实验室数字化的三大步骤

文/ Guido von Dalen

实验室自动化的项目可以分为三个阶段来实施// 多年来，自动化一直是现代化实验室谈论的最重要的话题之一，实验室的数字化程度也随着实验室自动化进程而不断的发展，从一个个孤立的数据孤岛发展成为高性能的实验室网络。本文介绍的虚拟案例就充分展示了实验室数字化的过程是如何运作的。

制定详细的优化改造计划和充分的准备工作是实验室数字化改造成功与否的关键。最好是项目的总体负责人把整个项目分解为一个个小的子项目，这样才能在公司里获得大多数人的认可。另外，项目进展的成果应很容易度量，并能很快地实现一个个分解后的小目标。这种实施方法的一个好处是高成本效益比和可靠的资金预算。

实现实验室的数字化可分为下述三大步：

第一步：实验室仪器设备的相互连接和自动化的数据传输；

第二步：包括采集数据在内的实验室工作过程自动化；

第三步：原始数据存档。

这三个步骤并不是固定不变的。最重要的是每个步骤中都包含了一些“子目标”，每实现一个子目标就是向实验室数字化的总目标迈出的一大步。

第一步，仪器设备的相互连接和自动化的数据传输

LIMS实验室信息管理系统是实施实验室数字化项目的基础。这里的LIMS系统包括了存储所有实验数据的中央数据库。LIMS实验室信息管理系统可以被称为实验室的中枢神经系统。大多数的LIMS实验室信息管理系统都包括了用于连接实验室仪器设备的能力，例如，连接实验室天平。利用GAMP5 Cat.4软件系统就可以简简单单地完成实验室仪器设备的配置。现代化的LIMS系统不仅可以将现代化的实验室仪器设备集成到系统之中，还可以将老一代的仪器设备也集成到系统之中。为此，有些生产厂家研发生产了一种可以事先配置好工作参数的、用于连接小型计算机的迷你连接器。通过USB接口或者RS232接口或者LAN局域网接口就可以把实验室的检测仪器、设备连接起来，实现测量数据的电子传送，见图1。

图1 以实验室天平为例的仪器设备连接

在数字化的第一步工作中，为实现电子数据的传输，将实验室的所有仪器设备都连接起来，实验的检测数据就可以在实验室仪器设备上读取并输出到检测记录中。这里需要将实验室的仪器设备分为简单的和复杂两大类。对于后者，通常使用所谓的解析脚本读取，解释复杂仪器设备测得的数据按照被测样本归类保存。LIMS实验室信息管理系统会检查上述两大类仪器设备的工作状态，如果发现仪器设备不再合格或者出现偏差则会拒绝它们的检测数据。这就为实现实验室自动化奠定了基础，通过对检测数据的核查确保了实验室数据的准确性和可靠性，减少了传送错误数据的可能性。完成这一步后就完成了实验室数字化30%左右的目标了。

第二步，实验室工作流程的自动化

实验室数字化的第二步工作就是实现实验室工作流程的自动化。一位经验丰富的实验员可以轻松掌握不断重复的实验流程，但将这些工作流程自动化却可能比预想的要复杂得多。此时，一种源于美国的方法会给您提供巨大的帮助，这就是实验室执行系统（简称LES）或者方法执行系统（简称MES）。它设计了一套结构化的实验室分析方法，确保了实验室新人能够更加轻松的适应实验室的工作。近年来，尤其是在LES实验室执行系统中，移动的数据采集可能成为业内人士关注的焦点。实验员可以在平板电脑上查到适合他的实验方法并按照实验方法的规定开始执行。像实验室数字化第一步中所描述的那样：实验室仪器设备都以数字格式提供实验数据，并将其显示在平板电脑上。实验员风险评估显示在平板电脑上的数据，并一步步在实验方法的指导下完成实验。实验员可以在平板电脑上显示执行标准作业程序（简称为SOP）的全过程，并为下一步实验操作选择合适的实验仪器设备。LES/LIMS软件中已经设计了实验室的标准作业程序，实验员按照所选的标准作业程序执行就可以了。

