a sua resistência elétrica seja alterada fazendo com que ocorra uma variação de tensão elétrica (nível baixo).

Quando o material líquido é posicionado entre os dois fotodiodos por processos absortivos, reflexivos e de espalhamento, parte das ondas eletromagnéticas que deveríam incidir sobre o fotodiodo coletor não alcançam esse componente. Essa redução da quantidade de luz que atinge o fotodiodo coletor faz com a resistência elétrica deste diodo se altere e assim aumente e diferença de tensão elétrica entre seus terminais. Essa variação da tensão elétrica pode ser empregada como sinal de controle para diversas operações unitárias durante o processo de extração.

No caso das etapas de extração em fase sólida o que irá causar a variação da intensidade do sinal de controle será a presença de líquido ou ar no interior do cartucho na porção monitorada pela chave óptica. Para que seja possível observar tal variação do sinal da chave óptica o cartucho deve ser posicionado adequadamente entre os dois fotodiodos para que os processos de absorção, reflexão e espalhamento da luz ocorram de forma adequada. O correto posicionamento do cartucho com o opto faz com que a mudança de líquido para ar e vice-versa gere um sinal lógico transiente que pode ser empregado para as finalidades descritas anteriormente.

Como as chaves ópticas convencionais não são projetadas para o acoplamento de cartuchos de extração em fase sólida é preciso que um suporte posicione adequadamente os mesmos. Esses suportes devem possuir capacidade de adaptar-se aos diferentes diâmetros dos cartuchos e devem possuir elementos que permitam posicionar e nivelar adequadamente o cartucho como marcas coloridas e/ou furos e/ou sulcos e/ou protuberâncias, etc. Os cartuchos também podem possuir elementos semelhantes que facilitem seu posicionamento e nivelamento. O suporte pode ser constituído ainda de uma peça única que reuna em sua estrutura os dois diodos da chave óptica.

As chaves ópticas comerciais são, em geral, dispositivos de dimensões reduzidas, o que permite o acoplamento simultâneo de diversas chaves ópticas em um mesmo cartucho ou em cartuchos acoplados em série. O número de chaves ópticas empregadas durante o processo de extração, assim como o seu posicionamento no cartucho, pode variar conforme a necessidade de uso. Uma chave óptica posicionada no reservatório logo acima do filtro superior do cartucho permite evitar que o sorvente seque (Figura 6.1). Duas chaves ópticas posicionadas acima do sorvente permitem medir a vazão empregada com precisão (Figura 6.1 e 6.2). Já uma chave óptica posicionada na saída do cartucho (bico) permite saber se o cartucho secou adequadamente durante a etapa de secagem (Figura 6.3).

Para o correto funcionamento dos optos, a princípio, eles devem ser acoplados externamente ao cartucho de extração. É necessário ainda que a parede do cartucho seja composta por material transparente ou translúcido.

Nos casos em que são utilizados cartuchos com corpo metálico, as chaves optoeletrônicas transmissiva convencionais podem ser modificadas. Para os casos de cartuchos com paredes opacas este pedido de Invenção propõe o uso de chaves adaptadas que podem ser inseridas dentro dos cartuchos de extração. Essas chaves diferenciam das chaves convencionais pelo fato dos fotodiodos emissores e receptores serem inseridos em uma cápsula de material transparente ou translúcido resistente a solventes. Essas cápsulas podem ser compostas de materiais plásticos ou vidros resistentes ao ataque de solventes e suficientemente capazes de permitir a passagem de quantidade adequada de luz.

