自動化pH值檢測在提高實驗室精確性和高效率的應用

瀏覽次數：1243　發布日期：2024-7-3　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

隨著通量的提升，生命科學研究和診斷所生成的數據逐年增多，無法適應的實驗室正被時代拋在后面。

手動pH值檢測是最耗時也最易產生錯誤的實驗室工作之一。因為檢測流程包括標準化計量儀、平衡時間、清潔探針等，所以即使檢測少量樣品也需要花費不成比例的大量時間。這種對時間的顯著需求也會導致測量的差異性，特別是在樣品不能同時檢測或者不能由同一個技術員來進行檢測的情況下。

為了解決對大量樣品進行檢測相關的這些痛點并減少工作流程的瓶頸和錯誤，需要開發自動化pH值檢測儀。通過采用自動化解決方案，不同規模的實驗室均可提高數據的質量、合規性和效率，而且能夠從快速的投資回報（ROI）中獲利。

近期的技術進步和自動化實驗設備研發者之間的競爭加劇提升了產品的質量和多功能性，同時降低了價格，使得現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，實現效率最大化

自動化pH值檢測對實驗室有2個主要作用：

1) 提高實驗室員工的效率
2) 提高診斷或研究項目的總體產出

因為可以把單調且耗時的工作任務交給自動化系統來操作，所以自動化pH 值檢測可以直接提高實驗室工作人員的個人效率。這樣工作人員可以用節省的時間來做更重要的實驗室工作，包括分析數據和試劑配制等不容易自動化的工作。實驗室工作人員通常都非常愿意把這些枯燥乏味的實驗室職責交給自動化系統，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生差異的可能性（如圖1所示）。有些實驗室管理者可能覺得將單調枯燥的任務交給經驗和知識有限，但成本比較低的實驗人員的方案很有吸引力，但pH值檢測出現差異或錯誤進而導致實驗失敗或因檢測差異掩蓋了實驗中的細微都效應都足以快速抵消任何的預期收獲。

圖1. 日常變化的差別。左側描繪了人工檢測所產生的較大的日常差異，而右側則顯示了采用自動化系統所產生的小得多的日常差異。

自動化通過消除通量瓶頸，允許項目處理和檢測更多的樣品并生成更多的數據來提高實驗室的產出。因為生命科學診斷和研究變得越來越高通量化，細胞培養、表型分析和藥物研發等實驗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高效地確定pH值。

自動化技術提高了潛在的通量和各地實驗室的總體產出；并引起了出資機構的關注。樣品數量的提升增加了實驗的統計能力，研究者也能夠發現容易被掩蓋的更細微的效應。很多出資機構會優先考慮資助整合了新技術致力于提高研究和診斷的產出和效率的實驗室。

提高數據質量與合規性

必須要面對的事實是數據的質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，如果未能正確維護和清潔電極，可能導致pH值的讀取更容易出現由于污染物和前序樣品殘留導致的錯誤。不熟練的技術員在校準手動pH值檢測儀時，可能會不準確操作或者根本不能校準，從而導致pH值的讀取不準確（如圖2所示）。下游解讀數據點的實驗室工作人員在分析實驗結果時，很可能不知道pH檢測儀是否或如何校準或清潔的，因此整個研究的準確性將受到影響。

圖2. 不準確的pH值檢測通常是由使用者的人為失誤而導致的。

實驗室工作人員也可能因為pH檢測儀的電極干燥而導致讀取速度變慢或不準確。技術員可能因為干擾暫時離開，回到實驗室時，電極燈泡已經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行持續清潔和風干、校準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，一些實驗室應用要求符合FDA 21 CFR Part 11的要求，使用電子記錄和簽名實現質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檢測儀在內的自動化pH檢測系統都提供符合21 CFR Part 11標準的設備和軟件，較之前更容易實現報告的合規性。

權衡pH值自動化檢測的費用和收益

高通量自動化對生命科學的研究和診斷大有助益。不同于傳統的檢測設備，自動化檢測設備是按照大規模樣品操作和分析的需求而設計的，可以處理持續大量樣品和持續檢測。

自動化pH檢測最常見的障礙是購買自動化系統的前置費用。然而大多數實驗室管理者在得知Hudson入門級系統，特別是基于微孔板的系統的合理價格和多功能性后都喜出望外。入門級系統通常都放置在實驗室的臺面上，所以附加收益還包括無需或者只需要極少的基礎設施建設費用。

對實驗室管理者來說，在斷然排除自動化系統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驗室自動化系統的具體價格和回報周期從而得出投資回報率（ROI），顯示自動化系統在臨床和科研實驗室均可提升費用和時間效率。

