國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室自動化現(xiàn)狀及發(fā)展

實(shí)驗(yàn)室自動化是指利用各種自動檢測儀器和計(jì)算機(jī)等手段實(shí)現(xiàn)測量、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理的自動化，減輕實(shí)驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)，提高工作效率。本文對當(dāng)前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室自動化的普及度作了論述，并探討了未來的發(fā)展方向。

實(shí)驗(yàn)室自動化近年來已成為深受科研機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域、檢驗(yàn)檢測行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。以2020年初爆發(fā)的新冠肺炎疫情為例，面對突然激增的檢測樣本數(shù)量，以及對樣品檢測效率和準(zhǔn)確性的高要求，催生了大量的自動化儀器設(shè)備和集成化的手段，例如全自動移液工作站、全自動核酸檢測儀器等。

本文旨在基于調(diào)研的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室自動化的普及廣度及深度做一些初步的論述，探討一下實(shí)驗(yàn)室自動化未來的發(fā)展方向及其重點(diǎn)。限于作者水平，文中觀點(diǎn)可能有偏頗之處，歡迎在評論區(qū)批評指正。

對于實(shí)驗(yàn)室自動化，到目前為止并沒有一個普遍的定義，通常是指利用各種自動檢測儀器、設(shè)備和計(jì)算機(jī)等手段實(shí)現(xiàn)測量、實(shí)驗(yàn)（包括樣品制備、前處理等）和數(shù)據(jù)處理的自動化，借以減輕實(shí)驗(yàn)人員的手工操作，提高科研工作效率。一般來說，根據(jù)自動化的程度和規(guī)模，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室自動化大致可分為以下四個層級：

一、單模塊形式自動化，也就是針對實(shí)驗(yàn)室某一操作或步驟進(jìn)行自動化和智能化，例如自動化樣本運(yùn)輸，自動化樣本存儲，自動化配液，自動化稱量、自動化離心、自動化消解以及自動化測試等操作。

二、工作站形式自動化，主要針對某些常用的流程，集成多個模塊，以實(shí)現(xiàn)一序列連續(xù)的自動化，例如化學(xué)前處理流程自動化、病毒前處理流程自動化、微生物前處理流程自動化、核酸檢測流程自動化等。

三、流水線形式自動化，即針對大量的樣品，集成多種樣品前處理及測試分析儀器，實(shí)現(xiàn)全流程自動化，包括自動化樣本運(yùn)輸、自動化開蓋壓蓋、自動化離心、自動化混合、自動化過濾以及自動化上機(jī)檢測等。

四、機(jī)器人形式智能化，也就是實(shí)驗(yàn)室自動化的最高級別，即實(shí)驗(yàn)室智能化操作和管理，通過近距離或遠(yuǎn)程對智能機(jī)器人發(fā)出指令，進(jìn)行所有的實(shí)驗(yàn)室操作，包括樣品前處理、分析檢測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，并可以循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行。

就中國目前的實(shí)驗(yàn)室自動化發(fā)展水平而言，有一種說法認(rèn)為中國的實(shí)驗(yàn)室自動化發(fā)展水平相比歐美發(fā)達(dá)國家有大約20余年的時間差。據(jù)2020年7月8日Nature期刊封面報(bào)道，英國利物浦大學(xué)的研究人員建造了世界上第一臺自主移動機(jī)器人科學(xué)家，可進(jìn)行7×24小時連續(xù)工作并自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而首次實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)設(shè)備自動化向操作人員‘自動化’的突躍。

實(shí)驗(yàn)室自動化的另一個發(fā)展方向在于集成化。在這方面，Automated Science系列公眾號曾報(bào)道，美國在生化領(lǐng)域已經(jīng)有集成化云端實(shí)驗(yàn)室投入市場，科技工作者客戶只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)框架和各項(xiàng)參數(shù)，以及郵寄一些特別的原始材料，就可以由機(jī)器遠(yuǎn)程在云端實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)解決下游的所有實(shí)驗(yàn)過程，并反饋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助客戶分析數(shù)據(jù)。

可以說，歐美發(fā)達(dá)國家的實(shí)驗(yàn)室自動化已開始向智能形式機(jī)器人邁進(jìn)，而在中國，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室自動化的程度還主要停留在單模塊形式上。個別領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了工作站形式以及部分實(shí)現(xiàn)流水線形式自動化。

在國內(nèi)，目前實(shí)驗(yàn)室自動化應(yīng)用程度最高的是醫(yī)院檢驗(yàn)科，現(xiàn)階段可以達(dá)到采血后放到機(jī)器，通過生化免疫流水線完成全部的前處理、檢測、結(jié)果報(bào)告和后續(xù)樣品存儲等全檢驗(yàn)過程自動化，極大程度地簡化了工作流程，加強(qiáng)了質(zhì)量管理，降低了人為誤差和生物污染率等。

