Robotyka laboratoryjna
Robotyka laboratoryjna to akt wykorzystywania robotów w laboratoriach biologicznych , chemicznych lub inżynierskich . Na przykład firmy farmaceutyczne zatrudniają roboty do przenoszenia próbek biologicznych lub chemicznych w celu syntezy nowych związków chemicznych lub testowania wartości farmaceutycznej istniejącej substancji chemicznej. Zaawansowana robotyka laboratoryjna może służyć do całkowitej automatyzacji procesu naukowego, jak w Robot Scientist .
Procesy laboratoryjne nadają się do automatyzacji robotów, ponieważ składają się z powtarzalnych ruchów (np. podnoszenie/umieszczanie, dodawanie cieczy/ciał stałych, ogrzewanie/chłodzenie, mieszanie, wytrząsanie i testowanie). Wiele robotów laboratoryjnych nazywa się potocznie autosamplerami , ponieważ ich głównym zadaniem jest dostarczanie ciągłych próbek do urządzeń analitycznych.
Historia
Pierwsze kompaktowe ramiona robotyczne sterowane komputerowo pojawiły się na początku lat 80. XX wieku i od tego czasu są nieprzerwanie stosowane w laboratoriach. Roboty te można zaprogramować do wykonywania wielu różnych zadań, w tym przygotowywania i obsługi próbek.
Jednak na początku lat 80. grupa kierowana przez Masahide Sasakiego z Kochi Medical School wprowadziła pierwsze w pełni zautomatyzowane laboratorium, w którym zastosowano kilka ramion robotycznych współpracujących z przenośnikami taśmowymi i automatycznymi analizatorami. Sukces pionierskich wysiłków Sasaki sprawił, że inne grupy na całym świecie przyjęły podejście Total Laboratory Automation (TLA).
Pomimo niezaprzeczalnego sukcesu TLA, jej wielomilionowy koszt uniemożliwił jej przyjęcie przez większość laboratoriów. Również brak komunikacji między różnymi urządzeniami spowalniał rozwój rozwiązań automatyki dla różnych aplikacji, przyczyniając się jednocześnie do utrzymywania wysokich kosztów. Dlatego branża wielokrotnie podejmowała próby opracowania standardów, których przestrzegaliby różni producenci, aby umożliwić komunikację między ich urządzeniami. Jednak sukces tego podejścia był tylko częściowy, ponieważ obecnie wiele laboratoriów nadal nie wykorzystuje robotów do wielu zadań ze względu na ich wysokie koszty.
Niedawno pojawiło się inne rozwiązanie problemu, umożliwiające wykorzystanie niedrogich urządzeń, w tym sprzętu typu open source , do wykonywania wielu różnych zadań w laboratorium. To rozwiązanie polega na użyciu języków skryptowych, które mogą kontrolować kliknięcia myszą i wprowadzanie danych z klawiatury, takich jak AutoIt . W ten sposób można zintegrować dowolne urządzenie dowolnego producenta, o ile jest ono sterowane przez komputer, co często ma miejsce.
Innym ważnym osiągnięciem w robotyce, które ma potencjalne implikacje dla laboratoriów, jest pojawienie się robotów, które nie wymagają specjalnego szkolenia w zakresie ich programowania, takich jak robot Baxter .
Aplikacje
Niskobudżetowa robotyka laboratoryjna
Wysoki koszt wielu robotów laboratoryjnych hamuje ich przyjęcie. Jednak obecnie istnieje wiele zrobotyzowanych urządzeń, które są bardzo tanie i można je wykorzystać do wykonywania niektórych prac w laboratorium. Na przykład niedrogie ramię robota zostało wykorzystane do przeprowadzenia kilku różnych rodzajów analiz wody bez utraty wydajności w porównaniu ze znacznie droższymi autosamplerami. Alternatywnie, autosampler urządzenia może być używany z innym urządzeniem, unikając w ten sposób konieczności zakupu innego autosamplera lub zatrudniania technika do wykonania pracy. Kluczowe aspekty osiągnięcia niskich kosztów w robotyce laboratoryjnej to 1) wykorzystanie tanich robotów, które stają się coraz bardziej powszechne, oraz 2) wykorzystanie skryptów, które umożliwiają kompatybilność między robotami a innym sprzętem analitycznym.
