現(xiàn)代智慧實驗室的設(shè)計和應(yīng)用

林燕奎， 熊貝貝， 王丙濤， 王樓明， 候樂錫， 王光輝

(深圳出入境檢驗檢疫局 深圳市食品安全技術(shù)研發(fā)重點實驗室, 廣東 深圳 518045)

0 引 言

從IBM提出了“智慧地球”[1-2]的概念后，國內(nèi)相繼提出了建設(shè)智慧城市和智慧社區(qū)的規(guī)劃，相信不久智能化將會推廣到生活的方方面面。一般談到智慧實驗室往往就會想到電子信息、計算機、自動化等實驗室，但隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增強以及科學(xué)技術(shù)的進步，不斷有新的技術(shù)和新的理念應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物等常規(guī)實驗室建設(shè)和管理[3-6]，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[7]、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)[8-10]、云技術(shù)[11]等，以及常見的實驗室信息管理系統(tǒng)(Laboratory Information Management System，LIMS)[12]，還有用于高校和研究所等科研工作的Everlab[13]、Evernote[14]等，這一系列以安全性、人性化、自動化、信息化、遠程控制等高科技為特征的現(xiàn)代化智慧型實驗室新概念正逐步形成[15-16]。目前，我國還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)或其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對實驗室硬件建設(shè)和軟件管理進行規(guī)范和要求，現(xiàn)代化實驗室建設(shè)在理論和實踐中還存在諸多空白，通過查閱資料和大型開放性實驗室建設(shè)規(guī)劃、體系運行管理實踐，對現(xiàn)代新型的智慧實驗室建設(shè)有一定的經(jīng)驗和較為深入的研究，對今后實驗室的規(guī)劃和建設(shè)提供一些借鑒意義。

作為理化、生物等實驗室，特別是大型專業(yè)檢測實驗室，涉及到人員、設(shè)備、耗材、方法、環(huán)境、風(fēng)險管理甚至危機預(yù)警等多個要素，隨著社會的快速發(fā)展，設(shè)備和耗材越來越多，使用方法越來越精密高效，對環(huán)境的要求也越來越高，這就可能造成實驗室管理混亂、樣品丟失、數(shù)據(jù)出錯等質(zhì)量事故發(fā)生，如果沒有智能化的通風(fēng)處理系統(tǒng)還可能造成廢氣倒灌、實驗室內(nèi)部空氣渾濁，嚴(yán)重影響實驗人員人身健康和實驗儀器的正常運轉(zhuǎn)，甚至還會危及到實驗室周邊的生態(tài)環(huán)境安全，因此如何將這些核心要素相互銜接和有機協(xié)作，是實驗室建設(shè)和管理過程中的頭等大事。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，給實驗室科學(xué)管理，提供了技術(shù)上的可能，如何利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)建立一個智慧實驗室，讓實驗室更加智能、實驗室管理更加規(guī)范高效、減少人為因素影響，成為了未來的重要任務(wù)和發(fā)展趨勢。

1 智慧實驗室的規(guī)劃與設(shè)計

在現(xiàn)代新型實驗室，特別是大規(guī)模實驗室的規(guī)劃和設(shè)計時，不僅要考慮傳統(tǒng)的平面布局、通風(fēng)、空調(diào)、供氣、供電和供水以及廢氣處理等，還要注重科學(xué)設(shè)計、合理布局以及前瞻性，為實驗室智能化的布局留下足夠的空間和容量，軟硬件的可擴展性要強。

新型的現(xiàn)代化智慧實驗室的平面布局應(yīng)規(guī)劃出專門的數(shù)據(jù)處理區(qū)域，用于集中或者分類擺放數(shù)據(jù)的采集傳輸和集中處理的硬件實施，便于工作人員技術(shù)處理和報告數(shù)據(jù)，以及可能涉及到的人機分離、遠程控制等。同時由于實驗室涉及到多個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(見圖1)，一般智慧實驗室的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至少包括因特網(wǎng)、單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及大型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等智能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線，有的還涉及到智能通風(fēng)系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)等等，在實驗室一定要規(guī)劃設(shè)計3個以上的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，留足備用網(wǎng)絡(luò)端口，以便相關(guān)系統(tǒng)的升級換代和新系統(tǒng)的使用。