As características anteriormente descritas para o sensor de nível baseado em chaves optoeletrônicas transmissivas para cartuchos de extração em fase sólida representa uma simplificação construtiva dos sensores de nível já descritos. A Invenção, que trata o presente documento, está inserido no contexto das técnicas de preparação de amostras, mais especificamente nas técnicas de extração em fase sólida empregando cartuchos ou discos. O presente documento versa sobre um sistema semi-automatizado para controle do nível utilizado para sistemas tipo manifold ou robotizados (workstation) para extração em fase sólida, sendo este constituído basicamente de: a. Válvulas e ou tubulações metálicas ou plásticas conectadas por uma das extremidades à um sistema propulsor de solvente como uma bomba peristáltica, bomba de seringa ou bomba de vácuo e a outra extremidade conectada a saída (bico) do cartucho. b. pelo menos uma chave optoeletrônicas transmissivas convencional para ser acoplada ao reservatório do cartucho de extração em fase sólida logo acima do filtro superior (Figura 1); c. pelo menos um suporte ou guia para encaixe, alinhamento e o correto posicionamento do cartucho de extração em fase sólida com a chave optoeletrônica transmissiva (Figura 2); d. pelo menos uma trilha ou guia para encaixe, alinhamento e correto posicionamento da chave optoeletrônica transmissiva com o sistema de extração (Figura 8); e. pelo menos um suporte ou guia para encaixe, alinhamento e correto posicionamento da chave optoeletrônica transmissiva com o cartucho de extração (Figura 2); f. pelo menos um cartucho de extração em fase sólida convencional (Figura 3); g. pelo menos um circuito eletrônico capaz de amplificar, receber, enviar ou distribuir o sinal proveniente da chave optoeletrônica (Figura 4); O presente pedido de patente de invenção compreende ainda o uso dos dispositivos descritos para qualquer processo de extração em fase sólida.

Neste sistema compreende ainda as seguintes variáveis construtivas: a) O sistema pode apresentar sistemas propulsores ou controladores de vazão de solvente que podem ser bomba peristáltica, bomba de vácuo, bomba de seringa, válvulas solenóides ou motores de passo acoplados à saída ou entrada dos cartuchos de extração por meio de tubulações de qualquer natureza e que tenham seu funcionamento controlado ou modulado pelo sinal proveniente das chaves optoeletrônicas; b) Os fotodiodos emissores e coletores das chaves optoeletrônicas transmissivas podem ser revestidos com material resistente a solventes como vidros ou polímeros para que eles possam ser inseridos no interior do cartucho (reservatório) (Figura 7); c) Os cartuchos de extração podem receber qualquer variação na sua forma, cor, textura ou formato do relevo de suas paredes interna e externa de forma a facilitar o posicionamento e alinhamento do cartucho com a chave optoeletrônica (Figura 3); d) Os cartuchos de extração podem ser acoplados simultaneamente a duas ou mais chaves optoeletrônicas para que seja possível determinar a vazão durante a extração (Figura 6); e) As chaves optoeletrônicas podem ser acopladas aos cartuchos de extração através do bico ou saída do cartucho de extração com a finalidade de controlar a etapa de secagem (Figura 6); f) O sistema de extração em fase sólida empregando os dispositivos aqui descritos pode ter uma ou mais etapas do processo de extração automatizada, controlada ou modulada pelo sinal proveniente da chave optoeletrônica transmissiva.

Exemplo de concretização O sistema de extração em fase sólida contendo chave optoeletrônicas transmissivas ao qual se refere a presente patente foi construído da seguinte maneira: Cada chave optoeletrônica transmissiva descrita na Figura 1 foi conectada a um circuito eletrônico amplificador como descrito na Figuras 4 e a uma fonte elétrica de alimentação.

As chaves optoeletrônicas transmissivas foram acopladas ao sistema de extração através de duas trilhas posicionadas em uma placa alocada atrás de cada fileira de cartucho de extração (Figura 8.1).

Em cada chave optoeletrônica foi encaixado um suporte para o seu correto alinhamento e posicionamento com o cartucho de extração (Figura 8.2). O correto posicionamento do cartucho com a chave optoeletrônica foi realizado encaixando a parte do reservatório do cartucho entre os dois fotodiodos da chave optoeletrônica.

Os cartuchos de extração foram acoplados simultaneamente ao sistema de extração e ao suporte da chave optoeletrônica. O encaixe ao sistema de extração foi realizado por meio de conexões do sistema de extração com o bico do cartucho (Figura 8.3). Já o suporte foi encaixado no corpo do cartucho mais precisamente na porção do reservatório logo acima do filtro superior.

Os sinais provenientes da chave optoeletrônica transmissiva em resposta as variações de ar e líquido no interior do cartucho eram transmitidos a uma interface paralela de um microcomputador por meio de cabos metálicos.

Um programa de computador utilizava os sinais provenientes das chaves optoeletrônicas para ligar ou desligar válvulas solenóides e uma bomba peristáltica e assim controlar vazão e a eluição durante as diversas etapas de extração em fase sólida.

