Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Лабораторные роботы делают химический анализ кислотного разложения.

Лабораторная робототехника - это использование роботов в биологических или химических лабораториях. Например, фармацевтические компании используют роботов для перемещения биологических или химических образцов, чтобы синтезировать новые химические соединения или проверить фармацевтическую ценность существующего химического вещества. [1] [2] Продвинутая лабораторная робототехника может использоваться для полной автоматизации научного процесса, как в проекте Robot Scientist . [3]

Лабораторные процессы подходят для роботизированной автоматизации, поскольку процессы состоят из повторяющихся движений (например, захват / место, добавление жидкости и твердого вещества, нагрев / охлаждение, смешивание, встряхивание, тестирование). Многие лабораторные роботы обычно называют автосэмплерами , поскольку их основная задача - обеспечивать непрерывные пробы для аналитических устройств.

История [ править ]

Первые компактные роботизированные манипуляторы с компьютерным управлением появились в начале 1980-х годов и с тех пор постоянно используются в лабораториях. [4] Эти роботы могут быть запрограммированы для выполнения множества различных задач, включая подготовку и обработку образцов.

Тем не менее, в начале 1980-х годов группа во главе с доктором Масахиде Сасаки из Медицинской школы Кочи представила первую полностью автоматизированную лабораторию, в которой использовалось несколько роботизированных манипуляторов, работающих вместе с конвейерными лентами и автоматическими анализаторами. [4] [5] Успех новаторских усилий доктора Сасаки побудил другие группы по всему миру принять подход тотальной лабораторной автоматизации (TLA).

Несмотря на неоспоримый успех TLA, его многомиллионная стоимость помешала его внедрению в большинстве лабораторий. [6] Кроме того, отсутствие связи между различными устройствами замедлило разработку решений автоматизации для различных приложений, в то же время способствуя сохранению высоких затрат. Поэтому отрасль несколько раз пыталась разработать стандарты, которым будут следовать разные поставщики, чтобы обеспечить связь между своими устройствами. [6] [7] Однако успех этого подхода был лишь частичным, так как в настоящее время многие лаборатории по-прежнему не используют роботов для решения многих задач из-за их высокой стоимости.

В последнее время , другое решение проблемы стало доступно, что позволяет использовать недорогие устройства, в том числе с открытым исходным кодом аппаратных средств , [8] для выполнения различных задач в лаборатории. Это решение заключается в использовании языков сценариев, которые могут управлять щелчками мыши и вводом с клавиатуры, например AutoIt . [9] Таким образом, можно интегрировать любое устройство любого производителя, если оно управляется компьютером, что часто и бывает.

Еще одно важное событие в робототехнике, которое имеет важные потенциальные последствия для лабораторий, - это появление роботов, не требующих специальной подготовки для программирования, таких как робот Бакстер .

Приложения [ править ]

Недорогая лабораторная робототехника [ править ]

Недорогой робот-манипулятор, используемый в качестве автосэмплера.
Недорогой робот-манипулятор, используемый в качестве автосэмплера.

Высокая стоимость многих лабораторных роботов препятствует их внедрению. Однако в настоящее время существует множество роботизированных устройств, которые имеют очень низкую стоимость, и их можно использовать для выполнения некоторых работ в лаборатории. Например, недорогой роботизированный манипулятор использовался для выполнения нескольких различных видов анализа воды без потери производительности по сравнению с гораздо более дорогими автосэмплерами. [10] В качестве альтернативы автосэмплер одного устройства можно использовать с другим устройством, [9]таким образом избегая необходимости покупать другой автосамплер или нанимать специалиста для выполнения этой работы. Ключевыми аспектами достижения низкой стоимости в лабораторной робототехнике являются 1) использование дешевых роботов, которые становятся все более и более распространенными, и 2) использование сценариев, которые обеспечивают совместимость между роботами и другим аналитическим оборудованием. [11]

Операторы роботизированных мобильных лабораторий [ править ]

