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全自动液体处理工作站的组成及其应用

2016-09-08点击:1630


【核心介绍】全自动液体处理工作站因其节省成本、提高通量、提供自动样品追溯功能、避免人为误差等优点,已经广泛应用于生物、化学、食品、临床等多个领域。本文概述了全自动液体处理工作站的组成,并对其在蛋白质组学、基因组学及药物筛选中的应用做了介绍。  

全自动液体处理工作站的组成及其应用

张颖

(上海创诺医药集团有限公司 上海 201203)

摘要 全自动液体处理工作站因其节省成本、提高通量、提供自动样品追溯功能、避免人为误差等优点,已经广泛应用于生物、化学、食品、临床等多个领域。本文概述了全自动液体处理工作站的组成,并对其在蛋白质组学、基因组学及药物筛选中的应用做了介绍。

关键字 全自动液体处理工作站;组成;应用

中图分类号 G311

Constructure and Applications of Automated Liquid Handling Workstation

Zhang Ying

(Shanghai Acebright Pharmaceuticals Group Co., Ltd, Shanghai, 201203, China)

Abstract   Automated liquid handling workstation is widely used in biology, chemistry, food, clinical, and so on. It helps to reduce the cost, increase the throughput, provide sample automatic tracing, and avoid human errors. In this article, the automated liquid handling workstation constructure and some applications in proteomics, genomics, and drug screening are introduced.

Key words  Automated liquid handling workstation; Constructure; Applications

在生物技术、化学、制药、环境监测、食品以及临床等领域,液体定量转移的准确性和速度直接影响到实验的结果和效率。在实验室中传统的移液工具为进样针、移液管和移液枪。微升级的进样针芯杆底端带有密封垫,保证了小体积移液的准确性。移液管加液比较繁琐,准确性不高,在使用过程中易碎、易变形,且易受化学品的侵蚀,一般玻璃刻度移液管几乎每两年就得更换一次,否则将会影响到实验的准确度和精密度[1]。可调式移液枪可选择适合的移液量,量程范围广,精度高,操作更加方便[2]。进样针、移液管和移液枪均为手动移液器,即使是较有经验的实验人员,也会因健康状况、精神状态等情况出现纰漏或错误。在实验过程中,如果其中某一移液步骤出现纰漏,会对实验结果带来较大的影响。对于生物、临床、农业等领域,需在短时间内制备体积较小、数量较多的样品,手工操作已不能实现,则需要使用机械化高通量仪器来完成。

全自动液体处理工作站是一种自动化液体处理平台系统,可取代传统的移液工具,自动完成梯度稀释、移液以及合并液体等高精度的液体处理任务,并可与检测仪器联用,实现对目标物的高效精确的检测[3]。全自动液体处理工作站全自动化操作过程不仅可以使实验人员摆脱复杂的实验操作,有效减少人为误差,提高实验的重复性,降低成本,还可进行过程控制与追溯,可广泛应用于生物工程、DNA质粒纯化、药物筛选、ELISA反应、PCR前处理、DNA测序处理、临床检验样品处理及血站系统高通量样品分析。本文主要介绍全自动液体处理工作站的组成及其在蛋白质组学、基因组学及药物筛选中的应用。

1       全自动液体处理工作站的组成

全自动液体处理工作站一般由移液模块、监测模块、工作台、安全门和软件五个部分组成,移液模块主要包括机械臂、移液头、吸头和容器(见图1)。移液模块的主要功能是完成样品梯度稀释、移液以及合并等液体处理任务。监测模块可以监测移液模块的状态,保证移液的精确度和准确性。工作台上可放置实验所需的容器、配件或整合的相关仪器。工作站配置有安全门,防止在实验过程中液体溅出造成污染或异物飞入,保证操作人员安全。软件可控制全自动液体处理工作站及其整合的相关配件和设备,实现液体转移、添加试剂、倍比稀释或控制各种整合配件、仪器等。下面分别对各个部分功能及特点进行阐述。


图1 全自动液体处理工作站的组成。

1.1     移液模块

移液模块是全自动液体处理工作站的核心。机械臂上配备有多个通道的移液头,每个通道上安装一次性或可重复使用的吸头,实现样品在工作台上的不同容器、配件或仪器之间的转移,完成加样、稀释以及合并等液体处理任务。

