开元体育·(中国)官方网站浅谈实验室自动化（一）—— 概述

　　开元体育·(中国)官方网站浅谈实验室自动化（一）—— 概述“自动化”一词首次出现于 1936 年。Harder 用它来描述在生产过程中无需人工干预的情况下将工作任务转移到机器上的情况[1]。如今，自动化的一般定义是指通过机器或软件解决方案执行工作流程，以自动处理原本手动执行的流程。如今，自动化解决方案在传统行业中广泛应用。

　　实验室自动化是自动化技术的一部分，追求的目标是开发和优化经典实验室自动化技术。其中包括从事医疗诊断、环境分析或质量控制领域的各种实验室，例如制药行业、食品监测或一般工业生产中的实验室。如今的实验室自动化是机器人技术、计算机、液体处理系统和众多其他技术的复杂集成。实验室自动化一词最初是在化学工业中创造的。然而，今天它用于各种实验室测试和任务。

　　实验室自动化的历史还很年轻。第一次尝试可以追溯到 1875 年，当时首次描述了自动清洗滤纸上过滤残留物的装置。 Squibb 于 1894 年描述了第一个用于实验室进行重复滴定的自动滴定管 [2]。同年，Greiner 推出了用于巴布科克牛奶测试的自动移液器[3]。第一批设备是由科学家自己开发的，用于解决实验室中悬而未决的问题。它们是非常脆弱的系统；这些解决方案相当专有，并未得到广泛使用。实验室自动化的第一个主要推动力来自煤炭和发电行业。已经开发出用于研磨煤样和测定烟道气中二氧化碳以优化燃烧过程的商业系统。第一次世界大战期间，对快速气体分析的巨大需求导致了第一台商业自动化实验室设备的开发。

　　第一个系统基于测量电热丝电导率的变化 [4]。 20 世纪 20 年代，制糖和造纸行业提出了新的要求，这些行业对不同生产步骤的 pH 值测定的需求不断增加。这开启了开发用于 pH 控制的电极的时代。 1929 年，第一台自动滴定系统问世；它们使用光电管来检测溶液的颜色变化。随着第二次世界大战的开始，过程控制自动化解决方案的发展得到了进一步的推动。其背景一方面是对与战争相关的商品生产的需求增加，另一方面是合格工人的缺乏[5]。特别关注半自动蒸馏装置的开发[6]。到第二次世界大战结束时，自动化系统在化学工业中的使用已经成为常态。电子元件越来越多地用于控制阀门。自动化滴定仪的开发取得进展； 1948年，开发了一种使用电机驱动注射器添加滴定剂的装置。液体计量的创新技术对于实验室自动化的进一步发展至关重要。 1957年，Schnitger 开发了一种新型移液器，该移液器已具备当今现代活塞移液器的所有功能。今天的机械可调微量移液器基于 Gilson 的一项开发成果，他于 1974 年获得了专利 [7]。小型电机和阀门开发方面的技术进步导致了 20 世纪 70 年代基于注射器的半自动移液系统的推出。微处理器技术的发展使得创建用于控制电机和阀门的程序序列成为可能，从而催生了第一个全自动移液系统。由于电气技术的进一步发展，第一个自动化液体处理系统于 20 世纪 80 年代出现。

　　实验室自动化的发展本质上也是由医学和临床应用和要求驱动的。第一个真正的自动化系统出现在 20 世纪 50 年代中期的医学实验室中。 20 世纪 70 年代初，机器人被引入临床实验室，从而进入了全面自动化的时代。这一领域的一场发生在 20 世纪 80 年代，当时 Masahide Sasaki 博士开设了第一个全自动实验室 [8]。除了临床实验室的要求外，自 20 世纪 80 年代以来，制药行业高通量筛选 (high-throughput screening，HTS) 方法的发展对于实验室自动化的发展尤为重要。并行样品处理越来越多地用于生物筛选的自动化。基于微量滴定板的测试方法于 1986 年首次提出[9]。通过可互换的手，该系统可以执行不同的实验室流程，例如移液、洗板或添加试剂。铰接式机器人的使用是此类过程自动化的一种成本非常高的变体，因此并不普遍适用。因此，许多公司开发了基于笛卡尔机器人结构的专门液体处理系统。第一个 96 通道移液系统由 TomTec 于 1990 年开发[10]，随后又推出了带有 384 移液头的变体。近年来协作机器人领域的发展越来越多地使得中小型企业能够使用经济高效的自动化解决方案。