В июле 2020 года ученые сообщили о разработке мобильного робота-химика и продемонстрировали, что он может помочь в экспериментальных поисках. По словам ученых, их стратегия заключалась в автоматизации исследователя, а не инструментов - высвобождая время для творческого мышления исследователей - и позволяла идентифицировать смеси фотокатализаторов для производства водорода из воды, которые были в шесть раз более активными, чем исходные составы. Модульный робот может управлять лабораторными приборами, работать почти круглосуточно и автономно принимать решения о своих дальнейших действиях в зависимости от результатов экспериментов. [12] [13]

Биологическая лабораторная робототехника [ править ]

Пример пипеток и микропланшетов, которыми манипулирует антропоморфный робот (Эндрю Альянс)

Биологические и химические образцы в жидком или твердом состоянии хранятся во флаконах, пластинах или пробирках. Часто их необходимо заморозить и / или запечатать, чтобы избежать загрязнения или сохранить свои биологические и / или химические свойства. В частности, науки о жизни промышленности стандартизованы по формату пластина, известный как микротитрационный планшет , [14] , чтобы хранить такие образцы.

Стандарт микротитрационного планшета был формализован Обществом биомолекулярного скрининга в 1996 году. [15] Он обычно имеет 96, 384 или даже 1536 лунок для образцов, расположенных в прямоугольной матрице 2: 3. Стандарт регулирует размеры лунки (например, диаметр, расстояние и глубину), а также свойства пластины (например, размеры и жесткость).

Ряд компаний разработали роботов специально для работы с микропланшетами SBS. Такие роботы могут быть манипуляторами с жидкостями, которые забирают или распределяют жидкие пробы с этих тарелок или на них, или «движителями тарелок», которые перемещают их между инструментами.

Другие компании продвинули интеграцию еще дальше: помимо взаимодействия с конкретными расходными материалами, используемыми в биологии, некоторые роботы (Эндрю [16] от Andrew Alliance, см. Рисунок) были разработаны с возможностью подключения к объемным пипеткам, используемым биологами и техническими специалистами. персонал. По сути, все ручные операции с жидкостями могут выполняться автоматически, что позволяет людям тратить свое время на более концептуальные действия.

Компании по производству приборов разработали ридеры планшетов, которые могут обнаруживать определенные биологические, химические или физические явления в образцах, хранящихся в этих планшетах. Эти считыватели обычно используют методы оптического и / или компьютерного зрения для оценки содержимого лунок микротитровального планшета.

Одним из первых приложений робототехники в биологии был синтез пептидов и олигонуклеотидов . Одним из первых примеров является полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая позволяет амплифицировать цепи ДНК с помощью термоциклера для микроуправления синтезом ДНК, регулируя температуру с помощью заранее созданной компьютерной программы. С тех пор, автоматизированный синтез был применен к органической химии и расширен на три категории: реакционно-блочные системы , системы робота-руки и без роботизированных систем жидкостных . [17] Основная цель любого автоматизированного рабочего места - высокопроизводительные процессы и снижение затрат. [18] Это позволяет синтетической лаборатории работать с меньшим количеством людей, работающих более эффективно.

Фармацевтические приложения [ править ]

Одной из основных областей применения автоматизированного синтеза является определение структуры в фармацевтических исследованиях . В таких процессах, как ЯМР и ВЭЖХ - МС теперь можно готовить образцы с помощью роботизированной руки. [19] Кроме того, структурный анализ белков может быть выполнен автоматически с использованием комбинации ЯМР и рентгеновской кристаллографии . Кристаллизация часто требует сотен и тысяч экспериментов, чтобы создать кристалл белка, пригодный для рентгеновской кристаллографии. [20] Автоматизированная машина для микропипетирования позволяет одновременно создавать почти миллион различных кристаллов и анализировать их с помощью рентгеновской кристаллографии.

