移液器徹底改變了世界之旅

文/Ilka Ottleben

圖1 離心微升系統(tǒng)的整體方法與標(biāo)準(zhǔn)于二十世紀(jì)六十年代在實(shí)驗(yàn)室世界建立

1945年6月，第二次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束幾周，德國(guó)Lübeck-Travemünde市便成為自行車(chē)商務(wù)旅游的起點(diǎn)：為Eppendorf股份公司的成立提供了交通便利。分別來(lái)自漢堡市與漢堡大學(xué)Eppendorf醫(yī)學(xué)中心理論研究所的Hans Hinz與Heinrich Netheler博士，為使自己在技術(shù)得以應(yīng)用，合伙成立儀器公司。時(shí)至今日，在衛(wèi)生事業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮最大作用，仍是公司的信條。

事業(yè)初見(jiàn)成效：1945年7月，該公司與高校管理層簽訂合作協(xié)議，由Heinrich Netheler博士任“物理測(cè)量技術(shù)醫(yī)療器械工作組”負(fù)責(zé)人。大學(xué)管理部門(mén)允許其將儀器設(shè)備安置在醫(yī)院空地25號(hào)簡(jiǎn)易房中使用。該協(xié)議的條件是：所使用的儀器設(shè)備需用于“支持科學(xué)研究、滿足理論科學(xué)研究需求?！?/p>

第一塊里程碑

醫(yī)療器械研究所遇到的挑戰(zhàn)并非經(jīng)濟(jì)形勢(shì)嚴(yán)峻而是缺少必要的實(shí)驗(yàn)材料。1946年3月8日，從工作站發(fā)展起來(lái)的企業(yè)“電子醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司”需要根據(jù)醫(yī)生需求在最短時(shí)間內(nèi)拿出創(chuàng)新型醫(yī)療器械解決方案。從水銀燈穩(wěn)定控制裝置合同中誕生了第一支商用Eppendorf光度計(jì)。該移液器在1949年漢諾威工業(yè)展上作為樣品公開(kāi)展示，為酶法分析帶來(lái)革命性轉(zhuǎn)變。伴隨著光度計(jì)的產(chǎn)生，Eppendorf逐漸形成了品牌概念。1963年，120名職工最終將其定名為“Eppendorf儀器制造Netheler&Hinz有限責(zé)任公司”。

Marburg移液器

第一支Eppendorf移液器誕生的合同由新近成立的公司中的Theodor Bücher博士接手。戰(zhàn)前，Theodor Bücher博士在Otto Warburg教授酶技術(shù)領(lǐng)域中從事研究工作。1958年，時(shí)任Marburg大學(xué)生理化學(xué)教授的Bücher博士告知Netheler博士：一位同事發(fā)明出小容量檢測(cè)用裝置并已申報(bào)專(zhuān)利。該項(xiàng)信息迅速引起Netheler博士興趣。當(dāng)時(shí)，人們利用玻璃吸管在毫升級(jí)范圍內(nèi)移液，液體的吸取需使用移液輔具，例如，通過(guò)移液管吸球或通過(guò)連接軟管用嘴吸，而用嘴吸取樣本可能危及實(shí)驗(yàn)室工作人員人身安全。由于精度不高、重復(fù)再現(xiàn)性能差，在處理量小的液體樣本時(shí)異常困難。

Bücher先生的同事Heinrich Schnitger博士在進(jìn)行科研工作過(guò)程中，必須能夠從小白鼠肝臟中提取小量樣本，該項(xiàng)任務(wù)極具挑戰(zhàn)性，為此，他研發(fā)出第一支微量移液器（活塞式移液器）。時(shí)至今日，人們?nèi)匀粚⒃摲N移液器稱(chēng)為Marburg移液器或Schnitger移液器。

1957年申報(bào)、1960年批準(zhǔn)的專(zhuān)利“快速和準(zhǔn)確吸取少量液體裝置”表示：“很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，無(wú)需耗費(fèi)太多精力和注意力便能吸取1至100微升少量液體進(jìn)行移液。

降低電壓和電流會(huì)引起噪聲,噪聲讓圖像有顆粒性,對(duì)圖像質(zhì)量有影響,肋骨及其附近的軟組織和肺內(nèi)氣體區(qū)分度高,噪聲能夠因此得到彌補(bǔ),因此將CT劑量降低到12 0 m A時(shí),圖像質(zhì)量受到的影響不大,對(duì)結(jié)果沒(méi)有干擾。

