自動(dòng)化pH值檢測在提高實(shí)驗(yàn)室精確性和高效率的應(yīng)用

瀏覽次數(shù)：851　發(fā)布日期：2024-7-3　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

隨著通量的提升，生命科學(xué)研究和診斷所生成的數(shù)據(jù)逐年增多，無法適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室正被時(shí)代拋在后面。

手動(dòng)pH值檢測是最耗時(shí)也最易產(chǎn)生錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)室工作之一。因?yàn)闄z測流程包括標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)量儀、平衡時(shí)間、清潔探針等，所以即使檢測少量樣品也需要花費(fèi)不成比例的大量時(shí)間。這種對時(shí)間的顯著需求也會(huì)導(dǎo)致測量的差異性，特別是在樣品不能同時(shí)檢測或者不能由同一個(gè)技術(shù)員來進(jìn)行檢測的情況下。

為了解決對大量樣品進(jìn)行檢測相關(guān)的這些痛點(diǎn)并減少工作流程的瓶頸和錯(cuò)誤，需要開發(fā)自動(dòng)化pH值檢測儀。通過采用自動(dòng)化解決方案，不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室均可提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量、合規(guī)性和效率，而且能夠從快速的投資回報(bào)（ROI）中獲利。

近期的技術(shù)進(jìn)步和自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)者之間的競爭加劇提升了產(chǎn)品的質(zhì)量和多功能性，同時(shí)降低了價(jià)格，使得現(xiàn)在比任何時(shí)間都更容易獲得高價(jià)值的入門級自動(dòng)化pH值檢測儀。

消除瓶頸，實(shí)現(xiàn)效率最大化

自動(dòng)化pH值檢測對實(shí)驗(yàn)室有2個(gè)主要作用：

1) 提高實(shí)驗(yàn)室員工的效率
2) 提高診斷或研究項(xiàng)目的總體產(chǎn)出

因?yàn)榭梢园褑握{(diào)且耗時(shí)的工作任務(wù)交給自動(dòng)化系統(tǒng)來操作，所以自動(dòng)化pH 值檢測可以直接提高實(shí)驗(yàn)室工作人員的個(gè)人效率。這樣工作人員可以用節(jié)省的時(shí)間來做更重要的實(shí)驗(yàn)室工作，包括分析數(shù)據(jù)和試劑配制等不容易自動(dòng)化的工作。實(shí)驗(yàn)室工作人員通常都非常愿意把這些枯燥乏味的實(shí)驗(yàn)室職責(zé)交給自動(dòng)化系統(tǒng)，而后者不會(huì)覺得無聊也不知疲倦。

自動(dòng)化pH值檢測能夠采用同樣的時(shí)間和完全一致的檢測方式，所以可以基本消除產(chǎn)生差異的可能性（如圖1所示）。有些實(shí)驗(yàn)室管理者可能覺得將單調(diào)枯燥的任務(wù)交給經(jīng)驗(yàn)和知識有限，但成本比較低的實(shí)驗(yàn)人員的方案很有吸引力，但pH值檢測出現(xiàn)差異或錯(cuò)誤進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗或因檢測差異掩蓋了實(shí)驗(yàn)中的細(xì)微都效應(yīng)都足以快速抵消任何的預(yù)期收獲。

圖1. 日常變化的差別。左側(cè)描繪了人工檢測所產(chǎn)生的較大的日常差異，而右側(cè)則顯示了采用自動(dòng)化系統(tǒng)所產(chǎn)生的小得多的日常差異。

自動(dòng)化通過消除通量瓶頸，允許項(xiàng)目處理和檢測更多的樣品并生成更多的數(shù)據(jù)來提高實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)出。因?yàn)樯茖W(xué)診斷和研究變得越來越高通量化，細(xì)胞培養(yǎng)、表型分析和藥物研發(fā)等實(shí)驗(yàn)方案通常都需要通過自動(dòng)化檢測在一個(gè)分析的不同時(shí)間點(diǎn)高效地確定pH值。