1.1.1机械臂

商品化的全自动液体处理工作站的机械臂可以在X、Y双方向上独立或者组合运动,有些则可以在X、Y、Z三方向上运动,从而灵活地实现各种立体化操作动作。机械臂移动的精度较高,一般为0.1mm,可满足各种应用对定位精度的要求。机械臂还可移取各种规格的微孔板、一次性吸头盒等物品,也可完成在台面内、台面周边及台面上下各种物品的转移。

1.1.2移液头

不同品牌商品化的全自动液体处理工作站机械臂上配有的移液头的数量不同,常见的为2、4、8个独立移液头或96、384个整体移液头。中低端的液体处理工作站往往4或8个移液头共用一个注射泵,只能实现多孔平行移液,不能分别进行控制。高端的液体处理工作站每个独立的移液头均与一个专用的、极其精细的注射泵相连,在移液过程中,移液头根据数量的不同,可实现单孔、单排、单列或96、384孔整板移液,移液头的间距、高度、移液体积等方面具有高度的独立性,提高了液体的操作效率。

1.1.3吸头

吸头主要作用是吸取或排放液体到容器中,与移液头共同完成液体的梯度稀释、转移及合并等。吸头的材质需要和样品的化学属性相匹配,即样品和吸头不发生化学反应、吸附小。在选材时,需考虑清洗的难易程度和成本,一般选用不锈钢或聚丙烯材质,它们表面较光滑,容易清洗,和样品不易发生化学反应[4]。有时在吸头表面也会涂覆具有化学惰性的复合材料,使吸头具有更好的化学惰性和光滑度。

按使用方式,吸头一般分为两种,重复使用的和一次性的。机械臂上的移液头通常可兼容重复使用的吸头和一次性的吸头进行各种移液操作。重复使用的吸头清洗是一个难题,对于粘度较大的样品,例如血液,常常会使用一次性的吸头。

有些全自动液体处理工作站带有清洗程序,自动完成对可重复使用的钢针吸头的清洗,其主要作用是避免样品之间的交叉污染。在清洗时,需要对与样品有接触或可能接触的部分进行清洗。清洗和移液的部分可以相同,即经过多次的移液和吸液便可完成清洗工作。对于一次性吸头,直接弃去即可,无需清洗。

在移液过程中,机械臂获取吸头的方式极其重要。高端的全自动液体处理工作站采用吸头嵌合技术可轻柔的拾放吸头,不但可以减少气溶胶造成的污染风险,还可以保证移液过程的气密性。获得吸头后,不会对吸头产生垂直压力,即吸头不会变形,可保证吸头高度的定位精度和重复性。

高端的液体处理工作站还具有系统自动识别台面上一次性吸头类型的功能,可避免在移液过程中产生机械碰撞或因吸头类型与实验不匹配造成实验误差等。

1.1.4 容器

全自动液体处理工作站可兼容各种容器,如试管、微孔板、深孔板等。微孔板是常见的储存液体的容器,一般商品化的微孔板有96和384孔。微孔板一般可以存1微升到几百微升的液体。因环烯烃共聚物或聚丙烯这两种材质具有较高的光透射率和较好的化学惰性,商品化的微孔板常选用这两种材质。

1.2监测模块

监测模块可实时监控吸头的状态和液体的流速,识别气泡、凝块等故障,保证移液准确度和可靠性。

全自动液体处理工作站常用的监测模块为传感器,优质的传感器应具有监测速度快、重复性好、耐用以及价格低廉等特点[5]。全自动液体处理工作站常内置有多个传感器,可监控不同部件的状态,常用的传感器有接触式传感器、压力传感器和闭环回路传感器等,其中接触式传感器可监控吸头的状态,压力传感器置于容器中,可控制分液的速率和体积[6];闭环回路传感器可监测机械手臂上的加样头,可控制精确度为皮升的液体。传感器的发展趋势为将多个传感器整合为一个耐用、精确的传感器[7]

