曹珂 張穎 任浩冉 陳韶 楊沛

摘 要：以實驗室藥劑管理為著手點，考慮到由于實驗試劑傳統(tǒng)包裝的“單一”導致拿錯試劑以及影響試劑擺放管理的問題，基于易于辨識化的目的，通過對實驗室試劑標記貼紙，利用色彩特點設(shè)計和標簽材料分析來實現(xiàn)。此外，還對根據(jù)藥品稱重方向提出的稱重器設(shè)計進行分析，采集實驗室數(shù)據(jù)并上傳OneNET云平臺，可以用稱重傳感器測量實驗室試劑質(zhì)量，將實驗室試劑條形碼用條碼識別模塊獲取后，一同上傳至Arduino模塊，再上傳至OneNET云平臺，實現(xiàn)實驗室試劑質(zhì)量實時監(jiān)測與試劑信息溯源。同時，還對線上化采購藥劑和公式化管理作出了相關(guān)設(shè)想，以期實現(xiàn)實驗室管理效率的提升。

關(guān)鍵詞：實驗室;試劑標簽貼紙設(shè)計;藥品稱重器;線上化采購;廢棄物公示

1 實驗藥品的規(guī)范管理對于實驗室管理的影響現(xiàn)狀

生化試劑作為特殊商品，其保存、使用和儲存均存在危險隱患。高校、研究院以及工廠等單位的實驗室，對試劑的規(guī)范管理，如試劑的貯存擺放以及藥品的取用、分類、儲存均有很多問題。通過具體的調(diào)研考察，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的試劑標簽單一，增加了實驗人員在歸置實驗藥品時的工作量，同時還存在拿錯試劑的風險，輕則影響實驗結(jié)果，重則對實驗室安全造成威脅。本研究對實驗室藥品的使用和管理亟待解決的問題進行了深入分析，從精確稱量藥劑數(shù)值和考慮具體化數(shù)值標簽稱量入手，對稱量儀器的改進提出了新的看法，致力于提高藥品稱量的精確度和提升實驗過程中的效率，以期實現(xiàn)一種新的稱量儀器的使用方式。

1.1? 實驗包裝在藥品使用過程中產(chǎn)生的問題分析

由于現(xiàn)有的實驗室試劑包裝具有“單一、傳統(tǒng)、字體密小”的特點，在實驗過程中，由于不易精確識別所需藥劑，實驗人員取用時存在拿錯試劑的風險，若出現(xiàn)紕漏，造成試劑誤拿誤用，可能對實驗室的安全造成威脅，縱向加大實驗室的管理難度。一些試劑擁有多種特性且需要苛刻的貯存環(huán)境，而現(xiàn)在實驗室的試劑瓶以及標簽未有鮮明的區(qū)分，在緊急的實驗過程中，會重新啟用新的試劑，產(chǎn)生“一試劑多分裝”的現(xiàn)象，時間長了，藥品難免變質(zhì)，造成只用了極少部分試劑的玻璃瓶、鐵筒等貯藏包裝膨脹開裂，導致藥品變質(zhì)、報廢[1]。這樣不僅造成浪費，同時也造成污染。

試劑雖然價格不高，但從試劑種類繁多及實驗室使用的必須性綜合來看，每年會產(chǎn)生巨大的非必要財務(wù)損失。從保證化學藥品質(zhì)量和實驗正常使用來看，實驗的“精密性”要求化學試劑的“保質(zhì)性”。由于每年藥品分類管理的復(fù)雜性，較多的試劑在現(xiàn)有管理模式下存在“未使用完”和“丟失”的現(xiàn)象，而且現(xiàn)在的試劑包裝改進問題未得到重視，傳統(tǒng)包裝藥品在實驗室存放、分類不清晰的情況下，難免出現(xiàn)部分變質(zhì)，棄之可惜，使用又會影響測定的準確性。