Robotyczni, mobilni operatorzy laboratoryjni i zdalnie sterowane laboratoria
W lipcu 2020 roku naukowcy poinformowali o opracowaniu mobilnego robota chemika i wykazali, że może on pomóc w eksperymentalnych poszukiwaniach. Zdaniem naukowców ich strategia polegała na zautomatyzowaniu badacza, a nie na instrumentach – dając naukowcom czas na kreatywne myślenie – i była w stanie zidentyfikować mieszaniny fotokatalizatorów do produkcji wodoru z wody, które były sześciokrotnie bardziej aktywne niż początkowe preparaty. Modułowy robot może obsługiwać instrumenty laboratoryjne, pracować niemal przez całą dobę i samodzielnie podejmować decyzje o swoich kolejnych działaniach w zależności od wyników eksperymentów.
Trwają prace nad „zdalnie sterowanymi laboratoriami”, które automatycznie wykonują dziennie wiele eksperymentów z zakresu nauk przyrodniczych i które mogą być obsługiwane z daleka, w tym we współpracy.
Zastosowania farmaceutyczne
Jednym z głównych obszarów zastosowania automatycznej syntezy jest określanie struktury w badaniach farmaceutycznych . Procesy takie jak NMR i HPLC - MS mogą teraz przygotowywać próbki za pomocą ramienia robota. Ponadto analiza białek strukturalnych może być wykonywana automatycznie przy użyciu kombinacji krystalografii NMR i rentgenowskiej . Krystalizacja często wymaga setek do tysięcy eksperymentów, aby stworzyć kryształ białka odpowiedni do krystalografii rentgenowskiej. Zautomatyzowana maszyna do mikropipet może pozwolić na jednoczesne utworzenie prawie miliona różnych kryształów i analizę za pomocą krystalografii rentgenowskiej.
Weryfikacja odtwarzalności
Testy diagnostyczne w kierunku patogenów
Na przykład istnieją roboty, które są używane do analizy wymazów od pacjentów w celu zdiagnozowania COVID-19 . Zautomatyzowane zrobotyzowane systemy obsługi cieczy były lub są budowane do testów przepływu bocznego . Minimalizuje czas pracy praktycznej, maksymalizuje rozmiar eksperymentu i umożliwia lepszą odtwarzalność.
Biologiczna robotyka laboratoryjna
Próbki biologiczne i chemiczne, w stanie ciekłym lub stałym, są przechowywane w fiolkach, płytkach lub probówkach. Często muszą być zamrożone i/lub uszczelnione, aby uniknąć zanieczyszczenia lub zachować swoje właściwości biologiczne i/lub chemiczne. W szczególności branża nauk przyrodniczych znormalizowała format płytki, znany jako płytka do mikromiareczkowania , do przechowywania takich próbek.
Standard płytki do mikromiareczkowania został sformalizowany przez Society for Biomolecular Screening w 1996 roku. Zwykle ma 96, 384 lub nawet 1536 dołków na próbki ułożonych w prostokątną matrycę 2: 3. Norma reguluje wymiary studni (np. średnicę, rozstaw i głębokość) oraz właściwości płyt (np. wymiary i sztywność).
Wiele firm opracowało roboty specjalnie do obsługi mikropłytek SBS. Takie roboty mogą być manipulatorami cieczy, które zasysają lub dozują próbki cieczy z i do tych płytek, lub „przenośnikami płytek”, które transportują je między instrumentami.