圖1 實驗室網(wǎng)絡(luò)布線規(guī)劃設(shè)計

供電和供氣是大中型實驗室的重點配置，如現(xiàn)在常見的是一臺質(zhì)譜儀配幾個氣體鋼瓶，不僅管路連接復(fù)雜，更換麻煩，而且很容易出現(xiàn)斷氣，影響儀器的正常運轉(zhuǎn)，從而造成大型實驗室樣品積壓，嚴(yán)重影響檢測效率。為了使實驗區(qū)域更加規(guī)范，方便使用，一般在規(guī)劃設(shè)計時會采用集中供電和集中供氣模式，特別是大型實驗室，有液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀、電感耦合等離子質(zhì)譜儀等較多的質(zhì)譜類精密儀器，這些設(shè)備不能斷電和斷氣，所以需要在建設(shè)時采用UPS集中供電，多氣瓶串聯(lián)自動切換集中供氣。實驗室在設(shè)計時應(yīng)專門規(guī)劃，并在樓板承重和排水通風(fēng)方面進行專門設(shè)計，方便使用，確保安全。

實驗室通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計是實驗室建設(shè)的核心和關(guān)鍵，特別是對擁有大型精密檢測儀器的實驗室，通風(fēng)系統(tǒng)要能實現(xiàn)不同實驗區(qū)域的通風(fēng)風(fēng)速和流量自動調(diào)節(jié)，節(jié)能減排，室內(nèi)空氣無毒無異味，特別是化學(xué)和生物實驗室，實驗產(chǎn)生的有機、高熱、酸堿等廢氣能夠分類集中處理排放，有毒生物能夠得到有效控制，不能對周邊的大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。全自動控制、變頻、遠程控制、人機對話等尖端技術(shù)在通風(fēng)廢氣處理系統(tǒng)上的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)通風(fēng)廢氣處理的自動化和智能化。

2 基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交互系統(tǒng)的建立

傳統(tǒng)的實驗室服務(wù)，報檢樣品需要親自送樣到實驗室，填寫委托申請單，交接樣品，付款簽訂委托合同后才開始檢測。而今智能互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，所有這些流程都可以在互聯(lián)網(wǎng)上完成。只需登錄實驗室網(wǎng)站，客戶可以足不出戶就能完成檢測項目查詢、詢價、檢測委托流程，物流寄送樣品，網(wǎng)上支付，檢測結(jié)束后能在網(wǎng)上獲得檢測報告(見圖2)。智能網(wǎng)絡(luò)報檢功能節(jié)點化，使得客戶能在千里之外的遠程便知悉其委托檢測的樣品在實驗室的檢測狀態(tài)，使檢測客戶與實驗室自動無障礙互動交流。客戶還可在委托檢測時登記手機號碼，實驗室收到樣品后，系統(tǒng)自動發(fā)手機短信提醒，實驗室檢測人員開始檢測后，手機短信自動提醒：“樣品開始檢測”；報告出具后自動提醒：“報告書已出”。現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用使委托客戶可以很方便的知悉實驗室的活動，短信或者網(wǎng)上隨時查詢進展?fàn)顟B(tài)，也可電話語音查詢相關(guān)信息。

圖2 網(wǎng)絡(luò)智能報檢示意圖

3 基于RFID技術(shù)的樣品與耗材管理系統(tǒng)

大型的實驗室每年有數(shù)萬份樣品需要檢測，檢測項目繁多，涉及到的樣品單元有近數(shù)十萬個以上，某些樣品甚至多達幾十個檢測項目，如奶粉，涉及到微生物、理化、常規(guī)化學(xué)等多個檢測實驗室50多項檢測；此外，樣品性狀不一、類別各異，如食品實驗室，既有餅干、糖等常溫保存的樣品，又有肉、魚、冰激淋等需要冷藏的樣品，既有醬油、醋、油等瓶裝食品，又有大米、面粉等散裝食品，混淆甚至丟失一直是困擾實驗室樣品管理的一個難題。如何科學(xué)管理，使樣品既容易查找，又不容易出錯，需引進了RFID技術(shù)用于樣品管理，使樣品接收、分發(fā)以及檢測處理等各個流程都實現(xiàn)了自動化管理(見圖3)。而且手持式掃描儀可以很輕松的從一堆樣品中找到你想要的樣品，降低了勞動強度，大大提高了工作效率。RFID防損壞的技術(shù)設(shè)計，可以有效地防止樣品的丟失以及替換的情況，特別適用于法定物證樣品的保管。

實驗室儀器眾多，使用的耗材種類和數(shù)量龐大，一些主要耗材直接關(guān)系到檢測結(jié)果的正確與否，RFID技術(shù)還可以用在實驗室設(shè)備和耗材管理上，對試劑耗材的采購、出入庫管理和使用有重要的作用。對于價值較高的色譜等耗材采取RFID標(biāo)簽管理，使得相關(guān)耗材各種使用信息能夠順利追溯，不僅方便管理，流程規(guī)范，提高實驗室檢測數(shù)據(jù)的可追溯性和質(zhì)量管理水平。

4 互聯(lián)高效數(shù)據(jù)處理與報告系統(tǒng)

