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移液器彻底改变了世界之旅

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----走向世界的千分之一升
2018-04-17 14:11
来源:实验与分析
Ilka Ottleben
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  1945年6月,第二次世界大战刚结束几周,德国Lübeck-Travemünde市便成为自行车商务旅游的起点:为Eppendorf股份公司的成立提供了交通便利。分别来自汉堡市与汉堡大学Eppendorf医学中心理论研究所的Hans Hinz与Heinrich Netheler博士,为使自己在技术得以应用,合伙成立仪器公司。时至今日,在卫生事业领域发挥最大作用,仍是公司的信条。

微升级液体量移液

图1 离心微升系统的整体方法与标准于二十世纪六十年代在实验室世界建立

  事业初见成效:1945年7月,该公司与高校管理层签订合作协议,由Heinrich Netheler博士任“物理测量技术医疗器械工作组”负责人。大学管理部门允许其将仪器设备安置在医院空地25号简易房中使用。该协议的条件是:所使用的仪器设备需用于“支持科学研究、满足理论科学研究需求。”

  第一块里程碑

  医疗器械研究所遇到的挑战并非经济形势严峻而是缺少必要的实验材料。1946年3月8日,从工作站发展起来的企业“电子医疗设备有限责任公司”需要根据医生需求在最短时间内拿出创新型医疗器械解决方案。从水银灯稳定控制装置合同中诞生了第一支商用Eppendorf光度计。该移液器在1949年汉诺威工业展上作为样品公开展示,为酶法分析带来革命性转变。伴随着光度计的产生,Eppendorf逐渐形成了品牌概念。1963年,120名职工最终将其定名为“Eppendorf仪器制造Netheler&Hinz有限责任公司”。

  Marburg移液器

  第一支Eppendorf移液器诞生的合同由新近成立的公司中的Theodor Bücher博士接手。战前,Theodor Bücher博士在Otto Warburg教授酶技术领域中从事研究工作。1958年,时任Marburg大学生理化学教授的Bücher博士告知Netheler博士:一位同事发明出小容量检测用装置并已申报专利。该项信息迅速引起Netheler博士兴趣。当时,人们利用玻璃吸管在毫升级范围内移液,液体的吸取需使用移液辅具,例如,通过移液管吸球或通过连接软管用嘴吸,而用嘴吸取样本可能危及实验室工作人员人身安全。由于精度不高、重复再现性能差,在处理量小的液体样本时异常困难。

  Bücher先生的同事Heinrich Schnitger博士在进行科研工作过程中,必须能够从小白鼠肝脏中提取小量样本,该项任务极具挑战性,为此,他研发出第一支微量移液器(活塞式移液器)。时至今日,人们仍然将该种移液器称为Marburg移液器或Schnitger移液器。

  1957年申报、1960年批准的专利“快速和准确吸取少量液体装置”表示:“很长时间以来,无需耗费太多精力和注意力便能吸取1至100微升少量液体进行移液。

  所能达到的绝对精度:尤其是同一仪器所能实现的重复再现精度尽可能不低于移取大量液体时精度,即,绝对精度约1%,重复再现精度约0.5%至0.5‰。”

  第一支活塞式移液器是一支能够按照位移原理工作的移液吸管,具有可移动式活塞与空气柱。Schnitger博士认为他发明的移液器结构中的插入式吸嘴由“化学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”唯一接触液体的一次性用品。

  Schnitger先生授权Eppendorf公司独家许可,从事“Marburg吸管”的生产和销售。同样,该公司在他的协助下通过多次设计与改进满足移液器在临床化学实验室的使用需求,奠定了Eppendorf针式移液器研发生产的基石。

  微升系统

  活塞式移液器的首次工业化生产推动了微升级容量移液器系统的研发。可拆卸针尖型吸嘴开启了工业化生产进程,实验室工作过程中使用的反应容器同样出现了适用于小容积品种类型的移液器。1963年,第一支Eppendorf管式移液器问世,具有Eppi之称的革命性1.5 mL反应器迅速出现于世界各地的医学和科学实验室之中。每项试验都需要运用非常干净的容器来放置样本:尤其是分子生物学和临床医学研究过程中,没有Eppi和它之后一代又一代开发的新产品、没有特殊材料和一次性吸嘴根本不可能。在离心机、摇床或试管加热板等实验室设备中,一直保持该种“范式转移”移液器,最终“Eppendorf微升系统”诞生并成为科研和临床化学的全球基准。

  凭借在1964年推出的微量液体移液系统,分子生物学领域或天然药物研究领域中量小但价值很高的样本能够被安全可靠的检测分析。在临床化学领域,微升系统的引进大大减少疾病诊断分析时所需的采血量,为患者带来更多舒适与安宁。

  1965年Eppendorf公司开始汉堡市Barkhausen路总部建造。1996年,Eppendorf公司移液管的销售收入超过一百万大关,但在短短五年后又突破千万大关。由于实验人员对移液管和吸嘴具有大量需求,1975年Eppendorf公司又在Oldenburg市、Holstein市新建两个生产厂,时至今日,仍在生产各种移液器耗材,一年前,该公司招聘了500名职工。

