高通量組織研磨儀在生物樣本處理中的應用與實踐

摘要

    高通量組織研磨儀作為現代實驗室重要的樣品前處理設備，憑借高效快速、低交叉污染的突出優勢，在生物樣本處理中展現出重要應用價值。本文系統介紹該設備在動植物組織、微生物等多種生物樣本研磨破碎中的具體應用，分析其相較于傳統研磨方法的技術特點，詳細闡述標準化操作流程，并展望未來發展趨勢。實踐表明，高通量組織研磨儀可大幅提升實驗效率，為分子生物學研究的準確性與可靠性奠定基礎。

1 設備簡介：高效樣本處理的實用裝備

    高通量組織研磨儀是一種基于高速振動與撞擊原理的現代化樣品前處理設備，通過研磨珠（氧化鋯、鋼珠、玻璃珠、陶瓷珠等）的高頻往復振動、撞擊與剪切作用，快速破碎各種生物樣本，釋放其內的核酸、蛋白質等生物分子。自問世以來，該設備已逐步替代許多傳統手工研磨方法，成為分子生物學、生物醫學、農業科學等領域實驗室的常用設備。

    與傳統研磨方法相比，高通量組織研磨儀的突出特點是實現了多樣化本的高效并行處理。例如，Bionoon系列高通量組織研磨儀可在三十幾秒內完成192*2ml 個樣品的研磨，這樣的處理能力能幫助科研人員減少繁瑣手工操作，有效提升實驗效率。

    現代高通量組織研磨儀在設計上充分考慮操作便捷性與安全性。設備通常配備微電腦控制的 7 英寸觸摸液晶屏，直觀顯示工作狀態，內置程序控制器可對研磨時間、轉子振動頻率等參數進行精確設置。此外，設備采用電磁鎖定系統，確保機蓋處于閉合狀態下儀器才能啟動，為操作安全提供有力保障。

圖：高通量組織研磨儀基本結構示意圖

2 應用領域：多類型生物樣本的精準處理

2.1 動植物組織樣本

    高通量組織研磨儀在動植物組織樣本處理中表現出良好的性能。對于植物組織，設備可高效處理根、莖、葉、花、果、種子等各種類型樣品，即便纖維含量高、質地堅硬的樣品，也能在短時間內完成均勻研磨。以玉米種子為例，傳統研磨方法需液氮預冷且手動操作，耗時耗力且效果不均，而使用高通量組織研磨儀，僅需添加適量研磨珠，設定短時間程序，即可獲得均勻粉末，為后續 DNA 提取和基因分析提供適配樣本。

    在動物組織處理方面，設備適用于大腦、心臟、肺、胃、肝臟、胸腺、腎臟、肌肉、骨骼等多種組織類型。針對骨骼、牙齒和毛發等較難處理的樣品，高通量組織研磨儀展現出明顯優勢。以小鼠肝臟樣本為例，研究表明，采用適宜的研磨條件和裂解介質，可在 15 秒至 2 分鐘內完成充分研磨，并能較好保持核酸分子的完整性，為基因表達研究提供高質量樣本。

2.2 微生物與特殊樣本

    微生物樣本由于細胞壁結構特殊，常需要較強的破碎條件。高通量組織研磨儀可有效破碎細菌、酵母、真菌甚至孢子體等微生物細胞，且研磨過程用時短，能較好保留生物分子（DNA、RNA、蛋白質）和藥物分子的完整性。對于頑固的細菌和真菌細胞壁，借助特定材質的研磨珠（如氧化鋯），可施加更強撞擊力，實現高效破碎。

    該設備對古老干燥樣本、法醫樣本（如毛發、骨骼）以及臨床病理樣本同樣具有理想的處理效果。例如，在法醫鑒定中，一根毛發或微小的組織樣本可能包含關鍵證據，高通量組織研磨儀通過全封閉的樣品管和一次性研磨珠，減少樣本間的交叉污染，保障分析結果的可靠性。

表：不同類型生物樣本的推薦研磨參數

3 技術優勢：優化傳統研磨方法的優質特性

3.1 效率與質量的雙重提升

    高通量組織研磨儀的核心優勢在于顯著的效率提升。傳統研磨方法如手工研磨、勻漿器處理等，通常一次僅能處理一個樣本，且耗時較長；而高通量組織研磨儀可同時處理多個樣本，典型研磨時間僅需 15 秒至 2 分鐘，大幅縮短樣本前處理時間，加快整體實驗進程。

    在提升效率的同時，設備還能改善研磨質量。采用特殊的垂直上下及左右一體的三維震動模式，使樣品研磨更充分均勻，批間、批內差異較小，實驗重復性較好。研究表明，通過該方法提取的蛋白比活更穩定，核酸片段完整性更好，為下游實驗提供高質量的材料基礎。

3.2 安全性與便捷性的有效改善

    高通量組織研磨儀在減少交叉污染方面表現突出。樣品在破碎過程中處于全封閉狀態，可采用一次性離心管和珠子，樣品完整保留在管內，有效降低樣品間的交叉污染以及外界污染風險。這一特性對于臨床診斷、法醫學和精準醫學研究十分重要，這些領域對結果準確性要求較高。

