實驗室數(shù)字化的三大步驟

文/ Guido von Dalen

實驗室自動化的項目可以分為三個階段來實施// 多年來，自動化一直是現(xiàn)代化實驗室談?wù)摰淖钪匾脑掝}之一，實驗室的數(shù)字化程度也隨著實驗室自動化進程而不斷的發(fā)展，從一個個孤立的數(shù)據(jù)孤島發(fā)展成為高性能的實驗室網(wǎng)絡(luò)。本文介紹的虛擬案例就充分展示了實驗室數(shù)字化的過程是如何運作的。

制定詳細的優(yōu)化改造計劃和充分的準備工作是實驗室數(shù)字化改造成功與否的關(guān)鍵。最好是項目的總體負責人把整個項目分解為一個個小的子項目，這樣才能在公司里獲得大多數(shù)人的認可。另外，項目進展的成果應(yīng)很容易度量，并能很快地實現(xiàn)一個個分解后的小目標。這種實施方法的一個好處是高成本效益比和可靠的資金預(yù)算。

實現(xiàn)實驗室的數(shù)字化可分為下述三大步：

第一步：實驗室儀器設(shè)備的相互連接和自動化的數(shù)據(jù)傳輸；

第二步：包括采集數(shù)據(jù)在內(nèi)的實驗室工作過程自動化；

第三步：原始數(shù)據(jù)存檔。

這三個步驟并不是固定不變的。最重要的是每個步驟中都包含了一些“子目標”，每實現(xiàn)一個子目標就是向?qū)嶒炇覕?shù)字化的總目標邁出的一大步。

第一步，儀器設(shè)備的相互連接和自動化的數(shù)據(jù)傳輸

LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)是實施實驗室數(shù)字化項目的基礎(chǔ)。這里的LIMS系統(tǒng)包括了存儲所有實驗數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫。LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)可以被稱為實驗室的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。大多數(shù)的LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)都包括了用于連接實驗室儀器設(shè)備的能力，例如，連接實驗室天平。利用GAMP5 Cat.4軟件系統(tǒng)就可以簡簡單單地完成實驗室儀器設(shè)備的配置?，F(xiàn)代化的LIMS系統(tǒng)不僅可以將現(xiàn)代化的實驗室儀器設(shè)備集成到系統(tǒng)之中，還可以將老一代的儀器設(shè)備也集成到系統(tǒng)之中。為此，有些生產(chǎn)廠家研發(fā)生產(chǎn)了一種可以事先配置好工作參數(shù)的、用于連接小型計算機的迷你連接器。通過USB接口或者RS232接口或者LAN局域網(wǎng)接口就可以把實驗室的檢測儀器、設(shè)備連接起來，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的電子傳送，見圖1。

圖1 以實驗室天平為例的儀器設(shè)備連接

在數(shù)字化的第一步工作中，為實現(xiàn)電子數(shù)據(jù)的傳輸，將實驗室的所有儀器設(shè)備都連接起來，實驗的檢測數(shù)據(jù)就可以在實驗室儀器設(shè)備上讀取并輸出到檢測記錄中。這里需要將實驗室的儀器設(shè)備分為簡單的和復(fù)雜兩大類。對于后者，通常使用所謂的解析腳本讀取，解釋復(fù)雜儀器設(shè)備測得的數(shù)據(jù)按照被測樣本歸類保存。LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)會檢查上述兩大類儀器設(shè)備的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備不再合格或者出現(xiàn)偏差則會拒絕它們的檢測數(shù)據(jù)。這就為實現(xiàn)實驗室自動化奠定了基礎(chǔ)，通過對檢測數(shù)據(jù)的核查確保了實驗室數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，減少了傳送錯誤數(shù)據(jù)的可能性。完成這一步后就完成了實驗室數(shù)字化30%左右的目標了。

第二步，實驗室工作流程的自動化

實驗室數(shù)字化的第二步工作就是實現(xiàn)實驗室工作流程的自動化。一位經(jīng)驗豐富的實驗員可以輕松掌握不斷重復(fù)的實驗流程，但將這些工作流程自動化卻可能比預(yù)想的要復(fù)雜得多。此時，一種源于美國的方法會給您提供巨大的幫助，這就是實驗室執(zhí)行系統(tǒng)（簡稱LES）或者方法執(zhí)行系統(tǒng)（簡稱MES）。它設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)化的實驗室分析方法，確保了實驗室新人能夠更加輕松的適應(yīng)實驗室的工作。近年來，尤其是在LES實驗室執(zhí)行系統(tǒng)中，移動的數(shù)據(jù)采集可能成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點。實驗員可以在平板電腦上查到適合他的實驗方法并按照實驗方法的規(guī)定開始執(zhí)行。像實驗室數(shù)字化第一步中所描述的那樣：實驗室儀器設(shè)備都以數(shù)字格式提供實驗數(shù)據(jù)，并將其顯示在平板電腦上。實驗員風(fēng)險評估顯示在平板電腦上的數(shù)據(jù)，并一步步在實驗方法的指導(dǎo)下完成實驗。實驗員可以在平板電腦上顯示執(zhí)行標準作業(yè)程序（簡稱為SOP）的全過程，并為下一步實驗操作選擇合適的實驗儀器設(shè)備。LES/LIMS軟件中已經(jīng)設(shè)計了實驗室的標準作業(yè)程序，實驗員按照所選的標準作業(yè)程序執(zhí)行就可以了。