1.2? 實驗藥品管理過程中產(chǎn)生的問題分析

現(xiàn)有的化學藥品包裝缺乏多樣性和創(chuàng)新性，在實驗室藥劑的采購管理和污染處理過程中，同時存在眾多問題。在藥劑的采購過程中，由于現(xiàn)有實驗藥劑的采購仍然是各取所需模式，采購流程不統(tǒng)一，人工統(tǒng)計產(chǎn)生的時間成本也是非必要損失。

在藥品擺放過程中，相關(guān)藥劑的擺放和存放管理也有很大的提升空間。對貯存未開封產(chǎn)品進行分類，可以通過增加新的“標簽”和“特別擺放”的藥劑分類方式，提升實驗室藥劑管理效率[2]。在藥品開封后，要對包裝的密封性以及具體特性的藥劑擺放合理性提出相關(guān)要求?，F(xiàn)在實驗室相關(guān)特性的藥劑分類擺放仍遵從傳統(tǒng)的“默認式”擺放，在具體的實驗操作中，仍未達到標記簡單明了和試劑易尋找的要求。

從實驗室廢品污染處理角度分析，藥品處理往往因其特殊性使得流程比較煩瑣，在環(huán)保方面也有很大爭議。傳統(tǒng)的試劑包裝瓶很難移作他用，只能回收[3]，在回收過程中，一部分可能成為污染環(huán)境的垃圾?，F(xiàn)有的實驗室廢棄物的處理方式仍具有“非透明化、非公示化”的缺點，實驗室相關(guān)人員對于實驗所浪費的試劑以及試劑的污染沒有精準的概念。

從藥品的取用角度分析，單一的包裝外形導致取用時存在拿錯藥品的可能性。藥品包裝科學的結(jié)構(gòu)和視覺設(shè)計，可以為藥品的安全使用創(chuàng)造良好的條件[4]。通過給不同的藥品設(shè)計“色彩標簽”，降低取用錯誤的概率。在化學包裝的設(shè)計以及性能的考量中，包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新性和適用性是重點，功能化的目標設(shè)計能實現(xiàn)化學藥品貯存、運輸、使用的改良[5]。不同試劑按其特性加入新元素來設(shè)計包裝標簽，無論是從社會效益還是經(jīng)濟效益考慮，都具有一定的必要性。

1.3? 藥品稱量方面的改進

傳統(tǒng)的藥品稱量方式多使用的是臺秤、光電天平或電子天平，但對于現(xiàn)在越來越嚴格的實驗試劑用量要求，傳統(tǒng)臺秤不僅有精確度的問題（如精確度最高到0.1 g），對于稱量藥品的特性也有要求，必須滿足多次稱量、減小誤差的要求。特定藥品的稱量方式不當，會損害稱量儀器，導致稱量數(shù)據(jù)不精確，嚴重的話會影響實驗結(jié)果。雖說現(xiàn)在電子天平在靈敏性、精確性方面有了很大的改善，但電子天平依然有天平示值的不變性（如對電子天平重復(fù)性、再現(xiàn)性的控制，對電子天平零位及回零誤差的控制;電子天平空載或加載時，天平在規(guī)定時間對天平示值漂移的控制）。如何提高實驗室稱量儀器的精確度、減少對已稱量試劑的標記次數(shù)、減小藥品稱量中出現(xiàn)的誤差和稱量過程中對天平的損害，這些都是亟待解決的問題[6]。

2?實驗室試劑規(guī)范管理的具體方案

2.1? 實驗室試劑標記貼紙

2.1.1? 實驗室試劑標記貼紙設(shè)計分析

現(xiàn)代管理學認為，科學化管理有3個層次：第一層次是規(guī)范化，第二層次是精細化，第三層次是個性化[7]。其中，精細化即細化管理，細化管理是體現(xiàn)在細節(jié)中的科學管理。實驗室試劑的安全規(guī)范管理是實驗室安全管理的重要組成部分，只有對實驗室試劑管理方面進行科學、細化管理，才能排除各種安全隱患，并且高效、環(huán)保地利用現(xiàn)有資源，保障實驗教學可以安全有序地進行，更好地為實驗教學服務(wù)。

