体积测量

体积测量是生物技术实验室中最基本也是最重要的技能之一。在细胞培养、溶液配制、生化分析等各个环节，准确的液体体积测量直接关系到实验结果的可靠性。从最简单的量筒到高精度的微量移液器，每一种工具都有其特定的应用场景和操作要求。掌握正确的体积测量技术，不仅能够提高实验的准确性和重复性，还能有效避免试剂浪费和实验误差。

本内容将介绍液体体积测量的基本原理、常用器皿的特性、操作技术要点以及现代自动化设备的应用。通过学习这些内容，你将能够根据实验需求选择合适的测量工具，规范操作流程，确保实验数据的准确可靠。

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液体体积测量的基本原理

液体体积测量的核心在于确定液体所占据的三维空间大小。在实验室环境中，我们通常采用容积法来测量液体体积，即利用标准容器的刻度或固定容积来确定液体的体积。这种方法简单直观，但需要充分理解影响测量准确性的各种因素。

体积测量中的温度效应

液体的体积会随着温度变化而改变，这是因为温度升高时分子运动加剧，分子间距离增大，导致液体膨胀。水在20°C时的密度约为0.9982 g/mL，而在25°C时密度降至0.9970 g/mL。虽然这个差异看似微小，但在高精度实验中却不能忽视。

中国科学院某研究所在进行蛋白质定量分析时，发现夏季和冬季的实验结果存在系统性偏差。经过调查发现，实验室在夏季时室温可达28°C，而冬季仅有16°C左右。由于移液器的校准温度为20°C，温度偏差导致实际移取的液体体积与设定值存在0.3%~0.5%的误差。研究人员随后为实验室安装了温度控制系统，将室温稳定在20±2°C范围内，实验结果的重复性得到显著改善。

弯月面的正确读取

当液体装在玻璃容器中时，由于液体与容器壁之间的附着力和液体自身的内聚力作用，液体表面会形成一个弯曲的界面，这就是弯月面。对于大多数水溶液来说，由于水对玻璃的附着力大于水分子间的内聚力，弯月面呈凹形；而对于汞等液体，由于内聚力大于附着力，弯月面呈凸形。

正确读取弯月面是确保体积测量准确的关键。读数时应将视线与弯月面最低点保持水平，避免俯视或仰视造成的视差误差。以25 mL量筒为例，如果视线偏离水平线5度角，可能造成约0.2 mL的读数误差，相对误差接近1%。

北京大学生物化学实验课程中，教师通过一个简单的演示实验向学生展示视差的影响。将一支25 mL量筒装入20 mL水，让不同身高的学生从各自的视角读数。结果发现，身高较高的学生倾向于读出19.6 ~ 19.8 mL，而身高较矮的学生则读出20.2 ~ 20.4 mL。这个实验生动地说明了保持视线水平的重要性。

容量仪器的分类

实验室中的容量仪器按照功能可分为两大类，即容纳式容量器和排出式容量器。容纳式容量器用于容纳特定体积的液体，典型代表是容量瓶，其刻度表示容器内液体达到该刻度线时的体积。排出式容量器则用于向外排出特定体积的液体，典型代表是移液管和滴定管，其刻度表示从容器中排出液体的体积。

这两类容器的使用方法和读数方式存在明显差异。容纳式容器在加液至刻度线时读数，而排出式容器需要在排出液体前后分别读数，通过两次读数的差值确定排出的体积。理解这种差异对于正确使用容量仪器至关重要。

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玻璃器皿与塑料器皿的特性

实验室中用于体积测量的器皿主要分为玻璃器皿和塑料器皿两大类。这两类材料各有优缺点，在不同的实验场景中发挥着不可替代的作用。选择合适的器皿类型，既要考虑测量精度的要求，也要考虑化学兼容性、使用便利性和成本因素。

玻璃容量器皿的优势

玻璃器皿是传统实验室的主力装备，其最大优势在于化学稳定性优异和透明度高。硼硅酸玻璃（如常见的耐热玻璃品牌Pyrex和Schott）具有良好的耐热性和耐化学腐蚀性，可以承受大多数酸碱溶液和有机溶剂。玻璃表面光滑均匀，不易附着污染物，清洗后可以恢复到近乎完美的清洁状态。

玻璃器皿的另一个重要特点是热膨胀系数小，体积随温度变化较小。高质量的A级玻璃容量器皿在标准条件下的体积误差可以控制在0.1%以内，远超塑料器皿的精度。在需要高精度体积测量的实验中，如标准溶液配制、精密分析等，玻璃器皿几乎是唯一的选择。

