小型集成化自動(dòng)移液工作站系統(tǒng)及應(yīng)用

褚亞東，趙宗保

（中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物技術(shù)部，遼寧 大連116023）

對(duì)大量樣本進(jìn)行流程化處理，在現(xiàn)代生物技術(shù)、合成生物學(xué)和化學(xué)生物學(xué)研究中非常普遍。不論是利用化學(xué)試劑、射線、病毒或環(huán)境脅迫產(chǎn)生大量變異樣本［1］，還是采用基因工程技術(shù)構(gòu)建胞外文庫(kù)或構(gòu)建胞內(nèi)突變系統(tǒng)從而在分子水平產(chǎn)生多樣性［2］，都需處理大量樣本。而且這些樣本的處理過程，對(duì)通量、精準(zhǔn)度和時(shí)效性有很高要求。液體分裝、轉(zhuǎn)移和分發(fā)等操作的巨大工作量不僅給研究人員帶來很大工作負(fù)荷，還是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差和效率低下的重要原因。

現(xiàn)代生物技術(shù)所涉及的大量變異樣本多是以提高生長(zhǎng)速度、增強(qiáng)環(huán)境耐受性、提高某種化合物產(chǎn)量、獲取某種活性蛋白元件等為目的。這樣就需要高通量進(jìn)行菌株轉(zhuǎn)移、培養(yǎng)基分發(fā)、產(chǎn)物檢測(cè)、酶活分析等過程，工作量巨大。以獲取高活性蛋白元件為例：蛋白質(zhì)定向進(jìn)化是獲取優(yōu)良蛋白元件的常用方法［3］，通常需要多次迭代才能獲取性能優(yōu)良的蛋白元件。不論是非理性的、理性的、半理性的進(jìn)化策略［4］還是基于計(jì)算機(jī)模擬或機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算輔助策略［5］，最終都要通過對(duì)氨基酸序列中單個(gè)或多個(gè)氨基酸位點(diǎn)進(jìn)行突變。蛋白質(zhì)定向進(jìn)化過程一般都需要突變庫(kù)構(gòu)建、轉(zhuǎn)化子篩選、活性信息分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、迭代進(jìn)化等步驟（圖1）。氨基酸序列突變過程中經(jīng)常用到多位點(diǎn)突變［4］，當(dāng)采用飽和突變方法時(shí)，隨著突變位點(diǎn)數(shù)量的增加，需要篩選的轉(zhuǎn)化子數(shù)量激增［6］?？寺∨囵B(yǎng)、活性檢測(cè)（即篩選工作），其工作量大、重復(fù)度高，成為制約蛋白質(zhì)定向進(jìn)化改造的瓶頸之一［4］。

圖1 蛋白質(zhì)定向進(jìn)化一般流程Fig.1 General process for directed evolution with proteins

隨著自動(dòng)化移液工作站和與其集成的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展［7-8］，可整合構(gòu)建出滿足不同需求的集成化移液工作站，如細(xì)胞培養(yǎng)［9-10］、藥物篩選［11-12］、DNA 提?。?3］等。合成生物學(xué)領(lǐng)域中的大量重復(fù)工作可由集成化移液工作站完成［14］，減少人力，提高效率。技術(shù)的不斷進(jìn)步與整合，已經(jīng)形成設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)（DBTL）模式的用于微生物生產(chǎn)精細(xì)化工品的迭代進(jìn)化過程［15］。新成立的Biofoundry［16］組織致力于通過自動(dòng)化技術(shù)、合成生物學(xué)技術(shù)、生物信息學(xué)等促進(jìn)DBTL模式的發(fā)展，但由于缺少精確的預(yù)測(cè)模型，目前高通量篩選仍是其中必不可少的步驟［17］。近期還發(fā)展出很多超高通量篩選技術(shù)［18］，如基于微流控與熒光檢測(cè)［19］、吸光度檢測(cè)［20-21］、流式細(xì)胞分選［22］、拉曼光譜檢測(cè)［23］、質(zhì)譜檢測(cè)［24］等相結(jié)合的高通量篩選技術(shù)；基于微孔陣列與熒光檢測(cè)相結(jié)合的在線培養(yǎng)篩選技術(shù)［25］和基于質(zhì)譜的原位檢測(cè)篩選技術(shù)［24，26］等。但這些篩選技術(shù)往往依賴高度定制化的設(shè)備或方法，通用性欠佳，因此以微孔板為載體的高通量篩選方法仍占據(jù)重要地位。本文以自用的以微孔板為篩選載體的集成化移液工作站系統(tǒng)為例，在系統(tǒng)方案、應(yīng)用、經(jīng)驗(yàn)與不足等方面進(jìn)行討論，為其他使用者提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)室用集成化移液工作站系統(tǒng)方案

