微量移液器的发展历程、工作原理及其应用

引言

微量移液器是现代实验室中不可或缺的精密工具，其发展历程见证了科学技术的巨大进步。自1957年Heinrich Schnitger首次发明微量移液器以来，这项技术经历了从简单的玻璃毛细管到高度自动化、精准化设备的演变。微量移液器的出现极大地提升了科研工作者处理微量液体的能力，不仅简化了实验操作，还提高了实验的准确性和效率。本文将详细介绍微量移液器的历史背景、工作原理、不同类型及其应用，帮助读者全面了解这一重要工具的方方面面。

微量移液器的历史

使用不同方法进行液体转移的概念早已存在。然而，低体积液体/样本的精确处理一直是个难题。1957年，在德国马尔堡大学做博士后的Heinrich Schnitger首次发明了微量移液器。最初的微量移液器是一个玻璃毛细管，既脆弱又需要专家操作。为了解决这个问题，另一位科学家Warren Glison博士在1960年引入了基于活塞的可调式微量移液器，也被称为Gilson Pipetman，用于控制低体积液体的吸取和排出。这标志着精确液体处理的一场革命。从那时起，各大公司不断对微量移液器进行改良、精炼，并在市场上推出新的特性。

微量移液器的工作原理

微量移液器的工作原理主要基于两种机制：空气置换法和正位移法。每种类型的移液器都有一个在毛细管或圆筒内移动的活塞。这两种方法的主要区别在于活塞与液体之间的接触方式。

1、空气置换法（Air Displacement Method）

（1）工作原理：

o 空气置换法利用弹簧的伸缩运动来驱动活塞的上下移动。

o 当按下按钮（Plunger）时，活塞向下移动，排出一定量的空气，形成负压。

o 当释放按钮时，由于大气压力的作用，液体被吸入吸头内。

o 再次按下按钮时，活塞向下移动，空气被压缩，液体被排出。

o 由于活塞与液体之间有一层空气垫，可以通过控制按钮的按压速度和力度来调节液体的吸取和排出速度。

（2）应用：

o 空气置换法适用于大多数类型的移液器，特别是处理常规液体时。

2、正位移法（Positive Displacement Method）

（1）工作原理：

o 正位移法使用一次性活塞，该活塞直接与液体接触，位于吸头内部。

o 当按下按钮时，活塞向下移动，排出吸头内的液体。

o 当释放按钮时，活塞向上移动，直接吸取液体。

o 由于没有空气垫，液体的吸取和排出更加直接和精确。

（2）应用：

o 正位移法通常用于处理高粘度、挥发性或腐蚀性液体，以及需要极高精度的实验中。

o 特殊的正位移移液器（如重复移液器）经常采用这种方法。

微量移液器的类型

1、巴斯德移液器（Pasteur Pipettes）

• 别名：滴管或滴定管

• 材料：传统上由玻璃制成，但现在大多由塑料制成

• 结构：上端有一个塑料或橡胶球，下端逐渐变细成一个小孔

• 用途：主要用于转移少量液体

• 特点：简单易用，成本低廉

2、容量瓶移液器（Volumetric Pipettes）

• 别名：大肚移液器

• 用途：常用于分析化学中制备实验室溶液和滴定实验

• 结构：有一个大的鼓形部分和一个长而细的尖端

• 精度：可校准到精确的体积，精度可达四位有效数字

3、刻度移液器（Graduated Pipettes）

• 结构：管上有刻度标记，表示不同的体积

• 用途：常用于简单的溶液转移

• 材质：通常由玻璃或坚固的塑料制成

• 分类：

o Type 1：所有体积均可部分放出

o Type 2：底部标有零，顶部标有名义值

o Type 3：仅在名义值处放出溶液

• 主要类别：

o 血清学移液器（Serological Pipettes）：用于细胞悬液、试剂和化学溶液的温和混合，梯度层析，液体转移（几毫升到100毫升），以及体积测量。特别适合细胞培养。

o 莫尔移液器（Mohr’s Pipettes）：刻度单位为1毫升和0.1毫升，颈部较宽，精度低于容量瓶移液器。适用于大量溶液的转移，精度要求不高。可以逐步释放液体。