根據(jù)已有實驗事故資料可知，實驗室試劑錯誤拿取是實驗事故產(chǎn)生的重要原因。實驗員依靠試劑瓶標簽辨別試劑，試劑名稱在標簽上占據(jù)面積小，且在顏色與形態(tài)上均不具有識別性，因此，對于安全實驗操作，提升試劑的辨別度具有必要性。在對實驗員的用戶訪談與用戶行為的觀察過程中，實驗員對于試劑瓶的二次標記現(xiàn)象較為突出，標記貼紙也因此遍布于置物架之上，加大了實驗室試劑的管理難度。因此，通過標記貼紙進行規(guī)范化設(shè)計對于實驗試劑的規(guī)范化管理具有必要性。

本標記貼紙為一款可以提高試劑辨識度、方便尋找試劑的規(guī)范性試劑標記貼紙，形式上表現(xiàn)為粘貼于試劑瓶蓋上，具有一定硬度的立式貼紙。在貼紙的設(shè)計過程中，主要從人機尺度、材料與色彩3個方面進行研究。

在人機尺度方面，為了保證舒適的使用體驗，當標簽貼于試劑盒瓶蓋上時，最顯眼的標記—試劑名稱應(yīng)在人體站立時的平視視線范圍內(nèi)。也就是說，人們需要根據(jù)人體眼高數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)尋找合適的試劑標簽尺寸。實驗人員主要包括實驗室的碩士研究生、博士研究生、博士后等，男女年齡范圍分別在18～60歲與18～55歲。根據(jù)國家標準《在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則》，同時，基于國家標準《中國成年人人體尺寸》，分別選取1 643 mm和1 388 mm作為眼高的上下限。在實驗室中，最常用的實驗臺上有兩層放置試劑的架子，高度分別為1 300 mm與1 570 mm，架子寬度為150 mm，實驗臺的臺面寬度為700 mm。使用最廣泛的試劑瓶高度為160 mm，瓶身寬度為85 mm，瓶蓋寬度為? ? ? ? 60 mm?？紤]到人體站立尋找試劑瓶時身體與實驗臺臺面間的距離為200 mm左右，將實驗臺尺寸與人體尺寸數(shù)據(jù)作出簡化后的側(cè)視如圖1所示。放在中間試劑臺上的標簽底部所處的空間位置高度為1 460 mm，放在上方試劑臺上的標簽底部所處的空間位置高度為1 730 mm。人眼所見的空間位置高度為1 388～1 643 mm。取眼高數(shù)據(jù)的平均值1 516 mm，可得出眼高比中間試劑臺標簽底部A點高56 mm，而根據(jù)眼高數(shù)據(jù)最小值1 388 mm計算，得到查看最上層試劑標簽時，視線盲區(qū)的高度為9 mm。

由以上計算分析可得，在進行標簽設(shè)計時，最顯眼的標簽信息應(yīng)位于距標簽底部56 mm處，而在距標簽底部9 mm的范圍內(nèi)，不應(yīng)展示相應(yīng)標簽信息。

在色彩設(shè)計方面，針對實驗室試劑標記貼紙的色彩設(shè)計，要充分展現(xiàn)其易辨識的特性?；谏实谋孀R性，實驗室試劑標記貼紙的色彩設(shè)計需滿足以下需求。

（1）色彩與實驗室操作臺環(huán)境相適應(yīng)。根據(jù)實地調(diào)研，實驗室試劑雖分類擺放，但是由于常用實驗操作用品數(shù)量較多且大多為公用，在操作臺上通常擺放雜亂，加大了實驗人員尋找試劑的難度。因此，試劑標簽采用與實驗室操作臺環(huán)境相適應(yīng)的色彩，能夠提升試劑標識性。

（2）色彩需具備親和力。2008年，《A computer-aided product color design system based on color image》中指出，色彩作為感性工學的一部分，可以影響用戶的知覺與感覺[8]。實驗室作為培養(yǎng)高?？蒲腥藛T的重要場所，其內(nèi)部的儀器與設(shè)施構(gòu)成了整個實驗室環(huán)境。實驗試劑作為環(huán)境的一部分，其標簽設(shè)計也應(yīng)充分考慮色彩對實驗員的心理影響。

