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微型实验室的信息管理系统

2020.3.04

卡尔斯沃市KIT工艺技术研究所的科学家们打算提供新的、可以自由使用的合成实验室仪器设备控制和信息处理技术。这一技术中把实验室信息和管理系统LIMS与电子实验室工作日志ELN技术组合到一起了。

Chemotion是有机化学研究所(Stefan Bräse教授)和Steibuch计算机中心(Bernhard Neumair教授)合作的项目，为实验室设备控制技术引进开放式的源代码技术是此合作项目的唯一目标。实验室信息管理系统(LIMS)以及电子实验室工作日志(ELN)两项技术已经在工业企业实验室的日常工作中得到了应用，且已成为企业实验室工作中不可或缺的重要组成部分。借此想让人们知道，即使在研究机构和小型企业的实验室中信息处理和自动化技术也有着广阔的应用天地。在我们的Chemotion项目中，合成实验室这一概念指的是项目研发的智能化实验室;在这一智能化实验室中，实验设备和分析设备都使用现代化的技术进行整合，在中央实验室的控制系统下完成各自的工作和任务。

现如今，虽然化学实验室的许多实验操作都实现了半自动化，但对实验数据的处理上还没有实现畅通无阻的自动化。手工输入一个个实验数据和对实验过程的详细记录仍属于实验室日常工作的重要内容，同时也是会对实验结果产生不容忽视影响的错误源。

这主要是由不规范的实验操作和非结构化的实验数据保存造成的。尤其是大学中的化学实验室，不健全的IT基础设施，会造成时间上的浪费和工作质量的大打折扣。因此，高等院校、小型企业要想实现实验室自动化，不应该只是以实验操作的标准化和尽可能多的实验次数为目标。所谓的自动化首先应该有实现专业化实验工作流程和获取已保存好的精确并经得起检验核查的实验数据的可能性。

微型自动化控制系统

目前，市场上的实验室自动化控制系统价格昂贵，而大多数的中小企业和高等院校，都没有开发自身实验室自动化控制系统的可能性。例如，具有开放式源代码的自动化实验室(www.osadl.org)能够帮助许多化学实验室经济节省地完成现代化学实验室的配置，开辟小型实验室自动化的新天地。但遗憾的是，迄今为止这种开放的源代码还太少。

大多数实验室设备的控制程序都非常有针对性，这种情况增加了把不同实验室仪器和操作系统统一整合到一起的难度。Chemotion项目就是为解决这一难题而设立的项目。

开放式源代码把事情简单化

当一个软件项目的开发是在开放式源代码基础上进行的，就可以组成能够共享使用的软件组件，并在许多单个用户的参与下逐步得到完善。所有参与者都认同的软件授权形式(通用公共授权，GNU，GPL)保证了这一软件的进一步开发不仅不会终结现有的应用，还有可能开发出更多新应用。目前Chemotion项目已经进入试用阶段。

GPL的软件授权形式是研发人员进一步开发其它可用实验室设备控制的必备前提。软件设计时，可以顺利的使用开发源代码软件组件。GPL包含了使用Ruby on Rails和Javasript编程语言编写的实验室信息和管理系统LIMS、应用‘拨号上网连接设备(Dial-a-Device)’电子实验室工作日志ELN，以及以Linux操作系统为基础的网络服务器和实验室仪器设备控制系统。由于放弃了有ZL权的运行环境，以开发源代码平台为基础的网络服务器，允许用户操作使用所有的软件组件。

通用的仪器设备接口

实验室集成硬件-Embedded-Linux计算机(Beaglebone)，经济实惠，很容易买到。这种尺寸只有86mmx53mm的计算机虽然小了点，但耗电也少，功率只有几瓦，但却支撑了整个PC机的所有功能。使用这种计算机可以通过USB接口或者RS232接口与实验室仪器设备联网，成为‘互联网中的一员’(见图1)。