Inne firmy posunęły się jeszcze dalej w zakresie integracji: oprócz łączenia się z określonymi materiałami eksploatacyjnymi używanymi w biologii, niektóre roboty (Andrew by Andrew Alliance, patrz zdjęcie) zostały zaprojektowane z możliwością łączenia się z pipetami wolumetrycznymi używanymi przez biologów i personel techniczny. Zasadniczo cała ręczna czynność związana z obsługą cieczy może być wykonywana automatycznie, pozwalając ludziom spędzać czas na bardziej koncepcyjnych czynnościach.
Firmy zajmujące się przyrządami zaprojektowały czytniki płytek , które mogą wykrywać określone zdarzenia biologiczne, chemiczne lub fizyczne w próbkach przechowywanych na tych płytkach. Czytniki te zazwyczaj wykorzystują optyczne i/lub komputerowe techniki wizyjne do oceny zawartości studzienek płytki do mikromiareczkowania.
Jednym z pierwszych zastosowań robotyki w biologii była synteza peptydów i oligonukleotydów . Jednym z wczesnych przykładów jest reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR), która jest zdolna do amplifikacji nici DNA za pomocą termocyklera w celu mikrozarządzania syntezą DNA poprzez dostosowanie temperatury za pomocą gotowego programu komputerowego. Od tego czasu zautomatyzowana synteza została zastosowana w chemii organicznej i rozszerzona na trzy kategorie: układy bloków reakcyjnych , układy ramion robotów i nierobotyczne układy płynów . Głównym celem każdego zautomatyzowanego stołu roboczego jest wysoka przepustowość procesów i redukcja kosztów. Dzięki temu laboratorium syntetyczne może pracować wydajniej przy mniejszej liczbie osób.
Synteza bibliotek kombinatorycznych
Robotyka ma zastosowania w chemii kombinatorycznej , która ma ogromny wpływ na przemysł farmaceutyczny . Zastosowanie robotyki pozwoliło na stosowanie znacznie mniejszych ilości odczynników i masowe rozszerzanie bibliotek chemicznych. Metodę „syntezy równoległej” można ulepszyć za pomocą automatyzacji. Główną wadą „syntezy równoległej” jest ilość czasu potrzebnego do opracowania biblioteki, zazwyczaj stosuje się automatyzację, aby uczynić ten proces bardziej wydajnym.
Główne typy automatyzacji są klasyfikowane według rodzaju substratów fazy stałej, metod dodawania i usuwania odczynników oraz konstrukcji komór reakcyjnych. Żywice polimerowe mogą być stosowane jako podłoże dla fazy stałej. Nie jest to prawdziwa metoda kombinatoryczna w tym sensie, że „split-mix” gdzie związek peptydowy jest dzielony na różne grupy i poddawany reakcji z różnymi związkami. Następnie miesza się to z powrotem, dzieląc na więcej grup i każdą grupę poddaje się reakcji z innym związkiem. Zamiast tego metoda „syntezy równoległej” nie miesza się, ale poddaje reakcji różne grupy tego samego peptydu z różnymi związkami i pozwala na identyfikację indywidualnego związku na każdym stałym nośniku. Popularną wdrażaną metodą jest system bloków reakcyjnych ze względu na stosunkowo niski koszt i wyższą wydajność nowych związków w porównaniu z innymi metodami „syntezy równoległej”. Synteza równoległa została opracowana przez Mario Geysena i jego kolegów i nie jest prawdziwym typem syntezy kombinatorycznej, ale może być włączony do syntezy kombinatorycznej. Ta grupa zsyntetyzowała 96 peptydów na plastikowych szpilkach pokrytych stałym nośnikiem do syntezy peptydów w fazie stałej. Ta metoda wykorzystuje prostokątny blok przesuwany przez robota, dzięki czemu odczynniki mogą być pipetowane przez zrobotyzowany system pipetowania. Blok ten jest podzielony na studzienki, w których zachodzą poszczególne reakcje. Związki te są później odcinane od fazy stałej studzienki do dalszej analizy. Inną metodą jest system zamkniętego reaktora, który wykorzystuje całkowicie zamknięte naczynie reakcyjne z szeregiem stałych połączeń do dozowania. Chociaż daje mniejszą liczbę związków niż inne metody, jej główną zaletą jest kontrola nad odczynnikami i warunkami reakcji. Opracowano wczesne zamknięte układy reakcyjne do syntezy peptydów, która wymagała wahań temperatury i zróżnicowanego zakresu odczynników. Niektóre roboty z zamkniętym systemem reaktorów mają zakres temperatur 200°C i ponad 150 odczynników.