所能達(dá)到的絕對(duì)精度：尤其是同一儀器所能實(shí)現(xiàn)的重復(fù)再現(xiàn)精度盡可能不低于移取大量液體時(shí)精度，即，絕對(duì)精度約1%，重復(fù)再現(xiàn)精度約0.5%至0.5‰?！?/p>

第一支活塞式移液器是一支能夠按照位移原理工作的移液吸管，具有可移動(dòng)式活塞與空氣柱。Schnitger博士認(rèn)為他發(fā)明的移液器結(jié)構(gòu)中的插入式吸嘴由“化學(xué)惰性和疏水性塑料材料制作而成，例如，由聚乙烯等材料制作”唯一接觸液體的一次性用品。

Schnitger先生授權(quán)Eppendorf公司獨(dú)家許可，從事“Marburg吸管”的生產(chǎn)和銷(xiāo)售。同樣，該公司在他的協(xié)助下通過(guò)多次設(shè)計(jì)與改進(jìn)滿足移液器在臨床化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的使用需求，奠定了Eppendorf針式移液器研發(fā)生產(chǎn)的基石。

微升系統(tǒng)

活塞式移液器的首次工業(yè)化生產(chǎn)推動(dòng)了微升級(jí)容量移液器系統(tǒng)的研發(fā)?？刹鹦夺樇庑臀扉_(kāi)啟了工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)室工作過(guò)程中使用的反應(yīng)容器同樣出現(xiàn)了適用于小容積品種類(lèi)型的移液器。1963年，第一支Eppendorf管式移液器問(wèn)世，具有Eppi之稱(chēng)的革命性1.5 mL反應(yīng)器迅速出現(xiàn)于世界各地的醫(yī)學(xué)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)室之中。每項(xiàng)試驗(yàn)都需要運(yùn)用非常干凈的容器來(lái)放置樣本：尤其是分子生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究過(guò)程中，沒(méi)有Eppi和它之后一代又一代開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品、沒(méi)有特殊材料和一次性吸嘴根本不可能。在離心機(jī)、搖床或試管加熱板等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，一直保持該種“范式轉(zhuǎn)移”移液器，最終“Eppendorf微升系統(tǒng)”誕生并成為科研和臨床化學(xué)的全球基準(zhǔn)。

憑借在1964年推出的微量液體移液系統(tǒng)，分子生物學(xué)領(lǐng)域或天然藥物研究領(lǐng)域中量小但價(jià)值很高的樣本能夠被安全可靠的檢測(cè)分析。在臨床化學(xué)領(lǐng)域，微升系統(tǒng)的引進(jìn)大大減少疾病診斷分析時(shí)所需的采血量，為患者帶來(lái)更多舒適與安寧。

1965年Eppendorf公司開(kāi)始漢堡市Barkhausen路總部建造。1996年，Eppendorf公司移液管的銷(xiāo)售收入超過(guò)一百萬(wàn)大關(guān)，但在短短五年后又突破千萬(wàn)大關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)人員對(duì)移液管和吸嘴具有大量需求，1975年Eppendorf公司又在Oldenburg市、Holstein市新建兩個(gè)生產(chǎn)廠，時(shí)至今日，仍在生產(chǎn)各種移液器耗材，一年前，該公司招聘了500名職工。

容積原則

精度和重復(fù)精度對(duì)移液器是評(píng)價(jià)移液器性能的重要指標(biāo)。通過(guò)技術(shù)上的不斷開(kāi)發(fā)，在隨后的幾年里，Eppendorf公司成功改進(jìn)第一種型號(hào)移液器的精度和準(zhǔn)確度。產(chǎn)品的組合式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造越來(lái)越以用戶需求為主導(dǎo)。在微升系統(tǒng)領(lǐng)域中，這種趨勢(shì)從一開(kāi)始的剛性實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)向著越來(lái)越靈活、模塊化系統(tǒng)方向發(fā)展，而且，對(duì)移液提出更高的靈活性需求。從最初固定容積移液器設(shè)計(jì)開(kāi)始，微升移液系統(tǒng)同樣出現(xiàn)可調(diào)容積式移液器。

同時(shí)，Eppendorf公司十分重視用戶對(duì)移液器移液量和移液速度的需求。早在Schnitger先生時(shí)代，物理檢測(cè)參數(shù)對(duì)移液管具有影響和限制。1979年，第一支活塞式移液管問(wèn)世后的17年，Eppendorf公司再次向生命科學(xué)市場(chǎng)領(lǐng)域推出革命性具有容積原理工作的Multipette手持式分液器。時(shí)至今日，該種人工手動(dòng)式分液器仍然是Eppendorf公司最成功的產(chǎn)品之一（參見(jiàn)圖2）。