流水線全稱為全自動實(shí)驗(yàn)室軌道連接系統(tǒng)(Total laboratory automation，TLA)，簡稱TLA，根據(jù)檢測項(xiàng)目可分為生化免疫流水線、血球流水線、尿液流水線等。目前國內(nèi)90%的用戶群體為中大型醫(yī)院檢驗(yàn)科，當(dāng)前國內(nèi)保有量約為1500套。TLA是全方位的自動化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，由輸入/輸出、離心、脫蓋、分杯、分析、加蓋、存儲及數(shù)據(jù)管理8大基本功能模塊組成，具體環(huán)節(jié)主要包括：自動掃碼、樣本分揀、離心、脫蓋、分析、加蓋、存儲、傳輸結(jié)果、確認(rèn)和樣本復(fù)檢等，是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室高度自動化的極致體現(xiàn)。目前中國TLA流水線基本為進(jìn)口品牌所壟斷，其中貝克曼和羅氏表現(xiàn)最為突出，國產(chǎn)品牌具備流水線平臺的廠家主要有邁瑞、安圖和邁克等，但終端用戶對于國產(chǎn)品牌接受度尚不太理想。

血液分析流水線（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

同時，其他與醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)相關(guān)的大型實(shí)驗(yàn)室，如疾控、血站、大型藥企、以及大型第三方醫(yī)學(xué)檢測實(shí)驗(yàn)室等的自動化程度也非常高，基本能夠達(dá)到工作站形式自動化。例如，某血站機(jī)構(gòu)近年引進(jìn)的MDC-QIA全自動標(biāo)本處理系統(tǒng)，借助軌道將各自動化功能模塊銜接，可實(shí)現(xiàn)從血液試管標(biāo)本接收、信息錄入和數(shù)量核對、離心、冷藏、挑選、開蓋、轉(zhuǎn)移載架等的全自動化檢測前過程。

此外，國內(nèi)多家醫(yī)院和第三方檢測平臺（如華銀）等也在近幾年陸續(xù)引進(jìn)BD Kiestra InoqulA全自動標(biāo)本處理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動識別標(biāo)本類型、自動選擇培養(yǎng)皿種類、自動貼標(biāo)簽、自動取樣，并通過磁珠在磁場的作用下進(jìn)行劃線接種，甚至還包含了自動孵育系統(tǒng)和數(shù)字成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微生物檢驗(yàn)全程自動監(jiān)測。

雖然說當(dāng)前國內(nèi)體外診斷領(lǐng)域的自動化程度已經(jīng)走在了前列，但其他領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室自動化水平仍然相對較低。對于大多數(shù)普通實(shí)驗(yàn)室來說，盡管有眾多的分析檢測儀器可以實(shí)現(xiàn)自動化的檢測，但是前端的樣品處理方面，自動化程度相對而言依然非常低，需要消耗大量的人工，以及不可避免許多重復(fù)性繁瑣性的工作。譬如，在液體處理方面，雖然市場上也推出了一些標(biāo)準(zhǔn)化的自動移液系統(tǒng)，但是這類設(shè)備一般只集中在移液配液方面，綜合性處理不夠，針對生物領(lǐng)域的96孔板操作較多，而對于像384孔板、1536孔板等更精細(xì)樣品的操作則相對較少。此外，實(shí)驗(yàn)室中粉末及固體顆粒的稱量也基本是通過人工操作完成，在樣本量比較大的情況下，就很繁瑣，急需要自動化的稱量，如果與后續(xù)樣品溶解轉(zhuǎn)移相結(jié)合的話，就還需要稱量校準(zhǔn)和樣品處理的集成。另外，在合成領(lǐng)域自動化程度也相對較低，合成涉及的樣品條件比較復(fù)雜，需要更加復(fù)雜的集成能力。

據(jù)了解，目前國內(nèi)對于實(shí)驗(yàn)室自動化集成技術(shù)的需求主要集中在生物醫(yī)藥、化工合成、食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，具體應(yīng)用包括液體處理、樣品處理（包括存儲、拿?。⒒衔锖Y選、樣品檢測和自動包裝等方面。例如，生物醫(yī)藥領(lǐng)域中用于HPLC、LCMS、GC、GCMS和NMR的自動化樣品制備，用于預(yù)篩選和多晶型物篩選研究的自動化液體和粉末處理平臺，用于制藥行業(yè)全面質(zhì)量管理的GMP認(rèn)證過程的自動化以及用于檢測合成代謝劑、麻醉劑、抗雌激素物質(zhì)、大麻素和興奮劑的樣品制備用自動化液體處理平臺等；食品安全領(lǐng)域食品污染物分析中自動化高通量的固相萃取，農(nóng)藥殘留分析中QuEChERS樣品制備過程的完全自動化，3-MCPD樣品制備自動化/食品及油中污染物分析的樣品制備等；化工合成領(lǐng)域中用于ICP分析的潤滑油樣品制備自動化平臺，自動化固相或液相合成的化合物合成平臺，自動化肽合成以及惰性條件下自動化的催化劑合成，催化劑樣品制備的造粒、研磨和篩分工具等。

