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

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)室正被時代拋在后面。

手動pH值檢測是最耗時也最易產(chǎn)生錯誤的實(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)不成比例的大量時間。這種對時間的顯著需求也會導(dǎo)致測量的差異性，特別是在樣品不能同時檢測或者不能由同一個技術(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誤，需要開發(fā)自動化pH值檢測儀。通過采用自動化解決方案，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，同時降低了價格，使得現(xiàn)在比任何時間都更容易獲得高價值的入門級自動化pH值檢測儀。

消除瓶頸，實(shí)現(xiàn)效率最大化

自動化pH值檢測對實(shí)驗(yàn)室有2個主要作用：

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)且耗時的工作任務(wù)交給自動化系統(tǒng)來操作，所以自動化pH 值檢測可以直接提高實(shí)驗(yàn)室工作人員的個人效率。這樣工作人員可以用節(jié)省的時間來做更重要的實(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)交給自動化系統(tǒng)，而后者不會覺得無聊也不知疲倦。

自動化pH值檢測能夠采用同樣的時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)則顯示了采用自動化系統(tǒng)所產(chǎn)生的小得多的日常差異。

自動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�命科學(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化檢測在一個分析的不同時間點(diǎn)高效地確定pH值。

自動化技術(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)致的錯誤。不熟練的技術(shù)員在校準(zhǔn)手動pH值檢測儀時，可能會不準(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，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_暫時離開，回到實(shí)驗(yàn)室時，電極燈泡已經(jīng)在空氣中放置了太長時間。即使對電極再水化，也需要15分鐘。

自動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溶液中來消除這些人為失誤。如前所述，自動化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)控檢查的自動化和簡化并保證可追溯性。包括Hudson Robotics的Rapid_pH入門級自動化pH檢測儀在內(nèi)的自動化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值自動化檢測的費(fèi)用和收益

高通量自動化對生命科學(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。

自動化pH檢測最常見的障礙是購買自動化系統(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，在斷然排除自動化系統(tǒng)之前充分了解自動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)室自動化系統(tǒng)的具體價格和回報(bào)周期從而得出投資回報(bào)率（ROI），顯示自動化系統(tǒng)在臨床和科研實(shí)驗(yàn)室均可提升費(fèi)用和時間效率。

舉例來說，配備自動化的組織學(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，還是回收這些工時去做其他非日常重復(fù)工作，都提高了實(shí)驗(yàn)室的時間及費(fèi)用的效率，增加了產(chǎn)出。

實(shí)驗(yàn)室自動化降低費(fèi)用的第二種方法是避免人為失誤。更確切地說，自動化平臺通過實(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、操作錯誤或疲勞而導(dǎo)致的結(jié)果差異性。目前還沒有自動化pH值檢測降低錯誤率的專門數(shù)據(jù)，但組織學(xué)實(shí)驗(yàn)室的自動化條形碼技術(shù)及其他工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化能夠?qū)⒉糠皱e誤降低50%以上，而玻片錯誤可降低90%。

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

自動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)室自動化平臺所節(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特定的自動化平臺的投資回收期。作為參考， Hudson的 Rapid_pH 平臺測試一塊96孔板的時間在1小時10分至1小時45分之間。

圖 4. 比較采用實(shí)驗(yàn)室自動化之前（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%。舉個例子，如果實(shí)驗(yàn)室需要一個技術(shù)員每周用5天給400個樣本測pH，而采用一臺價值7萬5千美金的自動化平臺來替代其工作的話，回報(bào)周期僅為2.8年。

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

考慮pH值自動化檢測的選項(xiàng)

并非每個實(shí)驗(yàn)室都需要將工作流程完全自動化或者實(shí)現(xiàn)整個實(shí)驗(yàn)室的自動化，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。

自動化pH值檢測平臺旨在完成校準(zhǔn)、穩(wěn)定時間、檢測、浸洗、風(fēng)干及記錄樣品pH結(jié)果全流程。今天，自動化pH檢測平臺既可作為單獨(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)自動上樣系統(tǒng)的功能。

目前的自動上樣系統(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。

自動化pH值檢測平臺也可根據(jù)特定分析的需要配置附加性能。自動進(jìn)樣系統(tǒng)和高通量自動化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，也可以為自動化平臺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)生其他自動化需求時，自動化設(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，自動化設(shè)備應(yīng)該簡單易用而且只需極短的培訓(xùn)時間：因?yàn)樽詣踊�解決方案本來就是設(shè)計(jì)用于節(jié)省操作者的時間。銷售自動化實(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化平臺的實(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化可以多種方式使實(shí)驗(yàn)室獲益，包括節(jié)約費(fèi)用、時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)室擁有更多的高價值、入門級的自動化設(shè)備，越來越激烈的市場競爭也使價格在近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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