4、转移移液器（Transfer Pipettes）

• 特点：一次性使用，替代巴斯德移液器，避免破碎玻璃和样品间的交叉污染

• 材质：低密度聚乙烯塑料，不易与生物流体和酸反应

• 用途：血液银行、尿液分析、湿化学、微生物学、血液学和血清学

5、真空辅助移液器（Vacuum-assisted Pipettes）

• 类型：有刻度和容量瓶型

• 结构：无活塞，需要吸力装置

• 材质：聚苯乙烯、玻璃或硼硅酸盐玻璃

• 用途：适用于需要连续吸液和排液的实验

6、重复移液器（Repeater Pipettes）

• 特点：适用于连续多次向多个容器中分配相同体积的液体，提高速度和效率

• 操作：轻便，单手操作

7、单道移液器 vs. 多道移液器

• 单道移液器：使用单个一次性吸头，产生精确的测量结果

• 多道移液器：类似单道移液器，但可以同时容纳多个吸头，从同一孔中同时吸取液体到不同的通道

• 类型：手动和电子型，手动型经济且传统，电子型价格较高，但具有更好的人体工程学、更少的用户间差异和更高的精度

8、手动移液器 vs. 电子移液器

• 手动移液器：通过拇指的机械力移动活塞

• 电子移液器：通过小型电池驱动电机替代手动输入，减少所需力量，提高人体工程学

9、定容移液器 vs. 可调容移液器

• 定容移液器：适用于处理粘稠或高密度液体，体积不可调，操作简便快速

• 可调容移液器：体积可通过侧边或顶部的调节旋钮改变，灵活性高，但校准复杂

10、特殊用途移液器

• 环境激素分析用玻璃尖微量移液器

• 大容量超大微量移液器：最大容量可达50毫升

• 范斯莱克移液器（Van Slyke Pipettes）

• 奥斯特瓦尔德-福林移液器（Ostwald-Folin Pipettes）

• 玻璃微量移液器（Glass Micropipettes）

• 微流控移液器（Microfluidic Pipettes）

• 极低容量移液器

这些移液器各有特点和适用场景，选择合适的移液器可以提高实验的准确性和效率。

图1、不同类型的移液器

微量移液器的部件

所有微量移液器的基本部件包括：

A. 按钮（Plunger）：它是微量移液器最上方的部分，用于调节体积、吸取和转移所需的样品体积。通过顺时针或逆时针旋转来增加或减少体积设置。每次体积变化时，都可以听到明显的咔嗒声。重要的是，它有两个停止点，分别用于正向和反向移液时吸取液体。

