农作物分子检测实验室样品库管理系统构建

张茗起，张云龙，赵怡锟，王凤格，匡 猛，彭 军

（1.中国农业科学院棉花研究所／棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000；2.北京农林科学院玉米研究中心／玉米DNA指纹及分子育种北京市重点实验室，北京 100097）

0 引言

农业是国民经济的基础，农业的稳定发展是国家稳定发展的前提，农业现代化是国家和民族复兴的前提和保证。2021 年，中央一号文件提出“农业现代化，种子是基础”，农业安全和升级与种业息息相关［1］。由于各类生物育种技术的推广应用和我国种业的快速发展，我国农作物的品种数量随之剧增。在此背景下，农业农村部农产品质量安全监管司、农业农村部种业管理司及其下辖的全国农技推广中心、各省市管理站、高校、第三方检测机构和科研院所等各级检测机构，以独立、公正、科学、客观的态度开展各类检测活动并提供准确可靠的具有证明作用的数据和结果［2］。其在品种区试审定、品种权保护、市场监管、司法鉴定和企业维权等领域，对样品的真实性、纯度进行检验和对转基因进行鉴定检测，起到保证品种质量的重要作用，因此各类型检测任务不断增加，加大了送检样品的管理压力。检测实验室接收的样品通常具有来源广泛复杂、样品数量受季节影响呈现周期性波动等特点，因此在样品接收、储存、调取、转移、处理、识别和溯源的过程中会产生大量信息需人工处理，导致效率低下，人为失误概率较高［3］。

由于检测实验室样品的暂存和分发与业务要求密切相关，样品的清理或储存工作取决于业务要求、实验结果，因此样品管理工作需与业务管理、实验管理工作紧密相连。现阶段已有种质资源库管理系统和实验信息管理系统两类辅助系统，前者关注对大批量种子的储存行为进行规范化管理，包括样品信息录入、出入库规范流程记录和样品储存情况记录等［4-5］；后者关注对实验过程中产生的数据进行保存整合、对实验结果进行简单分析和储存等［6］。已有的两类系统尚不能很好地进行衔接，将样品和实验数据实现关联，同时其既无法在样品出库后直接通过种质资源库管理系统为其分配、对接实验，也无法直接通过实验信息管理系统记录的实验结果指导剩余样品后续的转移、处理工作。此外，两类系统也不能直接应用于检测实验室的样品快速流转、样品异议期暂存管理、样品长期留存管理和实验数据处理分析、生成报告，需针对检测实验室的储存调用习惯和实验类型进行定制化开发。

根据检测实验室样品库管理需求，在保留对于样品信息录入、储存情况记录功能的基础上，简化申请手续流程，适应检测实验室样品快速流转的特点，在样品暂存入库前进行样品分取，将分取后的两份样品信息相互关联，同时将样品与业务信息关联；在样品入库时，录入样品信息的同时赋予样品唯一固定的样品条码号，并注明样品检测的业务类别与将进行实验的种类；在样品分发时根据条码号与入库时标注的实验种类直接分配给对应检测人员；在对样品检测后通过与实验信息管理系统对接，将结果直接导入样品库管理系统，并根据实验结果自动生成样品处理建议，辅助人员管理。由于检测业务的特殊性，剩余样品在异议期内的暂存与异议期后的清库处理方式极为重要，在异议期内剩余样品要严格储存，以便进行复检和溯源；在异议期后根据合同约定对样品进行退样、清库或长期储存等方式进行处理，该流程也可通过本系统进行管理。综上，系统可通过储存管理、实验和报告出具与溯源三个层次对样品信息进行处理，在现有两类系统的基础上根据检测实验室需求进行调整，着重在出库实验后将结果信息关联［7-9］，填补检测实验室样品库数据管理的空缺。

