基于大數據的透射電鏡開放共享實踐與探索

朱燕華, 郭新秋, 王 戈, 劉 靜, 盧 翀, 何 琳

(上海交通大學 分析測試中心, 上海 200240)

上海交通大學分析測試中心(以下簡稱“中心”)成立于1983年，是一所具有國家計量認證(CMA)資質的開放共享檢測平臺。中心在承擔校內科研項目分析測試任務的同時，也面向社會提供綜合性的分析測試服務。透射電子顯微鏡作為中心重要的大型精密儀器設備之一，是表征樣品超微形貌、結構與微區成分組成的基本手段[1]，已廣泛應用于材料、機械、化學、生命科學、醫學等各研究領域[2]。

由于測試需求量較大而設備價格相對高昂，國內許多高校都面臨著透射電鏡資源緊缺、機時緊張，無法滿足測試需求的困境[2-3]，也直接導致相關科研工作的透射電鏡分析測試周期長，制約了科研項目的實施進度。如何在透射電鏡設備資源緊缺的條件下，充分提高現有透射電鏡的有效使用機時，進一步促進透射電鏡的開放共享，已成為透射電鏡管理中迫切需要解決的關鍵問題[4]。本文以中心電鏡平臺的生物型透射電鏡(Tecnai G2 Spirit Biotwin，FEI)為例，通過對近兩年測試服務大數據的統計分析，尋找造成透射電鏡機時緊張的根源，制定行之有效的運行管理改革措施，從而大幅提高了透射電鏡的開放共享水平。

1 依托全面的信息化開放共享管理平臺

信息化管理是實現大型儀器設備高效開放共享的基礎[5]，也促進貴重設備資源開放共享的公開性與透明度[6]。中心擁有面向社會開放的信息化儀器設備共享平臺，校內外用戶可根據自身的測試需求，通過該儀器管理系統預約所需的各類儀器設備。儀器設備的管理員可通過該儀器設備管理系統，實時更新與維護設備的開放時段、核定測試費用、管理自主操作人員權限等信息，全面實現了儀器設備的數字化、信息化辦公與管理。同時，中心的儀器設備間統一安裝了門禁系統，必須使用管理系統后臺授權的校園一卡通方可刷卡進門，提高了儀器設備的安全使用與管理水平。

隨著測試記錄的不斷累積，儀器設備管理系統的后臺數據庫中也存儲了大量的使用信息，包括使用人、測試儀器種類、測試時長及樣品數量等。通過對這些測試信息數據的統計分析，有助于深入地了解與分析每臺設備的用戶分布、開放機時數、使用效率等關鍵信息。結合不同儀器設備各自的特點，為實現“因器施管”，給每臺儀器設備制定有針對性的科學管理方法提供了依據。

2 推進透射電鏡運行管理模式的改革

透射電鏡是中心微區分析室的核心設備之一，應用領域廣泛，測試需求量很大。為貫徹開放共享的理念，生物型透射電鏡多年來一直堅持全天開放運行，但仍有許多師生反映預約電鏡工作時段的機時困難。為解決透射電鏡的機時供需矛盾，透射電鏡管理機組對進一步促進其開放共享進行了實踐和探索。

2.1 透射電鏡測試服務信息的統計分析

對測試服務信息進行統計分析后，發現生物型透射電鏡工作時段的機時嚴重不足，而夜間非工作時段的機時則相對較為寬裕。對儀器管理平臺中2017年度生物型透射電鏡測試信息的統計分析結果表明，該透射電鏡全年服務的研究團隊總數為90個，其中測試需求量較大的團隊(年測試樣品量>50個)有22個，約占總數的24%。需求量大的研究團隊中，原先僅8個團隊的共24名師生具有自主操作資格，其余均通過網上預約透射電鏡工作時段的機時完成樣品測試。

2017年度透射電鏡的有效測試機時總數為2 273 h，其中工作時段的實際測試機時數為1 368 h，非工作時段的測試機時數為905 h，工作時段的機時數顯著高于非工作時段。此外，透射電鏡工作時段中超過70 %的機時均被需求大的研究團隊所占用，這也直接導致了工作時段的透射電鏡機時供不應求，造成其他用戶預約電鏡測試困難。

