LIMS实验室信息管理系统在水质检测实验室中的应用

郭丽平

摘 要：水文队与北京三维天地科技有限公司开发的实验室信息管理系统，具有检测业务流程管理、质量控制管理、全面资源管理、查询与统计等功能。采用B/S开发模式，基于5层次架构进行设计开发，采用MySQL数据库，确保系统具有较高的安全性和可靠性。初步实现了150多个无机、有机指标的数据采集，顺利完成了以北京市地下水监测网运行项目为主的多个项目中40多个指标，共计4000多个样品的实验室数据采集工作，并采取与手工抄写报告比对的方式，验证了实验室检测数据的可靠性，提高了实验室工作效率和管理水平。

关键词：LIMS实验室管理系统;数据采集自动化;水质检测

Application of  LIMS laboratory information management system in water quality testing laboratory

GUO Liping

（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology （Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring）， Beijing 100195， China）

Abstract： The laboratory information management system developed by the Hydrology Team and Beijing Sanweitiandi Technology Co.， Ltd.， has the functions of testing business process management， quality control management， comprehensive resource management， inquiry and statistics， etc. B/S development mode is adopted to design and develop the system based on the five-level architecture. MySQL database is adopted to ensure highly secure and reliable systems. Over 150 inorganic and organic indicators were collected. And the laboratory data collection has been successfully completed of over 40 indicators and over 4，000 samples in many projects， mainly including the Beijing Groundwater Monitoring Network Operation Project. Reliability of the laboratory test data collected has been verified by comparing with handwritten reports， thus improving the laboratory work efficiency and management level.

Keywords： LIMS laboratory management system; data acquisition automation; water quality testing

實验室信息管理系统早在20年前就在发达国家的实验室发展起来，在食品、制药、电力、化工、教育和科研等行业都有广泛应用（聂真真等，2019）。截至2018年底，我国LIMS（Laboratory Information Management System）在检测行业的覆盖率可达15%～20%（张聪，2019）。同样，近年来在我国各省市的环境监测部门中也越来越多的开始应用起来。

20世纪90年代初，水文队实验室所有的原始记录和报告的空白表格格式统一而固定，且是批量印刷，报告是人工抄写，纸质保存。2000年随着电脑的普及，Office办公软件开始被应用起来，Excel的应用使得计算要比手敲计算器方便快捷很多，Word使报告可以机打，告别了手抄报告。2010年由于北京市平原区地下水监测项目的开展，大量的监测数据需要整理。2016年数据库的开发和使用，实现了利用计算机有组织地管理全市平原区1200多眼井的每年2～4次取样、每个水样包括40多个指标的大量的检测数据，方便数据的共享使用。目前随着北京市地下水监测网运行项目的开展，我单位承担了北京市地下水环境监测与评价，污染源调查与监测等任务;此外，针对北京市地下水污染与供水安全问题，我队开展了北京市地下水污染评价与防治、有机污染源辨识与地下水系统风险评价等科研工作，旨以科技进步促进北京地区地下水资源的可持续利用。与此同时实验室拥有了离子色谱、ICP、ICP-MAS、气相色谱-质谱联用仪等50多台套先进的仪器设备，可以承担无机、有机、放射性等200多个指标的检测。每年需要提供大量的真实可靠的检测数据，为进一步解决当前地下水检测工作中存在的问题和不足，改变地下水检测数据提交相对滞后的不利局面，按照水文队的部署，引入实验室信息管理系统促进地下水检测能力及水平提升。经过两年多的前期调研筹备工作，决定和北京三维天地科技有限公司（以下简称：三维天地）合作开发，半年后水文队LIMS实验室管理系统上线。该系统结合水文队的工作特点，开发了报告预审功能，开发了适合水质检测的有特色的质控系统，有效提高了检测工作质量和实验室管理水平。

1 LIMS的概况

随着30多台仪器设备联入网络，仅有少量仪器设备如浊度计、电子天平、紫外分光光度计等暂不能上线，LIMS经过两个月静态调试阶段，终于上线运行，实现了以实验室为中心，对检测数据和相关信息进行收集、分析、报告和管理，它将网络通信技术、计算机技术、分析检验技术、仪器仪表技术与科学的实验室管理思想进行有机的结合，给了我们一个信息管理的平台。结合地质环境监测工作的特点，三维天地为水文队实验室量身定制6个子系统，包括：检测业务流程管理子系统、资源管理子系统、检测数据质量管理子系统、分析原始记录管理子系统、数据管理子系统和仪器数据自动采集子系统。