通常集成化移液工作站系統(tǒng)以自動(dòng)化移液工作站為核心，并整合在線外圍設(shè)備共同組成。外圍設(shè)備種類繁多，主要包括存儲(chǔ)、傳送、儀器三大類。存儲(chǔ)類包括耗材堆棧、孵育器、培養(yǎng)箱等；傳送類包括直線導(dǎo)軌、直角坐標(biāo)式機(jī)械臂、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂、關(guān)節(jié)式機(jī)械臂等；儀器類包括離心機(jī)、酶標(biāo)儀、PCR儀、克隆挑選系統(tǒng)、平板涂布系統(tǒng)、洗板機(jī)、在線破碎系統(tǒng)等。根據(jù)不同的需求采取不同的集成方案。本實(shí)驗(yàn)室使用的集成化移液工作站系統(tǒng)以自動(dòng)化移液工作站為核心，集成了耗材堆棧、在線培養(yǎng)箱、在線離心機(jī)、洗板機(jī)、酶標(biāo)儀、振蕩孵育器等設(shè)備，并通過2 個(gè)直線型穿梭導(dǎo)軌和1 個(gè)直角坐標(biāo)式協(xié)動(dòng)機(jī)械臂將外圍設(shè)備連接起來，構(gòu)成集成化移液工作站系統(tǒng)（圖2）。移液工作站主機(jī)包含1 個(gè)96 通道移液器和1 個(gè)靈活8 通道移液器，每套移液器上安裝有1個(gè)機(jī)械夾手。兩種移液器的單通道最大移液體積為1 mL，可完成移液、分液、混合、梯度稀釋等操作。其中靈活8通道移液器的任一通道可獨(dú)立運(yùn)行，可設(shè)置不同的操作體積，還可以調(diào)節(jié)通道間距，來適應(yīng)具有不同孔距的耗材。移液工作站主機(jī)包含板位30 余個(gè)，提供了充足的操作空間。振蕩孵育器安裝在主機(jī)中部，方便兩個(gè)機(jī)械夾手操作。移液工作站主機(jī)內(nèi)裝有吸頭清洗站，用于清洗吸頭，減少交叉污染。酶標(biāo)儀與洗板機(jī)就近安裝在移液工作站主機(jī)附近，由安裝在96 通道移液器上的機(jī)械夾手取放酶標(biāo)板。耗材堆棧通過一個(gè)直線型穿梭導(dǎo)軌與移液工作站主機(jī)連接。在線離心機(jī)和振蕩培養(yǎng)箱通過另一個(gè)直線型穿梭導(dǎo)軌及一個(gè)直角坐標(biāo)式協(xié)動(dòng)機(jī)械臂與移液工作站主機(jī)連接。直線型穿梭導(dǎo)軌上有多個(gè)虛擬板位（通過軟件設(shè)置定位），有需要時(shí)穿梭導(dǎo)軌上的運(yùn)載小車可在特定虛擬板位?？俊蓷l直線型穿梭導(dǎo)軌上還分別裝有條形碼掃描器，可掃描耗材上的條形碼并與其數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖2 小型集成化移液工作站系統(tǒng)實(shí)例Fig.2 Example for a small-scale integrated automated liquid handling system