Комбинаторный синтез библиотеки [ править ]

Робототехника находит применение в комбинаторной химии, которая оказывает большое влияние на фармацевтическую промышленность. Использование робототехники позволило использовать гораздо меньшие количества реагентов и массовое расширение химических библиотек. Метод «параллельного синтеза» можно усовершенствовать за счет автоматизации. Основным недостатком «параллельного синтеза» является количество времени, необходимое для разработки библиотеки, автоматизация обычно применяется, чтобы сделать этот процесс более эффективным.

Основные виды автоматизации классифицируются по типу твердофазных подложек, способам добавления и удаления реагентов и конструкции реакционных камер. Полимерные смолы могут использоваться в качестве субстрата для твердой фазы. [21]Это не настоящий комбинаторный метод в том смысле, что «сплит-микс», когда пептидное соединение разделяется на разные группы и реагирует с разными соединениями. Затем его снова смешивают, разделяя на несколько групп, и каждая группа реагирует с другим соединением. Вместо этого метод «параллельного синтеза» не смешивает, а реагирует на разные группы одного и того же пептида с разными соединениями и позволяет идентифицировать индивидуальное соединение на каждой твердой подложке. Популярным применяемым методом является система реакционных блоков из-за ее относительно низкой стоимости и более высокого выхода новых соединений по сравнению с другими методами «параллельного синтеза». Параллельный синтез был разработан Марио Гейзеном и его коллегами и не является настоящим типом комбинаторного синтеза.но может быть включен в комбинаторный синтез. [22]Эта группа синтезировала 96 пептидов на пластиковых штырях, покрытых твердой подложкой для твердофазного синтеза пептидов. В этом методе используется прямоугольный блок, перемещаемый роботом, так что реагенты могут быть внесены с помощью роботизированной системы дозирования. Этот блок разделен на лунки, в которых происходят индивидуальные реакции. Эти соединения позже отделяются от твердой фазы лунки для дальнейшего анализа. Другой метод - это закрытая реакторная система, в которой для дозирования используется полностью закрытый реакционный сосуд с рядом фиксированных соединений. Хотя он производит меньшее количество соединений, чем другие методы, его основным преимуществом является контроль над реагентами и условиями реакции. Ранние закрытые реакционные системы были разработаны для пептидного синтеза, который требовал изменения температуры и разнообразного набора реагентов.Некоторые роботы закрытых реакторных систем имеют температурный диапазон 200 ° C и имеют более 150 реагентов.

Очищение [ править ]

Имитационная перегонка, тип метода газовой хроматографии, используемый в нефти, может быть автоматизирован с помощью робототехники. В более старом методе использовалась система под названием ORCA (Оптимизированный робот для химического анализа), которая использовалась для анализа проб нефти путем имитации дистилляции (SIMDIS). ORCA позволил сократить время анализа и снизил максимальную температуру, необходимую для элюирования соединений. [23] Одним из основных преимуществ автоматизации очистки является масштаб, в котором может быть выполнено разделение. [24] Используя микропроцессоры, ионообменное разделение можно проводить в нанолитровом масштабе за короткий период времени.

Робототехника была внедрена в жидкостно-жидкостную экстракцию (ЖЖВ) для упрощения процесса подготовки биологических образцов с использованием 96-луночных планшетов. [25] Это метод, альтернативный методам твердофазной экстракции и осаждения белков, который имеет то преимущество, что он более воспроизводим, а роботизированная помощь сделала LLE сопоставимым по скорости с твердофазной экстракцией. Робототехника, используемая для LLE, может выполнять всю экстракцию с количествами в микролитровом масштабе и выполнять экстракцию всего за десять минут.

Преимущества и недостатки [ править ]

Преимущества [ править ]

Одним из преимуществ автоматизации является более быстрая обработка, но она не обязательно быстрее, чем человек-оператор. Повторяемость и воспроизводимость улучшаются по мере того, как автоматизированные системы имеют меньшую вероятность отклонений в количествах реагентов и меньшую вероятность отклонений в условиях реакции. Обычно производительность повышается, поскольку человеческие ограничения, такие как временные ограничения, больше не являются фактором. Эффективность обычно повышается, поскольку роботы могут работать непрерывно и уменьшать количество реагентов, используемых для проведения реакции. Также снижается количество отходов материала. Автоматизация также может создать более безопасную рабочую среду, поскольку не нужно работать с опасными соединениями. Кроме того, автоматизация позволяет персоналу сосредоточиться на других задачах, которые не повторяются.