有些商品化的全自动液体处理工作站还具有液面感应技术,不但可以感应电解液,还可以感应二甲基亚砜、甲醇等非电解液的液面,并进行液面的追踪,实现液液萃取时气液面与液液界面的区分。

1.3工作台

全自动液体处理工作站的工作台面的大小可根据需求选择。台面上配备有微孔板载架、离心管载架、废吸头收集站和废液槽等,可根据实验需要放置不同类型的微孔板、试管、吸头盒等。台面上可选配在线振荡加热模块,可通过软件调节振动的振幅、时间和温度,实现对混合溶液进行高效稳定的自动化振荡、混匀与加热工作。在微孔板支架上或轨道处,还可配置条形码识别装置,进行样品的追踪与过程控制。

全自动液体处理工作站可选配各种功能模块、配件或仪器等,扩展工作站的功能,可根据实验需要,整合相关仪器,如酶标仪、PCR仪、离心机、洗板机等。通过软件的设定、编辑,建立实验流程,由计算机全程监控实现实验过程的完全自动化。

1.4 安全门

    安全门可防止在实验过程中液体溅出造成污染或异物飞入,还可避免操作者误入仪器操作区域,确保仪器正常运行。在实验过程中,当实验者误入或实验容器等发生问题,安全门可自动暂停,待人工干预后,可继续进行实验操作或退出实验程序。

有些商品化的全自动液体处理工作站利用较为密封的安全门,可将整个工作站封闭,营造一个无菌的工作环境。工作站上方还可安装通风设备和管路,排放或回收实验产生的有害物质,保证实验者的健康与安全。

1.5 软件

全自动液体处理工作站的软件可以提供应用所需的灵活性和功能,既可方便地实现移液的基本命令如吸液、分液、清洗、取吸头、弃吸头、混匀和移动等,还可控制工作站整合的配件或仪器,实现工作站的自动化。软件通常具有图形化的编程方式,实验者可根据实验需要进行相应的编程控制,减少人工干预,实现实验过程的完全自动化,还可通过数据的输入和输出,完成样品的追踪、数据分析与计算等。

2       全自动液体处理工作站的应用领域

全自动液体处理工作站具有较多优点:(1)减少人为误差。通过使用方便、快捷的自动化机械手代替人工操作,可避免实验人员由于自身原因如熟练程度、健康状况或精神状态等对实验造成的误差;(2)提供样品的溯源功能。结合条形码识别装置可实现对样品全程追踪与过程控制;(3)提高通量。机械臂上的多个移液头可同时进行自动化工作,提高效率;(4)提高实验结果的可靠性和重复性。(5)可实现微小体积加样。全自动液体处理工作站为多种实验应用与研究提供了一个高通量、高准确性的液体处理平台,已应用于基因组学研究、蛋白质组学研究和药物筛选等各个领域。

2.1 全自动液体处理工作站在基因组学研究中的应用

基因组学的研究是21世纪国际研究的前沿,也是最热门的研究领域之一[8]。在当前的研究水平上,涉及生命体重要现象的课题,几乎离不开对基因及其作用的分析[9]。在基因组学研究中,全自动液体处理工作站可根据实验要求,加入振荡、恒温、加热等多项功能,还可整合离心机、磁珠提取、PCR仪、酶标仪等功能模块,实现高通量测序文库的构建、基因测序、高通量克隆反应和DNA条形码的测定等基因组学研究[10]

DNA指纹技术至今已为形形色色的案件侦破提供了强大的科学证据。法医常常面对案件的积压,全自动液体处理工作站可以有效的解决法医物证鉴定中大量增长的DNA样品的问题。全自动液体处理工作站可以应用于法医DNA数据库建设、法医数据库样本的提取检验和不同生物性样品DNA的提取等。姜先华等[11]采用液体处理工作站与扩增仪、测序仪等仪器联用技术,改良优化Chelex-100法和DNA IQ磁珠法的实验条件,建立两种批量血斑的自动化DNA提取方法,并筛选确定PCR-STR反应体系的构建和PCR-STR产物测序电泳分析前处理程序,成功的实现了1104份血斑样品的DNA提取工作。在刑事案件中,常常会遇到不同载体的法医物证,例如血痕、烟蒂、毛发、精液、骨骼等一些特殊的样本,严江伟等[12]使用全自动液体处理工作站对常见的生物样本分别采用DNA IQTM系统及Chelex法进行DNA提取,荧光定量技术进行定量,结果表明,两种分析方法结合自动化方式提取DNA均能获得较满意的成功率。