2 集成化移液工作站系統(tǒng)應(yīng)用

集成化移液工作站系統(tǒng)可完成在線培養(yǎng)、離心、洗板、移液、分液、活性分析等基礎(chǔ)操作。將這些基礎(chǔ)操作結(jié)合起來，可衍生出多種應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹幾種典型應(yīng)用。

2.1 培養(yǎng)基與菌株快速評(píng)價(jià)

現(xiàn)代基因工程實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常需要對(duì)菌株［27］和培養(yǎng)基組成及濃度［28］進(jìn)行評(píng)價(jià)，以獲取優(yōu)良菌株或培養(yǎng)條件。在培養(yǎng)基和菌株評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，有單菌株多配方、多菌株單配方或多菌株多配方等不同方案。本文中以8 菌株4 配方為例進(jìn)行說明（圖3）。由于不同菌株的生長(zhǎng)速度有差異，在對(duì)不同菌株在不同培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要讓接種濃度盡量一致。先對(duì)菌種取樣，測(cè)定其OD值，并在腳本中根據(jù)要接種的OD 值與培養(yǎng)體積計(jì)算出菌種用量與培養(yǎng)基用量。集成化移液工作站系統(tǒng)控制靈活8通道移液器，按照計(jì)算結(jié)果，分別設(shè)置各個(gè)移液通道所需的移液體積，將所需的菌種和培養(yǎng)基加入到指定培養(yǎng)孔中，達(dá)到接種濃度一致的目的。接種后的孔板經(jīng)振蕩培養(yǎng)后可對(duì)菌株的生長(zhǎng)或產(chǎn)物情況進(jìn)行分析。

圖3 培養(yǎng)基與菌株快速評(píng)價(jià)流程Fig.3 Process for rapid evaluation of culture media and strains

2.2 酶的定向進(jìn)化快速篩選

酶的定向進(jìn)化過程中需要對(duì)大量轉(zhuǎn)化子進(jìn)行活性分析。本系統(tǒng)中的自動(dòng)酶標(biāo)儀，可測(cè)量吸光度、熒光強(qiáng)度、化學(xué)發(fā)光等指標(biāo)，結(jié)合需要測(cè)定的酶反應(yīng)特點(diǎn)可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的檢測(cè)方法。本文通過酶促偶聯(lián)顯色反應(yīng)引起的吸光度變化作為測(cè)量指標(biāo)［29］，對(duì)一般的粗酶快速篩選過程進(jìn)行說明（圖4）。首先將樣品孔板離心，棄上清保留菌體，向樣品孔內(nèi)加入裂解液，振蕩孵育裂解菌體。將菌體裂解液離心，取一定量上清到檢測(cè)板，同時(shí)沉淀返回堆棧。向檢測(cè)板中加入顯色劑、反應(yīng)底物等送入酶標(biāo)儀檢測(cè)，通過測(cè)量樣品吸光度信號(hào)的變化情況對(duì)粗酶活性進(jìn)行分析。以本實(shí)驗(yàn)室的粗酶篩選為例，通過合理的流程設(shè)計(jì)，從將樣品和耗材放入樣品堆棧和主機(jī)板位開始，約7 h 可完成20塊96孔板樣品的篩選工作。

圖4 突變株粗酶活性快速篩選流程Fig.4 Process for rapid screening of crude enzyme activity of mutant strains