1 系统架构

该系统基于分子检测中心玉米研究所的北京农林科学院样品库日常管理、调用模式设计，分为数据层、基础层、应用层和展示层［10-11］，可向各类检测机构的样品库推广。其中功能主要依赖HTML、基于Node.js和Prisma 的应用程序接口（API，Application Programming Interface）以及基于SQLite 的数据存储，实现对样品库内以种子为主的多种样品产生的信息和从入库到处理或保存的整套管理流程进行高效管理。

如图1 所示，当管理人员访问系统时，展示层会直接对后台数据进行渲染，实现可视化呈现，该层面使用React.js 和AntDesign 中的模块进行搭建，最终通过HTML、CSS和JavaScript的形式进行展示，便于前端交互；应用层是系统功能生成的核心环节，其包括用户管理、样品信息输入、样品出入库管理、样品信息关联处理、后续实验结论关联与记录、种子情况监控、系统维护和数据导出等功能其基于Node.js 实现；基础层是贯穿于样品库管理全业务流程的系统服务部分，其包含样品编号模块、条码打印模块、日志生成模块和权限管理模块，在整体业务流程中，各个应用部分都需调用系统中的此类功能实现管理，该模块也基于Node.js控制；数据层是系统的核心部分，其依靠SQLite 实现数据存储，SQLite是一种外源数据库，其可对输入的各类信息进行储存读取，分类关联。其通过Prisma 与Node.js的API相连接，使管理系统前端页面可与底层功能连通，实现整体业务流程操作。

图1 样品库管理系统层级架构

2 样品库管理系统业务流程

系统主要工作内容是辅助各类检测实验室日常工作中的样品储存管理及样品在检验期间的流转。其中，在检测实验室内接收后待分配实验的样品包括各级品种区试审定、对外检测（品种权保护、市场监督、司法鉴定、企业维权）等业务。上述业务涉及真实性鉴定、纯度鉴定、亲子鉴定、一致性鉴定和转基因鉴定等多种实验类别。在实验结束后样品的异议期暂存、清库处理、退样转移、报告出具等工作也依据上述实验鉴定结果进行。

系统的开发逻辑依据检测实验室样品库的主要工作内容，因此在架构过程中参考其整体管理流程（见图2）：首先获取送检样品，将相关信息（来源、样品名称、特性、送样量等）录入系统，根据不同的业务类别（对外检测、区域试验等）和样品类型（种子、叶片、粉末等）将其分类，赋予其唯一确定的条码号，标注该份样品需进行的实验类别，分取试验样品，剩余样品入库暂存，该过程中产生的各类信息也需及时同步于系统［12］。试验样品送入检测室进行检测，同时根据具体实验类别记录对应信息，在实验结束后产生的最终数据会同步记录在该信息中，试验完毕后的返样由样品室进行统一处理。在样品进行实验后，已有的业务管理系统可根据实验结果出具检测报告，同时通过API将检测报告传递入本系统。系统可储存相关检测报告并获取其中信息，根据出具报告的时间和异议期等信息确定后续管理方案。在异议期满后还可为根据合同约定、实验结果等信息为其生成处理方法建议，如退样、及时清库销毁或按要求转移至特殊库房进行长期保存等，在该环节调出样品时也会记录相应信息。

2.1 管理样品入库业务流程

检测样品库内的样品包括区试审定和对外检测，其中区试审定实验包含国家级区试审定、国家联合体试验、省级区试审定、省级联合体试验和绿色通道试验；对外检测包含品种权保护、市场监督、司法鉴定、企业维权等业务，依据出具报告形式可分为2 种：出具正式报告和出具测试报告，其中需出具正式报告的检测样品常来源于法院及公司。在获取样品后按照业务流程（见图2）入库，入库时标明业务类别，并根据要求标注其需进行的实验类别，区试审定通常需进行真实性鉴定和转基因鉴定；对外检测实验则包括真实性鉴定、纯度鉴定、亲子鉴定、一致性鉴定和转基因鉴定等。