Multipette手持式分液器無(wú)需反復(fù)吸液就可以連續(xù)分液且具有較高移液量需求；另一方面，Eppendorf公司開(kāi)發(fā)出完全不同于移液管的移液原理：即，移液過(guò)程中，溫度等物理參數(shù)或移液介質(zhì)的化學(xué)物理特性對(duì)移液精度影響更小。

容積式移液采用特殊的移液原理：具備與被移液介質(zhì)直接接觸的內(nèi)置活塞，能夠排除移液器吸頭中的空氣，使具有容積原理的移液器能夠在移液管系統(tǒng)中無(wú)法勝任的場(chǎng)合中使用，例如，在具有高蒸汽壓力、高粘度或高密度的移液場(chǎng)合中使用，避免無(wú)意中因氣溶膠形成的氣墊帶來(lái)的交叉污染。從那以后，Eppendorf公司便能夠以Combitip品牌名稱(chēng)生產(chǎn)和銷(xiāo)售容積原理移液器吸頭。

百萬(wàn)支移液器

1981年，Eppendorf公司賣(mài)出了第一百萬(wàn)支移液器：1979年投放市場(chǎng)的Varipette4710型定制版移液器。此時(shí)，該公司職工人數(shù)已發(fā)展到約700人。從1980年開(kāi)始，日本已成為繼美國(guó)之后的第二大移液器出口國(guó)，移液器的銷(xiāo)售量具有巨大的增長(zhǎng)潛力。Eppendorf品牌同樣成為全球注冊(cè)的著名品牌。

圖2 Eppendorf公司的Multipetten/Repeater移液器為串行配藥提供便利

這段時(shí)間，分子生物學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了劃時(shí)代的研究成果，例如，1983年Kary Mullis發(fā)明了PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）并因此于1993年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。該種最小量DNA周期性能夠使DNA在一定溫度條件下進(jìn)行反應(yīng)并能夠使其進(jìn)行特殊復(fù)制，是未來(lái)分子生物學(xué)研究、疾病診斷、法醫(yī)學(xué)和無(wú)數(shù)其他應(yīng)用領(lǐng)域以及科學(xué)研究過(guò)程中不可或缺的方法。該種方法以沒(méi)有絕對(duì)交叉污染為前提，滿足了分子生物學(xué)、微生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)和其他許多方法殺菌消毒的要求，而且，Eppendorf公司同樣承擔(dān)提供耗材和供應(yīng)移液器責(zé)任。1990年，Eppendorf公司將第一種高壓滅菌式移液器Varipette4810投放市場(chǎng)。1991年，投放市場(chǎng)的Bio-master移液器避免了氣溶膠的形成，從而，徹底避免了交叉污染。特殊的過(guò)濾方案使該種移液器能夠配置成移液管式結(jié)構(gòu)形式。

圖3 新型劑量工具：EpMotion 5070、5073及5075自動(dòng)液體處理系統(tǒng)

從1976年起，由Eppendorf生產(chǎn)的容量式移液器便能夠按照一鍵式操作原理使用。1995年，投放市場(chǎng)的Research 3110型移液器采用兩鍵式操作：除操作控制按鈕之外，還有吸頭拆卸按鈕，該種移液器設(shè)計(jì)原則在世界各地許多科研機(jī)構(gòu)中廣受歡迎。從此，Eppendorf公司結(jié)束了實(shí)驗(yàn)室中并行存在、兩種基本形式移液器之間孰好孰壞的爭(zhēng)吵。專(zhuān)為實(shí)驗(yàn)室科研應(yīng)用量身定制的Research系列移液器同樣屬于Eppendorf公司，至今仍為十分受歡迎的手動(dòng)式移液產(chǎn)品。

移液量和數(shù)字化

20世紀(jì)末，21世紀(jì)初，檢測(cè)分析樣本數(shù)量呈持續(xù)性增長(zhǎng)，在臨床領(lǐng)域中表現(xiàn)尤為突出。許多地區(qū)成本費(fèi)用壓力越來(lái)越大，因此，出現(xiàn)了高效移液解決方案與實(shí)驗(yàn)室工作流程自動(dòng)化強(qiáng)烈需求。與此同時(shí)，軟件技術(shù)、電子技術(shù)與蓄電池技術(shù)迅猛發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析向數(shù)字化方向發(fā)展。

