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Erleichterung beim Pipettieren Vom einfachen Liquid Handling zur High-Throughput-Lösung

Autor / Redakteur: Dr. Maria Zweig* / Dr. Ilka Ottleben

Arbeitsverdichtung im Labor und manuelle Tätigkeiten wie Pipettieren – eine Kombination, die nicht optimal zusammen passt. Mithilfe moderner Automationslösungen lassen sich Prozesse wie beispielsweise das Liquid Handling deutlich verbessern.

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(Bild: Mettler Toledo)

Pipettieren gehört in vielen Marktsegmenten und bei unterschiedlichsten Anwendungen zum Laboralltag. Im Prinzip besteht das Pipettieren darin, ein bestimmtes Volumen einer Flüssigkeit mit höchster Genauigkeit und Präzision zu transferieren. Der Volumentransport von einem Gefäß in das andere erscheint auf den ersten Blick als eine einfache und mühelose Tätigkeit. In der Praxis erweist sich jedoch diese „einfache“ Tätigkeit als einer der zeitintensivsten Prozesse in der Laborroutine, der somit einen Großteil der täglichen Laborarbeit ausmacht. Es sind zunehmend komplexe Aufgaben mit vielen repetitiven Sequenzen und mehreren Pipettierschritten sowie Experimente mit Mikrotiterplatten, die den modernen Life-Science-Alltag beherrschen.

Der ungarische Mediziner Gyula Takátsy gilt als Erfinder der ersten Mikrotiterplatte. Im Jahr 1951 stellte er aus einer Plexiglasplatte die erste Mikrotiterplatte her, mit der er aufwändige Verdünnungsreihen für die Influenzatests beschleunigen wollte. Mit dem Einzug der ersten Multikanalpipetten Ende der sechziger Jahre haben sich auch die Mikrotiterplatten rasant in den biowissenschaftlichen Laboren etabliert.

Insbesondere bei komplexen Applikationen mit vielen repetitiven Sequenzen werden zunehmend elektronische Pipetten und automatische Pipettierstationen eingesetzt. Sie sind heute mehr als nur ein Hilfsmittel für die Übertragung abgemessener Flüssigkeitsmengen. Sie werden zu weiterentwickelten Geräten und Systemen, die die Laborarbeit erleichtern, Protokolle speichern und maßgeblich dazu beitragen, die Effizienz und Ergonomie im Labor zu steigern. Elektronische Pipetten und Pipettierstationen sind der Schlüssel für mehr Sicherheit, Richtigkeit und Präzision der Ergebnisse bei Anwendungen mit hohem Durchsatz.

Elektronische Pipetten sind ein großer Fortschritt

Die erste elektronische Pipette der Welt wurde von Rainin Instrument entwickelt – heute Mettler-Toledo Rainin LLC, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Mettler Toledo. Sie kam 1984 auf den Markt und basierte auf derselben Technologie, die auch bei Präzisionspumpen für die Flüssigkeitschromatografie eingesetzt wurde.

Schon in dieser frühen Phase konnten elektronische Pipetten nicht nur einfache Aufgaben wie Ansaugen und Dosieren ausführen, sondern sie unterstützten auch kompliziertere Aufgaben, wie Mischen, Dosieren mehrerer Aliquote aus einem Volumen (Mehrfachdosierung) und Titration.

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Seitdem haben die Komponenten moderner elektronischer Pipetten eine bemerkenswerte Entwicklung vollzogen. Farbige Grafikanzeigen liefern jetzt ausführliche Informationen und dank moderner Elektronik sind die Pipetten noch einfacher zu bedienen und zu programmieren. Sie sind also perfekte Helfer für komplexe und spezialisierte Aufgaben. Auch die Motoren sind jetzt leistungsstärker und können eine Pipette mit zwölf Kanälen mit einem maximalen Volumen von 1200 μl antreiben. Die Stromversorgung der Motoren erfolgt durch neue, leichte Akkus, die Tausende von Zyklen ermöglichen, bevor ein Aufladen erforderlich ist.

Die Vorteile der elektronischen Pipetten kombiniert mit Affinitätsharzspitzen werden besonders in der Bioanalytik geschätzt. So kann beispielsweise die Reinigung von Proteinen und anderen Biomolekülen radikal vereinfacht und optimiert werden.

Gerade Laboratorien, die GMP-/GLP-Vorschriften erfüllen müssen, sind verpflichtet, bestimmte Aspekte elektronischer Pipetten zu kontrollieren, indem sie beispielsweise diese nicht mehr verwenden, sobald ein definiertes Kalibrierdatum überschritten ist. Weiterhin muss die Einhaltung bestimmter Arbeitsanweisungen gewährleistet sein. Aus diesen Gründen bieten neueste elektronische Pipetten erweiterte Verwaltungsfunktionen. Durch Softwareoptimierungen können Bediener jetzt Protokolle in der Pipette speichern und den Zugriff sperren, sodass die Pipetteneinstellungen nur von Personen benutzt oder verändert werden können, die das erforderliche Passwort besitzen. Funktionen wie diese verbessern die Zuverlässigkeit und Rückverfolgbarkeit jedes GMP-regulierten Labors. Gleiches gilt für klinische Labore, in denen abweichende Resultate einen beträchtlichen Zeit- und Kostenaufwand verursachen. Die Gewissheit, dass die Pipettierergebnisse den Anforderungen entsprechen und dies anhand von Daten zu belegen ist, ist ein weiterer Sicherheitsaspekt und ermöglicht dem Anwender, sich auf seine eigentliche Laboraufgabe konzentrieren zu können.

