Liquid Handling
Analytik Jena bietet Ihnen die perfekte Liquid Handling-Lösung für Ihre täglichen Pipettierroutinen.
Unser Portfolio reicht von Dispensern über automatische Simultanpipettierer bis hin zu Laborrobotern. Alle Liquid Handling-Systeme können auf Ihre individuellen Applikations-, Durchsatz- und Kapazitätsanforderungen zugeschnitten werden.
Liquid handling
Der Oberbegriff Liquid Handling beschreibt die Aufnahme, Handhabung und Dosierung von Flüssigkeiten bei chemischen und biologischen Analyseverfahren. Das Liquid Handling gehört im modernen Labor daher zu den Schlüsselprozessen, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität der chemischen Analyse nehmen. Es stellt durch die präzise, reproduzierbare und effiziente Bereitstellung von Flüssigkeiten sicher, dass Testergebnisse den gewünschten Qualitätsanforderungen entsprechen und Experimente konsistent wiederholbar sind.
Wo früher das manuelle Pipettieren einen großen Anteil an der Versuchsvorbereitung und -durchführung einnahm, werden heute zunehmend halb- und vollautomatische Liquid Handling Systeme eingesetzt. Das moderne Labor ist – egal ob in Forschung und Entwicklung oder in der Industrie – auf hohe Durchsätze bei präzisen Analyseverfahren ausgelegt. Liquid Handling Systeme ermöglichen genau dies, indem sie Flüssigkeiten wie Proben, Reagenzien oder Lösungsmittel präzise messen, transportieren, dosieren und zugeben.
Zu den typischen Anwendungsbereichen des Liquid Handling gehören beispielsweise der Nachweis und die Quantifizierung von Nukleinsäuren (DNA oder RNA), das antikörperbasierte Nachweisverfahren ELISA oder die Massenanalyse chemischer Verbindungen nach der MALDI-TOF Methode. In der Biotechnologie- und Pharma-Industrie, der chemischen Analytik, in Krankenhäusern und Diagnoselaboren sowie in Forschungseinrichtungen und Universitäten gehören Liquid Handling Systeme zur Standardausstattung.
Manuell, semi-automatisch oder vollautomatisch – Pipettiertechniken im Überblick
Chemische Analyselabore arbeiten tagtäglich mit unterschiedlichsten Flüssigkeiten – das Spektrum reicht von Trink- und Oberflächenwasser über viskose Schmierstoffe und zähflüssigen Honig bis zu Erdöl. Auch das für jeden Analyseschritt notwendige Flüssigkeitsvolumen variiert stark und liegt oft bei geringsten Mengen von weniger als einem Mikroliter. Die Handhabung von Flüssigkeiten im Labor ist entsprechend anspruchsvoll und nimmt einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz, Produktivität und Präzision des Labors.
Neben dem klassischen, manuellen Pipettieren haben sich im Labor auch halbautomatische (hybride) und vollautomatische Liquid Handling Stationen etabliert. Der Vorteil dieser durchsatzstarken Systeme liegt in der signifikanten Zeitersparnis, der geringen Fehleranfälligkeit und der hohen Kosteneffizienz. Im Folgenden werden die drei unterschiedlichen Liquid Handling Ansätze im Detail erläutert.
Manuelles Pipettieren
Das manuelle Pipettieren erlaubt es dem Anwender, Flüssigkeitsvolumina im Mikroliterbereich per Hand präzise zu dosieren und am gewünschten Ort zuzugeben. Typischerweise wird für diesen Zweck eine Mikropipette verwendet, mithilfe derer Flüssigkeiten manuell angesaugt und dosiert abgegeben werden können.
Dabei wird zwischen Einkanal- und Mehrkanal-Mikropipetten unterschieden. Einkanal-Pipetten weisen einen einzigen Kanal auf und werden überwiegend in Forschungseinrichtungen der Molekular- oder Mikrobiologie, Immunologie, chemische Analytik oder Genetik eingesetzt. Mehrkanal-Pipetten sind mit mehreren Kanälen ausgestattet und ermöglichen dadurch die gleichzeitige Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeiten im Rahmen von Analysen mit großen Probenmengen. Typische Anwendungsfelder sind diagnostische Tests nach dem ELISA-Verfahren oder auch kinetische Studien und DNA-Amplifikationen.
Darüber hinaus werden Pipetten auch nach dem Funktionsprinzip unterschieden, so arbeiten manche Mikropipetten beispielsweise nach dem Luftverdrängungsprinzip und andere nach dem Verdrängungsprinzip.
Das manuelle Pipettieren hat weiterhin eine große Bedeutung im Liquid Handling, erfordert aber ein hohes Maß an Sorgfalt, Geschick und Erfahrung, um zuverlässige Ergebnisse in Laborexperimenten zu erzielen. Zudem ist es mit einem hohen Personalaufwand verbunden und für die Umsetzung von Tests und Analysen mit größerem Durchsatz nur bedingt geeignet.