2.3 自動(dòng)誘導(dǎo)表達(dá)制備粗酶樣品

誘導(dǎo)表達(dá)后目標(biāo)蛋白的表達(dá)量也是很重要的指標(biāo)。但培養(yǎng)基成分、誘導(dǎo)劑的量、菌液濃度、誘導(dǎo)時(shí)間等因素都會(huì)影響蛋白質(zhì)表達(dá)效果［30-31］。當(dāng)樣品量較多時(shí)，判斷菌液濃度并在適當(dāng)時(shí)機(jī)加入誘導(dǎo)劑對(duì)操作人員提出了挑戰(zhàn)。集成化移液工作站系統(tǒng)可以定時(shí)從培養(yǎng)板中取樣監(jiān)測(cè)菌液濃度，通過用戶腳本程序判斷菌液濃度是否達(dá)到要求。當(dāng)生物量較低時(shí)培養(yǎng)板返回培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)，若生物量達(dá)到要求則加入誘導(dǎo)劑進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)。到達(dá)誘導(dǎo)培養(yǎng)時(shí)間后，將菌液離心，向菌體沉淀中加入裂解液，孵育裂解。菌體裂解液離心后收集上清得到粗酶液（圖5）。制備的粗酶液可用于表達(dá)量分析、粗酶活性分析等。本操作流程與培養(yǎng)基評(píng)價(jià)流程整合，還可演化出對(duì)不同培養(yǎng)基及誘導(dǎo)劑濃度等條件篩選的方案。值得注意的是，多次在線取樣測(cè)量對(duì)于無抗性培養(yǎng)基可能會(huì)增加染菌風(fēng)險(xiǎn)，所以一般在誘導(dǎo)菌株已經(jīng)生長(zhǎng)到接近目標(biāo)OD 值，為了在更好的時(shí)機(jī)加入誘導(dǎo)劑時(shí)使用此實(shí)驗(yàn)流程，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下可在培養(yǎng)基中適量加入抗生素，減小染菌風(fēng)險(xiǎn)。若在工作站上配備HEPA 高效過濾系統(tǒng)或?qū)⒐ぷ髡鞠到y(tǒng)置于無菌操作間內(nèi)，將進(jìn)一步降低染菌風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 自動(dòng)誘導(dǎo)表達(dá)制備粗酶液流程Fig.5 Process for automatic induction,expression and preparation of crude enzyme samples

2.4 自動(dòng)ELISA初步篩選

酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）自1971 年被Engvall 和Perlmann 發(fā)表用于IgG 定量測(cè)定［32］后，這種靈敏的免疫學(xué)測(cè)試方法被廣泛用于多肽、蛋白質(zhì)、激素、維生素、藥物等的定性或定量分析［33］。在篩選工作中，若目標(biāo)蛋白有相應(yīng)的ELISA檢測(cè)方法，則集成化移液工作站系統(tǒng)可通過此方法對(duì)目標(biāo)蛋白進(jìn)行高通量篩選。例如通過夾心法來對(duì)目的蛋白的表達(dá)量進(jìn)行快速定性或定量（圖6）。圖6中描述了制備帶捕獲抗體酶標(biāo)板的包被過程，若直接使用已經(jīng)包被的商品化酶標(biāo)板可省略此步驟。

圖6 自動(dòng)ELISA初步篩選流程Fig.6 Process for automated ELISA screening

2.5 高通量質(zhì)粒提取

質(zhì)粒提取操作是指將質(zhì)粒載體與宿主細(xì)胞的RNA、基因組DNA 及其他成分分離純化的過程。質(zhì)粒提取的操作流程較長(zhǎng)且其中有多個(gè)需要精細(xì)操作的步驟，增加了通量質(zhì)粒提取的難度。曾有使用移液工作站系通過真空法［34］或磁珠法［35］進(jìn)行質(zhì)粒提取的報(bào)道。相對(duì)于真空法需要在系統(tǒng)中集成真空系統(tǒng)，磁珠法只需一個(gè)磁力架用于磁珠分離，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。磁珠法質(zhì)粒提取試劑盒通過磁珠吸附目標(biāo)質(zhì)粒。在磁力架的磁場(chǎng)作用下，磁珠在孔板底部聚集形成環(huán)，中心部位可由移液器吸取溶液，使溶液和磁珠分離。雖然不同廠家的磁珠法質(zhì)粒提取試劑盒有所差異，但都遵循圖7的流程。主要由重懸裂解、中和絮凝、離心分離、磁珠吸附、清洗、洗脫等步驟組成，只是其中個(gè)別步驟使用的溶劑不同。整個(gè)過程中有幾點(diǎn)值得注意：①中和離心后吸取的上清液必須是完全澄清的，避免吸入下方的絮狀沉淀物。②磁珠懸液在吸取前必須充分混勻。③磁珠懸液加入裂解上清液中時(shí)必須立即吹打混勻，否則磁珠沉淀過快會(huì)降低提取率。④磁珠在磁力架上富集后會(huì)形成圓環(huán)，在吸液和清洗過程中要輕柔，防止磁珠被吸走。