（3）色彩需給人較快的反應(yīng)速度?；跇撕灥墓δ芏x，標簽的色彩能給實驗員帶來第一視覺印象，在色彩的選擇上，應(yīng)適應(yīng)人眼識別速度。在材料的使用方面，為了提高標簽的辨識性，使用具有優(yōu)越硬挺性的PET（聚酯）材料。試劑標簽由4層組成：第一層，表面材料PET加雙膠紙，用于記錄化學藥品名稱信息;第二層，標簽?zāi)z黏劑，用于粘連標簽與化學藥品瓶蓋;第三層，硅樹脂涂層，確保標簽與襯紙容易分開，膠黏劑將表面材料分離;第四層，襯紙，保護標簽在未使用前不被沾污。

2.1.2? 實驗室試劑標記貼紙設(shè)計原型

本試劑標記貼紙具有名稱、化學名稱與開封日期三大標記項目，具有規(guī)范與自定義兩種版本可供選擇，在保證試劑標記規(guī)范性的同時，賦予了更多的實用價值。在使用方式上，用戶在有顏色的雙膠紙部分書寫，書寫完畢后，將PET膠黏隔膜撕開，按照壓制虛線進行折疊，將貼紙粘貼于試劑瓶蓋之上（見圖2）。

2.2? 實驗室試劑稱重器

首先，傳統(tǒng)的實驗室并沒有對試劑質(zhì)量作出有效的管理，無法實時掌握試劑的余量。通過對實驗室試劑數(shù)據(jù)的實時采集并進行可視化，能夠很大程度地提升實驗室管理的效率。根據(jù)藥品稱重方向設(shè)計稱重器，一方面，可以采集實驗室數(shù)據(jù)并上傳至OneNET云平臺，用稱重傳感器測量實驗室試劑的質(zhì)量，將實驗室試劑的條形碼用條碼識別模塊獲取后，一同上傳至Arduino模塊，再上傳至OneNET云平臺，實現(xiàn)實驗室試劑質(zhì)量的實時監(jiān)測與試劑信息溯源。另一方面，可以將實驗室數(shù)據(jù)上傳至App，利用稱重傳感器，實時測量試劑質(zhì)量，通過單片機外接的藍牙模塊與手機藍牙對接，將數(shù)據(jù)在App上顯示。

2.3? 試劑采購與廢棄物處理公示線上化

由于實驗室儀器與試劑種類繁多，傳統(tǒng)的采購方式通常有信息滯后、采購內(nèi)容不詳細、采購批次不統(tǒng)一等問題，如紙張丟失或損壞、無法實現(xiàn)采購信息實時查看、人力統(tǒng)計工作量龐大以及錯誤率高，表明了實驗室試劑管理需要與時俱進。將實驗室采購信息在App上公示能有效解決這些問題。首先，將實驗室采購的試劑、財務(wù)使用情況以及藥品的種類、數(shù)量、試劑批號等詳細信息登記在App上，既可以保證信息不會輕易丟失，還可以保持正常的采購進度。其次，即使是不同的采購人員、批次，他們的信息在App上也能一目了然，試劑的統(tǒng)計部分也已經(jīng)包含在程序內(nèi)部的算法中。最后，考慮到試劑耗材屬于特殊用品，記錄試劑耗材的信息后，如果試劑出現(xiàn)問題，可方便溯源查詢，制定供應(yīng)商的黑白名單，將實驗室的安全風險降到最低。

3?實驗室試劑管理改進方案具體的技術(shù)支撐

3.1? Arduino與OneNET云平臺

Arduino是一款優(yōu)秀的開源電子平臺，包含Arduino電路板和IDE。OneNET是中國移動發(fā)布的一款物聯(lián)網(wǎng)云平臺，適應(yīng)各種傳感網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)將二者結(jié)合應(yīng)用于實驗室試劑質(zhì)量統(tǒng)計[9]。