自動(dòng)化技術(shù)提高了潛在的通量和各地實(shí)驗(yàn)室的總體產(chǎn)出；并引起了出資機(jī)構(gòu)的關(guān)注。樣品數(shù)量的提升增加了實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)能力，研究者也能夠發(fā)現(xiàn)容易被掩蓋的更細(xì)微的效應(yīng)。很多出資機(jī)構(gòu)會(huì)優(yōu)先考慮資助整合了新技術(shù)致力于提高研究和診斷的產(chǎn)出和效率的實(shí)驗(yàn)室。

提高數(shù)據(jù)質(zhì)量與合規(guī)性

必須要面對的事實(shí)是數(shù)據(jù)的質(zhì)量問題通常來源于人為失誤。

舉例來說，在檢測不同樣品之間，如果未能正確維護(hù)和清潔電極，可能導(dǎo)致pH值的讀取更容易出現(xiàn)由于污染物和前序樣品殘留導(dǎo)致的錯(cuò)誤。不熟練的技術(shù)員在校準(zhǔn)手動(dòng)pH值檢測儀時(shí)，可能會(huì)不準(zhǔn)確操作或者根本不能校準(zhǔn)，從而導(dǎo)致pH值的讀取不準(zhǔn)確（如圖2所示）。下游解讀數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室工作人員在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，很可能不知道pH檢測儀是否或如何校準(zhǔn)或清潔的，因此整個(gè)研究的準(zhǔn)確性將受到影響。

圖2. 不準(zhǔn)確的pH值檢測通常是由使用者的人為失誤而導(dǎo)致的。

實(shí)驗(yàn)室工作人員也可能因?yàn)閜H檢測儀的電極干燥而導(dǎo)致讀取速度變慢或不準(zhǔn)確。技術(shù)員可能因?yàn)楦蓴_暫時(shí)離開，回到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，電極燈泡已經(jīng)在空氣中放置了太長時(shí)間。即使對電極再水化，也需要15分鐘。

自動(dòng)化檢測通過在操作樣品之間對電極進(jìn)行持續(xù)清潔和風(fēng)干、校準(zhǔn)電極以及在檢測操作之間將電極燈泡保存在合適的存儲(chǔ)溶液中來消除這些人為失誤。如前所述，自動(dòng)化pH值檢測還能夠降低檢測差異性。

另外，一些實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用要求符合FDA 21 CFR Part 11的要求，使用電子記錄和簽名實(shí)現(xiàn)質(zhì)控檢查的自動(dòng)化和簡化并保證可追溯性。包括Hudson Robotics的Rapid_pH入門級自動(dòng)化pH檢測儀在內(nèi)的自動(dòng)化pH檢測系統(tǒng)都提供符合21 CFR Part 11標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備和軟件，較之前更容易實(shí)現(xiàn)報(bào)告的合規(guī)性。

權(quán)衡pH值自動(dòng)化檢測的費(fèi)用和收益

高通量自動(dòng)化對生命科學(xué)的研究和診斷大有助益。不同于傳統(tǒng)的檢測設(shè)備，自動(dòng)化檢測設(shè)備是按照大規(guī)模樣品操作和分析的需求而設(shè)計(jì)的，可以處理持續(xù)大量樣品和持續(xù)檢測。

自動(dòng)化pH檢測最常見的障礙是購買自動(dòng)化系統(tǒng)的前置費(fèi)用。然而大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室管理者在得知Hudson入門級系統(tǒng)，特別是基于微孔板的系統(tǒng)的合理價(jià)格和多功能性后都喜出望外。入門級系統(tǒng)通常都放置在實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)面上，所以附加收益還包括無需或者只需要極少的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用。

對實(shí)驗(yàn)室管理者來說，在斷然排除自動(dòng)化系統(tǒng)之前充分了解自動(dòng)化的長期收益非常重要（如圖3所示）。一些研究概述了不同實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)的具體價(jià)格和回報(bào)周期從而得出投資回報(bào)率（ROI），顯示自動(dòng)化系統(tǒng)在臨床和科研實(shí)驗(yàn)室均可提升費(fèi)用和時(shí)間效率。

