自动液体处理系统-测量程序的不确定度标准立项发展报告

自动液体处理系统——测量程序的不确定度标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:AutomatedLiquidHandlingSystems–UncertaintyoftheMeasurementProcedures摘要本报告聚焦于国际标准化组织（ISO）发布的ISO/TR6037:2024《自动液体处理系统——测量程序的不确定度》技术报告的立项与发展。随着生命科学、临床诊断和药物研发等领域对高通量、高精度液体处理需求的持续增长，自动液体处理系统（ALHS）已成为实验室自动化的核心装备。然而，ALHS在执行液体分配、移液、稀释等操作时，其测量结果的不确定度缺乏统一的评估与表述框架，导致不同系统间、不同实验室间的数据可比性不足，影响了实验结果的可靠性与可重复性。本标准项目正是基于这一行业痛点而立项。报告详细阐述了该标准的立项背景、国际协商过程及其核心内容，即首次系统地提出了针对ALHS测量不确定度的评估方法，包括基于统计学的A类评定和基于经验模型的B类评定，并提供了完整的评估流程与报告模板。重要结论指出，ISO/TR6037:2024的发布不仅为ALHS的性能验证提供了科学依据，也促进了全球实验室数据互认体系的构建，对提升生物医药和临床检验领域的质量管理水平具有里程碑意义。关键词：自动液体处理系统；测量不确定度；标准起草；实验室自动化；性能验证；ISO/TR6037；质量保证Keywords:AutomatedLiquidHandlingSystems;MeasurementUncertainty;StandardDrafting;LaboratoryAutomation;PerformanceVerification;ISO/TR6037;QualityAssurance正文1.引言在当今的生物医药研发、临床体外诊断（IVD）以及基因组学研究中，液体处理操作是实验流程中最基础且最关键的环节。随着实验通量的爆炸式增长和结果精准度要求的日益严苛，人工移液操作已难以满足需求，自动液体处理系统（ALHS）因此得到广泛应用。ALHS能够执行从微升级到毫升级的液体转移、分装、稀释、混合等复杂操作，极大地提高了实验效率、一致性和可追溯性。然而，一个核心问题长期困扰着业界：如何科学、统一地评价和表述ALHS所执行测量程序的结果质量？传统上，业界多侧重于评估ALHS的物理精度，如移液器的容积重复性（CV）和准确度（偏差），但这些指标并不能完全反映整个测量过程的不确定度。测量不确定度，作为表征测量结果分散性的非负参数，是衡量测量结果可信度的核心指标。它涵盖了来自系统硬件（如移液机械臂、泵、阀门、耗材）、环境因素（温度、湿度）、操作程序（如吸液/放液速度、混合次数）以及待测液体物理性质（粘度、表面张力）等多方面的综合影响。缺乏对ALHS测量不确定度的统一认识与评估方法，严重阻碍了实验室间数据的横向比较，增加了方法转移的难度，并对基于这些测量结果做出的科学判断或临床决策带来了潜在风险。为此，国际标准化组织（ISO）下属的实验室器皿和相关仪器技术委员会（ISO/TC48）启动了《自动液体处理系统——测量程序的不确定度》技术报告（ISO/TR6037:2024）的制定工作，旨在填补这一关键空白，为全球用户和制造商提供一套权威的指导性框架。2.标准立项背景与过程2.1行业需求驱动立项2010年代以来，随着精准医疗和组合化学的快速发展，自动液体处理系统在主流生物技术公司和制药企业中的渗透率显著提升。然而，行业内长期依赖“精密度和准确度”这一经典计量学概念来评估液体处理性能。这种方式存在明显局限：首先，其测试条件（如使用纯水、标准环境）与真实样本（如含有蛋白质、核酸的复杂生物基质）差异巨大；其次，它无法量化因操作程序、操作者或耗材批次不同引入的变量。2015年前后，以美国国家标准与技术研究院（NIST）和部分跨国药企为代表的机构，开始呼吁建立一个基于“测量不确定度”的新评估范式。他们认为，只有将ALHS作为一个完整的“测量系统”来评价其总不确定度，才能从根本上解决实验结果的“黑箱”问题，满足监管机构（如美国食品药品监督管理局FDA、欧洲药品管理局EMA）对数据完整性和质量管理的更高要求。2.2国际标准制定历程-提案阶段（2018-2019年）：ISO/TC48/WG3（液体处理设备工作组）受命研究此事。在2018年的年会上，德国标准化学会（DIN）联合美国、瑞士等国提出了制定相关技术报告的提案，得到了广泛支持。-起草阶段（2020-2022年）：工作组邀请了来自全球20多个国家的专家、终端用户代表（如大型制药公司、CRO）、设备制造商（如Tecan、Hamilton、Eppendorf）以及计量专家共同参与起草。期间，进行了多轮不同ALHS型号和液体类型的对比测试，以验证所提出评估方法的普适性和可行性。-征求意见与投票（2023年）：经过多轮草案修改，工作组在2023年形成了委员会草案（CD）并分发至各成员国征求意见。共收到来自12个国家的超过150条技术性修改意见。工作组根据反馈进行了集中修订，重点优化了B类不确定度贡献分量的估算模型。-发布阶段（2024年）：2024年5月14日，ISO/TR6037:2024正式发布。该版本为技术报告（TR）形式，这意味着其内容更侧重于提供技术指导和建议，而非强制性的规范要求，旨在鼓励业界广泛试用和反馈，为未来可能升级为ISO标准（IS）奠定基础。3.