利用稱重傳感器，可以實時測量試劑瓶的質(zhì)量，將采集到的數(shù)據(jù)通過ESP8266模塊上傳到云平臺。利用WiFi來傳輸數(shù)據(jù)，模塊選用ESP8266-12N。

條形碼是由寬度、反射率不同的條和空，按照一定的編碼規(guī)則制定的[10]。利用條形碼，不僅方便實驗室藥品的管理，在追究來源等獲取不常見信息方面也有巨大貢獻[11]。掃描器發(fā)出光線并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸送到放大整流電路，根據(jù)編碼規(guī)則，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的藥品信息并上傳到云平臺。

ESP8266控制模塊外接遠景達LV1000R條碼識別讀取器，由LV1000R掃描器對條形碼發(fā)出光線，光電轉(zhuǎn)換器接收光信號后轉(zhuǎn)化為電信號，通過控制模塊上傳到云平臺[12]。

軟件部分采用的是Arduino IDE，登錄系統(tǒng)后，將API Key錄入Arduino代碼中，將代碼通過USB接口燒錄至主板上，建立設(shè)備與云平臺的連接，打開熱點，對傳感器模塊進行供電后打開云平臺，即可得到實時更新的試劑瓶質(zhì)量信息。

應(yīng)用嵌入代碼：

本系統(tǒng)基于Arduino平臺，設(shè)計了一種傳感器結(jié)合云平臺的實驗室試劑質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)，加強了實驗室的試劑質(zhì)量實時監(jiān)控，方便了實驗室藥品的采購。

3.2? 藍牙與Android手機端App

本設(shè)計通過STC單片機對稱重傳感器的數(shù)據(jù)進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到藍牙模塊。Android手機通過藍牙配對設(shè)備，將數(shù)據(jù)在手機App上顯示出來。

3.2.1? 單片機

單片機采用STC89C作為主控制器，外接傳感器與藍牙模塊。ESP8266控制模塊外接遠景達LV1000R條碼識別讀取器，由LV1000R掃描器對條形碼發(fā)出光線，光電轉(zhuǎn)換器接收光信號后轉(zhuǎn)化為電信號，通過藍牙模塊這種短距離無線數(shù)據(jù)通信手段上傳到手機App[13]。

3.2.2? Android手機端App設(shè)計

App端質(zhì)量監(jiān)控界面設(shè)計如圖3所示。Android手機端App設(shè)計是本系統(tǒng)的UI設(shè)計關(guān)鍵，在Android Studio工作環(huán)境下，界面布局采用XML語言，后端邏輯采用JAVA語言[14]。

在界面設(shè)計中，設(shè)置試劑余量上傳、試劑采購、廢棄物公示模塊，將試劑采購的數(shù)量、批次顯示在App上，避免信息滯后導致的重復(fù)購買，并保證廢棄物的去向透明。

android：layout_gravity="center_horizontal"

android：layout_marginTop="10dp"

android：text="設(shè)置"

android：textColor="@android：color/white"

android：textSize="16sp"/>

以上是XML語言描述的部分界面布局。Android代碼完成以后，在AVD模擬器上進行測試，之后通過USB數(shù)據(jù)線連接手機，再在設(shè)備上重新運行程序，App就會自動下載到手機上，之后打開手機藍牙搜尋附近的藍牙設(shè)備，建立手機與單片機藍牙模塊的連接，等待傳輸以及處理數(shù)據(jù)后，就完成了實驗室試劑質(zhì)量監(jiān)控與手機App的實時連接。

4?結(jié)語

通過對試劑包裝、藥品稱重、線上化采購和廢棄物處理公示4個方面進行分析和設(shè)計，旨在從實驗室使用與管理雙方向?qū)崿F(xiàn)實驗室試劑的安全高效管理。在設(shè)計中，充分考慮多種因素，證明其具有一定的應(yīng)用價值，可為實驗室的試劑安全和規(guī)范化管理提供參考。

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