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手动 Vs. 电动——移液枪大PK

发布时间:2019-09-30 17:18 |  点击次数:

  关于手动移液器更好用还是电动移液器更好用的争议是一个经久不息的话题。

电动移液器相比手动移液器具有更多的自动功能,比如凝胶电泳上样,连续分液等功能,并且由于按压移液按钮时无需抵抗弹簧压力,因此手部罹患RSI(重复运动损伤)的可能性也更低。此外,由于电动移液器的操作程序固定,对操作的熟练度与操作技巧要求也更低,很多要求严格的实验室甚至完全抛弃手动移液器,选择电动移液器以实现实验室移液操作的标准化。

与此同时,也有许多实验人员则完全对于电动移液器不感冒。他们认为手动移液器更轻,更容易控制,操作速度更快,无需学习(无需设置菜单),操作更灵活(比如吹打操作)。而电动移液器的价格往往是手动移液器的数倍,但是甚至在移液精度上手动移液器仍旧优于电动移液器,因此完全没有选择电动移液器的理由。

今天我们决定设计一系列实验,从移液的精度角度深入讨论手动移液器与电动移液器的差异。此外,也对移液的一些经验或者技巧进行一些介绍。


一、实验材料:                                 
BRAND Transferpette S 200 μL 手动单道移液器
BRAND Transferpette electronic 200 μL 电动单道移液器
BRAND 200μL 普通移液器吸头
BRAND 200μL ULR超低吸附滤芯吸头
BRAND 1.5 mL 微量离心管
2级纯水
英雄牌蓝墨水
十万分之一电子天平


二、实验环境:
室温20.1 oC
水温20.1 oC
相对湿度 RH55%


三、实验设计:
实验一:按照标准校准SOP用纯水对手动与电动移液器在额定量程(200μL)进行校准,每支移液器测试6次,获得两支移液器的系统误差A%与随机误差CV%。

实验二:使用移液器与200μL 普通移液器吸头吸取200μL墨水,排入1.5 mL 微量离心管置于天平上进行称重。每次离心管预先置于天平上调零。手动移液器采取两种排液方式:1.排液一次;2.反复排液(即吹液数次)。电动移液器同样采取两种排液方式:1.速度调至最大排液;2.速度调至最低排液。所有操作重复6次。不论手动还是电动移液器,每次排液之后更换吸头。

实验三、在1.5 mL离心管中预置200μL纯水,置于天平调零。使用移液器与200μL 普通移液器吸头吸取200μL墨水,排入预置纯水的离心管。然后,手动移液器以200μL吹吸5次,电动移液器以200μL,mix(混合)模式混合5次。相当于将墨水洗入预置水中。然后进行称重。重复6次,不论手动还是电动移液器,每次排液+吹吸之后更换吸头。实验结果与实验二中的手动反复排液以及电动低速排液进行比较。

实验四、使用移液器与200μL ULR超低吸附吸头吸取200μL墨水,排入1.5 mL 微量离心管置于天平上进行称重。每次离心管预先置于天平上调零。手动移液器仅排液一次不能反复吹液;电动移液器速度调至最低排液。重复6次。不论手动还是电动移液器,每次排液之后更换吸头。实验结果与实验二使用普通吸头+手动反复排液以及电动低速排液进行比较。

 
注意:
所有实验操作按照正确的移液操作方式:吸头垂直浸入液面约1mm,吸液完成后等待约1 s,以约45度角靠微量离心管壁排液。手动移液器按压到第一个停顿吸液,按压到第二个停顿排液。

实验一中使用的移液器校准的计算公式
其中X为每次移液称量值,X为多次移液称量值的平均值;V为平均体积,Vnom 为额定体积,这里为 200μL;SD 为标准偏差;
Z为水的矫正因子,在 20.1 oC 时为 1.00284;
A%为准确度,代表系统误差;CV%为相对偏差系数,代表了随机误差;

实验二-实验四中使用的计算公式:
由于墨水的密度未知,我们使用称量值X(μg)评价系统误差,计算 CV% 代表随机误差的程度;称量值使用实验一校准实验中获得的系统误差进行校正以消除仪器原本的系统误差。


四、实验结果:
实验一:
BRAND Transferpette S 200 μL 手动单道移液器:V=200.25μL,A%= 0.123%,CV%=0.096%
BRAND Transferpette electronic 200 μL 电动单道移液器:V=199.22μL,A%= -0.391%,CV%= 0.086%;
两支移液器使用纯水进行校准,结果均在允许误差范围之内并且具有相近的随机误差表现。

实验二:

如上图:
在使用普通吸头时,墨水对吸头具有很强的吸附性,因此,即使在墨水密度未知无法计算移取墨水的理论额定体积的情况下,也可以确定,排液体积总是小于额定体积。而排液的称量平均值越高代表了排液量更接近额定体积,即系统误差更小。