复旦大学生命科学学院的分析化学实验室使用玻璃容量瓶配制蛋白质标准溶液。他们对比了同一批次玻璃容量瓶的实际容积，发现10个500 mL A级容量瓶的实际容积偏差均在0.15 mL以内，相对标准偏差仅为0.02%。这样的精度保证了标准曲线的可靠性，使得后续的蛋白质定量分析具有很高的准确度。

塑料器皿的应用场景

塑料器皿虽然在精度上不及玻璃，但在许多实验场景中却具有独特优势。塑料器皿质轻、不易破碎、价格低廉，特别适合大批量使用和一次性使用的场合。在细胞培养、微生物学实验等对无菌要求高的领域，一次性塑料器皿可以有效避免交叉污染的风险。

常用的塑料材料包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）。聚丙烯的耐热性较好，可以经受高温高压灭菌，常用于制作可重复使用的移液管尖头和离心管。聚苯乙烯透明度好，常用于制作细胞培养皿和96孔板。然而塑料对某些有机溶剂的耐受性较差，长期使用可能发生溶胀或析出增塑剂，影响实验结果。

上海某生物技术公司在进行抗体纯化实验时，最初使用聚苯乙烯离心管收集洗脱液。然而他们发现洗脱液中DMSO浓度较高时，离心管会出现轻微变形，甚至有少量塑料溶出。改用聚丙烯离心管后，这个问题得到彻底解决，抗体纯度也有所提高。

器皿材质性能对比

器皿的清洗与维护

无论是玻璃器皿还是塑料器皿，清洁度都直接影响测量的准确性。器皿表面的污染物会改变液体与壁面的润湿性，导致弯月面形状异常，从而影响读数准确性。玻璃器皿通常需要用洗涤剂彻底清洗，然后用自来水冲洗数次，最后用蒸馏水或去离子水润洗三次以上。

检验玻璃器皿清洁度的简单方法是观察水膜的连续性。将清洗后的玻璃器皿倒置，让水自然流下，如果玻璃表面形成均匀连续的水膜，没有断裂或出现水珠，说明清洗效果良好。如果出现不润湿的区域或水珠，说明仍有污染物残留，需要继续清洗。

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移液管的类型与使用方法

移液管是实验室中最常用的液体转移工具，其设计精巧，使用得当可以实现高精度的液体转移。根据结构和使用方式的不同，移液管可以分为多种类型，每种类型都有其特定的适用范围和操作要求。

刻度移液管的结构与读数

刻度移液管也称为莫尔移液管，其管身标有连续的刻度线，可以根据需要移取不同体积的液体。刻度移液管的体积规格通常有1 mL、2 mL、5 mL、10 mL和25 mL等。管身顶部标有标称容积和精度等级，例如“10 mL A”表示这是一支10 mL容积的A级移液管。

使用刻度移液管时，需要在吸取液体前和排出液体后分别读数，两次读数的差值即为实际移取的体积。读数时应注意，移液管的零刻度通常在顶部，数值向下递增。这与我们日常使用的尺子刻度方向相反，初学者容易搞混。

清华大学生物系的本科实验课上，教师设计了一个练习环节来帮助学生掌握移液管读数。学生需要用10 mL刻度移液管准确移取6.5 mL水，然后通过称重法验证实际移取的体积。统计结果显示，经过三次练习后，80%的学生能够将误差控制在±0.1 mL以内，相对误差小于2%。

容量移液管的特点

容量移液管也称为大肚移液管，其中部有一个膨大的球形部分，管身通常只有一条刻度线，用于移取固定体积的液体。容量移液管的精度通常高于刻度移液管，A级容量移液管的相对误差可以控制在0.2%以内。

容量移液管的使用方法相对简单，吸取液体至刻度线以上，然后缓慢放液至液面下缘恰好与刻度线相切。待液体自然流出至末端后，保持移液管与容器壁接触15秒，让管尖残留的液体完全流出。注意不要吹出管尖残留的最后一滴液体，因为容量移液管的校准已经考虑了这部分残留。

移液管的操作规范

正确的移液管操作需要掌握几个关键技术要点。首先是持管姿势，右手拇指和中指握住移液管上端，食指控制移液管顶部的开口，保持移液管垂直。左手操作洗耳球或助吸器，缓慢吸取液体。

吸液时应将移液管插入液面下方2 ~ 3厘米，避免吸入气泡。吸液速度要缓慢均匀，过快会导致液面震荡，难以准确对准刻度线。当液面上升至刻度线以上1 ~ 2厘米时，迅速用食指按住移液管顶端，然后轻轻放松食指，让多余的液体缓慢流出，直至液面下缘恰好与刻度线相切。

放液时，移液管应保持垂直或与容器壁成45度角，管尖轻触容器内壁。打开顶端让液体自然流出，不要用力吹出。待液体流出至管尖后，保持移液管与容器壁接触15秒，这个停留时间称为“等待时间”，是保证体积准确性的重要环节。