Semi-automatisches Liquid Handling
Sogenannte semi- oder halbautomatische Liquid Handling Systeme zeichnen sich im Vergleich zu manuellen Liquid Handling Geräten durch ein höheres Maß an Nutzerfreundlichkeit und Präzision dank teilautomatisierter Prozesse aus. Meist handelt es sich dabei um elektronische oder hybride Systeme, die vom Nutzer beispielsweise über Druckknöpfe bedient werden können und dadurch menschliche Fehler vermeiden und die Genauigkeit der Dosierung erhöhen.
Ein typisches Beispiel ist die semi-automatische Pipette, bei der einige Grundfunktionen wie das Aufsaugen und Abgeben der Flüssigkeit automatisiert sind. Dabei kann der Anwender beispielsweise das gewünschte Volumen am Gerät einstellen und die Flüssigkeit per Knopfdruck aufnehmen. Die Pipette wird dann manuell am Zielort positioniert und die Flüssigkeit wird durch eine erneute Betätigung des Auslösers abgegeben.
Die Automatisierung der präzisionsrelevanten Liquid Handling Prozesse führt zu einer besseren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, wobei wichtige Schritte wie die Spritzenplatzierung und das Auslösen der Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeiten weiterhin manuell erfolgen. Der Anwender profitiert darüber hinaus von einer Zeitersparnis, da beispielsweise das manuelle Einstellen des gewünschten Volumens entfällt. Das semi-automatische Liquid Handling eignet sich ideal für Labore und Einrichtungen mit begrenzten Budgets und moderatem Durchsatz, die einen Teil der Arbeitsschritte automatisieren und die Reproduzierbarkeit erhöhen wollen.
Automatisches Liquid Handling
Vollständig automatisierte Liquid Handling Stationen bieten das Potenzial, den Flüssigkeitstransfer im Labor komplett von computergestützten Systemen durchführen zu lassen. Das Automated Liquid Handling (ALH) gehört in modernen, durchsatzstarken Laboren heute zur Standardausstattung und ermöglicht ein durchsatzstarkes, fehlerfreies und hochpräzises Handling von Flüssigkeiten bei höchsten Qualitätsanforderungen.
Ein typisches Beispiel für das automatische Liquid Handling sind automatisierte Simultanpipettierer, die das gleichzeitige Pipettieren von Flüssigkeiten auf mehreren Hundert Kanälen übernehmen und sich dabei für ein breites Volumenspektrum und unterschiedlichste Pipettierköpfe eignen. Solche durchsatzstarken Simultanpipettierer haben das Potenzial, die Produktivität und Effizienz von großen Laboren drastisch zu erhöhen und dabei gleichzeitig höchste Anforderungen an Präzision, Reproduzierbarkeit und Arbeitssicherheit zu erfüllen.
Vorteile von Liquid Handling Robotern gegenüber manuellem Pipettieren
Die schrittweise Automatisierung von Liquid Handling Prozessen hat seit den neunziger Jahren für einen starken Anstieg der Laboreffizienz bei gleichzeitiger Erhöhung der Qualität geführt. Liquid Handling Systeme wurden in den letzten Jahren immer weiterentwickelt, um den steigenden Anforderungen moderner Labore gerecht zu werden. Zu den wichtigsten Vorteilen von Liquid Handling Robotern gegenüber dem manuellen Pipettieren gehören:
- Produktivität: Vor allem bei Standardanalysen in durchsatzstarken Laboren hat das automatische Liquid Handling zu einer signifikanten Produktivitätssteigerung geführt. Die zeitintensive Handhabung von Flüssigkeiten kann dank robotergestützter, fortgeschrittener Pipettensysteme hundert- oder sogar tausendfach gleichzeitig erledigt werden.
- Präzision: Im Vergleich zum manuellen Pipettieren bieten semi- oder vollautomatische Liquid Handling Stationen eine deutlich höhere Präzision. Dadurch wird gleichzeitig auch die Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse deutlich erhöht.
- Reproduzierbarkeit: ALH-Stationen gelingt es, Analysen beliebig oft in der exakt gleichen Dosierung zu reproduzieren. Dadurch können auch wiederkehrende Analysen mit hohem Präzisionsanspruch zuverlässig und vergleichbar abgearbeitet werden.
- Arbeitssicherheit: Dank robotergestützter ALH-Systeme sind Labormitarbeiter effektiv vor dem Kontakt mit potenziell gefährlichen oder infektiösen Proben geschützt. Ein weiterer Vorteil: Repetitive Arbeitsschritte müssen nicht mehr von Menschen durchgeführt werden, wodurch das Risiko gesundheitlicher Probleme durch das manuelle Pipettieren wie etwa Muskel-Skelett-Erkrankungen der oberen Extremitäten reduziert wird.