2 LIMS子系统功能简介

根据我队的具体业务情况，三维天地对各个子系统进行了有针对性地开发。

（1）检测业务流程管理

包括项目登记、样品接收、数据分析、数据互审、报告预审、报告编制、报告签发和报告归档等的全流程管理。项目登记功能解决了监测点位每年、每次重复录入的问题，因为地下水监测项目和国家地下水项目的点位不变，可以把监测点信息导入系统，避免了每次重复录入的麻烦。结合水文队化验室工作特点开发了报告预审功能，第一，这个功能可以对质控不合格的样品进行退回重测;第二，检测项目上半年水样检测1200多个点位，取样时间长达两个月，可以分批提交数据，保证数据提交的及时性。

（2）资源管理

遵从ISO/IEC 17025标准规范要求，实现与检测质量密切相关的全方位管理，提升综合管理水平。包括人员管理、仪器设备管理、样品管理、标准试剂管理、文件管理、检测方法管理、检测项目管理、评价标准管理、监测对象管理和分包管理。并能对影响质量的诸要素进行有效的监控，将人员上岗资质、仪器设备检定与校准状况、方法标准的有效性、标样试剂的有效性、水质达标评价等与检测工作关联，不符合时有报警功能。质量管理人员可查询相关信息，进行质量追踪（林艳等，2019;朱广福等，2019;张静波等，2013）。

（3）检测数据的质量管理

根据目前所承担的北京市地下水监测网运行项目和国家地下水项目的质量控制的具体要求，量身定制了固定格式的几种报表。主要依据3个标准：DD 2014-15《地下水污染源调查评价样品分析质量控制技术要求》、GB/T 5750.3-2006《生活饮用水标准检验方法 水质分析质量控制》、HJ/T 164-2004《地下水环境监测技术规范》。从现场平行样品、实验室平行样品、全程序空白、有证标准样品和自制标准样品等方面对实验室检测数据的内部管理进行控制。可计算平行样的相对偏差，也可根据质控样品的标准值对检测结果自动评判（图1）（宋生攀，2017;周环宇，2019）。

（4）分析原始记录管理

系统通过对原始记录模板进行整合，在系统中建立相应的原始记录模板，将委托信息、样品信息、分析参数、分析方法提取到原始记录中，并通过原始记录中结果数据的自动采集，以及自动公式计算、自动修约（可根据不同浓度分段修约）、自动判定检出限（有机项目可以根据不同项目对检出限不同的要求设定不同的检出限）、自动单位换算、自动计算质控指标、自动判定样品结果和质控结果、自动签名和自动统计，最终自动合成电子化的原始记录。目前已经实现了所有指标的原始记录电子化（图2）。

（5）数据管理

實现全面数据的综合管理，检测数据、检测报告和各种查询统计报表的自动生成和导出，如docx、xlsx、pdf等多种格式的仪器输出文件或图表，支持各种数据和信息的统计和查询（帅闯等，2019）。结合各个井位的经纬度信息，将来可以实现在一张地理地图上自动生成采样点以往历史数据的趋势图，将检测结果与历史数据对比分析。北京市地下水监测网运行项目将对1800多眼井进行长期不断的动态监测，固定井位不变，每年进行2～4次监测，其中平原区的点位已经进行了10年的监测，对这些数据的分析和管理尤其重要。

（6）仪器数据自动采集

仪器分析的数据可自动上传到LIMS系统中，LIMS系统可自动完成对原始数据的处理，如计算、修约、单位换算、曲线生成和超标判定等，最终生成原始记录。通过对仪器信号的自动采集，既减少分析人员抄录数据的工作量，同时也避免因人工抄写产生的错误、偏差，系统会自动保存上传的数据以及谱图文件，保证数据的可追溯性（孟雳，2020）。

3 LIMS的应用特点

（1）完整的质量保证体系

遵循导则ISO/IEC 17025，方便实验室管理者对于影响实验室质量的诸多要素进行全面管理和控制，对实验室环境、仪器设备、标物标液、人员和方法标准等实验室的各种资源进行全面、详实的管理。

（2）仪器信号的自动采集

数据电子化，实现无纸化办公，不仅节约了纸张，还方便了数据的查询。以前大量的原始记录满满得装了几个柜子，查阅起来也不方便，现在节省了空间和时间。

（3）质量信息技术化

建立信息管理系统后，从工作质量控制角度，可以解决以下问题：

一是几种报表可以直观地把质量问题暴露出来。我们目前使用了阴阳离子汇总表、报告数据汇总表、质控报表以及分析任务查询表等，以前分析人员要把每个项目的质控检测数据报给质量管理人员，管理人员要先收集好数据，再进行质量控制工作。数据的收集整理占据了大量的时间，往往不能及时发现问题。现在可以从原来繁琐的收集、整理质量信息的工作中解脱出来，集中精力关注质量控制工作。解决了一直困扰质控人员的问题。

