自动化pH值检测：实验室实现精确性和高效率的最优选择- 大数跨境

进科驰安

2024-07-03

导读：随着通量的提升，生命科学研究和诊断所生成的数据逐年增多，无法适应的实验室正被时代抛在后面。

随着通量的提升，生命科学研究和诊断所生成的数据逐年增多，无法适应的实验室正被时代抛在后面。

手动pH值检测是最耗时也最易产生错误的实验室工作之一。因为检测流程包括标准化计量仪、平衡时间、清洁探针等，所以即使检测少量样品也需要花费不成比例的大量时间。这种对时间的显著需求也会导致测量的差异性，特别是在样品不能同时检测或者不能由同一个技术员来进行检测的情况下。

为了解决对大量样品进行检测相关的这些痛点并减少工作流程的瓶颈和错误，需要开发自动化pH值检测仪。通过采用自动化解决方案，不同规模的实验室均可提高数据的质量、合规性和效率，而且能够从快速的投资回报（ROI）中获利。

近期的技术进步和自动化实验设备研发者之间的竞争加剧提升了产品的质量和多功能性，同时降低了价格，使得现在比任何时间都更容易获得高价值的入门级自动化pH值检测仪。

消除瓶颈，实现效率最大化

自动化pH值检测对实验室有2个主要作用：

1) 提高实验室员工的效率
2) 提高诊断或研究项目的总体产出

因为可以把单调且耗时的工作任务交给自动化系统来操作，所以自动化pH 值检测可以直接提高实验室工作人员的个人效率。这样工作人员可以用节省的时间来做更重要的实验室工作，包括分析数据和试剂配制等不容易自动化的工作。实验室工作人员通常都非常愿意把这些枯燥乏味的实验室职责交给自动化系统，而后者不会觉得无聊也不知疲倦。

自动化pH值检测能够采用同样的时间和完全一致的检测方式，所以可以基本消除产生差异的可能性（如图1所示）。有些实验室管理者可能觉得将单调枯燥的任务交给经验和知识有限，但成本比较低的实验人员的方案很有吸引力，但pH值检测出现差异或错误进而导致实验失败或因检测差异掩盖了实验中的细微都效应都足以快速抵消任何的预期收获。

图1. 日常变化的差别。左侧描绘了人工检测所产生的较大的日常差异，而右侧则显示了采用自动化系统所产生的小得多的日常差异。（https://www.itl.nist.gov/div898/handbook/mpc/section1/mpc114.htm）

自动化通过消除通量瓶颈，允许项目处理和检测更多的样品并生成更多的数据来提高实验室的产出。因为生命科学诊断和研究变得越来越高通量化，细胞培养、表型分析和药物研发等实验方案通常都需要通过自动化检测在一个分析的不同时间点高效地确定pH值。

自动化技术提高了潜在的通量和各地实验室的总体产出；并引起了出资机构的关注。样品数量的提升增加了实验的统计能力，研究者也能够发现容易被掩盖的更细微的效应。很多出资机构会优先考虑资助整合了新技术致力于提高研究和诊断的产出和效率的实验室。

提高数据质量与合规性

必须要面对的事实是数据的质量问题通常来源于人为失误。

举例来说，在检测不同样品之间，如果未能正确维护和清洁电极，可能导致pH值的读取更容易出现由于污染物和前序样品残留导致的错误。不熟练的技术员在校准手动pH值检测仪时，可能会不准确操作或者根本不能校准，从而导致pH值的读取不准确（如图2所示）。下游解读数据点的实验室工作人员在分析实验结果时，很可能不知道pH检测仪是否或如何校准或清洁的，因此整个研究的准确性将受到影响。

图2. 不准确的pH值检测通常是由使用者的人为失误而导致的。（https://blog.thermoworks.com/thermometer/ph-meter-care-and-common-mistakes/）

实验室工作人员也可能因为pH检测仪的电极干燥而导致读取速度变慢或不准确。技术员可能因为干扰暂时离开，回到实验室时，电极灯泡已经在空气中放置了太长时间。即使对电极再水化，也需要15分钟。

自动化检测通过在操作样品之间对电极进行持续清洁和风干、校准电极以及在检测操作之间将电极灯泡保存在合适的存储溶液中来消除这些人为失误。如前所述，自动化pH值检测还能够降低检测差异性。

另外，一些实验室应用要求符合FDA 21 CFR Part 11的要求，使用电子记录和签名实现质控检查的自动化和简化并保证可追溯性。包括Hudson Robotics的Rapid_pH入门级自动化pH检测仪在内的自动化pH检测系统都提供符合21 CFR Part 11标准的设备和软件，较之前更容易实现报告的合规性。

权衡pH值自动化检测的费用和收益

高通量自动化对生命科学的研究和诊断大有助益。不同于传统的检测设备，自动化检测设备是按照大规模样品操作和分析的需求而设计的，可以处理持续大量样品和持续检测。

自动化pH检测最常见的障碍是购买自动化系统的前置费用。然而大多数实验室管理者在得知Hudson入门级系统，特别是基于微孔板的系统的合理价格和多功能性后都喜出望外。入门级系统通常都放置在实验室的台面上，所以附加收益还包括无需或者只需要极少的基础设施建设费用。

对实验室管理者来说，在断然排除自动化系统之前充分了解自动化的长期收益非常重要（如图3所示）。一些研究概述了不同实验室自动化系统的具体价格和回报周期从而得出投资回报率（ROI），显示自动化系统在临床和科研实验室均可提升费用和时间效率。