图2 样品库业务流程

2.1.1 管理样品分取、送检和入库流程

获取送检样品后将样品混匀（八分法、横隔式混样器和钟鼎式混样器混样）后分取实验所需重量的样品，该部分样品为待检样品，送入检验室进行实验。剩余样品为余样，该部分样品进入样品库进行暂存，两份样品除重量外其他信息完全相同。如无特殊情况，余样在样品库内保存至异议期结束，系统提示后对其进行进一步处理；如对实验结果产生异议，则将余样再次出库进行复检。此阶段保存通常不会消耗过长时间，通常保存于短期样品库中。

2.1.2 管理样品返样、辅助报告出具和复检流程

在鉴定实验结束后，实验结果会同步于样品库管理系统中，此时系统会将返回的实验数据导入模板，辅助出具检测报告。如果检测实验后样品存在剩余，可将这部分样品返回办公室，返样与实验前的余样各类信息完全一致，系统可辅助返样与对应余样进行合并暂存。在检测报告出具后，余样需暂存至异议期后，在异议期内可提出异议，如果需要复检，则将样剩余品出库，分取复检样品，复检过程产生的信息也会记录于该系统中。

2.2 管理样品出库业务流程

在样品暂存达到异议期后，系统会根据相关法律法规、合同约定要求和实验结果提供对剩余样品的处理建议。剩余样品通常包括三类处理方式：清库、样品转移保存和退样处理。系统在提出建议后会根据工作人员最终采取的处理方式进行记录，以供追溯。

2.2.1 管理清库处理业务流程

区试审定样品若当达到设定的保存期限时仍未通过审定，系统则会提示管理人员将其销毁，进行无害化处理；对外检测样品在异议期满后，按照合同约定需进行清库处理，或虽未明确要求但无保存价值，或争议性较低的阴性结果样品，系统也会提示管理人员销毁，进行无害化处理。清库处理通常包括粉碎、填埋、焚烧、烘干和炒制，使种子失去活力。同时系统在管理人员进行操作时再次提示其复核，确定无误后进行清库。

2.2.2 管理样品转移保存业务流程

区试审定中的国家级区试审定实验和国家联合体所用样品按区试实施方案要求需进行保存，系统会建议其转入中期库进行储存，通过区试审定后将其对外分发，转移至国家标准样品库。对外检测样品在异议期后，对于合同约定没有要求退样的样品，根据鉴定实验结果反馈，对于特殊样品（如检测结果为转基因阳性样品），系统会对其进行标识，同时建议将其转移至特殊库房进行储存或处理，避免其对其他样品造成污染，将阳性样品长期保存有助于后续复查和溯源。

2.2.3 管理样品退回业务流程

当检测实验结束后，在异议期内会将返样和余样集中统一保存，在异议期后样品提供方可按合同约定要求进行退样。在收到退样申请后，需将样品从样品库内按要求及时提出，同时分发要求类似地记录相关信息（分发重量、去向、日期和包装要求等），退回样品会及时按要求进行包装分发。如在异议期内收到退样申请，系统则提示管理人员，要求再次对其进行核实，避免出现管理漏洞。在确定需在异议期内退样后，系统会自动对样品进行备注，该样品自退样之日起不可提出异议。

3 系统数据储存模型

系统实现了对检测实验室样品库管理过程中原有或产生的各类信息进行储存关联（见图3），包括样品背景信息、样品清库记录、样品退回信息、样品监测信息、样品业务信息、样品实验结论信息和样品处理信息与转移信息等。

图3 样品库数据结构图

4 系统功能模块设计

4.1 样品信息

种子信息包括：样品条码号、样品名称、样品重量、计量单位、样品业务类型、样品实验类型、实验结果记录和所在库位等基础信息［13］；标准样品检测信息、样品引入补充申请信息、样品分发信息、鉴定报告生成和样品转移及处理信息等系统管理产生的信息。点击详情可查看样品来源、业务要求和备注等其他详细信息；点击编辑可对各项信息进行更新修改；点击删除可消除该记录。