  容积原则

  精度和重复精度对移液器是评价移液器性能的重要指标。通过技术上的不断开发,在随后的几年里,Eppendorf公司成功改进第一种型号移液器的精度和准确度。产品的组合式开发设计和生产制造越来越以用户需求为主导。在微升系统领域中,这种趋势从一开始的刚性实验室结构向着越来越灵活、模块化系统方向发展,而且,对移液提出更高的灵活性需求。从最初固定容积移液器设计开始,微升移液系统同样出现可调容积式移液器。

  同时,Eppendorf公司十分重视用户对移液器移液量和移液速度的需求。早在Schnitger先生时代,物理检测参数对移液管具有影响和限制。1979年,第一支活塞式移液管问世后的17年,Eppendorf公司再次向生命科学市场领域推出革命性具有容积原理工作的Multipette手持式分液器。时至今日,该种人工手动式分液器仍然是Eppendorf公司最成功的产品之一(参见图2)。

  Multipette手持式分液器无需反复吸液就可以连续分液且具有较高移液量需求;另一方面,Eppendorf公司开发出完全不同于移液管的移液原理:即,移液过程中,温度等物理参数或移液介质的化学物理特性对移液精度影响更小。

  容积式移液采用特殊的移液原理:具备与被移液介质直接接触的内置活塞,能够排除移液器吸头中的空气,使具有容积原理的移液器能够在移液管系统中无法胜任的场合中使用,例如,在具有高蒸汽压力、高粘度或高密度的移液场合中使用,避免无意中因气溶胶形成的气垫带来的交叉污染。从那以后,Eppendorf公司便能够以Combitip品牌名称生产和销售容积原理移液器吸头。

容积式移液

图2 Eppendorf公司的Multipetten/Repeater移液器为串行配药提供便利

  百万支移液器

  1981年,Eppendorf公司卖出了第一百万支移液器:1979年投放市场的Varipette4710型定制版移液器。此时,该公司职工人数已发展到约700人。从1980年开始,日本已成为继美国之后的第二大移液器出口国,移液器的销售量具有巨大的增长潜力。Eppendorf品牌同样成为全球注册的著名品牌。

  这段时间,分子生物学领域出现了划时代的研究成果,例如,1983年Kary Mullis发明了PCR(聚合酶链式反应)并因此于1993年荣获诺贝尔化学奖。该种最小量DNA周期性能够使DNA在一定温度条件下进行反应并能够使其进行特殊复制,是未来分子生物学研究、疾病诊断、法医学和无数其他应用领域以及科学研究过程中不可或缺的方法。该种方法以没有绝对交叉污染为前提,满足了分子生物学、微生物学与细胞生物学和其他许多方法杀菌消毒的要求,而且,Eppendorf公司同样承担提供耗材和供应移液器责任。1990年,Eppendorf公司将第一种高压灭菌式移液器Varipette4810投放市场。1991年,投放市场的Bio-master移液器避免了气溶胶的形成,从而,彻底避免了交叉污染。特殊的过滤方案使该种移液器能够配置成移液管式结构形式。

  从1976年起,由Eppendorf生产的容量式移液器便能够按照一键式操作原理使用。1995年,投放市场的Research 3110型移液器采用两键式操作:除操作控制按钮之外,还有吸头拆卸按钮,该种移液器设计原则在世界各地许多科研机构中广受欢迎。从此,Eppendorf公司结束了实验室中并行存在、两种基本形式移液器之间孰好孰坏的争吵。专为实验室科研应用量身定制的Research系列移液器同样属于Eppendorf公司,至今仍为十分受欢迎的手动式移液产品。

  移液量和数字化

  20世纪末,21世纪初,检测分析样本数量呈持续性增长,在临床领域中表现尤为突出。许多地区成本费用压力越来越大,因此,出现了高效移液解决方案与实验室工作流程自动化强烈需求。与此同时,软件技术、电子技术与蓄电池技术迅猛发展,实验室检测分析向数字化方向发展。

  1994年,Eppendorf公司推出第一款8至12通道的多道移液器Titerman 4908,能够让研究人员从此快速、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系列电动移液器。该解决方案允许用户以更高的速度、更高的操作可靠性和较高的重复精度毫不费力完成复杂的移液任务。在移液过程中,电动移液器也能够完成部分容量移液任务,从而开辟移液处理领域的新天地,多通道型移液器明显提高了时间效率和移液量。

  关注用户

  市场中出现的新产品,例如,2010年投放市场的Explorer系列电子移液器所提供的远远超出了减轻疲劳和提高移液的重复精度。编写复杂报告的可能性、完成例行工作的可能性或者将使用报告保存到历史日志中的可能性都进一步的简化了实验室的工作流程。

  Eppendorf公司还通过高水平的软件设计和移液器硬件设计实现了简单而且直观的操作系统。提高了的要求以及在受监管的应用场合中,可以使用像Explorer plus移液器这种有着密码保护或者显示维护保养周期的电子移液器。据预测:未来许多领域中对数据记录和数据处理的要求将会继续增加。这也是Eppedorf公司未来以用户为中心解决方案中可以解决的一种趋势。