B. 吸头弹射器（Tip Ejector）：它用于通过按下弹射器轻松移除微量移液器的吸头。

C. 容量显示窗（Volume Window）：它显示已调节好的体积。

D. 轴（Shaft）：它是一个充满空气的管子，用于推动或拉动液体。

E. 微量移液器吸头（Micropipette Tips）：吸头连接到微量移液器上，用于收集和转移样品。根据微量移液器的可调节体积，吸头有不同的尺寸。

这些部件共同作用，确保微量移液器能够准确、高效地完成液体的吸取和转移工作。

图2、移液枪的部件

微量移液器的操作步骤

以下是使用一次性微量移液器的标准操作步骤：

1、安装吸头：从吸头盒中取出一个吸头，将其装入移液器的尖端。

2、调整体积：使用体积调节旋钮（volume adjustment spinning dial）将移液器的设定体积调整到所需的值。

3、预压按钮：垂直握住移液器，按压按钮（plunger）至第一停点（first stop）。

4、插入液体：将吸头插入待吸取的液体中，确保吸头完全浸入液体中。

5、吸取液体：保持吸头浸入液体中，缓慢释放按钮，使液体被吸入吸头。如果液体粘稠，可以在最后稍微停顿一下，确保液体完全吸入。

6、转移液体：将吸头移至目标试管或容器中，确保吸头完全浸入目标容器中。

7、排出液体：完全按压按钮至第二停点（second stop），将液体完全排出到目标容器中。

8、移除吸头：按下吸头弹射器（tip ejector）按钮，将使用过的吸头弹出，并将其放入适当的垃圾箱中。

微量移液器的误差来源

微量移液器在使用过程中可能会出现多种误差，这些误差可能会影响实验结果的准确性和可靠性。以下是一些常见的误差来源：

1、操作误差：

不一致的按钮按压力度：按压按钮时力度不一致会导致吸取或排出的液体量不准确。

吸头安装不当：吸头没有正确安装在移液器上，可能导致液体泄漏或吸取不完全。

读数错误：误读容量窗口上的刻度也会导致误差。

2、吸头质量：

吸头不合适：吸头与移液器不匹配，可能会导致测量误差。吸头与移液器之间的密封不良会影响液体的吸取和排出。

吸头不兼容：使用与移液器不兼容的吸头也会引起问题，可能导致液体残留或吸取不准确。

3、液体性质：

高粘度液体：高粘度的液体容易附着在吸头壁上，无法完全转移，导致测量误差。

挥发性液体：挥发性液体可能在转移过程中部分蒸发，影响最终的体积。

温度差异：液体的温度与环境温度不同，也可能导致体积变化，影响测量结果。

4、校准误差：

校准不当：正确的校准是确保移液器准确性的关键步骤。如果校准方法不正确或校准频率不足，都会导致测量误差。

校准过期：移液器需要定期校准，长时间未校准的移液器可能会出现误差。

为了避免这些误差，使用者应接受适当的培训，选择合适的吸头，注意液体的性质，并定期进行校准。这些措施可以显著提高微量移液器的准确性和可靠性。

微量移液器的校准步骤

校准微量移液器是确保其准确性和可靠性的关键步骤。以下是详细的校准步骤：

1、准备蒸馏水：将蒸馏水放置在冰箱中一段时间，以确保水温稳定。使用温度计测量蒸馏水的温度，确保温度一致。

2、设置移液器：根据需要校准的体积，将移液器的容量设置到相应的值。

3、吸取蒸馏水：使用移液器吸取蒸馏水。确保吸头正确安装，避免气泡进入吸头。

4、排出蒸馏水：将吸取的蒸馏水排入预先称重的称量舟（或称量纸）中。

5、称重：使用精密天平测量排出的蒸馏水的重量。记录下每次测量的结果。

6、重复测量：重复上述步骤5-10次，确保数据的可靠性。每次测量后，重新称量称量舟的重量，计算排出的水的重量。

7、计算排出体积：使用公式 V=Z×W计算排出的体积，其中：V 是排出的水的体积（μL），W 是排出的水的重量（mg），Z 是基于水密度的转换因子，通常 Z=1（因为水的密度约为 1 mg/μL）

8、计算精度：使用公式A=100*Vavg/V0确定移液管的精度，其中A是精度，Vavg是计算体积，V0是理论分配体积。

微量移液器的应用

微量移液器在实验室中有着广泛的应用，特别是在需要精确处理小体积液体的实验中。以下是一些常见的应用：

1、细胞接种：

均匀分布细胞：微量移液器可以帮助在细胞接种过程中均匀分布细胞，避免泡沫和气泡的形成，确保细胞在培养基中分布均匀。

避免污染：使用微量移液器可以确保操作的无菌性，防止细胞培养过程中受到污染。

2、培养基更换：

T型烧瓶细胞培养：在T型烧瓶中进行细胞培养时，微量移液器可以方便地更换培养基，同时保持培养环境的无菌状态，防止污染。

3、96孔板操作：

多通道移液器：96孔微孔板在ELISA、PCR和细胞培养等微孔板应用中非常常见。多通道移液器（通常是8通道或12通道）可以高效地处理96孔板，一次操作多个孔，提高实验效率。