4.1.1 样品背景信息

包括样品来源、样品名称、样品业务类型、样品重量、计量单位等信息，该类信息与种子样品同时获得，可手动输入系统，也可通过模板Excel 表格直接导入系统。业务类型是检测实验室样品库管理系统特有的需求之一，其包括区试审定业务、对外检测（品种权保护、市场监督、司法鉴定、企业维权）业务等。业务类型信息通常与样品背景信息同时录入系统中，后续管理方式（存储位置、开展实验类别等）也会根据业务类型对应展开（见图4）。

图4 样品业务信息记录页面

4.1.2 样品入库信息

接收样品时统一赋予入库条码号，并且记录样品入库时间、所在库位、按业务要求所需参与的实验类型等信息。入库时间和所在库位信息可在输入样品背景信息后按时间和业务类别自动生成，也可通过编辑进行修改。同一条码号的种子可能需进行多个实验，具体向检测人员分发或对外分发的方式在该阶段确定并录入。

4.1.3 退样信息管理

业务要求退样的样品在出库时会记录其重量、去向、日期和包装要求等。除记录相关信息外，还会复核初始设定的保存时间，如要求在异议期前进行退样，则提示管理人员复核该情况，复核结果反馈后方可继续进行退样流程。

4.1.4 检测报告记录

在检测实验结束后，得到的检测报告会同步于样品库管理系统中，此报告包含检测结论、报告生成时间和初定的异议期等信息（见图5）。系统会根据检测报告对异常样品进行标记，同时给出样品转移和后续储存建议（如转移至异常样品中期库进行储存）并提示管理人员，管理人员可根据该提示确定最终方案并提交执行。

图5 检验业务管理系统

4.2 出入库管理

出入库管理系统主要调用样品编号、样品类型、出入库重量、库位、操作类型（出库、入库）、操作时间和描述（如出库目的）等信息，进行整合显示，可按时间、品种等多种关键信息进行检索管理。同时该部分可对出入库记录进行编辑处理，为实验人员日常记录提供便利。

4.3 库房管理

库房管理将样品库覆盖的库房、库架进行可视化处理，以更加直观的方式展现样品在库中储存的位置、库架在库房内的分布情况等信息。样品管理系统在库房列表中集成库房名称、库房位置、库房号、排数、每排列数、每列框数等多信息，将复杂的仓库构造数据表格化，通过多层级表格进行显示（见图6）。

图6 样品库库位管理页面

在通过库房管理系统定位具体材料后，还可通过详情按钮对该位置储存的具体样品信息进行查阅，同时该信息也支持反向查找、快速定位，可高效地辅助工作人员找出所需样品，也可准确收纳新入库样品。实现样品到储存位置、储存位置到样品的双向确定，增加工作效率，使管理更加简便快捷。

4.4 系统管理

系统管理主要覆盖该系统后台操控权限，除管理员权限外其他实验人员无法对其进行操作。其包括角色管理、用户管理、字典管理和版本记录。角色管理可设定登录该系统人员的权限；用户管理可支持多用户名平行使用该系统，保存其登录名和密码等信息；字典管理可对系统中的关键字进行定义，便于系统后期扩充或修改概念；版本记录可保存系统更新日志，如果出现故障导致系统崩溃，可利用版本记录对系统进行临时恢复。

5 系统创新点与讨论

5.1 检测实验室工作辅助系统

检测实验室内样品流转通常涉及四类系统：检验业务管理系统、检测样品库管理系统、种质库管理系统和实验室检验信息管理系统（见图7）。其中检验业务管理系统承担从合同签署到出具报告的业务层面信息管理，其分别与检测样品库管理系统、实验室信息管理系统连接；实验室信息管理系统承担记录实验原始数据等工作，其将实验产生的原始数据、图表等信息记录储存，并辅助实验人员进行分析，得到的实验结论和原始数据会传入检验业务管理系统；检测样品库管理系统与检验业务管理系统连接，其可获取检验业务合同中的样品信息和检验报告生成的信息指导样品管理工作，同时样品异议期后转移储存的管理任务由与检测样品库管理系统连接的种质库管理系统完成。