举例来说，配备自动化的组织学实验室通过降低完成特定任务（如pH值检测）所需的实验室人员的费用，抵消了前置设备费用及相关的基础建设费用。无论是从实验室预算中去除这些工时，还是回收这些工时去做其他非日常重复工作，都提高了实验室的时间及费用的效率，增加了产出。

实验室自动化降低费用的第二种方法是避免人为失误。更确切地说，自动化平台通过实现的检测标准化，提高了检测的一致性，降低了因不同技术员之间的样品处理差异、操作错误或疲劳而导致的结果差异性。目前还没有自动化pH值检测降低错误率的专门数据，但组织学实验室的自动化条形码技术及其他工作流程的标准化能够将部分错误降低50%以上，而玻片错误可降低90%。

图3. 实验室自动化提高效率并提升数据质量的途径

自动化还能带来其他隐形红利。如缩短工作流程的周期及方案转变时间，并因此提高客户满意度和人员产出，提升研究效率，而且能够减少因用人为失误而造成的耗材和试剂浪费的费用。

评估投资收益率（ROI）

确定费用相关的ROI的方法之一是评估采用实验室自动化平台所节约的FTE数量。用测试所需的FTE的数字除以采用实验室自动化之前及之后完成的测试的数量（如图4所示），领导层可以粗略评估一个特定的自动化平台的投资回收期。作为参考， Hudson的 Rapid_pH 平台测试一块96孔板的时间在1小时10分至1小时45分之间。

图 4. 比较采用实验室自动化之前（B）及之后（A）每单位数量所需的人员费用。

因为人员费用是任何实验室预算中的最高项目之一，任何层级的自动化都有潜力显著节约总体费用。以组织学实验室为例，通过整合自动化及适度地减少耗材和试剂的用量，每张玻片可降低的费用能够高达8.8%。举个例子，如果实验室需要一个技术员每周用5天给400个样本测pH，而采用一台价值7万5千美金的自动化平台来替代其工作的话，回报周期仅为2.8年。

另外，自动化可以提高正常工作时长以外所进行测试的数量。而对于习惯于在常规工作时间操作和检测样品的实验室来说，自动化可以显著提高数据的获取和产出。

考虑pH值自动化检测的选项

并非每个实验室都需要将工作流程完全自动化或者实现整个实验室的自动化，但管理者通常更喜欢实验设备能够适应新的、不断变化的实验方案，而且在今后能够其与他系统整合。

自动化pH值检测平台旨在完成校准、稳定时间、检测、浸洗、风干及记录样品pH结果全流程。今天，自动化pH检测平台既可作为单独的机器独立存在，也可添加测试模块和软件实现自动上样系统的功能。

目前的自动上样系统采用较高通量模式相比大得多的操作体积，限制了其在很多实验室设置中的可操作性。与之相反，针对pH值检测的自动化系统是围绕标准SBS样品板的尺寸而设计的，所以与高通量应用更兼容。以Hudson的Rapid_pH为例，可用于检测24至96孔板，检测体积可低至75 µL。该系统还可以检测高达55 mm的深孔培养板中的测试样品。

自动化pH值检测平台也可根据特定分析的需要配置附加性能。自动进样系统和高通量自动化pH检测仪都可以装独特的pH探头用于检测更粘稠的样品，清洗系统可在处理不同样品之间充分清洗探头。如果检测之间需要洗涤剂清洗或消毒，也可为系统添加静电清洗孔。

如果实验方案需要在不同的温度下进行pH检测，也可以为自动化平台配置可控温的加热模块（如图5所示）和温度补偿软件来实现。Hudson的 Rapid_pH系统还为需要电子报告的实验室提供FDA CFR 21 Part 11的合规软件。

图 5. Hudson 公司的Rapid_pH 自动化实验室 pH 值检测仪的可控温的加热模块。（https://hudsonrobotics.com/ph-meters/benchtop-ph-meter/）

许多实验室自动化解决方案的生产商都设计了全系列的产品和软件来实现常见的实验室工作流程的自动化。随着市场上竞争的加剧，在实验方案转变或产生其他自动化需求时，自动化设备能够配合其他厂家的设备解决方案显得尤为重要。实验室自动化的调度软件，如Hudson Robotics的SoftLinx软件，能够接合许多生产商的设备, 从而实现开/关微孔板进出口、运行特定实验方案、检查仪器状态、读取运行输出数据，并根据检测结果做出反馈。

最后，自动化设备应该简单易用而且只需极短的培训时间：因为自动化解决方案本来就是设计用于节省操作者的时间。销售自动化实验室设备的公司能够为潜在的购买者提供已购买并使用其自动化实验室解决方案的实验室的信息。实验室管理者可以联系与他们有相同工作流程并整合了自动化平台的实验室，更好地理解使用特定设备的优缺点。

高通量研究和诊断正在使生命科学发生革命性的改变并加快了发现速度。实现pH值检测等日常工作的自动化可以多种方式使实验室获益，包括节约费用、时间和试剂并获得更稳定、更高质量的数据。越来越多的小型实验室拥有更多的高价值、入门级的自动化设备，越来越激烈的市场竞争也使价格在近10年来越来越具竞争力。正如自然选择，实验室也必须选择适应或忍受日益激烈的竞争环境所带来的结果。

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