前言实验室自动化已经成为提高效率、降低成本和提升实验精度的关键手段。在分析化学和生物分析化学领域，自动化技术的应用尤其值得关注。《Analytical and Bioanalytical Chemistry》杂志发表了一篇关于实验室自动化策略的文章，详细探讨了这一领域的现状与未来发展方向。

生物分析特点

      分析和生物分析过程与传统的生物筛选过程有很大不同。生物筛选注重快速筛选大量样本，以获得大致分类结果；而分析方法则更注重高灵敏度和高选择性，通常需要更复杂的样本前处理步骤。例如，在生物分析中，常常需要通过稀释、过滤、离心、蛋白沉淀和固相萃取等方法来分离目标物质，这些步骤都需要高度精确的操作。

自动化策略

      自动化（生物）分析系统需整合数据生成与数据处理两大模块。数据生成涵盖样本处理（分液、加热、振荡等）及运输系统（机器人/传送带）；数据处理则包括分析报告生成及与LIMS、ERP等高层系统的对接，需统一数据接口与格式。

自动化策略中，液体处理器系统擅长高通量液体处理，但扩展性受限；中央机器人系统可管理复杂子步骤，兼具运输与操控功能。系统设计分为封闭式与开放式：封闭系统高效、低成本，但僵化；开放系统灵活、可扩展，但成本高且通量较低。未来趋势强调模块化与协作机器人（Cobot）的应用，以平衡效率与灵活性，同时AI与移动机器人将推动实验室迈向全流程无人化。

一、自动化移液工作站

      自动化移液工作站是自动化的最简形式，用于液体定量添加。其通道数量多样，分单通道、1-8 通道和超 8 至 1536 通道三种类型，通道间距适配微孔板，利于并行处理样品，适合处理微孔板样品，处理单个样品需提前格式化或适配耗材，独立8 通道可灵活处理非标准格式。操作台上有样本和试剂耗材，根据实验需求用对应量程的移液枪头。系统可配备振荡器、温控模块、固相萃取系统等扩展功能设备，功能扩展后还会有额外机械臂运输样品和耗材。该系统核心是 8 通道可配置液体处理仪和运输机械臂，能分离蛋白质、进行固相萃取净化，集成多种设备，最多处理 96 个样品，用特殊柱可增至 288 个。除测维生素 D 外，还可用于测定 THC、苯二氮卓类药物，以及兴奋剂检测等生物分析。

二、中央机器人为运输单元的系统

      这类系统以中央机器人为核心，用于在不同工作站之间运输样本和耗材。工作区域布置子步骤处理设备，机器人负责运输样品和耗材。加样常用移液工作站，大体积加样用加样泵，集成外围设备数量取决于机器人工作范围，设备需有合适接口，如离心机自动开盖、自动进样器适配抓手，否则需调整硬件。抓手设计决定可处理耗材格式，处理不同耗材可能需换抓手或用通用抓手，实验耗材不一定是 SBS-MTP 格式，该系统适合处理无法格式化到微孔板的单个样品，可能需开发特殊支架或额外系统，限速步骤是处理样品时间最长的仪器。

      此系统概念常需调整标准操作程序，因子步骤使用不同设备，如移液用移液工作站而非手动移液器，难以实现 1:1 自动化。在应用方面，有检测人血浆中霉酚酸的自动 HPLC 系统，含多种样品制备站点和在线 HPLC 系统；用于药品质量控制的全自动机器人系统，有样品运输组件及多种测量站点；还有用于细胞医学诊断的系统，可全自动处理血液样品，含多种设备，通过图像处理检测细胞沉淀高度。

三、中央机器人作为运输和操作单元的系统

      以中央机器人作为运输和操作单元的自动化系统，这是对之前概念的扩展。该系统中的中央机器人不仅能运输样品和器具，使用双臂机器人时还可进行直接操作步骤，能集成移液器、注射器等手动设备，实现真正的 1:1 自动化，无需改变现有标准操作程序，系统速度由中央机器人及各步骤操作时间决定。

      在应用方面，双臂机器人可完成样品处理的一系列操作，包括移液、开关容器、转移样品至净化设备以及放置样品到分析仪等。该系统可用于通过气相色谱 - 质谱联用仪测定胆道内假体中的胆固醇，以及开展手性研究。此外，基于双臂机器人的系统还有其他应用，例如用于表皮模型的自动化下游分析，在这个过程中可能涉及对表皮模型相关样品的处理和分析；也可用于抗癌药物的配制，通过自动化操作实现药物的精准配制等，这些应用展示了该系统在不同领域的实用性和有效性。
四、分布式机器人系统

      中央自动化系统因应用和设备水平不同可能变得庞大，存在实验室空间不足的问题，且设备整合后难以用于其他流程。随着轻型机器人（协作机器人）发展，出现更具成本效益的自动化方案。这类机器人结构轻、速度低、有额外传感器，无需额外安全防护，可与人近距离甚至共享空间工作。

      轻型机器人可作为中央机器人集成到中央系统，或装备单个及系统组，能使现有设备技术自动化，但可能需调整设备适配机器人操作，且可利用现有空间布局形成分布式自动化系统。在复杂流程中，系统的各工作站可任意组合或单独使用，在处理和设备利用上灵活性高，适用于开放式系统结构，便于系统扩展。其所需投资取决于配备机器人组件的设备数量，这种分布式系统为自动化提供了新的选择，既利用了现有设备和空间，又能根据需求灵活配置，具有较高的实用性和扩展性。

如何选择合适的自动化系统？

      选择自动化策略取决于多个参数，首先要分析待自动化过程及其子步骤、参数和边界条件，样品类型是关键，决定样品制备子步骤。若样品可用微孔板处理且并行处理小体积大量样品，基于液体处理仪系统合适；处理单个样品要考虑是否能用微孔板并行处理，样品容器影响机器人抓手尺寸，还需明确样品数量、处理量、环境条件、检测限和准确性等。

      以测定血液中维生素 D 为例，样品在 2 毫升小瓶中，因防污染不能用微孔板处理但按微孔板格式排列，体积适合液体工作站，集成相关设备，用自动填充储存器增加容量，无特殊环境要求，系统灵活可测其他物质。若样品容器大、处理溶剂多，液体工作站受限，如分离人体细胞样本时，需过滤、操作不同尺寸容器和测定细胞沉淀，此时用带中央机器人系统合适。此外，选择还需考虑可用空间、投资运营费用和灵活性，高度灵活需开放系统结构，建立系统时要考虑软件及编程知识差异，外部数据通信格式和系统连接也需关注。

      生物分析过程的自动化缺乏通用概念，系统选择和开发需用户与自动化公司密切配合。当前自动化概念的普遍不足是样品和耗材的物流运输依赖人工，未来将由移动机器人自主承担运输任务。人工智能在（生物）分析过程自动化中应用愈发广泛，主要用于数据分析、图像识别自动化、优化过程控制以及监测实验室质量控制过程等方面。