Der Schlüssel: automatisierte Pipettiersysteme

Bei regelmäßigem Arbeiten mit 96-Well-Platten ermüden mit der Zeit die Hände, sodass präzises und sicheres Pipettieren schwierig wird. Zufällige und systematische Fehler sowie ergonomische Aspekte beeinflussen die Qualität der Resultate in entscheidendem Maße.

Ein zufälliger Fehler, der vom Pipettieren ausgeht, kann sich massiv auf die Genauigkeit der weiteren Ergebnisse auswirken. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Anwender morgens um 8.00 Uhr anders pipettiert als um 12.00 Uhr oder um 16.00 Uhr, wird deutlich, wie wichtig der Einsatz von Pipettiersystemen für reproduzierbare und konstante Resultate ist. Im High-Throughput-Bereich kumulieren sich Pipettierfehler, wie sie z.B. bei Verdünnungsreihen entstehen, drastisch. Projiziert man diese Problematik auf 8-Kanal-Pipetten oder gar auf 96-Well-Platten, so wird deutlich, welche Konsequenzen daraus entstehen können. Generell sollte in Bezug auf die Richtigkeit bzw. systematische Abweichung die Abweichung des Mittelwertes vom Sollwert ca. 1% nicht überschreiten. Für die Präzision bzw. die zufällige Abweichung sollte die Streuung einzelner Messwerte um den Mittelwert ca. 0,5% nicht überschreiten.

Aus diesen Gründen hat Mettler Toledo die Pipettierstation Benchsmart 96 entwickelt. Sie erleichtert das Pipettieren von 96- und 384-Well-Platten enorm. Benchsmart vereinigt die Schnelligkeit und Flexibilität eines manuellen Systems mit der Präzision und Zuverlässigkeit elektronischer Pipettiersysteme.

Das System zeichnet sich durch Flexibilität und Nutzerfreundlichkeit aus. Drei austauschbare Köpfe decken einen Volumenbereich von 0,5 bis 1000 µl ab. Die sichere, präzise und höchst genaue Arbeitsweise ist vor allem bei sensiblen Anwendungen in Proteomik- und Genomikbereichen von Vorteil. Die 96 Kanäle des Benchsmart aspirieren und dispensieren reproduzierbar mit höchster Konsistenz. Das System eignet sich insbesondere für ELISA- und qPCR-Anwendungen. Die Funktionseigenschaften entsprechen denen von Ein- und Mehrkanal-Pipetten und gewährleisten eine optimale Datenqualität, selbst wenn die Pipettierparameter modifiziert werden. Auch bei deaktivierter Ausblasfunktion liefert das neue Pipettiersystem hochwertige qPCR-Daten. Im Gegensatz zu Ein- und Mehrkanal-Pipetten arbeitet Benchsmart alle 96 Kanäle simultan ab, sodass keine Reihen und Wells übersprungen oder doppelt befüllt werden. Das einfache Navigieren auf der Touchscreen-Benutzeroberfläche bietet intuitive Möglichkeiten zum Anpassen der Pipettiereinstellungen. Benchsmart kann in verschiedenen elektronischen Pipettiermodi eingesetzt werden, beispielsweise zum Multidispensieren, zum erweiterten Pipettieren oder im Verdünnungsmodus. Fehlerquellen können durch automatisierte Pipettiersysteme wie elektronische Pipetten und der Pipettierstation Benchsmart signifikant eliminiert werden.

Fazit: Automatisierte Systeme für bessere Ergebnisse

Der Einsatz von automatisierten Pipettiersystemen trägt entscheidend dazu bei, teures Probenmaterial und wertvolle Laborarbeitszeit einzusparen sowie gleichzeitig die Richtigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten und damit die Qualität zu steigern.

Wesentlichen Einfluss auf die Pipettierergebnisse hat auch die Ergonomie der Pipetten. Bedenkt man, wie oft der Daumen bei Pipettierreihen mit 96er-Platten bewegt wird und dass sich zudem Pipettierfehler über den Tag hinweg häufen, so kommt der Benchsmart-Pipettierstation im zukunftsfähigen Labor eine zentrale Rolle zu.

Bei erhöhtem Probendurchsatz macht es zweifelsohne Sinn, die manuellen durch elektronische Pipetten zu ersetzen. Im High-Throughput-Bereich ist eine dauerhaft gleichmäßige Aufnahme und Abgabe des zu transferierenden Mediums essenziell und nur durch den Einsatz elektronischer Pipetten gewährleistet. Die hochauflösenden Schrittmotoren der elektronischen Pipetten schließen jegliche bedienerabhängige Unregelmäßigkeit aus und gewährleisten eine messbar höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

Benchsmart 96 ist ein semi-elektronisches Pipettiersystem, das für 96- und 384-Well-Platten konzipiert wurde. In diesem Rahmen werden beispielsweise qPCR-Anwendungen zum Nachweis und zur Quantifizierung von Nukleinsäuren durchgeführt. Das Pipettiersystem wird der in modernen Forschungseinrichtungen gewünschten optimalen Verfahrenseffizienz gerecht. Benchsmart 96 ist in der Lage, die Arbeitsabläufe zu beschleunigen und höchste Datenqualität zu liefern. Im Gegensatz zu Pipettiergeräten mit weniger Kanälen überzeugt Benchsmart 96 durch Schnelligkeit, Präzision und Richtigkeit seiner Ergebnisse bei qPCR und den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen.

* Dr. M. Zweig: Mettler-Toledo GmbH, 35396 Gießen

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