中国农业大学在生物化学实验教学中，要求学生用5 mL容量移液管进行反复练习。学生需要连续移取10次，每次移取的液体用电子天平称重，计算实际体积。合格的标准是10次测量的相对标准偏差小于0.3%。通过这种训练，学生的移液技术得到显著提升。

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微量移液器的精密操作

微量移液器的出现极大地提高了小体积液体转移的准确性和效率。这种精密仪器能够准确移取微升级别的液体，在分子生物学、生物化学和细胞生物学实验中发挥着不可替代的作用。掌握微量移液器的正确使用方法和维护技巧，是现代生物实验室工作的基本要求。

微量移液器的工作原理

微量移液器采用空气置换原理工作，其核心部件包括活塞、弹簧和密封系统。按压按钮时，活塞向下移动压缩内部空气；将吸头插入液体后松开按钮，活塞在弹簧作用下向上复位，内部形成负压，液体被吸入吸头；再次按压按钮，活塞下移推动空气，将液体排出。

高质量的微量移液器具有极高的精密度和准确度。以常见的100 ~ 1000 μL可调式微量移液器为例，在移取1000 μL时，不准确度应小于0.8%，不精密度应小于0.3%。这意味着移取1000 μL液体时，实际体积应在992 ~ 1008 μL范围内，且重复操作的标准偏差应小于3 μL。

容量范围与选择原则

微量移液器有固定容量和可调容量两种类型，容量范围从0.1 μL到10 mL不等。常见的可调式微量移液器规格包括0.5 ~ 10 μL、10 ~ 100 μL、100 ~ 1000 μL和1 ~ 5 mL等。选择合适规格的移液器是确保准确性的前提。

选择移液器时应遵循“三分之一原则”，即所需移取的体积应在移液器最大容量的三分之一到满量程之间。例如，移取50 μL液体时，应选择100 μL或200 μL规格的移液器，而不应使用1000 μL的移液器。这是因为移液器在中高量程范围内的准确度和精密度最好，在最小容量附近误差较大。

北京协和医学院的一项研究评估了不同移液器在不同容量下的性能表现。他们使用100 ~ 1000 μL移液器分别移取100 μL、500 μL和1000 μL水，每个体积重复20次，通过称重法测定实际体积。结果显示，移取100 μL时平均偏差为2.8%，移取500 μL时平均偏差为0.6%，移取1000 μL时平均偏差为0.3%。这个结果清楚地说明了选择合适量程移液器的重要性。

标准操作技术

正确的移液器操作需要良好的手部控制和规范的操作流程。首先要掌握正确的持握方式，用拇指按压按钮，手掌和其余四指握住移液器手柄，保持手臂放松，避免长时间紧握造成肌肉疲劳。操作过程应保持移液器垂直，倾斜角度不应超过20度，否则会影响体积准确性。

微量移液器的按压分为两档，轻压至第一停点用于常规吸液和排液，继续用力按压至第二停点用于排出吸头内残留液体。吸液时将按钮缓慢按压至第一停点，将吸头垂直插入液面下方2 ~ 3毫米，缓慢松开按钮让液体进入吸头。吸液速度要慢，特别是吸取粘稠液体时，过快会导致液体飞溅或气泡形成。

排液时将吸头尖端轻触容器内壁并保持一定角度（通常为30 ~ 45度），缓慢按压按钮至第一停点，停留1 ~ 2秒后继续按压至第二停点，将残留液体完全排出。随后将移液器贴着容器壁向上移动，带出吸头尖端可能附着的液滴。对于粘稠液体或表面张力大的液体，可以采用反向移液法，即吸液时按压至第二停点，排液时只按压至第一停点，将残留在吸头内的液体随吸头一起丢弃。

校准与性能验证

微量移液器是精密仪器，需要定期校准以保证准确性。常规实验室应每3~6个月进行一次内部验证，每年进行一次外部专业校准。校准方法通常采用重量法，即用移液器移取一定体积的纯水，通过高精度电子天平称重，根据水的密度计算实际体积。

以校准1000 μL移液器为例，在20°C条件下，1000 μL纯水的理论质量为0.9982克。用待校准的移液器移取1000 μL纯水，重复10次，分别称重并记录。计算10次测量的平均值和标准偏差，通过与理论值比较评估不准确度，通过标准偏差评估不精密度。如果不准确度超过±0.8%或不精密度超过0.3%，就需要对移液器进行调节或送修。

浙江大学生命科学学院建立了移液器性能验证档案，为每支移液器建立档案卡，记录校准日期、校准结果和维护情况。他们发现，定期维护的移液器性能稳定，三年内准确度变化很小；而疏于维护的移液器在一年后就出现明显的准确度下降。