二是帮助质量管理人员发现问题、确认问题、解决问题及对质量产生的问题进行追溯。系统能详细记录业务流程中各个环节的数据，对疑问数据能及时溯源。这样就提高了数据的真实性和公正性，实现对日常工作全过程的质量控制和监管，提升质量管理的水平。三维天地为水文队的质量管理开发了适合水质检测的专门的有特色的质控体系，例如添加了阴阳离子平衡偏差小于3%，游离二氧化碳、碳酸盐和pH的相关性，电导率和溶解性总固体的相关性等质控手段。这样能及时的发现质量问题，及时复测（图3）。

（4）数据保密性

水文队实验室配备了专门的局域网系统，确保信息安全。系统根据工作职责不同对管理权限进行划分，也就是一个用户只有一套操作权限。用户可以根据自身需求关联多个角色，且不同角色具备不同操作权限，从而对不同操作人员进行数据访问进行严格控制。每个操作人员都需要密码登录（杨晓雪，2019）。

（5）系统采用架构与数据库

系统采用B/S开发模式。客户端无需安装软件即可正常使用，减少系统维护的工作量。系统构架主要包括5个层次的功能：应用基础设施层、信息资源层、支撑层、应用层和信息展示层。数据库采用MySQL数据库，是一种开放源代码的关系型数据库管理系统，因此任何人可以根据个性化的需要对其进行修改。因为其速度、可靠性和适应性而被采用。

易学、易用，只需有一定的WINDOWS的操作知识，即可学会LIMS的操作。LIMS对计算机的硬软件要求有限，因此，投入较低。系统采用B/S结构的设计，客户端零维护，支持质量体系的持续性改进，有利于投资保护。这种开发维护必须是长期性的，因为实验室工作不断发展变化，不断扩充新的检测项目、检测方法，增添仪器设备，仪器设备的软件升级等都要求LIMS系统做出不断的调整和改进，以保证实验室工作的顺利进行。

（6）系统管理维护

系统管理维护对保证LIMS系统的正常运行具有重要的意义。系统管理维护包括操作权限的设置、系统数据库和系统访问日志的管理维护等。其中数据库的管理维护尤为重要，因为系统每天运行都要产生大量数据，这些数据的有效存储、备份都是很重要的。为了保证数据安全，定期将数据库备份，从而实现数据的备份与恢复。另外化验室配备了专门的业务管理员维护监测模板和基础测试库。

4 LIMS使用现状及发展趋势

水文队LIMS实验室管理系统经过半年的上线运行，主要完成了与检测工作直接相关的数据采集、报告编制等核心功能的使用，并初步实现了质量管理的要求，初步显示了它的优越性。对水质检测结果的分析利用服务是系统未来发展的重点和趋势，系统自动完成大量数据的统计工作（林舒等，2018）;可以通过系统中积累的检测数据，实现检测项目各种指标的统计与分析，如主要污染物分析、检测指标的检出率、超标率分析等;提供丰富的图表功能，增强数据的直观性和表现力，如曲线图、直方图和饼状图等。这样可以对每口井的历史数据进行分析比较，进一步掌握水质指标的动态变化，从而达到充分利用基础的数据资料的目的，并将环境监测业务中地理信息与GIS应用有效地结合起来（图4）。

在野外工作中，可以考虑pH、电导率等现场测试数据即时上传;现在只涉及水质检测，将来土和废气检测会随着业务的持续开发而逐渐加入进来。总之，系统建设工作难以一蹴而就，实验室人员正在逐步了解、逐步掌握，并促进系统的逐步完善，以助力于實验室的业务发展。

5 结论

水文队LIMS实验室信息管理系统已经实现了实验室数据自动采集，自动完成检测记录中的各种计算，自动生成原始记录和检测报告，实现了工作流程的自动化。极大地提高了数据的及时性、有效性。将不断以现场检测和化验室分析化验为中心，将人、机、料、法、环等影响检测数据的各种因素有机结合起来，进行全面控制和管理。使整个质量管理体系的运行更趋科学和严谨。随着经济的飞速发展，地质实验室的业务也在快速的发展。通过现代计算机网络等技术的应用，实现未来地质实验室的高度专业化、智能化、系统化、自动化。因此现有的以信息管理为主题思想的LIMS将不断适用地质实验室发展的要求。我们正在努力打造一个适合水文队发展的有特色的地质实验室信息管理系统，更好的为地质事业服务。

参考文献：

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