圖7 高通量質(zhì)粒提取流程Fig.7 Process for high-throughput plasmid extraction

3 集成化液體工作站使用經(jīng)驗(yàn)

集成化液體工作站能在很大程度上節(jié)省人力，但首先要將實(shí)驗(yàn)流程轉(zhuǎn)化為程序流程，寫入方法文件。其中包含大量需要優(yōu)化的細(xì)節(jié)，包括耗材擺放、移液細(xì)節(jié)、腳本擴(kuò)展、操作流程順序和時(shí)序優(yōu)化等。

3.1 耗材擺放

耗材擺放是重要的準(zhǔn)備步驟，需要考慮耗材種類、高度、數(shù)量、使用頻率等信息。耗材種類主要有吸頭、液槽、孔板等。耗材高度主要分3個(gè)級(jí)別：低（酶標(biāo)板等）、中（深孔培養(yǎng)板，小量程吸頭等）、高（大量程吸頭等）。通過耗材數(shù)量和使用頻率可以決定耗材存放在耗材堆棧還是主機(jī)板位上。一般情況下液槽使用頻率會(huì)比較高，且盛裝液體較多，不適合頻繁移動(dòng)，適合放在主機(jī)板位上。一次性樣品和測(cè)量用酶標(biāo)板一般放置在堆棧中。大量程吸頭盒較高不適合頻繁搬運(yùn)，一般放在主機(jī)吸頭盒專用板位上。耗材擺放時(shí)還需要考慮它是否會(huì)影響機(jī)械臂和移液吸頭，將其放置在合理位置。當(dāng)使用的耗材較多，需要占用大量主機(jī)板位時(shí)，需保留部分空板位，方便設(shè)備運(yùn)行過程中作為耗材轉(zhuǎn)移的中轉(zhuǎn)位。

3.2 移液細(xì)節(jié)

移液細(xì)節(jié)往往會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大影響，主要包括移液精度、混勻、氣泡、交叉污染等。

（1）對(duì)移液精度影響主要來自三個(gè)方面：

①移液器量程影響 當(dāng)吸取液體量小于量程1/4時(shí)，其變異系數(shù)（CV值）比吸取液體量超過量程1/2時(shí)更大［36］。由于自用的集成移液工作站系統(tǒng)需要同時(shí)兼容大量程吸頭（1 mL）和小量程吸頭（50 μL），且移液器是固定集成在設(shè)備中，因此移液器的量程選擇了1 mL。此時(shí)對(duì)微量移液（小于20 μL）的移液精度就會(huì)產(chǎn)生影響。

②吸頭殘留 浸潤(rùn)性強(qiáng)、黏度大或易產(chǎn)生氣泡的液體，容易在吸頭中殘留或掛在吸頭尖端。對(duì)于易在吸頭內(nèi)殘留的液體，在吸取液體前先吸入一段空氣，排出時(shí)可利用這部分氣體輔助排空殘液。對(duì)于黏度大的液體（例如甘油）需要降低吸液和排液速度。對(duì)于易產(chǎn)生氣泡和容易在吸頭尖端懸掛的液體，可在排液后在孔板孔壁碰觸，將懸掛在吸頭尖端的液體附著于孔壁上或讓吸頭下降輕點(diǎn)液面，但不要將吸頭伸入到液面以下，能讓吸頭上懸掛的液體與液面融合即可。

（2）混勻主要是針對(duì)含有易沉淀微?；蚰軌蚍窒嗟囊后w。在吸取液體前可增加吹打混勻或振蕩混勻的步驟，減少由于樣品不均勻?qū)罄m(xù)實(shí)驗(yàn)步驟的影響。