可以发现,在移取墨水时,电动移液器低速档排液具有最小系统误差与随机误差;手动移液器排液吹不尽时可以反复吹,这也是实际实验中实验人员经常进行的操作,这个做法能够尽可能的吹出残留液体,因此可以实现较小的系统误差(排液平均值),但是,由于反复吹液吹出的液体体积无法有效控制,因此随机误差反而是各种方法里最大的;电动高速排液的残留是最大的,但是随机误差仍旧小于手动排液一次的操作;手动排液一次的操作由于在排液过程中可以控制排液速度,因此排液效果更接近电动低速排液,只是由于每次排液的速度无法保持高度一致,因此随机误差显著地高于电动移液器排液。

实验三:

 
这组实验的目的是为了验证使用目标溶液(水),在移取液体排入后,反复清洗吸头对于移液精度是否有帮助,这也是实际实验操作中经常采取的操作方式。我们将这组实验的结果与实验二中手动反复排液以及电动低速排液的结果进行比较,结果如上图。

可以看出,不论是电动还是手动移液器,将吸取墨水洗入水中都能极大的提高排液量,减少系统误差;而手动移液器的随机误差相对于不洗入的操作也有巨大提升;电动移液器洗入操作的随机误差相比不洗入的操作甚至略有下降,这可能是由于反复洗涤吸头操作中,吸头产生二次的残留造成的,这在手动移液器操作时也存在,也是符合操作时的观察结果的。

实验四:

 
我们知道ULR超低吸附吸头能够极大地减少液体在吸头上的残留,在这轮实验中,我们使用手动和电动移液器配上ULR超低吸附吸头,将移液结果同实验二中,使用普通吸头加手动反复排液以及电动低速排液的结果进行比较,结果如上图。

可以看出,使用ULR超低吸附吸头之后,移取墨水的系统误差与随机误差都得到了巨大的提升。在使用ULR超低吸附吸头之后,系统误差手动移液改善了4.3%,电动移液改善了3.7%;而随机误差手动移液改善了95%,电动移液也改善了41%之多。从图上可以看出,手动移液与电动移液在精度上的差异非常小几乎可以忽略。

 
使用普通吸头时,墨水的残留非常严重,而使用ULR低吸附吸头时的残留极低。

五、结论与讨论:
由上面的实验我们可以得出一些经验性的结论:
1. 移取液体的精度与液体本身有关,比如墨水在普通吸头内的残留量远高于水,因此移取墨水时不论手动还是电动移液器的精度都会变差,体现在系统误差与随机误差变大;
2. 许多实验人员的经验是正确的,电动移液器在很多实际应用中(比如在这里移取墨水),即使达不到像使用水那样的精度,但是相比手动移液器具有更好的重复性,这在很多实验中可能更具有价值;实际上,手动移液器吸液时的第一个停顿点不同操作人员以及同一个操作人员不同操作时间停顿的位置并不完全相同,在操作时也会引入随机误差,而电动移液器由于由马达控制,可以完美消除这其中的差异;
3. 一些常规操作,比如使用目标溶液在排液后洗涤吸头几次,以求将吸头中的溶质尽可能洗入溶液的操作对于提升精度是有帮助的;当然,这个操作也有一些局限性,比如操作时间较长,如果是复杂配液时操作过于繁琐;或者当目标溶液本身粘度较大时会产生二次吸附降低移液精度(本文并未深入讨论这种情况);
4. 反复吹液对于尽可能吹出液体是有帮助的,但是这样操作的重复性不能得到保证;
5. 对于有吸附的液体,移液速度对于移液结果有明显的影响,而且,慢速优于快速;
6. 对于有吸附的液体,即使不能完全消除吸附,ULR超低吸附吸头对于实验精度的提升有本质的帮助。日常实验中有许多试剂组分,比如BSA,Triton X-100等都是具有吸附作用的,如果需要获得更高的实验精度,或者节省宝贵的试剂,ULR超低吸附吸头是不二的选择。
7. 本文的实验除了进行混样操作以外,全部都是基于每次排液都更换吸头的原则,目的是为了减少多次吸液造成的二次吸附的风险。虽然没有进行具体实验,我们知道如果每轮实验中每组操作都不更换吸头,墨水的吸附会对随机误差CV%造成更严重的影响,因此,最后一点经验是实验中如需获得更好的移液精度,勤换吸头是必不可少的。

除了精度外,手动移液器与电动移液器还具有各种其他的特点,来满足实验人员们不同的需求,因此手动移液器好用还是电动移液器好用相信仍旧将会是一个长期的话题。本文旨在通过一系列实验展示手动移液器与电动移液器在实验工作中精度的差异,并讨论一些移液操作的经验,希望广大实验人员在实际实验工作中有一个参考,并能对大家的实际工作提供一些帮助。