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自动化液体处理设备

随着高通量实验需求的增长，手动移液已经难以满足大规模样品处理的要求。自动化液体处理设备的出现极大地提高了实验效率，降低了人为误差，使得大规模筛选、基因组学研究和药物开发成为可能。这些设备从简单的多道移液器到复杂的液体处理工作站，为现代生物技术研究提供了强有力的支持。

多道移液器的应用

多道移液器是最简单的液体处理自动化设备，通常具有8通道或12通道，可以同时移取多个样品。这种设备特别适合处理96孔板或384孔板，在ELISA检测、细胞培养、PCR反应体系配制等实验中广泛应用。

多道移液器的工作原理与单道移液器相同，但由于多个通道共用一个活塞系统，要确保每个通道吸取的体积一致，对制造精度要求极高。高质量的多道移液器各通道之间的体积偏差应小于1%。使用时需要注意，必须使用配套的多道移液器吸头，且所有通道的吸头必须同时浸入液体，保持在同一深度，否则会导致各通道吸液量不一致。

上海某基因检测公司使用8通道移液器进行PCR反应体系配制。他们需要处理96个样品，使用单道移液器需要30 ~ 40分钟，而使用8通道移液器只需5 ~ 6分钟，效率提高了6倍以上。更重要的是，由于所有样品的处理时间一致，实验的一致性得到显著改善，检测结果的变异系数从8%降低到3%。

电动移液器的优势

电动移液器通过电机驱动活塞运动，取代了传统的手动按压。操作人员只需按下按钮，移液器会自动完成吸液和排液动作，速度和力度保持恒定。这种设计不仅减轻了操作人员的劳动强度，更重要的是提高了操作的一致性和可重复性。

电动移液器通常具有可编程功能，可以预设吸液速度、排液速度、混匀次数等参数，针对不同性质的液体优化操作程序。例如处理高粘度液体时，可以降低吸液速度并延长停留时间；处理易产生泡沫的液体时，可以采用贴壁排液的方式。一些高端电动移液器还具有多次分液功能，可以从同一吸头连续向多个容器分配液体，大大提高了重复分液的效率。

深圳某抗体药物研发公司配备了电动移液器用于细胞培养实验。实验人员反映，使用电动移液器后，长时间移液操作不再感到手指酸痛，工作效率也有明显提高。他们对比了手动移液器和电动移液器的性能，发现在连续移液100次的实验中，电动移液器的变异系数始终保持在0.5%以下，而手动移液器在后50次操作中变异系数上升到1.5%左右，显示出疲劳对手动操作的影响。

液体处理工作站

液体处理工作站是高度自动化的系统，集成了多通道移液头、样品架、试剂储液槽、洗涤站等多个功能模块，可以完成复杂的液体处理流程。这类设备的移液头通常有96通道甚至384通道，可以在数秒内完成一整块微孔板的液体转移。

现代液体处理工作站配备了精密的控制系统和专用软件，操作人员通过编程设定实验流程，系统会自动执行所有液体处理步骤。先进的工作站还集成了条形码识别、温度控制、振荡混匀等功能，可以实现从样品登记、液体处理、孵育反应到数据记录的全过程自动化。

中国科学院某研究所配备的液体处理工作站用于基因组DNA提取。传统的手工方法处理96个样品需要2名技术人员工作6小时，而自动化工作站只需1名技术人员设置好程序，系统自动运行2.5小时即可完成。更重要的是，自动化系统的提取效率和纯度更加稳定，样品间的变异明显减小，为后续的测序分析提供了高质量的模板。

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小结

体积测量是生物技术实验室最基础也是最重要的技能之一。本内容介绍了液体体积测量的原理、器皿选择、操作技术和现代自动化设备的应用。

从温度效应到弯月面读取，我们了解了影响体积测量准确性的各种因素。玻璃器皿以其优异的化学稳定性和高精度适用于精密分析，而塑料器皿则以其便利性和低成本在日常实验中发挥重要作用。移液管的正确使用需要掌握标准的操作流程，包括持管姿势、吸液速度控制和等待时间等技术要点。

微量移液器是现代生物实验室不可或缺的工具，其精密的设计能够实现微升级别液体的准确转移。掌握正确的操作技术、遵循量程选择原则、定期进行校准维护，是确保实验数据可靠性的关键。对于高通量实验需求，多道移液器、电动移液器和液体处理工作站提供了自动化解决方案，在提高效率的同时也提高了实验的一致性。

在实际工作中，应根据实验的精度要求、样品性质、处理通量等因素，选择合适的测量工具和方法。无论使用何种设备，规范的操作和良好的实验习惯始终是获得准确可靠数据的基础。通过不断练习和经验积累，每一位生物技术工作者都能够掌握精准的体积测量技术，为高质量的科学研究奠定坚实基础。