（3）孔板中的氣泡會(huì)對(duì)酶標(biāo)儀的測(cè)量和一些反應(yīng)過程產(chǎn)生影響。對(duì)于易產(chǎn)生氣泡的液體，若使用上面提到的觸碰孔壁、輕點(diǎn)液面等操作仍無法消除氣泡，可考慮通過短時(shí)間離心來消除氣泡。

（4）交叉污染主要是由重復(fù)使用吸頭造成的，如從液槽中移液到孔板、重復(fù)使用吸頭吸取不同的樣品等。當(dāng)吸頭只用于同一種液體的移液，可考慮通過懸空加液的方法，避免吸頭與其他液體接觸。當(dāng)同一組吸頭用于不同樣品或液體時(shí)，若吸取的是易于清洗的液體，可通過增加清洗步驟將吸頭殘留的液體洗凈。對(duì)于水溶性差的液體，可考慮使用乙醇清洗。對(duì)于不易洗凈的液體，建議使用一次性吸頭。

3.3 腳本擴(kuò)展

集成化移液工作站的控制軟件本身就集成了很多移液操作功能，一般還會(huì)集成腳本控制功能［37-38］，用來完成用戶的個(gè)性化操作和數(shù)據(jù)處理。在本文中的兩個(gè)應(yīng)用：培養(yǎng)基或菌株快速評(píng)價(jià)和自動(dòng)誘導(dǎo)表達(dá)制備粗酶液樣品中，都需要用戶編寫腳本對(duì)酶標(biāo)儀測(cè)得的OD 值進(jìn)行計(jì)算或判斷，來指導(dǎo)下一步的移液操作。

例如在自動(dòng)誘導(dǎo)表達(dá)制備粗酶液樣品的應(yīng)用中，由于菌株生長(zhǎng)速度的差異，需要定時(shí)取樣監(jiān)測(cè)菌株生長(zhǎng)情況來決定加入誘導(dǎo)劑的時(shí)機(jī)。這里使用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的策略：當(dāng)24 孔板的24 株菌中有20個(gè)及以上的菌株OD值達(dá)到要求時(shí)，就向所有孔中加入誘導(dǎo)劑。經(jīng)過孵育表達(dá)后，提取粗酶液。

通過腳本判斷有多少個(gè)孔OD 的值達(dá)到要求的代碼示例如下：

集成移液工作站軟件的腳本擴(kuò)展功能支持文件讀寫，能進(jìn)一步與其他軟件或腳本協(xié)作。其他軟件或編程語言通過讀取集成移液工作站生成的數(shù)據(jù)文件，與其他來源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。根據(jù)分析結(jié)果將移液數(shù)據(jù)按照約定格式寫入文件。集成移液工作站軟件依此文件中的移液數(shù)據(jù)進(jìn)行移液、分液、挑取等操作。下面以集成移液工作站與python 腳本協(xié)作為例，通過文件中寫入的標(biāo)志位來協(xié)調(diào)集成移液工作站與python 腳本，協(xié)作運(yùn)行，如圖8所示。

圖8 集成移液工作站系統(tǒng)與python腳本協(xié)同工作流程Fig.8 Schematic diagram for the collaborative work flow between integrated automated liquid handling system and python scripts

3.4 操作流程順序和時(shí)間優(yōu)化

操作流程順序和時(shí)間優(yōu)化主要針對(duì)3 種需求：需要立刻操作的步驟（即時(shí)性需求）、需要固定時(shí)間間隔的步驟（周期性需求）和整體優(yōu)化節(jié)約總時(shí)間（時(shí)效性需求）。對(duì)于需要立刻操作的步驟，需要在流程控制軟件中設(shè)置上下游步驟之間的最大間隔時(shí)間，達(dá)到即時(shí)運(yùn)行的效果。對(duì)于需要固定時(shí)間間隔的步驟，可在上下游步驟之間設(shè)置一個(gè)固定時(shí)間的孵育或等待步驟，將此步驟與其上下游步驟之間都設(shè)置一個(gè)較小的間隔時(shí)間，從上游到下游的總時(shí)間處于一個(gè)可控的范圍內(nèi)。對(duì)于總時(shí)間的優(yōu)化，主要是要針對(duì)多樣品過程節(jié)約總時(shí)間。由于樣品操作中一般都會(huì)有孵育、離心、檢測(cè)等耗時(shí)的步驟，此時(shí)需要通過手動(dòng)或軟件自動(dòng)優(yōu)化。在這些耗時(shí)的步驟進(jìn)行時(shí)可以對(duì)其他樣品進(jìn)行移液或移動(dòng)等操作，從而節(jié)約總時(shí)間。操作流程順序和時(shí)間優(yōu)化工作大部分由軟件完成［38-39］，這對(duì)儀器廠商的軟件開發(fā)能力有很高的要求。