大型實驗室每年要對外出具數(shù)十萬個檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都需要從儀器工作站人工打印或摘抄出儀器檢測的原始數(shù)據(jù)，并將稱樣量、定容體積、稀釋倍數(shù)等數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式，經(jīng)手動計算出最終結(jié)果，并填寫形成原始記錄單，再將計算結(jié)果、每個項目的檢測方法、限量標(biāo)準(zhǔn)、濃度單位等信息手工錄入實驗室管理系統(tǒng)(LIMS系統(tǒng))，同時人工進行是否合格的判定，最終向委托客戶傳送數(shù)據(jù)，原始記錄單需要檢測人員和審核人員簽字確認(rèn)后用于存檔。這些數(shù)據(jù)的計算、原始單據(jù)的填寫、LIMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)登錄等，占用了實驗室檢測人員的大量時間，成為檢測過程中的一個限速步驟，影響到工作效率的提高，同時大量的人工計算和填寫還經(jīng)常出現(xiàn)人為錯誤，導(dǎo)致結(jié)果報錯甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

新引入的實驗室數(shù)據(jù)自動管理系統(tǒng)，可涵蓋除常規(guī)理化手動分析之外的絕大部分自動檢測的實驗儀器，實現(xiàn)從LIMS系統(tǒng)自動選取待測批、自動選擇檢測方法和儀器、自動圖譜智能分析、檢測數(shù)據(jù)自動取數(shù)、自動計算結(jié)果和添加回收、自動報告結(jié)果、根據(jù)設(shè)定限值自動判定合格與否以及超標(biāo)智能預(yù)警等智能化步驟，大大節(jié)省人力物力，使得檢測結(jié)果實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的實時傳遞、無縫對接，避免人工計算和報告的失誤，大大提高了工作效率(見圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)取數(shù)流程示意圖

5 全自動自適應(yīng)實驗室通風(fēng)系統(tǒng)

實驗室不可避免的會產(chǎn)生各種廢氣，作為一個現(xiàn)代化的實驗室對室內(nèi)溫度、濕度控制、房間壓差、空氣潔凈度、噪聲、排風(fēng)等都有較高的要求，不僅要考慮實驗人員的人身安全、高端儀器設(shè)備的安裝要求、實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，還要考慮對周邊環(huán)境的影響。傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)使用起來很不方便，實驗之前要開啟通風(fēng)柜，還要調(diào)節(jié)抽風(fēng)量的大小，下班的時候要關(guān)掉抽風(fēng)系統(tǒng)，開啟過多的通風(fēng)柜還會相互影響。

采用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)和自動感應(yīng)技術(shù)設(shè)計建立了國內(nèi)首個閉環(huán)負壓自適應(yīng)式實驗室通風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備自動定時運行功能，可根據(jù)實際特殊需要手動臨時開啟運行；具備集中、現(xiàn)場手動控制運行功能，根據(jù)實際情況開啟全系統(tǒng)或獨立開啟部分子系統(tǒng)，適應(yīng)多任務(wù)、多時段的工作要求；具備總控、分級密碼控制功能，并根據(jù)實驗室的行政管理劃分實施區(qū)域管理、明確管理責(zé)任；具備自動報警、自動記錄、數(shù)據(jù)分析功能，可以記錄設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障報警，分析運行曲線；具備優(yōu)化運行功能，根據(jù)不同的實驗情況，設(shè)置最大風(fēng)量、最大開啟度、最小風(fēng)量、最小開啟度以及各設(shè)備運行參數(shù)，更好地實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保要求；具備遠程控制功能，還有良好的可擴展性。廢氣處理系統(tǒng)將廢棄分類集中處理，自動控制系統(tǒng)自動監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，使其智能化運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)實時采集壓力、風(fēng)機水泵運行頻率及狀態(tài)、噴淋狀態(tài)、吸附處理堵塞狀態(tài)等信號，實現(xiàn)自動反饋、自動控制處理，在淋洗塔中采用pH值自動監(jiān)測、自動稀釋排放工藝，實現(xiàn)廢氣經(jīng)處理后環(huán)保排放。

6 結(jié) 語

實驗室的規(guī)劃、設(shè)計以及管理專業(yè)技術(shù)性很強，建設(shè)一個高效規(guī)范的智慧實驗室想必是未來化學(xué)、生物、物理、材料、食品等領(lǐng)域研究和檢測實驗室的發(fā)展趨勢。實驗室涉及到的因素非常多，現(xiàn)階段我國智慧實驗室建設(shè)只是一個起步階段，作者所在實驗室的建設(shè)是一個新型現(xiàn)代化大型開放性智慧實驗室建設(shè)的有益嘗試，系統(tǒng)的建成和使用使實驗室的工作效率、業(yè)務(wù)管理和質(zhì)量管理水平得到了很大的提高。

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