图7 检测实验室系统关系图

种质资源库管理系统着眼于种子在冷库中的保存流程，辅助科研单位人员对其进行保存和调用。其重视长期的规范性管理，对种子入库出库有严格的手续要求。对于种质资源的入库和调取都需经过较长审查周期，且在储存期间除对外交流等目的出库和活力监测、繁种外，一般不涉及其他实验，这保证了其长期贮存的低错误率和资源稳定性［14-16］。检验业务管理系统可有效储存业务办理过程中产生的信息，并在检测结束后辅助检测人员出具报告，其中报告出具时间、异议期和检测结果可作为本系统进行后续管理依据。

5.2 检测实验室样品库管理系统创新点

已有系统都可辅助管理人员和实验人员进行日常工作，但尚不能满足辅助检测实验室工作流程的要求。检测实验室样品库管理系统相较于已有系统更侧重于对送检样品从接收到分发至实验室进行实验和从实验室返回数据后的衔接管理。与传统种质资源库按物种或品种类型分区储存不同，由于检测实验室通常承接各类检测任务，因此在样品入库时已经可以确认该样品的用途，系统在分配库位时也会根据其进行的检测内容，将同类或相似业务类型的样品集中管理。此外由于每一批样品的检测都是独立进行的，因此虽然可根据样品名称进行查询，但不同批次、不同来源的样品的实验结果不具有关联性，在检测过程中样品管理系统赋予的唯一确定的条码号是判断样品的标识。同时在样品出入库过程中，系统会简化非必需的手续流程，加快实验进程。

检验业务管理系统通常侧重于实验过程中数据的管理，因此在一定程度上会忽视实验样品的来源和实验结束后剩余样品的去向问题［17］。检测实验室样品管理系统可以很好地与检验业务管理系统对接，保证每个实验的样品来源可查，在实验结束后检测报告也会及时反馈进入本系统（见图4），①在业务层面使样品管理流程更加完整，当调取某个样品时，与之相关的检验结果也可被直接查阅，不必再从业务系统内进行调取；②对对应样品的后续管理工作作出指导，成为转移保存、退样和清库处理的依据。在传统种质库内，种子的储存位置通常是在固定位置不移动的，但在检测实验室内，除业务要求更改样品储存位置的情况外还有一类特殊情况，即实验结果反馈异常的样品，本系统会根据需求将这类样品进行特别标注，并建议、提示管理人员将其单独调取，避免在储存期间导致其他样品污染的情况出现。

6 结论

随着我国育种行业的发展，作物品种数量逐年上升，而新品种的不断出现也相应推动着分子检测规模扩大，农业农村部及其下辖的各类具有资质的检测机构工作量随之上升。已有的种质资源库管理系统和检验业务管理系统存在着储存目的、业务、管理方式改变和储存与业务、试验间管理衔接的问题，已不能满足检测实验对样品储存管理提出的高效连贯的要求［18-19］，因此针对检测实验室开发了本系统。本系统可进行基础的样品信息和样品储存记录管理，同时可对检测实验结果进行跟踪，并根据结果提出后续管理储存工作的建议，保证样品检测后异议期内保存无误、异议期后及时按合同约定进行处理，同时系统还会在各样品需作出处理的时间点提示管理人员，保证检测工作的顺利展开。现阶段已将该系统投入日常管理使用，其可有效辅助管理人员对检测样品库内样品进行管理。在测试阶段，该系统与检验业务系统、种质库管理系统能够较好地进行对接，获取和传递样品信息，处理样品的分发、储存、转移工作，协助检测工作完成。在后续工作中还需继续完善检测样品库管理系统，可以将之与检验业务管理系统进行整合并形成整体，实现更加流畅地对业务和样品进行管理；同时与各类检测实验室加强联系、相互合作，根据不同检测实验室样品储存管理中涉及的通用要求和定制化要求，为检测样品库管理系统指明发展方向，建设一套通用于各类检测实验室待测样品储存管理的系统，提高我国检测实验室样品管理工作效率。