2.2 加強自主操作培訓，科學分配機時

根據上述分析結果，透射電鏡管理機組有針對性地制定了透射電鏡管理方法改革新舉措，積極推動測試需求量大的用戶在夜間或凌晨等非工作時段進行透射電鏡測試，將工作時段的電鏡機時主要用于服務測試需求相對較少的用戶。此舉旨在提高電鏡的開放機時，并合理分配在工作時段與非工作時段兩者之間的測試機時比例，從而解決生物型透射電鏡機時供需嚴重失衡的現狀。

重點加強透射電鏡的自主操作培訓力度，實現透射電鏡大用戶的自主操作培訓全覆蓋。改變以往被動接受師生自主操作培訓需求的工作模式，通過對測試信息的逐個排查，主動與測試需求量大但尚未具備自主操作資格的研究團隊直接溝通，詳細講解在非工作時段進行電鏡自主操作的優點，鼓勵團隊派研究生或青年教師參加透射電鏡的自主操作培訓。改變以往一對一的低效率電鏡自主操作培訓模式，實行靈活的小班制滾動式自主操作培訓。為保證獲得最佳的培訓效果，限制每期自主操作培訓班的參加人數≤5人。在透射電鏡工作時段的機時仍比較緊張的階段，為保障透射電鏡的正常測試工作及避免加劇電鏡工作時段機時不足的矛盾，透射電鏡管理機組的教師充分利用午間及傍晚的非工作時段開展電鏡的自主操作培訓工作。由于透射電鏡的操作較為復雜，安全注意事項相對較多，自主操作的培訓周期也相對較長。通過對人員及儀器設備等各方面因素的統籌安排協調，在培訓過程中采用同時錯峰開設兩期自主操作培訓班的策略，大幅加快了自主操作的培訓效率，為在短期內高效解決透射電鏡的機時供需矛盾奠定了基礎。

2.3 制定電鏡測試的梯度收費標準

合理運用經濟杠桿，多管齊下，進一步細化調節非工作時段內的機時均衡分配。制定透射電鏡機時費的梯度收費標準，如：夜間17:00—00:00的非工作時段，執行正常的自主機時收費標準；而00:00—08:00的非工作時段，按正常自主機時費的50%收費。通過大幅降低凌晨時段的機時費用，鼓勵需求量大的研究團隊充分利用凌晨時段的電鏡機時。

此外，由于部分團隊的學生基數大，因而透射電鏡測試的需求機時數量也相對較多。在周末等節假日期間，為這類團隊開設專用的自主操作測試時段，由團隊內相對固定的具有自主操作資格的師生進行電鏡自主測試。在此期間，透射電鏡自主操作以每4 h作為預約的最小機時數，同時機時費也下調至自主機時收費標準的50%，大幅降低了課題組的電鏡測試費用。并在保證這些團隊能有充足的透射電鏡測試機時數的同時，減少了節假日期間透射電鏡操作人員的流動性，為透射電鏡在節假日期間的正常安全運行與管理提供了保障。

3 建立完善的培訓考核與管理制度

隨著透射電鏡開放共享水平的不斷提高，自主操作人數的增多也帶來了電鏡操作人員流動性大幅增加的問題，為透射電鏡的安全運行與管理增加了潛在的風險[3, 5]。因此，制定嚴格規范的培訓考核標準及日常細致的儀器管理維護對于保障電鏡正常運行，減少人為導致的設備故障尤為重要。

強化實驗室安全與儀器設備規范操作的教育，將安全要點貫穿于自主操作培訓的理論與操作全過程。寬進嚴出，嚴格執行自主操作培訓的考核制度。制定嚴謹規范的“自主操作培訓考核評價表”，內容包括透射電鏡安全操作的所有關鍵操作要點，防止安全隱患。通過自主操作上機考核后，自主操作人員需通過我校安全教育與考試管理系統中的實驗室安全理論知識考試，并在學習了解“自主操作安全承諾書”中的各項安全制度與相應的懲處規定后，由自主操作人員簽署安全承諾書。對于未能按安全規定進行自主操作的師生，根據情節的嚴重程度，實行通報、暫停自主操作測試、取消自主操作資格等相應的處罰措施。

