你知道移液枪是摸鱼的时候发明的吗

科学大院 2022-08-07 07:00


本篇文章正文共2505字

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对于学生物的小伙伴们来说,一天的大部分时间都是在实验室度过的:



早上起床去看板,

提完质粒忙转染。

可怜春半不还家,

深夜犹在PCR。


说起实验室的仪器设备实验狗们如数家珍,移液枪、离心机、EP管、超净台更是生物实验室的标配,是实验狗们吃饭的家伙什,但是你们真的了解它嘛?


以最常用的移液枪为例,它是谁发明的呀,什么时候发明的呀,最开始是什么样子滴,是先有移液枪还是先有枪头?是不是一无所知,瞬间陷入了装逼的盲区?


接下来熟读此文,保你以后带师弟师妹们用枪的时候,不仅讲实验口吐莲花,更能侃侃而谈聊八卦,收获他们的星星眼。


1925年,海因里希·施尼特(Heinrich Schnitger)出生于德国威斯特伐利亚(Westphalia)的莱姆戈(Lemgo)。他的父亲是一位发明家,设计了一种曾经广泛使用的自行车锁。施尼特从小耳濡目染,小小年纪就可以对各种小玩意儿修修补补和升级改进,展现一个的发明家天赋。


二战期间,作为一名德国士兵,他在战场上得到一个好消息和一个坏消息。好消息是他不用上战场送死了;坏消息是,他不用上战场是因为他被检查出肺结核!从战场退下来后,海因里希开始学习医学。多年以后他向同事们提起这件事时说到,他对医学毫无兴趣,学医纯粹为了给自己治病“保护自己免受无能医生的戕害”。


1957年,“平平无奇”的一年。这一年,苏联发射了第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号;丹麦科学家延斯发现了钠钾泵;一位年轻科学家刚刚当上哈佛助教,他的名字叫詹姆斯·沃森;这一年,另外两位年轻的物理学家杨振宁和李政道得了诺贝尔奖。这一年,33岁的海因里希来到了德国马尔堡大学(University of Marburg),在生理化学研究所所长西奥多·比彻(Theodor Bücher)的研究小组做博后。


海因里希·施尼特


他的导师西奥多给他安排的任务是研究含磷代谢物,实验操作中需要反复吸取不到1毫升有毒的甲酸。海因里希对这种简单重复的流水线式工作嗤之以鼻,更何况当时用来吸取甲酸的仪器也让人开心不起来。


事情还要从19世纪40年代说起,那时候微生物学双雄之一路易·巴斯德(Louis Pasteur)发现了环境中微生物是造成食物腐败、人体生病非常重要的原因之一,为了研究微生物时候能吸取一些微量液体或者单克隆菌落,巴斯德使用了带尖端的玻璃管:将玻璃管中间烧软,然后拉长拉细截断,这样可以得到尖端非常细的玻璃管,可以容易地移取小体积的液体了。


吹烧玻璃管


是不是很熟悉?没错,他开创的巴斯德移液管(Pasteur pipette)就是实验室常用的胶头滴管的前身(严格来说成熟的吹烧玻璃管是后人升级的,但是为了纪念巴斯德于是统一称作巴斯德移液管)。


一个世纪过去了生物学实验室仍旧在巴斯德移液管的基础上改来改去打补丁,到了海因里希这个年代用的嘉士伯吸管(Carlsberg pipette)甚至还要用嘴吸!且不说吸有毒有害液体稍不留神吸到嘴里导致中毒或感染(在1915年的一份报告中,57个实验室报告了47例感染,其中40%是通过口腔移液),就算试剂无毒无害一不小心满嘴嘎嘣脆的玻璃碴子谁也受不了啊!


直接吸取试剂


现在的生物狗每天做实验起码得用三两盒枪头,而海因里希只能每天嘴吸几百次,嘴都酸了,干了两天直接摆烂罢工。导师西奥多见他好几天没来实验室大为光火,就在导师要发飙准备炒海因里希鱿鱼的时候,海因里希带着一个小玩意儿回来了。


世界上第一把移液枪


这是一个改造后的结核菌素注射器,海因里希在活塞下方添加了一个弹簧,弹簧弹起活塞用来西区液体,同时弹簧上部设置了挡块以固定每次的移液量。注射器针头也换成了聚乙烯的细塑料管(这个细塑料管就是枪头的前身,移液枪和它的枪头从出生的时候就是锁死的CP,没想到吧)。这个小玩意用起来方便轻松,而且没有了用嘴吸的危险,实验室的人用了都说好!