De forma alternativa a chave optoeletrônica comercial convencional foi desenvolvida uma chave optoeletrônica modificada introduzindo os fotos diodos da chave convencional em tubulações plásticas de politetrafluoretileno (Figura 7). Essa chave optoeletrônica modificada foi inserida no interior do cartucho de extração em fase sólida e com ela foram obtidos resultados semelhantes aqueles da chave optoeletrônica comercial acoplada externamente a parede do cartucho.

Claims (9)

1. Sistema automatizado para extração em fase sólida caracterizado por compreender ao menos um sensor de nível para cartuchos de extração em fase sólida baseado em chaves optoeletrônicas transmissivas.

2. Sistema automatizado para extração em fase sólida caracterizado por compreender: a) chave optoeletrônica transmissiva convencional ou adaptada contendo um diodo emissor de luz e um diodo coletor de luz 1.1 e 1.2; b) suporte ou guia provido de encaixe para os fotodiodos emissores e coletores além do acoplamento e posicionamento adequados do cartucho de extração em fase sólida 2.1 e 2.2; c) um cartucho de extração em fase sólida convencional ou adaptado com marcas ou modificações na superfície da parede do cartucho para facilitar o posicionamento do opto 3.1 e 3.2; d) um circuito eletrônico para entrada e monitoramento do sinal proveniente do sensor.

3. Sistema automatizado para extração em fase sólida caracterizado por compreender: a) Válvulas e ou tubulações metálicas ou plásticas conectadas por uma das extremidades à um sistema propulsor de solvente como uma peristáltica ou bomba de vácuo e a outra extremidade conectada a saída (bico) do cartucho. b) pelo menos uma chave optoeletrônica transmissiva convencional para ser acoplada ao reservatório do cartucho de extração em fase sólida logo acima do filtro superior (Figura 1); c) pelo menos um suporte ou guia para encaixe, alinhamento e o correto posicionamento do cartucho de extração em fase sólida com a chave optoeletrônica transmissiva (Figura 2); d) pelo menos uma trilha ou guia para encaixe, alinhamento e correto posicionamento da chave optoeletrônica transmissiva com o sistema de extração (Figura 8); e) pelo menos um suporte ou guia para encaixe, alinhamento e correto posicionamento da chave optoeletrônica transmissiva com o cartucho de extração (Figura 2); f) pelo menos um cartucho de extração em fase sólida convencional (Figura 3); g) pelo menos um circuito eletrônico capaz de amplificar, receber, enviar ou distribuir o sinal proveniente da chave optoeletrônica (Figura 4);

4. Sistema automatizado para extração em fase sólida, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por-poder apresentar sistemas propulsores ou controladores de vazão de solvente que podem ser bomba peristáltica, bomba de vácuo, bomba de seringa, válvulas solenóides ou motores de passo acoplados à saída ou entrada dos cartuchos de extração por meio de tubulações de qualquer natureza e que tenham seu funcionamento controlado ou modulado pelo sinal proveniente das chaves optoeletrônicas.

5. Sistema automatizado para extração em fase sólida, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os fotodiodos emissores e coletores das chaves optoeletrônicas transmissivas poderem ser revestidos com material resistente a solventes como vidros ou polímeros para que eles possam ser inseridos no interior do cartucho (reservatório) (Figura 7).

6. Sistema automatizado para extração em fase sólida, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os cartuchos de extração poderem receber qualquer variação na sua forma, cor, textura ou formato do relevo de suas paredes interna e externa de forma a facilitar o posicionamento e alinhamento do cartucho com a chave optoeletrônica (Figura 3).

7. Sistema automatizado para extração em fase sólida, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os cartuchos de extração poderem ser acoplados simultaneamente a duas ou mais chaves optoeletrônicas para que seja possível determinar a vazão durante a extração (Figura 6).

8. Sistema automatizado para extração em fase sólida, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por os cartuchos de extração poderem ser acoplados externamente ao cartucho de extração em fase sólida posicionando o bico ou saída do cartucho entre os fotodiodos emissores e receptores com a finalidade de controlar a etapa de secagem (Figura 6).

9. Sistema automatizado para extração em fase sólida, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o sistema de extração em fase sólida empregando os dispositivos aqui descritos pode ter uma õu mais etapas do processo de extração automatizada, controlada ou modulada pelo sinal proveniente da chave optoeletrônica transmissiva.