加強溝通交流，安全責任明確到人。通過建立自主操作人員的微信群，透射電鏡的管理者可提前發布當天非工作時段的自主操作人員次序，便于自主操作師生間的前后交接及交流互動。同時，要求每位自主操作的人員在完成電鏡測試后，均需拍攝電鏡的儀器狀態界面等反映運行狀態關鍵信息的圖片，并發布于微信群內。這為界定交接前后儀器狀態是否正常提供了判斷依據，減少因自主操作人數較多而引發的責任不清的問題。建立透射電鏡自主操作緊急聯系人制度，公布該透射電鏡上崗所有教師的聯系方式，確保師生在自主操作過程中遇到問題時，能隨時聯系到電鏡的管理人員給予專業指導。同時，在電鏡間安裝了可遠程控制的高清監控裝置，不但便于電鏡管理者在非工作時段隨時了解電鏡的運行狀態及實驗室安全狀況，還可在指導自主操作師生實時解決電鏡故障時發揮較大的作用。此外，通過儀器管理系統中預約信息與門禁系統中個人信息的精準匹配，自主操作的師生僅可在其預約時段內通過預約人的校園卡刷開門禁，進入所預約儀器設備的實驗室，實現了規范化、信息化的高效管理，也為透射電鏡自主操作的追根溯源提供了必要依據。

4 提升師資隊伍的技術與管理維護水平

高水平的儀器管理隊伍是實現電鏡等大型設備高效開放共享的基本保障[7-9]。通過系統全面地學習透射電鏡的理論知識與技術培訓，進一步提高了透射電鏡管理人員的技術水平與業務能力。在提高測試分析技術的同時，積極學習透射電鏡的管理維護技術及各種故障的解決方法，并在日常工作中不斷總結，以積累豐富的透射電鏡常見故障排除經驗，保障自主測試過程中透射電鏡的正常高效運行。

透射電鏡實行專人負責，多人協助的管理模式。儀器設備的管理維護工作，重在預防，防微杜漸[10]。透射電鏡管理人員每日檢查并詳細記錄電鏡室的溫濕度、循環水溫度與流量、真空狀態、燈絲暗電流強度等指標參數，確保及時發現電鏡狀態的異常。每個檢定周期內，配合專業的檢測機構對透射電鏡的放大倍率、圖像畸變與圖像漂移速率等參數進行檢定和校準，確保透射電鏡為科研工作提供準確的測試數據。

5 改革成效

經過一系列改革措施的實施，透射電鏡機組2018年度培訓自主操作師生累計達89人次，覆蓋我校9個院系31個研究團隊，在解決透射電鏡機時緊張的矛盾及促進透射電鏡開放共享方面取得了顯著成效。對儀器管理系統中的測試信息統計分析結果表明，2018年度的透射電鏡的使用效率大幅提高，機時數與樣品量分別為3 475 h與8 487個樣品，環比2017年度同期的增幅分別為52.8%與93.9%，參見圖1。

圖1 2017與2018年度生物型透射電鏡的測試機時數與樣品數對比

圖2是2017年與2018年度生物型透射電鏡的實際測試機時數分布圖，從中可見，生物型透射電鏡的運行管理模式經改革后，2018年度透射電鏡非工作時段的機時數已高于工作時段的機時數2倍以上，表明夜間、凌晨等非工作時段已被很好地應用于透射電鏡測試中，從根本上促進了透射電鏡的開放使用效率。

圖2 2017年與2018年度生物型透射電鏡的實際測試機時數分布

6 結語

透射電鏡是目前分析測試領域中的基礎型儀器設備[2]，在促進科學研究及企業創新研發工作中發揮著重要作用[11]。建立和健全電鏡等大型貴重儀器設備高效的運行管理體制，直接影響著相關領域的科研水平及技術能力的提高。通過對透射電鏡測試信息的大數據統計分析，可深入挖掘儀器設備的實際運行狀況與特點，為制定完善的儀器設備科學管理制度提供可靠的依據，對促進大型儀器設備的使用效率、提升開放共享水平和社會服務程度具有重要意義。