导师西奥多见状大加赞赏,非但不再提解聘的事情反而鼓励海因里希:你这次的摸鱼的结果很好,这个小玩意儿你继续完善完善赶紧搞出来,科研工作可以放一放,摸鱼什么的请加大力度(还有这好事儿?)!很快,海因里希在移液枪1.0的基础上加了第二个弹簧,这样就可以在排液结束时把枪头残留的一丢丢液体“吹”出去,这也就是现代移液枪的“一吸两打”的功能的第一次出现。


在制造了第一把移液枪的几个月后,也就是1957年5月3日,海因里希申请了专利,最终于1961年4月24日获得专利批准。没过多久专利就被一家公司买走了,收购专利的不是别人,正是日后大名鼎鼎的Eppendorf公司。Eppendorf公司在收购在同一时期还开发了一种带盖子的小塑料管,也就是EP管,而发明EP管是我们下次要讲的故事。


海因里希的移液枪专利证明


在海因里希发明移液枪的时候已经想过了要配套一次性枪头,当时他尝试用特氟龙为原料制作枪头但是效果不佳。买断移液枪专利之后Eppendorf的工程师威廉·伯格曼用聚丙烯替代特氟龙,发现效果奇佳。


之后,能换枪头的移液枪和自带卡扣式帽子的EP管这一组合风靡全球的实验室。而迷你离心机的加入使之成为实验室标配“铁三角”将是我们下下次的故事。


海因里希和Eppendorf公司的移液枪


再到1973年,排枪也出现了,实验狗已经可以快乐地处理96孔板了。


但是到这一步,移液枪还有一个重要功能没有实现,那就是可调节量程。最初的移液枪可以设置多个通道(例如25、50、75、100 μl)勉强算可调节量程,但也只能在这四个里面切换。


1974年法国Gilson推出了第一支单道可调量程移液器可以在一定范围内任意调节量程,并把它命名为Pipetman,再之后的70年代末期,Gilson又将吸液/排液按钮与退吸头按钮相互独立。


至此移液器的究极形态进化完成,功能上和现在你在实验室见到的移液枪别无二致了。但是要说那时候地移液枪长相嘛,真的是有点自由发挥、五花八门了。


20世纪70年代风格迥异的移液枪


再后面移液枪发展就没有太大改动了,只是在原有基础上做一些微小升级,加个电动小马达呀,重新排布下布局呀之类的。请注意此时还在70年代,世界上第一个PCR反应还要在几年之后的1983年。


现在常用的移液枪样式


故事讲到这里你可能会问,移液枪的发明人海因里希后来怎么样了呢,为什么后续一点关于他的消息都没有了呢?因为他去世了。1964年在巴伐利亚的埃布西(Eibsee)一个湖中游泳时,海因里希·施尼特不幸溺亡。距离他的专利获批仅仅两年多,他离开了这个世界的时候不会知道,自己的发明将来会如何风靡全世界的生物实验室。


海因里希向来是一个有发明天赋的人,早在他在马尔堡大学医学院求学时候,就感觉手动测量血液凝固的实验极其耗时,因此开发了一种仪器,使用两根特殊排列的导线作为电极,电极在血液中来回移动,直到凝结的血液在导线之间形成永久性传导触发了一个停止时钟。


几家大公司的开发团队都曾尝试开发这个仪器,但是全都以失败告终,只有他单枪匹马用简陋的条件成功了。如果他没有去世,可能会发明更多对实验室很有帮助的仪器设备。


他发明的移液枪吸起实验室的一滴滴小小液体,掀起了生物科研领域的惊涛骇浪。他自己化身一滴液体,长眠在了1964年巴伐利亚安静的湖面之下。


海因里希·施尼特,1925年5月10日 - 1964年8月27日


参考资料:

[1] https://biotechinasia.wordpress.com/2015/08/26/a-journey-in-to-the-history-of-micropipettes/

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/File:Early_pipette.jpg

[3] https://www.wiki.de-de.nina.az/Heinrich_Schnitger.html

[4] https://pasteur-pipette.com/history-of-pasteur-pipettes/

[5] https://www.mta-dialog.de/artikel/heinrich-schnitger-und-die-entwicklung-der-kolbenhubpipette

[6] https://www.instructables.com/How-to-Make-a-Your-Own-Glass-Pipette/

[7] https://thebiomedicalscientist.net/science/no-more-sucking-60-years-micropipette

[8] https://www.chemistryworld.com/opinion/schnitgers-pipette/7789.article

[9] https://www.the-scientist.com/foundations-old/the-original-micropipette-48026

[10] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1369176/

[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Pipette#/media/File:2Pipettierhilfen.jpg




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