4、多剂量分配：

电子移液器：在需要将试剂分成多个小份（多剂量分配或多分散）时，电子移液器是理想的选择。它们可以自动完成多次分配，提高操作的速度和准确性。

5、血清学移液器的应用：

常规实验室操作：血清学移液器在常规实验室操作中非常常用，特别是在细胞和组织培养中。它们可以用于温和混合细胞悬液、试剂和化学溶液，创建梯度层析，以及转移液体（几毫升到100毫升）。

细胞培养：血清学移液器特别适合细胞培养，因为它们可以确保细胞在溶液中均匀分布，避免对细胞造成物理损伤。

6、其他应用

化学实验：在化学实验中，微量移液器用于精确量取和混合化学试剂，确保实验条件的一致性和准确性。

分子生物学实验：在PCR、Western Blot等分子生物学实验中，微量移液器用于精确添加反应混合物中的各个成分，确保实验结果的可靠性和重复性。

医疗研究：在药物研发和生物样本分析中，微量移液器用于处理小体积的生物样本，确保实验数据的准确性和可靠性。

食品和化学品分析：在食品安全检查和化学品分析中，微量移液器用于精确量取和处理样品，确保分析结果的准确性。

临床检验：在临床样本的处理和分析中，微量移液器用于精确量取和转移样本，确保诊断结果的准确性。

通过这些应用，微量移液器在科学研究和技术开发中发挥着关键作用，确保实验结果的准确性和可靠性。

微量移液器的优点

1、易于使用：微量移液器设计人性化，操作简便，用户友好。

2、安全处理有害化学品：与量筒相比，微量移液器在处理有害化学品时更安全，减少了直接接触的风险。

3、高精度和准确性：容量瓶移液器特别精确，能够提供精确的体积测量。其狭窄的颈部有助于更准确地读取弯月面（meniscus）。

4、提高实验室生产力：电子移液器通过节省时间和减少人为错误，显著提高了实验室的生产力。

5、高通量实验的高效性：多通道移液器适用于高通量实验，能够提高准确性和效率，确保实验结果的重现性。

6、适应多种液体：微量移液器可以处理各种液体，包括泡沫液体、高蒸汽压液体和高粘度液体。

微量移液器的局限性

1、成本较高：容量瓶移液器的成本较高，且每个容量瓶移液器的测量体积是固定的。

2、精度有限：刻度移液器在测量和转移液体时精度较低，容易产生较大的人为误差。

使用注意事项

1、正确填充和排放：

填充移液器时，应将其填满至顶部，然后在接收容器的内壁上排出多余的液体，避免滴落和污染。

不要强行排出有害物质：永远不要强迫有害物质从移液器中排出。

2、减少气溶胶生成：

小心移除一次性吸头：仔细移除一次性吸头，以减少气溶胶的生成。

使用湿润毛巾：在排放容器（通常是玻璃烧杯）底部放置一块湿润的毛巾，可以减少气溶胶的形成。

3、禁止口吸：

使用机械移液设备：禁止使用口吸方式操作移液器，必须使用机械移液设备。

4、消毒处理：

水平放置可重复使用的移液器：将可重复使用的移液器水平放置在装有足够消毒液的托盘中，确保完全覆盖。

通过遵循这些注意事项，可以确保微量移液器的安全和有效使用，减少实验中的误差和风险。

总结

微量移液器作为现代实验室的重要工具，已经从最初的简单装置发展成为高度精准和多样化的仪器。本文回顾了微量移液器的发展历程，从Heinrich Schnitger的首次发明到Warren Glison的改进，再到现代各种类型的微量移液器。我们详细介绍了空气置换法和正位移法的工作原理，并讨论了不同类型微量移液器的特点和应用场景。此外，本文还提供了操作步骤、误差来源及校准方法，帮助研究人员避免常见问题，确保实验的准确性和可靠性。微量移液器在细胞接种、培养基更换、96孔板操作等多个领域中发挥着关键作用，其优点包括高精度、安全性、提高实验室生产力等。尽管存在一些局限性，如成本较高和精度有限，但通过合理的使用和维护，微量移液器仍然是科研工作中不可或缺的宝贵工具。

【相关资源】

名称：营养琼脂即用型平板

菌株编号：HZB875002

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更新日期：2024-11-27

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