[專家專欄 – 實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化] 一文讀懂關(guān)于實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的知識(shí)點(diǎn)，以 Chemspeed 為例
—— 杜世振丨力揚(yáng)自動(dòng)化合成及優(yōu)化專家
對(duì)于從事生物學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科研工作者來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化工作臺(tái)在實(shí)驗(yàn)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(shí)間和精力投入到更具價(jià)值的學(xué)術(shù)研究當(dāng)中。 近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化布局已是常態(tài)，越來(lái)越多的企業(yè)在升級(jí)自動(dòng)化的同時(shí)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(lái)實(shí)驗(yàn)室。如果說(shuō)工業(yè) 4.0 的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，那么 “實(shí)驗(yàn)室 4.0” 更是緊追其后，為生化科研機(jī)構(gòu)、生物醫(yī)藥企業(yè)、大學(xué)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(yáng)企業(yè)以來(lái)，我參與了材料化學(xué)領(lǐng)域的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室解決方案和技術(shù)支持工作，負(fù)責(zé)歐洲知名的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化儀器設(shè)備提供商 Chemspeed 的高通量 / 自動(dòng)化研發(fā)設(shè)備在中國(guó)北方的市場(chǎng)開(kāi)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(xì)介紹實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化平臺(tái)的價(jià)值體現(xiàn)。
【關(guān)于?Chemspeed】
Chemspeed 是一家瑞士公司，在化學(xué)自動(dòng)化研發(fā)領(lǐng)域有著超過(guò) 20 年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，總部位于巴塞爾，這里是歐洲傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和精密加工制造行業(yè)的發(fā)達(dá)地區(qū)。一方面，這里眾多的化學(xué)企業(yè)，如羅氏、諾華、巴斯夫、克萊恩化學(xué)等給 Chemspeed 相應(yīng)的化學(xué)應(yīng)用帶來(lái)了很多先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)；另一方面，它先進(jìn)的精密加工制造行業(yè)給 Chemspeed 發(fā)展化學(xué)自動(dòng)化帶來(lái)了硬件上的巨大優(yōu)勢(shì)。
目前 Chemspeed 在全球范圍內(nèi)有著 500 多套不同類(lèi)型的化學(xué)研發(fā)自動(dòng)化設(shè)備，超過(guò) 70% 的員工都具有化學(xué)或者是工程學(xué)科的專業(yè)背景。對(duì) Chemspeed 來(lái)說(shuō)，它在化學(xué)自動(dòng)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(kāi)發(fā)和探索以及后續(xù)的應(yīng)用測(cè)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(guò)程代表了 Chemspeed 獨(dú)特的研發(fā)哲學(xué)，這種螺旋形上升的研發(fā)哲學(xué)不同于我們?nèi)粘Ｋ吹降拈]環(huán)式研發(fā)模式，它是一個(gè)發(fā)展的、進(jìn)化的、不斷趨于完善的一個(gè)過(guò)程。?Chemspeed?的愿景是為科學(xué)家從新想法的出現(xiàn)，到創(chuàng)造價(jià)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(jià)值創(chuàng)造的整個(gè)過(guò)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(jìn)行分配、稱量，而 Chemspeed 采取頂置式的稱重分配過(guò)程，徹底地改變了傳統(tǒng)的加樣方式: 在操作過(guò)程中反應(yīng)容器是固定不動(dòng)的，而動(dòng)起來(lái)的是天平。具體運(yùn)行過(guò)程是: 機(jī)械手把天平抓起來(lái)，然后帶著樣品移動(dòng)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(guò)程不影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)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(dá)到的。
可以說(shuō)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(dòng)化理念，徹底改變了傳統(tǒng)的加樣方式。它可以完成化學(xué)研發(fā)過(guò)程中所有物料的加樣過(guò)程，比如對(duì)不同量級(jí)固體物料，從幾克甚至上百克，下到毫克甚至是微克級(jí)別，Chemspeed 都有成熟和高效的自動(dòng)加樣方案。對(duì)于液體，無(wú)論是高粘度液體還是普通的常規(guī)化學(xué)試劑，Chempseed 都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的按體積或按重量的加樣過(guò)程。
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【Chemspeed?的核心技術(shù)】-?反應(yīng)器技術(shù)
另外一個(gè)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(zhǎng)期和不同的大型化學(xué)化工企業(yè)共同合作開(kāi)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(kāi)發(fā)反應(yīng)器、配方開(kāi)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(xué)化工企業(yè)，像諾華、巴斯夫、歐萊雅等共同開(kāi)發(fā)而來(lái)，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(diǎn)】
Chemspeed?的自動(dòng)化平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程主要包含兩個(gè)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(tái)構(gòu)建過(guò)程。根據(jù)需求，平臺(tái)上的工具或反應(yīng)器可以隨時(shí)替換或升級(jí)，以應(yīng)對(duì)不同的新實(shí)驗(yàn)流程。