图1.利用Beaglebone计算机作为实验室仪器设备与网络之间的连接枢纽(左图)和小型实验室信息和管理系统的应用实例(右图)。

Chemotion项目用这种微型计算机作为桥梁把一台台的实验室设备连接起来，构成了用户可按照自己要求进行配置的LIMS实验室信息和管理系统。每一台Beaglebone计算机都能与网络服务器连接起来，这样以来，通过网络服务器对实验室仪器设备实时发送工作指令、显示仪器设备的工作数据都已经不再是问题了。而且在连接实验室设备时可以利用开放源代码的优势，在与实验室仪器设备的连接中如果优先选择开发源代码的应用，这样一来，一个设备驱动程序仅允许一个参与者创建一次，然后可以在整个用户社区站点上立即使用。

网络化的设备控制

我们以只有三台实验设备的小型实验室的网络化信息和管理系统为例，这也涉及到KNF、Heidolph或者Kern这样的实验室设备生产商。LIMS实验室信息和管理系统经Beaglebone计算机和小型实验室的三台实验设备进行连接，来对实验设备的工作情况和实验记录进行优化，针对每台仪器设备都可以进行单独选用和单独控制。这也保证了实验室研究人员能够随时得到所需信息，必要时还可以对实验设备的工作情况进行干预。当然，在这一网络中增加其它实验设备也是允许的。

秤量过程中的应用

在合成实验室，称量设备的使用必不可少。实验之前，具有资格的实验员可以在Chemotion项目平台的网页(dial-a-device.com)中编制实验计划，在秤量网页中选择需要秤量的物质名称(见图2)和与称量物质有关的数值，这些都可以自动被写入并且被保存到实验室工作日志中去。

图2.称量过程的文件记录自动化：在实验室电子平台中选择适用操作过程即可自动秤量(Kern ABJ-NM)。

利用Webcam跟踪识别样本

使用现代化的实验室条码识别技术或射频识别技术来进行的样本的跟踪识别实验，证明了这些技术是文件记录和分类的可靠方法，对Chemotion项目的样本的跟踪识别时无需使用价格高昂的硬件设备。许多平板电脑的标准化配置中都经常会用到的Webcom，在浏览器中可以直接显示网络的TRC格式图像，所以可以毫无困难的完成2D码(QR-代码)的扫描识别，无需再使用额外的硬件设备。用户只需将带有条码标签的器皿放到与控制计算机连接的设备前方就可以自动开始识别跟踪。实验仪器也可以准确的执行规定的实验分析任务，并把得到的有关数据按照样本归类。同样可以按照此法建立各个实验室之间的化学品数据库。

数据云或企业预制型工作方式

在Chemotion项目中，跨实验室的数据库的管理和使用是在数据云中进行的。若干用户提供了无偿服务的应用管理(虚拟主机)，这样就可以在短短的几分钟时间内构建一个适合于测试应用目的的整套实验室自动化系统了。这样做的一个最大优点就是：用户可以随时转换到传统的企业预装型工作方式中去。当进行日常实验分析工作时，或者是在要求对生产条件的数据要求保密时，就必然要回到企业自己的计算机系统中进行操作。

集成实验室平台

Chemotion项目把LIMS实验室信息和管理系统与ELN电子实验室日志系统都集成到一起了。根据具体的应用情况，无需构建新的、可重复使用的实验平台。借助于具有网络服务功能的控制软件，每一个化学分析人员都可以构建自己的化学信息系统;也可以根据自己工作的需要对集成的化学信息系统进行调整和扩充。

参与这一项目的用户越多，就会构成更多的集成实验室平台。随着参与者的每一次开发，软件都会有新功能的加入，就这样逐步形成覆盖所有应用的集成实验室系统。与其它多种集中控制的网络平台不同的是这一系统允许用户按照自己的喜好设计使用界面，提供了更高的灵活性和开放性。在此，我们诚心欢迎新的合作伙伴加入我们的队伍。

拨号上网连接设备Dial-a-Device应用

德国卡尔斯鲁尔技术研究院(KIT)的跨学科合作项目开发了一种新的、基于互联网基础的实验室IT平台。有了这一平台，未来高等院校的实验室分析研究也能够达到现代化的数据处理水平了，从而实现互联网支持的实验分析过程。在这个项目中，实验室设备信息管理系统(LIMS)以及实验室电子格式的文件记录(ELN)的信息传递都得到了优化和融合。开放源代码促进会倡议：所有的拨号上网连接设备Dial-a-Device应用都最好用开放的源代码编写，并且无偿地提供给用户使用。

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周锦帆