Недостатки [ править ]

Обычно стоимость одного синтеза или оценки образца требует больших затрат на установку, а начальные затраты на автоматизацию могут быть высокими (но см. Выше «Недорогая лабораторная робототехника»). Многие методы автоматизации еще не разработаны. Кроме того, возникают трудности с автоматизацией случаев, когда требуется визуальный анализ, распознавание или сравнение, например, изменение цвета. Это также приводит к тому, что анализ ограничивается доступными сенсорными данными. Одним из потенциальных недостатков является увеличение нехватки рабочих мест, поскольку автоматизация может заменить сотрудников, которые выполняют задачи, легко воспроизводимые роботом. Некоторые системы требуют использования языков программирования, таких как C ++ или Visual Basic, для выполнения более сложных задач. [26]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мортимер, Джеймс А .; Херст, У. Джеффри (1987). Лабораторная робототехника: руководство по планированию, программированию и приложениям . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство VCH. ISBN 978-0-89573-322-1.
  2. ^ Уорд, КБ; Пероццо, Массачусетс; Зук, WM (1988). «Автоматическое приготовление кристаллов белка с использованием лабораторной робототехники и автоматизированного визуального контроля». Журнал роста кристаллов . 90 (1–3): 325–339. Bibcode : 1988JCrGr..90..325W . DOI : 10.1016 / 0022-0248 (88) 90328-4 .
  3. ^ Король, RD ; Уилан, KE; Джонс, FM; Райзер, ПГК; Брайант, Швейцария; Muggleton, SH ; Келл, ДБ ; Оливер, С. Г. (2004). «Функциональная геномная генерация гипотез и экспериментирование роботом-ученым» . Природа . 427 (6971): 247–252. Bibcode : 2004Natur.427..247K . DOI : 10,1038 / природа02236 . PMID 14724639 . 
  4. ^ a b Бойд, Джеймс (18 января 2002). «Робототехническая автоматизация лабораторий». Наука . 295 (5554): 517–518. DOI : 10.1126 / science.295.5554.517 . ISSN 0036-8075 . PMID 11799250 .  
  5. Перейти ↑ Felder, Robin A. (2006-04-01). «Клинический химик: Масахиде Сасаки, доктор медицины, доктор философии (27 августа 1933 г. - 23 сентября 2005 г.)». Клиническая химия . 52 (4): 791–792. DOI : 10,1373 / clinchem.2006.067686 . ISSN 0009-9147 . 
  6. ^ a b Фелдер, Робин А (1998-12-01). «Модульные рабочие места: современные методы автоматизации лабораторий». Clinica Chimica Acta . 278 (2): 257–267. DOI : 10.1016 / S0009-8981 (98) 00151-X . PMID 10023832 . 
  7. ^ Бэр, Хеннинг; Хохштрассер, Ремо; Папенфус, Бернд (01.04.2012). «Основные стандарты SiLA для быстрой интеграции в лабораторную автоматизацию» . Журнал автоматизации лабораторий . 17 (2): 86–95. DOI : 10.1177 / 2211068211424550 . ISSN 2211-0682 . PMID 22357556 .  
  8. ^ Пирс, Джошуа М. (2014-01-01). «Введение в оборудование с открытым исходным кодом для науки». Глава 1 - Введение в оборудование с открытым исходным кодом для науки . Бостон: Эльзевир. С. 1–11. DOI : 10.1016 / b978-0-12-410462-4.00001-9 . ISBN 9780124104624.