舉例來說，配備自動(dòng)化的組織學(xué)實(shí)驗(yàn)室通過降低完成特定任務(wù)（如pH值檢測）所需的實(shí)驗(yàn)室人員的費(fèi)用，抵消了前置設(shè)備費(fèi)用及相關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用。無論是從實(shí)驗(yàn)室預(yù)算中去除這些工時(shí)，還是回收這些工時(shí)去做其他非日常重復(fù)工作，都提高了實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間及費(fèi)用的效率，增加了產(chǎn)出。

實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化降低費(fèi)用的第二種方法是避免人為失誤。更確切地說，自動(dòng)化平臺(tái)通過實(shí)現(xiàn)的檢測標(biāo)準(zhǔn)化，提高了檢測的一致性，降低了因不同技術(shù)員之間的樣品處理差異、操作錯(cuò)誤或疲勞而導(dǎo)致的結(jié)果差異性。目前還沒有自動(dòng)化pH值檢測降低錯(cuò)誤率的專門數(shù)據(jù)，但組織學(xué)實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化條形碼技術(shù)及其他工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化能夠?qū)⒉糠皱e(cuò)誤降低50%以上，而玻片錯(cuò)誤可降低90%。

圖3. 實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化提高效率并提升數(shù)據(jù)質(zhì)量的途徑

自動(dòng)化還能帶來其他隱形紅利。如縮短工作流程的周期及方案轉(zhuǎn)變時(shí)間，并因此提高客戶滿意度和人員產(chǎn)出，提升研究效率，而且能夠減少因用人為失誤而造成的耗材和試劑浪費(fèi)的費(fèi)用。

評估投資收益率（ROI）

確定費(fèi)用相關(guān)的ROI的方法之一是評估采用實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化平臺(tái)所節(jié)約的FTE數(shù)量。用測試所需的FTE的數(shù)字除以采用實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化之前及之后完成的測試的數(shù)量（如圖4所示），領(lǐng)導(dǎo)層可以粗略評估一個(gè)特定的自動(dòng)化平臺(tái)的投資回收期。作為參考， Hudson的 Rapid_pH 平臺(tái)測試一塊96孔板的時(shí)間在1小時(shí)10分至1小時(shí)45分之間。

圖 4. 比較采用實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化之前（B）及之后（A）每單位數(shù)量所需的人員費(fèi)用。

因?yàn)槿藛T費(fèi)用是任何實(shí)驗(yàn)室預(yù)算中的最高項(xiàng)目之一，任何層級的自動(dòng)化都有潛力顯著節(jié)約總體費(fèi)用。以組織學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，通過整合自動(dòng)化及適度地減少耗材和試劑的用量，每張玻片可降低的費(fèi)用能夠高達(dá)8.8%。舉個(gè)例子，如果實(shí)驗(yàn)室需要一個(gè)技術(shù)員每周用5天給400個(gè)樣本測pH，而采用一臺(tái)價(jià)值7萬5千美金的自動(dòng)化平臺(tái)來替代其工作的話，回報(bào)周期僅為2.8年。

另外，自動(dòng)化可以提高正常工作時(shí)長以外所進(jìn)行測試的數(shù)量。而對于習(xí)慣于在常規(guī)工作時(shí)間操作和檢測樣品的實(shí)驗(yàn)室來說，自動(dòng)化可以顯著提高數(shù)據(jù)的獲取和產(chǎn)出。

考慮pH值自動(dòng)化檢測的選項(xiàng)

并非每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都需要將工作流程完全自動(dòng)化或者實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化，但管理者通常更喜歡實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠適應(yīng)新的、不斷變化的實(shí)驗(yàn)方案，而且在今后能夠其與他系統(tǒng)整合。

自動(dòng)化pH值檢測平臺(tái)旨在完成校準(zhǔn)、穩(wěn)定時(shí)間、檢測、浸洗、風(fēng)干及記錄樣品pH結(jié)果全流程。今天，自動(dòng)化pH檢測平臺(tái)既可作為單獨(dú)的機(jī)器獨(dú)立存在，也可添加測試模塊和軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上樣系統(tǒng)的功能。