與工業(yè)自動化不同，實(shí)驗(yàn)室自動化更靈活，具有多品種、小批量、多批次，一個機(jī)器人干多種事情或多個機(jī)器人協(xié)同做多件事，變化的動作流程，個性化需求與共性化技術(shù)相結(jié)合等特點(diǎn)，需要有強(qiáng)大的控制和調(diào)度軟件/大腦，融入“專家規(guī)則”，即知識體系，其中專家規(guī)則是重中之重，需要長期積累。

那么，一個理想的實(shí)驗(yàn)室自動化系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備哪些特性呢？根據(jù)相關(guān)調(diào)研反饋，未來的實(shí)驗(yàn)室自動化系統(tǒng)主要需要在以下幾個方面實(shí)現(xiàn)突破：

a、開放性，并不局限于本廠家儀器的連接，而是可以與其他任何廠家的分析儀器進(jìn)行連接；

b、完整性，具有完整的“分析前-分析中-分析后”硬件及軟件支持，信息系統(tǒng)完整；

c、靈活性，整個系統(tǒng)可以根據(jù)場地要求，進(jìn)行多種擺放方式；

d、獨(dú)立性，各個單元既相互協(xié)作又相對獨(dú)立，各單元均可獨(dú)立運(yùn)作；

e、完備性，具有冷藏儲存后處理自動化的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室自動化系統(tǒng)是一個多專業(yè)、多技術(shù)綜合的密集型系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)的是多科學(xué)均衡，成熟、穩(wěn)定的技術(shù)集成，需要多專業(yè)、多學(xué)科的技術(shù)人員緊密配合，更需要有長期穩(wěn)定的團(tuán)隊(duì)建設(shè)和資金投入，以不斷地進(jìn)行探索、改進(jìn)與發(fā)展。因此，國內(nèi)能夠做好這類系統(tǒng)產(chǎn)品的廠商還不太多。

除此之外，實(shí)驗(yàn)室自動化雖然在解放人力、提高工作效率和檢測溯源性等方面的優(yōu)勢非常明顯，但其在眾多國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用推廣上仍受到不少的限制，主要的限制因素包括：

A、經(jīng)費(fèi)有限，難以購買自動化平臺或無法維持后續(xù)使用成本；

B、樣本數(shù)量不夠，沒有必要使用自動化；

C、對實(shí)驗(yàn)室自動化的認(rèn)識存在誤區(qū)，很多科研人員對自動化的認(rèn)識還簡單地停留在“比人工快”的認(rèn)知水平上，實(shí)際上自動化的意義更多地在于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高度可重復(fù)性，降低人為操作的出錯幾率，實(shí)現(xiàn)無人值守，將實(shí)驗(yàn)人員從機(jī)械性重復(fù)性的低技術(shù)含量勞動中解放出來，將有限的時間投入到更高價(jià)值的勞動中去。實(shí)驗(yàn)室自動化的建設(shè)是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程，涉及面廣，部門眾多。

所以，各實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)自身的實(shí)際情況和業(yè)務(wù)發(fā)展，結(jié)合投入經(jīng)費(fèi)、存儲標(biāo)本量、分析項(xiàng)目種類、科室工作流程、場地等具體情況進(jìn)行總體規(guī)劃，再分階段逐步落實(shí)建設(shè)，還要注意系統(tǒng)的兼容與擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室自動化。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和變革，藥物研究和醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)檢測的不斷進(jìn)步，市場對于自動化、智能型實(shí)驗(yàn)室解決方案的需求日漸增長，實(shí)驗(yàn)室自動化的發(fā)展趨勢也是穩(wěn)步向前。與此同時，一些企業(yè)已放眼在未來的智能實(shí)驗(yàn)室上，將實(shí)驗(yàn)室自動化、新興通訊科技（如5G技術(shù)）和大數(shù)據(jù)技術(shù)等相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的自動優(yōu)化。

根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)估測，國內(nèi)智能化實(shí)驗(yàn)室市場規(guī)?？赡?/span>高達(dá)萬億級，譬如，上海規(guī)劃三年內(nèi)建設(shè)100+智能工廠，而智能實(shí)驗(yàn)室則是智能工廠的重要組成部分。此外，未來幾年內(nèi)我國生物安全P2、P3實(shí)驗(yàn)室建設(shè)熱潮或?qū)?shí)現(xiàn)上萬個規(guī)模實(shí)驗(yàn)室的投入建設(shè)，對于實(shí)驗(yàn)室自動化、智能化廠家而言，其中的商機(jī)也必將是巨大的。