舉例來說，配備自動化的組織學實驗室通過降低完成特定任務（如pH值檢測）所需的實驗室人員的費用，抵消了前置設備費用及相關的基礎建設費用。無論是從實驗室預算中去除這些工時，還是回收這些工時去做其他非日常重復工作，都提高了實驗室的時間及費用的效率，增加了產出。

實驗室自動化降低費用的第二種方法是避免人為失誤。更確切地說，自動化平臺通過實現的檢測標準化，提高了檢測的一致性，降低了因不同技術員之間的樣品處理差異、操作錯誤或疲勞而導致的結果差異性。目前還沒有自動化pH值檢測降低錯誤率的專門數據，但組織學實驗室的自動化條形碼技術及其他工作流程的標準化能夠將部分錯誤降低50%以上，而玻片錯誤可降低90%。

圖3. 實驗室自動化提高效率并提升數據質量的途徑

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變時間，并因此提高客戶滿意度和人員產出，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的費用。

評估投資收益率（ROI）

確定費用相關的ROI的方法之一是評估采用實驗室自動化平臺所節約的FTE數量。用測試所需的FTE的數字除以采用實驗室自動化之前及之后完成的測試的數量（如圖4所示），領導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. 比較采用實驗室自動化之前（B）及之后（A）每單位數量所需的人員費用。

因為人員費用是任何實驗室預算中的最高項目之一，任何層級的自動化都有潛力顯著節約總體費用。以組織學實驗室為例，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用能夠高達8.8%。舉個例子，如果實驗室需要一個技術員每周用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行測試的數量。而對于習慣于在常規工作時間操作和檢測樣品的實驗室來說，自動化可以顯著提高數據的獲取和產出。

考慮pH值自動化檢測的選項

并非每個實驗室都需要將工作流程完全自動化或者實現整個實驗室的自動化，但管理者通常更喜歡實驗設備能夠適應新的、不斷變化的實驗方案，而且在今后能夠其與他系統整合。

自動化pH值檢測平臺旨在完成校準、穩定時間、檢測、浸洗、風干及記錄樣品pH結果全流程。今天，自動化pH檢測平臺既可作為單獨的機器獨立存在，也可添加測試模塊和軟件實現自動上樣系統的功能。

目前的自動上樣系統采用較高通量模式相比大得多的操作體積，限制了其在很多實驗室設置中的可操作性。與之相反，針對pH值檢測的自動化系統是圍繞標準SBS樣品板的尺寸而設計的，所以與高通量應用更兼容。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。該系統還可以檢測高達55 mm的深孔培養板中的測試樣品。

自動化pH值檢測平臺也可根據特定分析的需要配置附加性能。自動進樣系統和高通量自動化pH檢測儀都可以裝獨特的pH探頭用于檢測更粘稠的樣品，清洗系統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，也可為系統添加靜電清洗孔。

如果實驗方案需要在不同的溫度下進行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）和溫度補償軟件來實現。Hudson的 Rapid_pH系統還為需要電子報告的實驗室提供FDA CFR 21 Part 11的合規軟件。

圖 5. Hudson 公司的Rapid_pH 自動化實驗室 pH 值檢測儀的可控溫的加熱模塊。

許多實驗室自動化解決方案的生產商都設計了全系列的產品和軟件來實現常見的實驗室工作流程的自動化。隨著市場上競爭的加劇，在實驗方案轉變或產生其他自動化需求時，自動化設備能夠配合其他廠家的設備解決方案顯得尤為重要。實驗室自動化的調度軟件，如Hudson Robotics的SoftLinx軟件，能夠接合許多生產商的設備, 從而實現開/關微孔板進出口、運行特定實驗方案、檢查儀器狀態、讀取運行輸出數據，并根據檢測結果做出反饋。

最后，自動化設備應該簡單易用而且只需極短的培訓時間：因為自動化解決方案本來就是設計用于節省操作者的時間。銷售自動化實驗室設備的公司能夠為潛在的購買者提供已購買并使用其自動化實驗室解決方案的實驗室的信息。實驗室管理者可以聯系與他們有相同工作流程并整合了自動化平臺的實驗室，更好地理解使用特定設備的優缺點。

高通量研究和診斷正在使生命科學發生革命性的改變并加快了發現速度。實現pH值檢測等日常工作的自動化可以多種方式使實驗室獲益，包括節約費用、時間和試劑并獲得更穩定、更高質量的數據。越來越多的小型實驗室擁有更多的高價值、入門級的自動化設備，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，實驗室也必須選擇適應或忍受日益激烈的競爭環境所帶來的結果。

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