- Walk-away-Zeit: Die „Walk-away-Zeit“, also die Zeit, in der der Anwender das Analysegerät verlassen und sich anderen Aufgaben widmen kann, wird durch vollautomatisierte Systeme erhöht. Moderne Geräte müssen in der Regel nur zu Beginn einmal eingestellt werden und können dann stundenlang selbstständig Analysen fahren – dies ist gerade in Zeiten des Fachkräftemangels ein wichtiger Vorteil.
Anwendungsbereiche und Applikationen des Liquid Handling
Die Handhabung flüssiger Proben und Reagenzien ist im Arbeitsalltag von Laboren fest verankert – entsprechend breit ist das Anwendungsspektrum automatisierter Liquid Handling Stationen. Im Folgenden werden einige typische Anwendungen beispielhaft vorgestellt:
- PCR/qPCR: Die Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase Chain Reaction, PCR) erlaubt eine annähernd unbegrenzte Vervielfältigung der DNA, wodurch sich in der Molekularbiologie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Dazu gehören beispielsweise die Analyse geringster DNA-Spuren an Tatorten oder die Diagnose von Krankheiten anhand weniger Tumor- oder Bakterienzellen. Bei der Variante qPCR (quantitative oder Real-Time PCR) gelingt es sogar, spezifische Mutationen in Echtzeit zu bestimmen. Das Liquid Handling erlaubt es, die Effizienz und Reproduzierbarkeit von PCR-Tests zu steigern.
- ELISA: Auch bei der ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) Technik zur Bestimmung von Proteinen, Antikörpern, Peptiden, Hormonen und anderen Molekülen spielt das Liquid Handling eine wichtige Rolle. Das vollautomatische Flüssigkeits-Handling erlaubt es, die Proben, Reagenzien und weitere Flüssigkeiten präzise zu pipettieren und zu mischen. Dies ist beim ELISA-Verfahren vor allem bei der Proben-, Antikörper- und Substratzugabe sowie beim Reinigen der Mikrotiterplatte und dem Mischen der Reagenzien wichtig.
- MALDI-TOF: Bei der Massenspektrometrie-Technik MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time-Of-Flight) werden Moleküle wie Proteine, Peptide, Nukleinsäuren und anderen Biomoleküle analysiert. Das automatische Liquid Handling ermöglicht in diesem Kontext, die zu analysierenden Proben präzise mit der Matrix zu vermischen und in der gewünschten Dosierung auf die Probeplatte aufzutragen.
Neben den hier beispielhaft aufgeführten Anwendungen ergeben sich zahlreiche weitere Verfahren, bei denen das vollautomatische Liquid Handling weitreichende Vorteile bietet. Dazu gehören unter anderem das High-Throughput Screening (HTS), das in der pharmazeutischen Industrie zur Analyse von Verbindungen oder Substanzen auf biologische Aktivität verwendet wird. Auch beim Next-Generation Sequencing (NGS) zur kostengünstigen Sequenzierung großer DNA-Mengen spielt das Liquid Handling seine Vorteile aus.
Trends & Ausblick zum Liquid Handling
Automatische Liquid Handling Systeme haben die Art und Weise der täglichen Arbeitsabläufe in großen Labors nachhaltig verändert und zu großen Produktivitätssteigerungen geführt. Gleichzeitig arbeiten Entwickler von Liquid Handling Stationen aber kontinuierlich daran, die Performance und Nutzerfreundlichkeit der Systeme noch weiter zu verbessern.
So spielt das Thema Software und Bedienkomfort eine immer größere Rolle bei der Anschaffung einer Liquid Handling Station. Moderne Systeme zeichnen sich durch eine intuitive und einfache Bedienung mit grafischer Benutzeroberfläche sowie eine visuell ansprechende Aufbereitung der Ergebnisse aus. Labore profitieren von einer deutlich geringeren Einarbeitungszeit und einer höheren Produktivität. In diesem Kontext zeichnet sich ab, dass auch die Künstliche Intelligenz Einzug in moderne Liquid Handling Systeme halten wird. So hat die KI das Potenzial, Liquid Handling Stationen weitgehend selbstständig zu bedienen oder die Fernsteuerung von Tätigkeiten signifikant zu erleichtern.
Ein weiterer Trend, der sich bereits seit einigen Jahren am Markt für Liquid Handling Anwendungen abzeichnet, ist die Miniaturisierung der Arbeitsstationen. So werden die Pipettierplattformen für das automatisierte Liquid Handling immer kompakter gebaut, wodurch sich wertvoller Laborplatz einsparen lässt. Gleichzeitig nimmt auch das durchschnittliche Flüssigkeitsvolumen ab, das durch Liquid Handling Stationen gehandhabt wird. So arbeiten moderne Geräte bereits mit berührungslosen Dosierungsmethoden, die die präzise Abgabe geringster Flüssigkeitsmengen unter einem µl ermöglichen. Ein Trend, der sich in Zukunft weiterhin fortsetzen wird.
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