實驗室數字化的三大步驟

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，自動化一直是現代化實驗室談論的最重要的話題之一，實驗室的數字化程度也隨著實驗室自動化進程而不斷的發展，從一個個孤立的數據孤島發展成為高性能的實驗室網絡。本文介紹的虛擬案例就充分展示了實驗室數字化的過程是如何運作的。

制定詳細的優化改造計劃和充分的準備工作是實驗室數字化改造成功與否的關鍵。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人的認可。另外，項目進展的成果應很容易度量，并能很快地實現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算。

實現實驗室的數字化可分為下述三大步：

第一步：實驗室儀器設備的相互連接和自動化的數據傳輸；

第二步：包括采集數據在內的實驗室工作過程自動化；

第三步：原始數據存檔。

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”，每實現一個子目標就是向實驗室數字化的總目標邁出的一大步。

第一步，儀器設備的相互連接和自動化的數據傳輸

LIMS實驗室信息管理系統是實施實驗室數字化項目的基礎。這里的LIMS系統包括了存儲所有實驗數據的中央數據庫。LIMS實驗室信息管理系統可以被稱為實驗室的中樞神經系統。大多數的LIMS實驗室信息管理系統都包括了用于連接實驗室儀器設備的能力，例如，連接實驗室天平。利用GAMP5 Cat.4軟件系統就可以簡簡單單地完成實驗室儀器設備的配置?，F代化的LIMS系統不僅可以將現代化的實驗室儀器設備集成到系統之中，還可以將老一代的儀器設備也集成到系統之中。為此，有些生產廠家研發生產了一種可以事先配置好工作參數的、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局域網接口就可以把實驗室的檢測儀器、設備連接起來，實現測量數據的電子傳送，見圖1。

圖1 以實驗室天平為例的儀器設備連接

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

第二步，實驗室工作流程的自動化

實驗室數字化的第二步工作就是實現實驗室工作流程的自動化。一位經驗豐富的實驗員可以輕松掌握不斷重復的實驗流程，但將這些工作流程自動化卻可能比預想的要復雜得多。此時，一種源于美國的方法會給您提供巨大的幫助，這就是實驗室執行系統（簡稱LES）或者方法執行系統（簡稱MES）。它設計了一套結構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實驗室的工作。近年來，尤其是在LES實驗室執行系統中，移動的數據采集可能成為業內人士關注的焦點。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定開始執行。像實驗室數字化第一步中所描述的那樣：實驗室儀器設備都以數字格式提供實驗數據，并將其顯示在平板電腦上。實驗員風險評估顯示在平板電腦上的數據，并一步步在實驗方法的指導下完成實驗。實驗員可以在平板電腦上顯示執行標準作業程序（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備。LES/LIMS軟件中已經設計了實驗室的標準作業程序，實驗員按照所選的標準作業程序執行就可以了。

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，實驗室的數據都記錄在實驗記錄中，而且數據記錄的也相當雜亂，沒有形成結構化的數據，幾乎沒法利用這些數據進行研究。得益于現代化的LES實驗室執行系統，如今的實驗室數據有著很高的質量并滿足了GxP藥品經營質量管理規范、CFR21 Part11電子記錄和電子簽名、ISO17025實驗室認證標準和其他監管標準的要求。除了節省時間之外，LES實驗室執行系統還將實驗中出現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據的移動數據采集器。為此，實驗室信息技術的供應商們提供了多種不同的技術平臺。這些技術平臺既可以在線采集數據也可以離線采集數據，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，在沒有網絡的情況下，也可以利用平板電腦采集數據。如果要在室外的生產、工作現場采集數據（取樣）時，或者在工廠車間附近的倉庫（有防爆門）處采集數據時，那里常常連不上網。為了解決在這些場合中采集、匯總數據的難題，許多新產品都有一個離線數據庫，并能在采集數據之后自動的與中央數據庫同步數據。一般情況下，這些軟件產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上甚至還可以實現聲控采集數據，見圖2。

圖2 實驗室工作流程的自動化是實驗室數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指導下完成實驗就實現了實驗室數字化的第二個里程碑，實現了大約70%的總體目標了。

第三步，原數據的“永久性”存檔

多年來，實驗室原始數據分類存檔一直是實驗室數字化的重要組成部分。實驗室儀器設備提供的都是數字化格式的數據（第一步），但也可以提供其他文件格式的數據。不同格式數據之間的一個重要中介就是已經有幾十年歷史、以工業標準表示數據的ASCII標準：一種可以用任意文本編輯器打開、編輯的文件格式，估計這些數據將來也是可讀的。原始數據的分類存檔僅涉及數據的分類保存和使用，例如在關系數據庫中的讀取。常見的LIMS實驗室信息管理系統能夠以BLOB/CLOB的格式保存此類原始數據。如果在保存數據之前提取了原數據，則原數據有助于幫助您研究這些檢測數據。此時，每一個常見的LIMS實驗室信息管理系統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據庫中的數據。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格式完成數據的分類存檔和數據分析。

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用程序就可以讀取這些數據了。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分類存檔原始數據的風險。為了盡可能的減少這種風險，將其減少為零，已經開發了兩種通用文件格式：AnlML（分析信息標記語言）和ADF（同素異形體數據文件）。您可以在本文的在線版中找到有關AnlML和ADF的詳細信息。

在AnlML和ADF中首先要轉換數據的文件格式。在理想情況下，數據首先轉換成實驗室儀器設備生產廠商提供的文件格式。將來，希望儀器設備生產廠家產生海量數據的儀器設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，實驗室數字化技術改造的目標就已經實現了。在數據的整個生命周期里從生成數據到分類存檔就都有了保障。

LP本刊提示

LES-實驗室執行系統

LES實驗室執行系統通過標準化的實驗室操作流程（SOP）指導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系統中以結構化的形式表示出來了，能夠幫助實驗員按照規定的順序一步步的完成實驗操作。LES實驗室執行系統常常在受監管的行業領域中使用，例如，制藥行業。一套LES實驗室執行系統即可作為一個單獨的軟件系統使用也可以集成到LIMS實驗室信息和管理系統中使用。