4 集成化液體工作站使用中的不足及注意事項(xiàng)

集成化液體工作站適用于樣品量較多或需多次重復(fù)操作的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于一次性操作的實(shí)驗(yàn)，由于需要先編寫操作流程文件并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，因此集成化液體工作站并沒有明顯優(yōu)勢(shì)。集成化液體工作站一般都需要針對(duì)特定實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行定制，如細(xì)胞培養(yǎng)［9-10］、藥物篩選［11-12］、核酸提?。?3］、農(nóng)殘檢測(cè)［40］、法醫(yī)鑒定［41］等方案各不相同。雖然集成化液體工作站的集成方案可以定制，但選型過程中還是要充分考慮科研活動(dòng)中實(shí)驗(yàn)需求的多樣性，前瞻性地確定外圍儀器設(shè)備性能和操作環(huán)境等具體事項(xiàng)。例如，若需要大量無菌操作則需要配置HEPA 過濾系統(tǒng)或?qū)⒄紫到y(tǒng)置于無菌操作間內(nèi)。因?yàn)榧苫后w工作站組裝好以后再做調(diào)整會(huì)涉及設(shè)備布局、儀器校準(zhǔn)、軟件調(diào)試等多方面的工作。集成化液體工作站的軟件系統(tǒng)相對(duì)封閉，用戶無法直接集成其他設(shè)備或功能，需從廠家指定的候選型號(hào)中選取。自動(dòng)移液器選擇時(shí)微量移液與大量程移液不可兼得，選購(gòu)時(shí)應(yīng)充分考慮使用場(chǎng)景選取。對(duì)于某些復(fù)雜的移液操作，如傾斜吸取等，還需要購(gòu)買特定的配件。由于移液工作站和外設(shè)儀器的售價(jià)較高，所以配置方案要充分考慮價(jià)格與功能之間的平衡。使用成本也是不得不考慮的方面。一般集成化液體工作站使用的吸頭與普通吸頭不通用，且自動(dòng)移液器裝載吸頭時(shí)力量很大，對(duì)吸頭的品質(zhì)要求較高。進(jìn)口吸頭依不同規(guī)格售價(jià)約10～40美元/盒（96支/盒）。另一方面集成化液體工作站對(duì)其他耗材的強(qiáng)度、尺寸等要求也比較高，需要購(gòu)買高質(zhì)量的耗材，這些都會(huì)提高使用成本。集成化液體工作站系統(tǒng)復(fù)雜，難免有異常和故障發(fā)生。耗材損壞、外設(shè)或機(jī)械臂等發(fā)生位移、機(jī)械或光學(xué)定位傳感器故障、軟件之間通信不暢等，都會(huì)引起設(shè)備異?；蜻\(yùn)行中斷。如深孔板在離心機(jī)內(nèi)離心時(shí)受力較大，若孔板質(zhì)量不好則容易造成邊緣損壞。當(dāng)機(jī)械臂抓取或堆棧存取損壞的孔板時(shí)容易引發(fā)異常。離心機(jī)和機(jī)械臂也可能由于振動(dòng)和橡膠部件老化等造成機(jī)械定位偏差，導(dǎo)致取放耗材時(shí)發(fā)生故障。由于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)升級(jí)、操作人員誤操作、感染計(jì)算機(jī)病毒等還會(huì)造成軟件方面問題。為防止計(jì)算機(jī)病毒感染，最主要的就是禁止U 盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，并切斷計(jì)算機(jī)與外網(wǎng)連接。數(shù)據(jù)傳輸可通過局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備（NAS）作為中轉(zhuǎn)，并嚴(yán)格限制用戶權(quán)限。數(shù)據(jù)從設(shè)備計(jì)算機(jī)上傳到網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備，再下載至用戶計(jì)算機(jī)，使數(shù)據(jù)只能單向流動(dòng)。在維護(hù)保養(yǎng)方面，由于同時(shí)集成多種設(shè)備，且多個(gè)設(shè)備之間需要密切協(xié)作，涉及多個(gè)設(shè)備的維護(hù)、保養(yǎng)等問題。這對(duì)設(shè)備管理人員提出了較高要求，不但要能熟練使用設(shè)備、編輯實(shí)驗(yàn)方法，還需要有一定的機(jī)械、電氣、電子電路、軟件等方面的知識(shí)。當(dāng)設(shè)備異常時(shí)，能及時(shí)從硬件、軟件或系統(tǒng)通信等方面分析問題，或準(zhǔn)確地向工程師描述問題，從而及時(shí)解決故障，避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或造成更大損失。

