[專家專欄 – 實驗室自動化] 一文讀懂關(guān)于實驗室自動化的知識點，以 Chemspeed 為例
—— 杜世振丨力揚自動化合成及優(yōu)化專家
對于從事生物學、基礎(chǔ)醫(yī)學、臨床醫(yī)學等領(lǐng)域的科研工作者來說，自動化工作臺在實驗室中必不可少，也正因此，科研人員才得以解放雙手并將更多的時間和精力投入到更具價值的學術(shù)研究當中。 近年來，實驗室自動化布局已是常態(tài)，越來越多的企業(yè)在升級自動化的同時也集成了許多智能化元素，如借助人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等新興技術(shù)締造新一代未來實驗室。如果說工業(yè) 4.0 的時代已經(jīng)到來，那么 “實驗室 4.0” 更是緊追其后，為生化科研機構(gòu)、生物醫(yī)藥企業(yè)、大學科研所等提供更智能化、數(shù)字化、模塊化的服務(wù)。
自 2016 年加入力揚企業(yè)以來，我參與了材料化學領(lǐng)域的自動化實驗室解決方案和技術(shù)支持工作，負責歐洲知名的實驗室自動化儀器設(shè)備提供商 Chemspeed 的高通量 / 自動化研發(fā)設(shè)備在中國北方的市場開發(fā)、客戶應(yīng)用、技術(shù)支持工作。
下面我將以 Chemspeed 為例，為大家詳細介紹實驗室自動化平臺的價值體現(xiàn)。
【關(guān)于?Chemspeed】
Chemspeed 是一家瑞士公司，在化學自動化研發(fā)領(lǐng)域有著超過 20 年的專業(yè)經(jīng)驗，總部位于巴塞爾，這里是歐洲傳統(tǒng)的化學工業(yè)和精密加工制造行業(yè)的發(fā)達地區(qū)。一方面，這里眾多的化學企業(yè)，如羅氏、諾華、巴斯夫、克萊恩化學等給 Chemspeed 相應(yīng)的化學應(yīng)用帶來了很多先進的經(jīng)驗；另一方面，它先進的精密加工制造行業(yè)給 Chemspeed 發(fā)展化學自動化帶來了硬件上的巨大優(yōu)勢。
目前 Chemspeed 在全球范圍內(nèi)有著 500 多套不同類型的化學研發(fā)自動化設(shè)備，超過 70% 的員工都具有化學或者是工程學科的專業(yè)背景。對 Chemspeed 來說，它在化學自動化研發(fā)領(lǐng)域有著一系列配套的解決方案，比如從樣品的制備到樣品合成、工藝研究、配方的開發(fā)和探索以及后續(xù)的應(yīng)用測試等等，Chemspeed都有相應(yīng)配套的高通量解決方案。下圖展示的螺旋形上升的過程代表了 Chemspeed 獨特的研發(fā)哲學，這種螺旋形上升的研發(fā)哲學不同于我們?nèi)粘Ｋ吹降拈]環(huán)式研發(fā)模式，它是一個發(fā)展的、進化的、不斷趨于完善的一個過程。?Chemspeed?的愿景是為科學家從新想法的出現(xiàn)，到創(chuàng)造價值的每一步提供創(chuàng)新科技支持，最終的目的是加速客戶從構(gòu)思探索到價值創(chuàng)造的整個過程。
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【Chemspeed?的核心技術(shù)】-?頂置式分配稱重單元
Chemspeed?的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，是頂置式分配稱重單元。提到加樣，我們腦海中首先想到的是把樣品放在天平上進行分配、稱量，而 Chemspeed 采取頂置式的稱重分配過程，徹底地改變了傳統(tǒng)的加樣方式: 在操作過程中反應(yīng)容器是固定不動的，而動起來的是天平。具體運行過程是: 機械手把天平抓起來，然后帶著樣品移動到反應(yīng)容器上方，按照設(shè)定的質(zhì)量把樣品精確的分配到反應(yīng)容器中，這樣的做法一方面顯著提高了加樣的效率，另一方面加樣過程不影響化學反應(yīng)的進行，比如加熱、混合、回流等等，這種加樣方式是傳統(tǒng)方式所不能達到的。
可以說頂置式稱重分配技術(shù)代表了 Chemspeed 最有創(chuàng)新性和顛覆性的自動化理念，徹底改變了傳統(tǒng)的加樣方式。它可以完成化學研發(fā)過程中所有物料的加樣過程，比如對不同量級固體物料，從幾克甚至上百克，下到毫克甚至是微克級別，Chemspeed 都有成熟和高效的自動加樣方案。對于液體，無論是高粘度液體還是普通的常規(guī)化學試劑，Chempseed 都可以實現(xiàn)自動化的按體積或按重量的加樣過程。
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【Chemspeed?的核心技術(shù)】-?反應(yīng)器技術(shù)
另外一個非常關(guān)鍵的技術(shù)是?Chemspeed?的反應(yīng)器技術(shù)，反應(yīng)器技術(shù)是 Chemspeed?長期和不同的大型化學化工企業(yè)共同合作開發(fā)的反應(yīng)器解決方案，包括常壓合成模塊、高壓合成模塊、小體積合成模塊、工藝開發(fā)反應(yīng)器、配方開發(fā)反應(yīng)器等等，這些反應(yīng)器技術(shù)都是與巴塞爾地區(qū)的世界著名化學化工企業(yè)，像諾華、巴斯夫、歐萊雅等共同開發(fā)而來，最終成為了 Chemspeed 的專利產(chǎn)品，并逐步推向世界，服務(wù)于全世界的客戶。
【劃重點】
Chemspeed?的自動化平臺的構(gòu)建過程主要包含兩個步驟，1) 根據(jù)需求選擇不同的試劑加樣工具；2) 搭配不同的反應(yīng)器技術(shù)，并結(jié)合 Chemspeed 專有的控制軟件 (AutoSuite)，即完成模塊化的平臺構(gòu)建過程。根據(jù)需求，平臺上的工具或反應(yīng)器可以隨時替換或升級，以應(yīng)對不同的新實驗流程。