實驗室工作流程的新方法明顯的提高了實驗室的工作效率。過去，實驗室的數(shù)據(jù)都記錄在實驗記錄中，而且數(shù)據(jù)記錄的也相當雜亂，沒有形成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，幾乎沒法利用這些數(shù)據(jù)進行研究。得益于現(xiàn)代化的LES實驗室執(zhí)行系統(tǒng)，如今的實驗室數(shù)據(jù)有著很高的質(zhì)量并滿足了GxP藥品經(jīng)營質(zhì)量管理規(guī)范、CFR21 Part11電子記錄和電子簽名、ISO17025實驗室認證標準和其他監(jiān)管標準的要求。除了節(jié)省時間之外，LES實驗室執(zhí)行系統(tǒng)還將實驗中出現(xiàn)錯誤的可能性降到了最低。在這里，平板電腦就成為實驗員日常工作時的常備工具，成為工作過程中采集數(shù)據(jù)的移動數(shù)據(jù)采集器。為此，實驗室信息技術(shù)的供應(yīng)商們提供了多種不同的技術(shù)平臺。這些技術(shù)平臺既可以在線采集數(shù)據(jù)也可以離線采集數(shù)據(jù)，使用起來非常靈活、方便。這也為用戶提供了更加廣泛的用途，在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，也可以利用平板電腦采集數(shù)據(jù)。如果要在室外的生產(chǎn)、工作現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)（取樣）時，或者在工廠車間附近的倉庫（有防爆門）處采集數(shù)據(jù)時，那里常常連不上網(wǎng)。為了解決在這些場合中采集、匯總數(shù)據(jù)的難題，許多新產(chǎn)品都有一個離線數(shù)據(jù)庫，并能在采集數(shù)據(jù)之后自動的與中央數(shù)據(jù)庫同步數(shù)據(jù)。一般情況下，這些軟件產(chǎn)品通常也都有許多輔助功能，例如，拍攝照片、條碼掃描等。您還可以輸入文本文字和批注使軟件平臺有著更大的使用靈活性，在像安卓這樣的操作系統(tǒng)上甚至還可以實現(xiàn)聲控采集數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 實驗室工作流程的自動化是實驗室數(shù)字化的一個重要步驟

通過第二階段實驗室工作流程的標準化和在軟件系統(tǒng)指導(dǎo)下完成實驗就實現(xiàn)了實驗室數(shù)字化的第二個里程碑，實現(xiàn)了大約70%的總體目標了。

第三步，原數(shù)據(jù)的“永久性”存檔

多年來，實驗室原始數(shù)據(jù)分類存檔一直是實驗室數(shù)字化的重要組成部分。實驗室儀器設(shè)備提供的都是數(shù)字化格式的數(shù)據(jù)（第一步），但也可以提供其他文件格式的數(shù)據(jù)。不同格式數(shù)據(jù)之間的一個重要中介就是已經(jīng)有幾十年歷史、以工業(yè)標準表示數(shù)據(jù)的ASCII標準：一種可以用任意文本編輯器打開、編輯的文件格式，估計這些數(shù)據(jù)將來也是可讀的。原始數(shù)據(jù)的分類存檔僅涉及數(shù)據(jù)的分類保存和使用，例如在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的讀取。常見的LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)能夠以BLOB/CLOB的格式保存此類原始數(shù)據(jù)。如果在保存數(shù)據(jù)之前提取了原數(shù)據(jù)，則原數(shù)據(jù)有助于幫助您研究這些檢測數(shù)據(jù)。此時，每一個常見的LIMS實驗室信息管理系統(tǒng)都提供了全文搜索功能，可以按照特定的標準和要求搜索整個原始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。除了ASCII格式的文件之外還可以按照XML格式、PDF格式或者PDF-A格式完成數(shù)據(jù)的分類存檔和數(shù)據(jù)分析。

當涉及一種比較特殊的文件格式時，問題就變得非常復(fù)雜了。如果軟件可以打開這種格式的文件，則表示沒有太大的問題。例如用戶用Windows系統(tǒng)嵌入的OLE（對象鏈接與嵌入）功能啟動鏈接，能夠打開特殊格式文件擴展名的應(yīng)用程序就可以讀取這些數(shù)據(jù)了。但如果將來沒有這種特殊軟件時怎么辦呢？這就增加了打開已經(jīng)分類存檔原始數(shù)據(jù)的風(fēng)險。為了盡可能的減少這種風(fēng)險，將其減少為零，已經(jīng)開發(fā)了兩種通用文件格式：AnlML（分析信息標記語言）和ADF（同素異形體數(shù)據(jù)文件）。您可以在本文的在線版中找到有關(guān)AnlML和ADF的詳細信息。

在AnlML和ADF中首先要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的文件格式。在理想情況下，數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)換成實驗室儀器設(shè)備生產(chǎn)廠商提供的文件格式。將來，希望儀器設(shè)備生產(chǎn)廠家產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的儀器設(shè)備都支持這兩種文件格式中的一種或者兩種。

第三步完成之后，實驗室數(shù)字化技術(shù)改造的目標就已經(jīng)實現(xiàn)了。在數(shù)據(jù)的整個生命周期里從生成數(shù)據(jù)到分類存檔就都有了保障。

LP本刊提示

LES-實驗室執(zhí)行系統(tǒng)

LES實驗室執(zhí)行系統(tǒng)通過標準化的實驗室操作流程（SOP）指導(dǎo)實驗員完成實驗室的各項工作。各個標準工作流程SOP的具體步驟都在LES系統(tǒng)中以結(jié)構(gòu)化的形式表示出來了，能夠幫助實驗員按照規(guī)定的順序一步步的完成實驗操作。LES實驗室執(zhí)行系統(tǒng)常常在受監(jiān)管的行業(yè)領(lǐng)域中使用，例如，制藥行業(yè)。一套LES實驗室執(zhí)行系統(tǒng)即可作為一個單獨的軟件系統(tǒng)使用也可以集成到LIMS實驗室信息和管理系統(tǒng)中使用。