1994年，Eppendorf公司推出第一款8至12通道的多道移液器Titerman 4908，能夠讓研究人員從此快速、高效完成操作，例如，96孔板移液系列操作。1998年，Eppendorf公司推出Research Pro系列電動(dòng)移液器。該解決方案允許用戶以更高的速度、更高的操作可靠性和較高的重復(fù)精度毫不費(fèi)力完成復(fù)雜的移液任務(wù)。在移液過(guò)程中，電動(dòng)移液器也能夠完成部分容量移液任務(wù)，從而開(kāi)辟移液處理領(lǐng)域的新天地，多通道型移液器明顯提高了時(shí)間效率和移液量。

關(guān)注用戶

市場(chǎng)中出現(xiàn)的新產(chǎn)品，例如，2010年投放市場(chǎng)的Explorer系列電子移液器所提供的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了減輕疲勞和提高移液的重復(fù)精度。編寫(xiě)復(fù)雜報(bào)告的可能性、完成例行工作的可能性或者將使用報(bào)告保存到歷史日志中的可能性都進(jìn)一步的簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)室的工作流程。

Eppendorf公司還通過(guò)高水平的軟件設(shè)計(jì)和移液器硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單而且直觀的操作系統(tǒng)。提高了的要求以及在受監(jiān)管的應(yīng)用場(chǎng)合中，可以使用像Explorer plus移液器這種有著密碼保護(hù)或者顯示維護(hù)保養(yǎng)周期的電子移液器。據(jù)預(yù)測(cè)：未來(lái)許多領(lǐng)域中對(duì)數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理的要求將會(huì)繼續(xù)增加。這也是Eppedorf公司未來(lái)以用戶為中心解決方案中可以解決的一種趨勢(shì)。

人體工程學(xué)的要求

從1970年起，Eppendorf公司便將用戶以及用戶需求作為產(chǎn)品研發(fā)的重點(diǎn)并開(kāi)始按照人體工程學(xué)原理優(yōu)化產(chǎn)品。2003年，Eppendorf公司的Physio Care Concept人體工程學(xué)理念問(wèn)世。作為一項(xiàng)整體性解決方案，實(shí)驗(yàn)室工作流程需要將職工健康和舒適度結(jié)合在一起。

符合人體工程學(xué)的移液器設(shè)計(jì)需要按照當(dāng)前人體工程學(xué)知識(shí)和原理對(duì)移液操作以及移液器外形、重量和重量分布、操作按鈕的相互位置或所需操作力和吸頭的配合精度等方面進(jìn)行優(yōu)化。最著名的便是移液器的吸嘴問(wèn)題：移液器吸嘴既不能有太高的“附著力”，緊緊的“抓住”移液器不放，也不能太松影響移液效果，該問(wèn)題通過(guò)加裝彈簧以及經(jīng)具有彈性的吸嘴圓錐限制吸嘴最大插裝力方式解決，整支移液器重量一直在不斷減少。除操作的舒適性和易于使用外，還應(yīng)防止用戶患上RSI重復(fù)性疲勞綜合癥風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)電子移液器來(lái)講，直觀的操作界面或較好的可讀識(shí)性能屬于人體工程學(xué)設(shè)計(jì)范疇。

2009年，投放市場(chǎng)的Research plus系列移液器是Eppendorf公司提供的重量只有80克超輕量級(jí)移液器，為人體工程學(xué)移液器樹(shù)立新尺度。

Eppendorf公司負(fù)責(zé)營(yíng)銷(xiāo)工業(yè)市場(chǎng)、醫(yī)療保健、醫(yī)療器械領(lǐng)導(dǎo)人Kay Koerner博士表示：“為實(shí)現(xiàn)如此輕的重量，選用材料也應(yīng)該能夠按照準(zhǔn)確的方式相互匹配?！痹摲N材料必須重量輕，同時(shí)，堅(jiān)固耐用、抗沖擊、耐磨蝕并具有較低的導(dǎo)熱性和較大的熱容量。在長(zhǎng)期的批量移液過(guò)程中，手的溫度是影響移液精度的重要因素；各種材料的相互組合對(duì)于諸如高壓滅菌等過(guò)程具有非常重要的作用。將所有優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起并不容易。