标准核心内容解析ISO/TR6037:2024的核心价值在于提供了一套完整的、结构化的“不确定性评估工作流”。其主要内容可分为以下几个方面：3.1术语和定义标准首先澄清了与液体处理相关的关键计量学术语，特别是区分了“精密度”、“准确度”、“误差”与“测量不确定度”的概念。明确指出，ALHS的测量不确定度不同于传统的移液器校准误差，它是对测量结果“可疑程度”的量化，通常用一个置信区间（如95%置信水平下的扩展不确定度U）来表示。例如，一份样品被分配为10µL，如果评估的扩展不确定度U为0.15µL，则意味着有95%的把握，其真实体积位于9.85µL至10.15µL之间。3.2不确定度来源识别标准系统性地识别了影响ALHS测量不确定度的四大类主要来源：-硬件相关：机载移液器的运动精度、压力传感器噪声、泵的进样体积重复性、Tip头的吸附与释放特性等。-耗材相关：Tip头的材质、疏水性、内径公差、批间差异等。例如，聚丙烯Tip头对低表面张力液体的吸附作用会引入显著的不确定度。-液体与程序相关：液体样品的粘度、挥发性和表面张力；操作参数如吸液高度、吸液/放液速度、吹打（mixing）次数和深度、预湿程序等。-环境相关：操作环境中的温度波动、大气压变化以及特定的振动、湿度等。3.3测量不确定度的评定方法标准推荐采用经典的“GUM法”（《测量不确定度表示指南》，ISO/IECGuide98-3），为ALHS量身定制了两种评定路径：-A类评定：基于对同一测量程序进行重复观测（如至少10次测量）的统计数据进行评定。通过计算样本标准差和均值，得到A类标准不确定度。这适用于评估由随机效应（如机械振动噪音、Tip头的随机吸附差异）引起的分量。-B类评定：基于非统计方法的信息进行评定。这包括：-制造商数据：设备出厂精度（如标称CV值或准确度）。-历史数据：过往性能验证记录或质控数据。-校准证书：使用经过校准的参考标准（如称量用的分析天平）所给出的不确定度。-模型假设：对于无法直接测量的量，如液体蒸发速率、温度对体积的膨胀影响，可基于物理模型和理论假设进行估算。标准特别强调了在实际操作中，应将A类和B类评定的结果进行合成，得到合成标准不确定度（\(u_c\)），再乘以包含因子k（通常取k=2，对应95%置信水平）得到扩展不确定度（U）。3.4报告与记录要求报告最终应呈现一个结构化的测量不确定度评估报告，包含：-被测目标和测量程序描述。-所有识别出的不确定度来源清单。-每种来源的具体评定方法（A类或B类）和标准不确定度值。-合成和扩展不确定度的计算过程与结果。-结论和应用建议（如该程序是否适合预期用途）。4.介绍主要参与单位——Tecan集团在ISO/TR6037:2024的制定过程中，众多国际机构贡献卓著，其中来自瑞士的Tecan集团（TecanGroupAG）作为全球领先的实验室自动化解决方案提供商，扮演了核心的推动者和技术贡献者角色。4.1企业概况与行业地位Tecan集团成立于1980年，总部位于瑞士曼内多夫，是全球最大的独立第三方生命科学和临床诊断自动化设备制造商之一。其产品线覆盖了从高端的全自动多功能液体处理工作站（如Fluent、FreedomEVO系列）、多模式微孔板检测仪到专用的独立移液系统和耗材。Tecan的客户网络遍布全球，在制药、生物技术、合同研究组织（CRO）、医院诊断实验室以及科研院所中占有率极高。该公司始终将“提升实验结果准确性”作为核心使命，长期投入于液体处理计量学的研究。4.2在标准制定中的主要贡献在本标准立项之初，Tecan便积极响应并主动参与到工作组中。其贡献主要体现在：1.提供关键技术数据：Tecan利用其位于瑞士和美国的研发中心，针对其最畅销的Fluent工作站，进行了大量的内部交叉测试。测试覆盖了不同粘度（如水、甘油、血清）、不同体积（如0.5µL至1000µL）、不同操作模式（如单步分液、连续分液、多向导液）下的液路性能。这些数据直接支撑了标准中B类评定模型中关于“液体粘度影响因子”和“操作程序重复性因子”的数学建模。2.推动操作程序规范：Tecan的技术人员编写了详细的“最佳实践指引”，定义了多种典型的液体处理程序（如标准分液、反向移液、表面下移液）并量化了每种程序对不确定度的贡献分量。这部分内容被标准草案大量采纳，作为附录中的“指导性案例”。3.主导不确定度报告的模板设计：基于其客户支持团队的经验，Tecan发现许多用户不知如何规范地记录和呈现不确定度信息。为此，Tecan的专家主导设计了标准的报告模板，该模板最终被ISO/TR6037:2024采纳为核心附件，极大地降低了用户的应用门槛。4.3对标准价值与应用的总结5.结论与展望ISO/TR6037:2024《自动液体处理系统——测量程序的不确定度》的发布，标志着实验室自动化领域计量标准化进程中的一个重要里程碑。它不仅系统地解决了ALHS测量结果可信度难以量化评估的长期难题，更通过引入国际通行的测量不确定度框架，促进了全球生命科学和临床检验领域数据质量的统一与互认。从应用层面看，该标准的直接效益包括：提升方法转移效率，制药企业可更自信地将分析方法从研发实验室转移至质控实验室或CRO；优化设备验证流程，用户可基于定量的不确定度目标（U的目标值）来验收新设备或校准现有设备，而非仅依赖定性判读；强化数据完整性，在监管审计中，基于该标准的不确定度报告是证明数据可靠性最有力的证据之一。展望未来，该标准的发展方向可能包括：其一，随着实践应用的深入，预计将在3-5年内收到大量反馈，技术报告可能升级为具有强制性要求的ISO国际标准（IS），并进一步细化针对特定应用场