  人体工程学的要求

  从1970年起,Eppendorf公司便将用户以及用户需求作为产品研发的重点并开始按照人体工程学原理优化产品。2003年,Eppendorf公司的Physio Care Concept人体工程学理念问世。作为一项整体性解决方案,实验室工作流程需要将职工健康和舒适度结合在一起。

图3 新型剂量工具:Ep Motion 5070、5073及5075自动液体处理系统

  符合人体工程学的移液器设计需要按照当前人体工程学知识和原理对移液操作以及移液器外形、重量和重量分布、操作按钮的相互位置或所需操作力和吸头的配合精度等方面进行优化。最著名的便是移液器的吸嘴问题:移液器吸嘴既不能有太高的“附着力”,紧紧的“抓住”移液器不放,也不能太松影响移液效果,该问题通过加装弹簧以及经具有弹性的吸嘴圆锥限制吸嘴最大插装力方式解决,整支移液器重量一直在不断减少。除操作的舒适性和易于使用外,还应防止用户患上RSI重复性疲劳综合症风险。对电子移液器来讲,直观的操作界面或较好的可读识性能属于人体工程学设计范畴。

  2009年,投放市场的Research plus系列移液器是Eppendorf公司提供的重量只有80克超轻量级移液器,为人体工程学移液器树立新尺度。

  Eppendorf公司负责营销工业市场、医疗保健、医疗器械领导人Kay Koerner博士表示:“为实现如此轻的重量,选用材料也应该能够按照准确的方式相互匹配。”该种材料必须重量轻,同时,坚固耐用、抗冲击、耐磨蚀并具有较低的导热性和较大的热容量。在长期的批量移液过程中,手的温度是影响移液精度的重要因素;各种材料的相互组合对于诸如高压灭菌等过程具有非常重要的作用。将所有优点结合到一起并不容易。

  除此以外,Koerner博士表示:“所有材料必须是‘经济实惠、买得起的产品’。Eppendorf公司在活塞式系列Research plus移液器中使用Foltron——一种在航天领域中使用的聚合物。在过去的10年到15年时间里,我们在塑料与材料方面做了许多工作。研发工作还远远没有结束,未来十年内,继续研发、生产的移液器会更轻或更加容易使用新材料并将更多的新功能结合到一起。”

  从微升到纳升

  越来越轻、越来越快,意味着移液量也越来越小吗?Eppendorf公司移液产品全球销售经理Florian Bundis博士表示:“在手动移液过程中,至今打破企业创始人的微升级记录——估计将来也不会。当然,我们将移液器精度和准确性明显改进提高,所能达到的公差水平相当高、偏差相当小,在手工操作的移液系统中已无法继续改进提高。虽然,今天的校准实验室有能力完成小于1微升手工移液校准,受环境条件影响,例如,风或温度波动和操作者移液器握持方式本身等均在常规实验条件下极大影响了移液的精度和准确性,使手动移液精度和准确性无法在纳升级范围内继续传承下去。此时,人们只能依赖自动化移液系统。”

  Eppendorf公司从2003年开始就为实验室自动化提供epMotion系列移液器——一种能够在微升与纳升级范围内大量移液的高重复精度移液器。该系列移液器配有多种可选附件,例如,运输夹具、真空工作台、内置混合器或温控装置;典型的应用范围,例如,临床研究中心或药物研究中心等。当前Eppendorf公司提供的epMotion系列的移液器有5070型、5073型和5075型三种型号,配备自动移液系统以及它们的附件和耗材,可以完成最小移液量10微升至最低200纳升,有效简化实验室工作流程。

  Koerner博士表示:“自动移液系统是Eppendorf公司增长势头最强的经营领域;该领域具有两个主要发展方向,一个是大型自动化移液系统、大容量的自动化移液系统;另一个是专门完成特殊移液任务的专用型自动化移液系统。”

图4 汉堡总部:Eppendorf自2000年起采用股份制,如今,有超过3000员工,归创始家族所有

  拥有12级精密度

  过去,Eppendorf公司通过研究与临床实践革命性开发微升级移液系统,时至今日,已成为全球实验室标准配置。50年后,该公司产品的覆盖面之大将无法估量:1985年,该公司在检测分析仪器设备制造领域中,成功推出的移液器能够在细胞注射系统研发过程中直接完成向活细胞注射任务;该注射任务在显微镜下将毫微微升级液体注射至细胞内(1毫微微升=10-15升=微升的十亿分之一),该移液系统至今仍应用于不同生物医学研究领域。移取液体量如此之小:一秒钟连续注射,300年才装满1.5毫升反应管。利用自动化移液系统能够成功将移液系统应用于纳升级超微量应用领域。在手动和电子移液以及分液过程中,Eppendorf公司的产品涵盖微升和毫升领域。除此之外,该公司仍然需要像从前一样生产带有毫升刻度的血清移液器,包括:所需的附件与耗材。

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