5 展望

集成化液體工作站功能強(qiáng)大，能夠提高科研人員的工作效率，但是目前市場(chǎng)上的大型集成化液體工作站產(chǎn)品被進(jìn)口品牌壟斷。雖然也有一些開源液體工作站產(chǎn)品［42-43］，但整體性能不如商品化產(chǎn)品。目前國(guó)產(chǎn)液體工作站產(chǎn)品整體技術(shù)水平還低于國(guó)外產(chǎn)品，但由于性價(jià)比較高，正逐步得到用戶認(rèn)可［44］。集成化液體工作站可完成大量高度重復(fù)性的工作，解放科研人員的雙手，其未來的發(fā)展方向是將其擴(kuò)展為全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的組成部分。全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)移液工作站的通用性要求更高。在龍門架式結(jié)構(gòu)工作站的基礎(chǔ)上輔以多軸機(jī)器人，可適應(yīng)更復(fù)雜的精細(xì)操作，提高對(duì)外圍設(shè)備的兼容性。目前不但有基于單個(gè)多軸機(jī)械臂［45］和兩個(gè)多軸機(jī)械臂［46-47］的機(jī)器人來完成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)操作的方案，還有通過固定軌道機(jī)器人［48］或自由活動(dòng)機(jī)器人［49］，在多個(gè)設(shè)備之間按照程序取放耗材等，使系統(tǒng)兼容不具備在線控制功能的設(shè)備?，F(xiàn)代機(jī)械臂的示教再現(xiàn)功能開始引入機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺［50-51］、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)［52］等技術(shù)，不但可以手把手示教還可通過語音控制［52］其運(yùn)動(dòng)，控制軟件會(huì)自動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑，使機(jī)械臂模仿人工操作過程甚至直接與人交互協(xié)作。這使科研人員對(duì)機(jī)械臂的動(dòng)作編程更加簡(jiǎn)單高效。將AI 融入到機(jī)器人控制甚至實(shí)驗(yàn)方案的迭代進(jìn)化中，使機(jī)器人能夠自主完成實(shí)驗(yàn)［46］，是未來的發(fā)展方向，這又向全自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室邁出了一大步。一般實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人都基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，所以工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平直接決定了實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人的發(fā)展水平。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人未來發(fā)展趨勢(shì)，《中國(guó)制造2025》站在歷史新高度，從戰(zhàn)略全局出發(fā)，大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人本體及關(guān)鍵零部件和智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)［53］。同時(shí)還要加強(qiáng)自主工業(yè)軟件設(shè)計(jì)，補(bǔ)齊工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的短板［54］?？傊瑖?guó)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化設(shè)備尤其是實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人設(shè)備發(fā)展，還需要國(guó)內(nèi)工業(yè)和科研領(lǐng)域從硬件、軟件、人才、多學(xué)科交叉［55］等多方面入手，共同推動(dòng)國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化設(shè)備逐步走向市場(chǎng)。