文/ Guido von Dalen

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

制定詳細(xì)的優(yōu)化改造計(jì)劃和充分的準(zhǔn)備工作是實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化改造成功與否的關(guān)鍵。最好是項(xiàng)目的總體負(fù)責(zé)人把整個(gè)項(xiàng)目分解為一個(gè)個(gè)小的子項(xiàng)目，這樣才能在公司里獲得大多數(shù)人的認(rèn)可。另外，項(xiàng)目進(jìn)展的成果應(yīng)很容易度量，并能很快地實(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)分解后的小目標(biāo)。這種實(shí)施方法的一個(gè)好處是高成本效益比和可靠的資金預(yù)算。

實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化可分為下述三大步：

第一步：實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的相互連接和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)傳輸；

第二步：包括采集數(shù)據(jù)在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室工作過程自動(dòng)化；

第三步：原始數(shù)據(jù)存檔。

這三個(gè)步驟并不是固定不變的。最重要的是每個(gè)步驟中都包含了一些“子目標(biāo)”，每實(shí)現(xiàn)一個(gè)子目標(biāo)就是向?qū)嶒?yàn)室數(shù)字化的總目標(biāo)邁出的一大步。

第一步，儀器設(shè)備的相互連接和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)傳輸

LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)是實(shí)施實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化項(xiàng)目的基礎(chǔ)。這里的LIMS系統(tǒng)包括了存儲(chǔ)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫(kù)。LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)可以被稱為實(shí)驗(yàn)室的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。大多數(shù)的LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)都包括了用于連接實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能力，例如，連接實(shí)驗(yàn)室天平。利用GAMP5 Cat.4軟件系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地完成實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)儀器、設(shè)備連接起來，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的電子傳送，見圖1。

圖1 以實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)電子數(shù)據(jù)的傳輸，將實(shí)驗(yàn)室的所有儀器設(shè)備都連接起來，實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以在實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備上讀取并輸出到檢測(cè)記錄中。這里需要將實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備分為簡(jiǎn)單的和復(fù)雜兩大類。對(duì)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(cè)得的數(shù)據(jù)按照被測(cè)樣本歸類保存。LIMS實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)會(huì)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(huì)拒絕它們的檢測(cè)數(shù)據(jù)。這就為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)，通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的核查確保了實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，減少了傳送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的可能性。完成這一步后就完成了實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化30%左右的目標(biāo)了。

第二步，實(shí)驗(yàn)室工作流程的自動(dòng)化

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

實(shí)驗(yàn)室工作流程的新方法明顯的提高了實(shí)驗(yàn)室的工作效率。過去，實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)都記錄在實(shí)驗(yàn)記錄中，而且數(shù)據(jù)記錄的也相當(dāng)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(jìn)行研究。得益于現(xiàn)代化的LES實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行系統(tǒng)，如今的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)有著很高的質(zhì)量并滿足了GxP藥品經(jīng)營(yíng)質(zhì)量管理規(guī)范、CFR21 Part11電子記錄和電子簽名、ISO17025實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和其他監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的要求。除了節(jié)省時(shí)間之外，LES實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行系統(tǒng)還將實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性降到了最低。在這里，平板電腦就成為實(shí)驗(yàn)員日常工作時(shí)的常備工具，成為工作過程中采集數(shù)據(jù)的移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器。為此，實(shí)驗(yàn)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(tái)。這些技術(shù)平臺(tái)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(chǎng)采集數(shù)據(jù)（取樣）時(shí)，或者在工廠車間附近的倉(cāng)庫(kù)（有防爆門）處采集數(shù)據(jù)時(shí)，那里常常連不上網(wǎng)。為了解決在這些場(chǎng)合中采集、匯總數(shù)據(jù)的難題，許多新產(chǎn)品都有一個(gè)離線數(shù)據(jù)庫(kù)，并能在采集數(shù)據(jù)之后自動(dòng)的與中央數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)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(shí)現(xiàn)聲控采集數(shù)據(jù)，見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)室工作流程的自動(dòng)化是實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化的一個(gè)重要步驟

通過第二階段實(shí)驗(yàn)室工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化和在軟件系統(tǒng)指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)就實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化的第二個(gè)里程碑，實(shí)現(xiàn)了大約70%的總體目標(biāo)了。

第三步，原數(shù)據(jù)的“永久性”存檔

多年來，實(shí)驗(yàn)室原始數(shù)據(jù)分類存檔一直是實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)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(gè)重要中介就是已經(jīng)有幾十年歷史、以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表示數(shù)據(jù)的ASCII標(biāo)準(zhǔn)：一種可以用任意文本編輯器打開、編輯的文件格式，估計(jì)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(kù)中的讀取。常見的LIMS實(shí)驗(yàn)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(cè)數(shù)據(jù)。此時(shí)，每一個(gè)常見的LIMS實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)和要求搜索整個(gè)原始數(shù)據(jù)庫(kù)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(dāng)涉及一種比較特殊的文件格式時(shí)，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(duì)象鏈接與嵌入）功能啟動(dòng)鏈接，能夠打開特殊格式文件擴(kuò)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(shí)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(xiǎn)。為了盡可能的減少這種風(fēng)險(xiǎn)，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(biāo)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室數(shù)字化技術(shù)改造的目標(biāo)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。在數(shù)據(jù)的整個(gè)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(shí)驗(yàn)室執(zhí)行系統(tǒng)

LES實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)室操作流程（SOP）指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)員完成實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)工作。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)員按照規(guī)定的順序一步步的完成實(shí)驗(yàn)操作。LES實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室執(zhí)行系統(tǒng)即可作為一個(gè)單獨(dú)的軟件系統(tǒng)使用也可以集成到LIMS實(shí)驗(yàn)室信息和管理系統(tǒng)中使用。