  9. ^ a b Карвалью, Матеус К. (1 августа 2013 г.). «Интеграция аналитических инструментов с компьютерным скриптингом» . Журнал автоматизации лабораторий . 18 (4): 328–333. DOI : 10.1177 / 2211068213476288 . ISSN 2211-0682 . PMID 23413273 .  
  10. ^ Карвалью, Матеус С .; Эйр, Брэдли Д. (01.12.2013). «Недорогой, простой в сборке, портативный и универсальный автосамплер для жидкостей». Методы океанографии . 8 : 23–32. DOI : 10.1016 / j.mio.2014.06.001 .
  11. ^ Carvalho, Матеус (2017). Практическая автоматизация лабораторий: стало проще с AutoIt . Wiley VCH.
  12. ^ «Исследователи создают робота-ученого, который уже открыл новый катализатор» . Phys.org . Дата обращения 16 августа 2020 .
  13. ^ Бургер, Бенджамин; Maffettone, Phillip M .; Гусев Владимир В .; Aitchison, Catherine M .; Бай, Ян; Ван, Сяоянь; Ли, Сяобо; Олстон, Бен М .; Ли, Буй; Клоуз, Роб; Ранкин, Никола; Харрис, Брэндон; Сприк, Райнер Себастьян; Купер, Эндрю И. (июль 2020 г.). «Мобильный робот-химик» . Природа . 583 (7815): 237–241. DOI : 10.1038 / s41586-020-2442-2 . ISSN 1476-4687 . Дата обращения 16 августа 2020 . 
  14. ^ Barsoum, IS; Авад, AY (1972). «Тест на агглютинацию микротитрационного планшета на антитела к сальмонелле» . Прикладная микробиология . 23 (2): 425–426. DOI : 10,1128 / AEM.23.2.425-426.1972 . PMC 380357 . PMID 5017681 .  
  15. ^ "Стандартизация микропланшетов, отчет 3", представленный T. Astle Journal of Biomolecular Screening (1996). Vol. 1 No. 4, pp 163-168.
  16. ^ Использование пипеток без помощи рук , октябрь 2012 г. , получено 30 сентября 2012 г.
  17. ^ Николас W Хирд Drug Discovery Today , том 4, выпуск 6, p.265-274 (1999) [1]
  18. ^ Дэвид Корк, Тору Сугавара. Автоматизация лабораторий в химической промышленности. CRC Press, 2002.
  19. ^ Гэри А. МакКласки, Брайан Тобиас. «Автоматизация структурного анализа в фармацевтических исследованиях и разработках». Журнал управления информационными системами (1996).
  20. ^ Heinemann, Udo, Герд Illing и Хартмут Oschkinat. «Высокопроизводительное определение трехмерной структуры белка». Текущее мнение в области биотехнологии 12.4 (2001): 348-54.
  21. ^ Хардин, Дж .; Смиетана Ф., Автоматизация комбинаторной химии: учебник по настольным робототехническим системам. Мол Диверс 1996, 1 ​​(4), 270-274.
  22. ^ HM Geysen, RH Meloen, SJ Barteling Proc. Natl. Акад. Sci. США 1984, 81, 3998.
  23. ^ Уильям Ф. Берри, В.Г., Автоматизированная имитация дистилляции с использованием шарнирной лабораторной роботизированной системы. Журнал автоматической химии 1994, 16 (6), 205-209.
  24. ^ Paegel, Брайан М., Стефани Х.И. Йунг и Ричард А. Мэтис. «Микрочип биопроцессор для интегрированной очистки нановобъемных образцов и секвенирования ДНК». Аналитическая химия 74.19 (2002): 5092-98.
  25. ^ Пэн, SX; Филиал, ТМ; Кинг, С.Л., Полностью автоматизированная 96-луночная жидкостно-жидкостная экстракция для анализа биологических образцов методом жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией. Аналитическая химия 2000, 73 (3), 708-714.
  26. ^ Каргилл, JF; Лебль М. Новые методы комбинаторной химии - робототехника и параллельный синтез. Current Opinion in Chemical Biology 1997, 1 (1), 67-71.