    输血传播是疾病传播的重要途径之一,为阻断血液疾病的传播,需确保血液安全,降低输血风险,保障临床供血安全。目前采供血系统已经具有一套完善的检测方案,大大减少疾病的传播。全自动液体处理工作站可与核酸提取仪等仪器联用,实现血站大量样品的分析。刘丽等[13]采用液体处理工作站-核酸提取仪联用技术,实现了对98953位青岛市无偿献血者的血样检测,通过对血样进行单人份中HBV/HCV/HIV-1三联检发现,核酸检测能增加血液筛查的检出率,降低输血残余风险率,保证血液安全。黄敏等[14]采用全自动液体处理工作站与酶标仪联用技术,实现了对南京地区无偿献血者的63792份血液标本、采用2种ELISA检测试剂和1种单人份核酸检测试剂的平行检测。

2.2 全自动液体处理工作站在蛋白质组学研究中的应用

蛋白质是组成人体细胞、组织的重要成分。蛋白质组学的发展与成熟,不但为探索生命奥秘提供了理论和技术支持,而且为阐明疾病机理、保障人和动物健康提供理论根据和解决途径[15]。全自动液体处理工作站可以为基于蛋白质组学研究的各种分析应用提供全面的自动化解决方案,实验数据会更加准确可靠,重复性好,使科研人员脱离繁琐的实验操作。

随着蛋白质组学和医学的发展,疾病可通过对某一抗体[16]或蛋白酶[17]的检测得以确诊。梅毒是由梅毒螺旋体(TP)感染引起的一种性传播疾病,人体在感染TP后会产生TP抗体,王宋兴[18]等采用双抗原(IgM、IgG)夹心法检测梅毒的TP抗体,同时结合全自动液体处理工作站,不但实现了大批量的样本检测,还证明了该方法为目前检测梅毒的一种较好的方法。

2.3 全自动液体处理工作站在药物筛选中的应用

随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高,自身健康和生命质量越来越受到人们的关注,对医学和药物的要求也越来越高。新药研发可分为药物作用的发现和药物应用的研究两个步骤,其中,药物作用的发现最重要的实验部分为药物筛选[19]。药物筛选需选择适当的筛选方法和筛选技术,检测可能存在的药理活性。药物的高通量筛选技术以微孔板为工具载体,使用全自动液体处理工作站执行实验操作,可在短时间内检测数以万计的样品,实现药物筛选的规模化,提高药物发现的概率,且样品量一般在微克级,可节省实验材料,降低药物筛选的成本。罗弟祥[20]等以蛋白酪氨酸磷酸酶1B作为靶点,结合全自动液体处理工作站操作技术和比色分析,建立一种蛋白酪氨酸磷酸酶1B抑制剂的高通量筛选模型,为寻找新的抗糖尿病药物和先导化合物提供一种先进的手段,他们还通过对17940个植物提取物和其组分进行筛选,验证了模型的可行性。YE[21]等通过在大肠杆菌中表达人的一型胶原酶的催化区,建立了一种筛选胶原酶抑制剂的方法,并使用全自动液体处理工作站完成了2720个纯化合物的筛选,发现66个化合物在20 mg/L的浓度下其抑制活性大于60%。

3       结束语

全自动液体处理工作站主要分为移液模块、监测模块、工作台、安全门和软件五个部分,每个模块的完美配合,组成了一个可高效、精确地完成梯度稀释、移液以及合并液体等全自动化液体处理系统。全自动液体处理工作站还可以与检测仪器相联,取代人工操作,对样品进行高效、准确的检测。全自动液体处理工作站不但可以在蛋白质组学、基因组学和药物筛选中应用,还可以应用于分子诊断研究、临床医学和细胞学分析等。随着对实验室自动化需求的提高,全自动液体处理工作站一定会更加普及并广泛应用。


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