　　自动化解决方案越来越多地应用于众多领域。首先，这里应该提到生物筛选和药物测试，它们在相当程度上影响了高度并行实验室自动化系统的发展。基于酶和细胞的检测提供了有关药物生物学相关性的信息。因此，基于细胞的测定被广泛用于药物开发，目前占所有靶点验证和 ADMET 研究（吸收、分布、代谢、消除和毒性）研究的一半以上 [11]。传统上，检查增殖、迁移、侵袭、凋亡等。酶联免疫吸附测定（ELISA）是一种基于抗体的检测方法，属于酶免疫吸附方法，以酶促显色反应为基础。自动化解决方案的其他应用领域包括 DNA 提取和纯化以及 DNA 定量。聚合酶链反应（PCR）通常用于遗传物质的体外扩增。下一代测序（简称NGS）是一种改进的DNA测序技术，与传统的酶测序（桑格测序）或化学测序（Maxam-Gilbert法）相比，它具有更高的速度，从而在短时间内对完整的人类基因组进行测序[12]。这大大降低了 DNA 分析的成本，使世界各地更多的科学家能够使用该技术开元体育。

　　除了制药行业之外，另一个大的应用领域是临床研究。除了电解质、简单代谢物、酶和心脏标志物等经典临床参数外，越来越复杂的问题也成为人们关注的焦点。其中包括确定药物水平和药物筛选或感染学中病原体的检测。其他主要领域是食品分析和环境分析。由于众多的法律要求，需要对各种化合物进行广泛的调查以及定性和定量测定。

　　实验室自动化解决方案的市场潜力巨大。 2017-2026年期间，全球实验室自动化市场预计将以6.58%的复合年增长率增长[13]。 （合格）工人的日益短缺以及对处理时间短的诊断检查的高需求是未来市场增长的重要因素。实验室自动化的驱动因素还包括生命科学行业公司不断增加的研发支出。药物发现、蛋白质组学和基因组学过程是耗时的开发周期，且成本高且潜在风险高开元体育，尤其是人为错误。该领域各个流程的自动化可大幅减少所需时间，并显着减少人为错误。

　　由于支出增加以及公共和部门对研发机会的高度重视，美国拥有最大的市场份额。英国是欧洲市场的领导者。欧洲第二大实验室自动化市场是德国。在亚洲，中国是迄今为止最大的实验室自动化市场。日本传统上是实验室自动化领域的领先国家之一。预计韩国的年增长率将达到 8.6%。

　　实验室过程自动化的主要目标自该领域的第一步以来一直没有改变，包括增加处理样品的数量（从而提高生产率）、减少每个样品所需的处理时间、提高实验收集数据的质量或者创造研究机会，如果没有适当的实验室自动化，这是不可能实现的。实验室自动化的主要优点之一是可以节省成本。自动化系统可以处理更多数量的样品，从而显着降低每个样品的成本。此外，还可以显着减少实验室工作人员的工作量。自动化系统可保护工人免于执行危险的工艺步骤和处理有毒或生物危害材料[14]。

　　实验室的自动化系统有助于提高效率。它们能够处理更多数量的样品。据报道，单个应用的吞吐量增加了75-80% [15]。这里应该注意的是，自动化系统并不总是比人类操作员更快地执行流程步骤。一方面，样品处理的并行性更高，系统的工作时间更长，最好是 24/7 模式，从而产生更高的样品数量。自动化流程的一个显着优势是样品的可追溯性更好。认可和认证要求所有流程实现高水平的标准化，即根据基本标准操作程序[16]准确遵守并记录所有流程步骤。自动化系统在这里提供了相当大的优势。自动化系统完全接管所有工艺步骤，消除了不同操作员产生的差异。这也减少了各个样本之间的差异[17]开元体育。总体而言，特别是可以避免由于预分析阶段的高度手动处理步骤而发生的错误。

　　综合使用实验室自动化系统的主要限制是购置成本高以及由于使用自动化解决方案而对操作材料的需求不断增加。全自动系统和自动化生产线的特点是需要相当大的空间。这在传统实验室中并不总是可用，因此必须为自动化系统提供以前的实验室空间。自动化系统的复杂性越高，潜在故障的可能性就越高。这里必须区分单个组件的故障和整个系统的故障。