Oczyszczenie
Symulowana destylacja, rodzaj metody testowania chromatografii gazowej stosowanej w ropie naftowej, może być zautomatyzowana za pomocą robotyki. Starsza metoda wykorzystująca system o nazwie ORCA (Optimized Robot for Chemical Analysis) została wykorzystana do analizy próbek ropy naftowej metodą symulowanej destylacji (SIMDIS). ORCA umożliwiła skrócenie czasu analizy i obniżyła maksymalną temperaturę potrzebną do elucji związków. Jedną z głównych zalet automatyzacji oczyszczania jest skala, w jakiej można przeprowadzić separację. Za pomocą mikroprocesorów separację jonowymienną można przeprowadzić w skali nanolitrowej w krótkim czasie.
W ekstrakcji ciecz-ciecz (LLE) wdrożono robotykę, aby usprawnić proces przygotowywania próbek biologicznych przy użyciu 96-dołkowych płytek. Jest to metoda alternatywna dla metod ekstrakcji w fazie stałej i wytrącania białek, która ma tę zaletę, że jest bardziej powtarzalna, a pomoc robota sprawiła, że LLE jest porównywalna pod względem szybkości z ekstrakcją do fazy stałej. Robotyka zastosowana w LLE może przeprowadzić całą ekstrakcję z ilościami w skali mikrolitrów i przeprowadzić ekstrakcję w zaledwie dziesięć minut.
Zalety i wady
Zalety
Jedną z zalet automatyzacji jest szybsze przetwarzanie, ale niekoniecznie szybsze niż w przypadku człowieka. Powtarzalność i odtwarzalność są ulepszone jako zautomatyzowane systemy, ponieważ jest mniej prawdopodobne, że będą miały różnice w ilościach odczynników i będą mniej prawdopodobne, że będą miały różnice w warunkach reakcji. Zazwyczaj produktywność wzrasta, ponieważ ograniczenia ludzkie, takie jak ograniczenia czasowe, nie są już czynnikiem. Wydajność jest generalnie lepsza, ponieważ roboty mogą pracować w sposób ciągły i zmniejszyć ilość odczynników używanych do przeprowadzenia reakcji. Zmniejsza się również ilość odpadów materiałowych. Automatyzacja może również zapewnić bezpieczniejsze środowisko pracy, ponieważ nie trzeba obchodzić się z niebezpiecznymi związkami. Dodatkowo automatyzacja pozwala personelowi skupić się na innych zadaniach, które nie są powtarzalne.
Niedogodności
Zazwyczaj koszt pojedynczej syntezy lub oceny próbki jest kosztowny w konfiguracji, a koszt uruchomienia automatyzacji może być drogi (ale patrz powyżej „Tania robotyka laboratoryjna”). Wiele technik nie zostało jeszcze opracowanych dla automatyzacji. Ponadto występują trudności w automatyzacji przypadków, w których wymagana jest analiza wizualna, rozpoznawanie lub porównanie, takich jak zmiany kolorów. Prowadzi to również do ograniczenia analizy przez dostępne dane sensoryczne. Jedną z potencjalnych wad jest rosnący niedobór pracowników, ponieważ automatyzacja może zastąpić pracowników, którzy wykonują zadania łatwo powielane przez robota. Niektóre systemy wymagają użycia języków programowania, takich jak C++ lub Visual Basic do wykonywania bardziej skomplikowanych zadań.