实验室工作流程的新方法明显的提高了实验室的工作效率。过去，实验室的数据都记录在实验记录中，而且数据记录的也相当杂乱，没有形成结构化的数据，几乎没法利用这些数据进行研究。得益于现代化的LES实验室执行系统，如今的实验室数据有着很高的质量并满足了GxP药品经营质量管理规范、CFR21 Part11电子记录和电子签名、ISO17025实验室认证标准和其他监管标准的要求。除了节省时间之外，LES实验室执行系统还将实验中出现错误的可能性降到了最低。在这里，平板电脑就成为实验员日常工作时的常备工具，成为工作过程中采集数据的移动数据采集器。为此，实验室信息技术的供应商们提供了多种不同的技术平台。这些技术平台既可以在线采集数据也可以离线采集数据，使用起来非常灵活、方便。这也为用户提供了更加广泛的用途，在没有网络的情况下，也可以利用平板电脑采集数据。如果要在室外的生产、工作现场采集数据（取样）时，或者在工厂车间附近的仓库（有防爆门）处采集数据时，那里常常连不上网。为了解决在这些场合中采集、汇总数据的难题，许多新产品都有一个离线数据库，并能在采集数据之后自动的与中央数据库同步数据。一般情况下，这些软件产品通常也都有许多辅助功能，例如，拍摄照片、条码扫描等。您还可以输入文本文字和批注使软件平台有着更大的使用灵活性，在像安卓这样的操作系统上甚至还可以实现声控采集数据，见图2。

图2 实验室工作流程的自动化是实验室数字化的一个重要步骤

通过第二阶段实验室工作流程的标准化和在软件系统指导下完成实验就实现了实验室数字化的第二个里程碑，实现了大约70%的总体目标了。

第三步，原数据的“永久性”存档

多年来，实验室原始数据分类存档一直是实验室数字化的重要组成部分。实验室仪器设备提供的都是数字化格式的数据（第一步），但也可以提供其他文件格式的数据。不同格式数据之间的一个重要中介就是已经有几十年历史、以工业标准表示数据的ASCII标准：一种可以用任意文本编辑器打开、编辑的文件格式，估计这些数据将来也是可读的。原始数据的分类存档仅涉及数据的分类保存和使用，例如在关系数据库中的读取。常见的LIMS实验室信息管理系统能够以BLOB/CLOB的格式保存此类原始数据。如果在保存数据之前提取了原数据，则原数据有助于帮助您研究这些检测数据。此时，每一个常见的LIMS实验室信息管理系统都提供了全文搜索功能，可以按照特定的标准和要求搜索整个原始数据库中的数据。除了ASCII格式的文件之外还可以按照XML格式、PDF格式或者PDF-A格式完成数据的分类存档和数据分析。

当涉及一种比较特殊的文件格式时，问题就变得非常复杂了。如果软件可以打开这种格式的文件，则表示没有太大的问题。例如用户用Windows系统嵌入的OLE（对象链接与嵌入）功能启动链接，能够打开特殊格式文件扩展名的应用程序就可以读取这些数据了。但如果将来没有这种特殊软件时怎么办呢？这就增加了打开已经分类存档原始数据的风险。为了尽可能的减少这种风险，将其减少为零，已经开发了两种通用文件格式：AnlML（分析信息标记语言）和ADF（同素异形体数据文件）。您可以在本文的在线版中找到有关AnlML和ADF的详细信息。

在AnlML和ADF中首先要转换数据的文件格式。在理想情况下，数据首先转换成实验室仪器设备生产厂商提供的文件格式。将来，希望仪器设备生产厂家产生海量数据的仪器设备都支持这两种文件格式中的一种或者两种。

第三步完成之后，实验室数字化技术改造的目标就已经实现了。在数据的整个生命周期里从生成数据到分类存档就都有了保障。

LP本刊提示

LES-实验室执行系统

LES实验室执行系统通过标准化的实验室操作流程（SOP）指导实验员完成实验室的各项工作。各个标准工作流程SOP的具体步骤都在LES系统中以结构化的形式表示出来了，能够帮助实验员按照规定的顺序一步步的完成实验操作。LES实验室执行系统常常在受监管的行业领域中使用，例如，制药行业。一套LES实验室执行系统即可作为一个单独的软件系统使用也可以集成到LIMS实验室信息和管理系统中使用。