目前的自動(dòng)上樣系統(tǒng)采用較高通量模式相比大得多的操作體積，限制了其在很多實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中的可操作性。與之相反，針對pH值檢測的自動(dòng)化系統(tǒng)是圍繞標(biāo)準(zhǔn)SBS樣品板的尺寸而設(shè)計(jì)的，所以與高通量應(yīng)用更兼容。以Hudson的Rapid_pH為例，可用于檢測24至96孔板，檢測體積可低至75 µL。該系統(tǒng)還可以檢測高達(dá)55 mm的深孔培養(yǎng)板中的測試樣品。

自動(dòng)化pH值檢測平臺(tái)也可根據(jù)特定分析的需要配置附加性能。自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)和高通量自動(dòng)化pH檢測儀都可以裝獨(dú)特的pH探頭用于檢測更粘稠的樣品，清洗系統(tǒng)可在處理不同樣品之間充分清洗探頭。如果檢測之間需要洗滌劑清洗或消毒，也可為系統(tǒng)添加靜電清洗孔。

如果實(shí)驗(yàn)方案需要在不同的溫度下進(jìn)行pH檢測，也可以為自動(dòng)化平臺(tái)配置可控溫的加熱模塊（如圖5所示）和溫度補(bǔ)償軟件來實(shí)現(xiàn)。Hudson的 Rapid_pH系統(tǒng)還為需要電子報(bào)告的實(shí)驗(yàn)室提供FDA CFR 21 Part 11的合規(guī)軟件。

圖 5. Hudson 公司的Rapid_pH 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室 pH 值檢測儀的可控溫的加熱模塊。

許多實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化解決方案的生產(chǎn)商都設(shè)計(jì)了全系列的產(chǎn)品和軟件來實(shí)現(xiàn)常見的實(shí)驗(yàn)室工作流程的自動(dòng)化。隨著市場上競爭的加劇，在實(shí)驗(yàn)方案轉(zhuǎn)變或產(chǎn)生其他自動(dòng)化需求時(shí)，自動(dòng)化設(shè)備能夠配合其他廠家的設(shè)備解決方案顯得尤為重要。實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的調(diào)度軟件，如Hudson Robotics的SoftLinx軟件，能夠接合許多生產(chǎn)商的設(shè)備, 從而實(shí)現(xiàn)開/關(guān)微孔板進(jìn)出口、運(yùn)行特定實(shí)驗(yàn)方案、檢查儀器狀態(tài)、讀取運(yùn)行輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)檢測結(jié)果做出反饋。

最后，自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)該簡單易用而且只需極短的培訓(xùn)時(shí)間：因?yàn)樽詣?dòng)化解決方案本來就是設(shè)計(jì)用于節(jié)省操作者的時(shí)間。銷售自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的公司能夠?yàn)闈撛诘馁徺I者提供已購買并使用其自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室解決方案的實(shí)驗(yàn)室的信息。實(shí)驗(yàn)室管理者可以聯(lián)系與他們有相同工作流程并整合了自動(dòng)化平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室，更好地理解使用特定設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。

高通量研究和診斷正在使生命科學(xué)發(fā)生革命性的改變并加快了發(fā)現(xiàn)速度。實(shí)現(xiàn)pH值檢測等日常工作的自動(dòng)化可以多種方式使實(shí)驗(yàn)室獲益，包括節(jié)約費(fèi)用、時(shí)間和試劑并獲得更穩(wěn)定、更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。越來越多的小型實(shí)驗(yàn)室擁有更多的高價(jià)值、入門級的自動(dòng)化設(shè)備，越來越激烈的市場競爭也使價(jià)格在近10年來越來越具競爭力。正如自然選擇，實(shí)驗(yàn)室也必須選擇適應(yīng)或忍受日益激烈的競爭環(huán)境所帶來的結(jié)果。

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