圖4 漢堡總部：Eppendorf自2000年起采用股份制，如今，有超過(guò)3000員工，歸創(chuàng)始家族所有

除此以外，Koerner博士表示：“所有材料必須是‘經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、買(mǎi)得起的產(chǎn)品’。Eppendorf公司在活塞式系列Research plus移液器中使用Foltron——一種在航天領(lǐng)域中使用的聚合物。在過(guò)去的10年到15年時(shí)間里，我們?cè)谒芰吓c材料方面做了許多工作。研發(fā)工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，未來(lái)十年內(nèi)，繼續(xù)研發(fā)、生產(chǎn)的移液器會(huì)更輕或更加容易使用新材料并將更多的新功能結(jié)合到一起。”

從微升到納升

越來(lái)越輕、越來(lái)越快，意味著移液量也越來(lái)越小嗎？Eppendorf公司移液產(chǎn)品全球銷(xiāo)售經(jīng)理Florian Bundis博士表示：“在手動(dòng)移液過(guò)程中，至今打破企業(yè)創(chuàng)始人的微升級(jí)記錄——估計(jì)將來(lái)也不會(huì)。當(dāng)然，我們將移液器精度和準(zhǔn)確性明顯改進(jìn)提高，所能達(dá)到的公差水平相當(dāng)高、偏差相當(dāng)小，在手工操作的移液系統(tǒng)中已無(wú)法繼續(xù)改進(jìn)提高。雖然，今天的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室有能力完成小于1微升手工移液校準(zhǔn)，受環(huán)境條件影響，例如，風(fēng)或溫度波動(dòng)和操作者移液器握持方式本身等均在常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下極大影響了移液的精度和準(zhǔn)確性，使手動(dòng)移液精度和準(zhǔn)確性無(wú)法在納升級(jí)范圍內(nèi)繼續(xù)傳承下去。此時(shí)，人們只能依賴(lài)自動(dòng)化移液系統(tǒng)?！?/p>

Eppendorf公司從2003年開(kāi)始就為實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化提供epMotion系列移液器——一種能夠在微升與納升級(jí)范圍內(nèi)大量移液的高重復(fù)精度移液器。該系列移液器配有多種可選附件，例如，運(yùn)輸夾具、真空工作臺(tái)、內(nèi)置混合器或溫控裝置；典型的應(yīng)用范圍，例如，臨床研究中心或藥物研究中心等。當(dāng)前Eppendorf公司提供的epMotion系列的移液器有5070型、5073型和5075型三種型號(hào)，配備自動(dòng)移液系統(tǒng)以及它們的附件和耗材，可以完成最小移液量10微升至最低200納升，有效簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室工作流程。

Koerner博士表示：“自動(dòng)移液系統(tǒng)是Eppendorf公司增長(zhǎng)勢(shì)頭最強(qiáng)的經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域；該領(lǐng)域具有兩個(gè)主要發(fā)展方向，一個(gè)是大型自動(dòng)化移液系統(tǒng)、大容量的自動(dòng)化移液系統(tǒng)；另一個(gè)是專(zhuān)門(mén)完成特殊移液任務(wù)的專(zhuān)用型自動(dòng)化移液系統(tǒng)。”

擁有12級(jí)精密度

過(guò)去，Eppendorf公司通過(guò)研究與臨床實(shí)踐革命性開(kāi)發(fā)微升級(jí)移液系統(tǒng),時(shí)至今日，已成為全球?qū)嶒?yàn)室標(biāo)準(zhǔn)配置。50年后，該公司產(chǎn)品的覆蓋面之大將無(wú)法估量：1985年，該公司在檢測(cè)分析儀器設(shè)備制造領(lǐng)域中，成功推出的移液器能夠在細(xì)胞注射系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中直接完成向活細(xì)胞注射任務(wù)；該注射任務(wù)在顯微鏡下將毫微微升級(jí)液體注射至細(xì)胞內(nèi)（1毫微微升=10-15升=微升的十億分之一），該移液系統(tǒng)至今仍應(yīng)用于不同生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。移取液體量如此之?。阂幻腌娺B續(xù)注射，300年才裝滿1.5毫升反應(yīng)管。利用自動(dòng)化移液系統(tǒng)能夠成功將移液系統(tǒng)應(yīng)用于納升級(jí)超微量應(yīng)用領(lǐng)域。在手動(dòng)和電子移液以及分液過(guò)程中，Eppendorf公司的產(chǎn)品涵蓋微升和毫升領(lǐng)域。除此之外，該公司仍然需要像從前一樣生產(chǎn)帶有毫升刻度的血清移液器，包括：所需的附件與耗材。 ■