    設備的操作便捷性同樣值得肯定。現代研磨儀通常配備直觀的觸摸屏界面，用戶可輕松設置研磨參數，且設備可存儲多組實驗數據，便于調用重復。此外，針對不同特性的樣本，設備還可選擇不同的研磨方式，包括濕磨、干磨和低溫研磨，滿足多樣化實驗需求。

3.3 低溫研磨技術的實用價值

    高通量組織研磨儀的一項重要技術特點是實現了可控的低溫研磨。當需要低溫研磨環境時，用戶可將放有樣本的適配器浸入液氮中冷卻 1-2 分鐘，取出后移至主機快速固定即可開始研磨，無需再次冷凍處理。部分先進型號還配備專業的制冷系統，如Bionoon系列冷凍組織研磨儀，其制冷溫度可達 - 50℃可調，能減少因研磨件摩擦生熱對樣品核酸及蛋白造成的影響。

    低溫研磨技術對于熱敏性生物分子的提取尤為重要。常溫下研磨，摩擦產生的熱量可能導致蛋白質變性或核酸降解，而低溫環境可有效抑制這些不利影響，保持生物分子的天然狀態和活性，為后續分析提供可靠基礎。

圖：低溫研磨適配器工作原理圖

4 操作流程：標準化作業保障良好效果

4.1 標準操作步驟

為確保高通量組織研磨儀的穩定性能和較長使用壽命，建議遵循以下標準化操作流程：

1. 樣本準備：將組織樣本分裝到合適的離心管內，添加適量裂解介質或試劑。注意樣本量不宜過多，一般不超過容器容量的三分之一，以保證足夠研磨空間。

2. 添加研磨珠：根據樣本性質選擇合適的研磨珠材質和直徑（常用直徑為 0.1-30mm）。氧化鋯珠適用于大多數生物樣本，不銹鋼珠更適合堅硬樣品。

3. 預冷處理（如需要）：對于熱敏感樣本，可將裝有樣本和研磨珠的離心管置于冷凍適配器中，并使用專用適配器夾具將整個適配器浸入液氮中冷卻 1-2 分鐘。

4. 設備設置：將適配器正確安裝到研磨儀上，擰緊固定手柄。通過觸摸屏設置合適的研磨參數，包括時間（0 秒 - 9999 分鐘可調）和轉速 / 頻率（0-70Hz/0-2100 轉 / 分）。

5. 啟動研磨：確認設備蓋緊后啟動機器，研磨過程中無需人工干預，設備會在設定時間后自動停止。

6. 樣本回收：研磨完成后，小心取出樣本管，進行后續提取步驟。注意在開蓋前先短暫離心，使管壁上的樣品和液體匯集至管底。

4.2 關鍵注意事項

為確保實驗安全性和結果可靠性，操作過程中需特別注意以下幾點：

1. 安全防護：使用液氮進行預冷時，必須佩戴防凍手套和防護眼鏡，避免皮膚與液氮直接接觸。

2. 平衡放置：為確保運行穩定和研磨均勻，適配器中的樣本管應盡量對稱放置，保持平衡。

3. 參數優化：對于新型號或新樣本類型，建議先進行小規模測試，優化研磨時間和頻率，避免過度研磨或研磨不足。

4. 清潔維護：每次使用后應及時清潔適配器，定期檢查研磨儀狀態，確保設備處于良好工作條件。

5 發展趨勢：技術創新拓展應用邊界

    隨著生命科學研究的不斷深入，高通量組織研磨儀正朝著更智能化、更高通量和更專業化的方向發展。在智能化方面，現代研磨儀已具備程序存儲、自動運行和故障診斷等功能，未來將進一步融合物聯網技術，實現遠程監控和操作，提升用戶體驗。

    在應用領域拓展方面，高通量組織研磨儀已從傳統的生物樣本處理向材料科學、納米技術和環境科學等領域滲透。例如，在材料科學中，該設備可用于制備納米材料、改進材料性能；在環境科學中，可用于處理土壤、固體廢棄物等環境樣本，分析其微生物組成和污染物含量。

    技術創新方面，無酶機械分離技術成為新興趨勢。這項技術特別適用于腫瘤異質性研究等需要純凈單個細胞群體的前沿領域，為個性化醫療提供有力工具。

    此外，高通量組織研磨儀與其他設備的聯用技術也日益成熟。例如，與全自動核酸提取儀聯用，可實現從樣本研磨到核酸提取的全自動化流程，減少人為誤差，提高實驗結果的重復性和可靠性。這種一體化解決方案特別適合大型測序中心和臨床檢測實驗室，滿足其對高通量、標準化樣本前處理的需求。

結語

    高通量組織研磨儀作為生物樣本前處理領域的重要工具，以其高效、精準、安全的特性，成為現代實驗室的常用設備。它在動植物組織、微生物樣本乃至特殊難處理樣本中的廣泛應用，充分體現了技術實用性和應用價值。隨著科學技術的不斷發展，高通量組織研磨儀將在更多領域展現獨特優勢，為科學研究和社會發展做出積極貢獻。