LIMS實驗室信息管理系統在水質檢測實驗室中的應用

郭麗平

摘 要：水文隊與北京三維天地科技有限公司開發的實驗室信息管理系統，具有檢測業務流程管理、質量控制管理、全面資源管理、查詢與統計等功能。采用B/S開發模式，基于5層次架構進行設計開發，采用MySQL數據庫，確保系統具有較高的安全性和可靠性。初步實現了150多個無機、有機指標的數據采集，順利完成了以北京市地下水監測網運行項目為主的多個項目中40多個指標，共計4000多個樣品的實驗室數據采集工作，并采取與手工抄寫報告比對的方式，驗證了實驗室檢測數據的可靠性，提高了實驗室工作效率和管理水平。

關鍵詞：LIMS實驗室管理系統;數據采集自動化;水質檢測

Application of? LIMS laboratory information management system in water quality testing laboratory

GUO Liping

（Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology （Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring）， Beijing 100195， China）

Abstract： The laboratory information management system developed by the Hydrology Team and Beijing Sanweitiandi Technology Co.， Ltd.， has the functions of testing business process management， quality control management， comprehensive resource management， inquiry and statistics， etc. B/S development mode is adopted to design and develop the system based on the five-level architecture. MySQL database is adopted to ensure highly secure and reliable systems. Over 150 inorganic and organic indicators were collected. And the laboratory data collection has been successfully completed of over 40 indicators and over 4，000 samples in many projects， mainly including the Beijing Groundwater Monitoring Network Operation Project. Reliability of the laboratory test data collected has been verified by comparing with handwritten reports， thus improving the laboratory work efficiency and management level.

Keywords： LIMS laboratory management system; data acquisition automation; water quality testing

實驗室信息管理系統早在20年前就在發達國家的實驗室發展起來，在食品、制藥、電力、化工、教育和科研等行業都有廣泛應用（聶真真等，2019）。截至2018年底，我國LIMS（Laboratory Information Management System）在檢測行業的覆蓋率可達15%～20%（張聰，2019）。同樣，近年來在我國各省市的環境監測部門中也越來越多的開始應用起來。

20世紀90年代初，水文隊實驗室所有的原始記錄和報告的空白表格格式統一而固定，且是批量印刷，報告是人工抄寫，紙質保存。2000年隨著電腦的普及，Office辦公軟件開始被應用起來，Excel的應用使得計算要比手敲計算器方便快捷很多，Word使報告可以機打，告別了手抄報告。2010年由于北京市平原區地下水監測項目的開展，大量的監測數據需要整理。2016年數據庫的開發和使用，實現了利用計算機有組織地管理全市平原區1200多眼井的每年2～4次取樣、每個水樣包括40多個指標的大量的檢測數據，方便數據的共享使用。目前隨著北京市地下水監測網運行項目的開展，我單位承擔了北京市地下水環境監測與評價，污染源調查與監測等任務;此外，針對北京市地下水污染與供水安全問題，我隊開展了北京市地下水污染評價與防治、有機污染源辨識與地下水系統風險評價等科研工作，旨以科技進步促進北京地區地下水資源的可持續利用。與此同時實驗室擁有了離子色譜、ICP、ICP-MAS、氣相色譜-質譜聯用儀等50多臺套先進的儀器設備，可以承擔無機、有機、放射性等200多個指標的檢測。每年需要提供大量的真實可靠的檢測數據，為進一步解決當前地下水檢測工作中存在的問題和不足，改變地下水檢測數據提交相對滯后的不利局面，按照水文隊的部署，引入實驗室信息管理系統促進地下水檢測能力及水平提升。經過兩年多的前期調研籌備工作，決定和北京三維天地科技有限公司（以下簡稱：三維天地）合作開發，半年后水文隊LIMS實驗室管理系統上線。該系統結合水文隊的工作特點，開發了報告預審功能，開發了適合水質檢測的有特色的質控系統，有效提高了檢測工作質量和實驗室管理水平。

1 LIMS的概況

隨著30多臺儀器設備聯入網絡，僅有少量儀器設備如濁度計、電子天平、紫外分光光度計等暫不能上線，LIMS經過兩個月靜態調試階段，終于上線運行，實現了以實驗室為中心，對檢測數據和相關信息進行收集、分析、報告和管理，它將網絡通信技術、計算機技術、分析檢驗技術、儀器儀表技術與科學的實驗室管理思想進行有機的結合，給了我們一個信息管理的平臺。結合地質環境監測工作的特點，三維天地為水文隊實驗室量身定制6個子系統，包括：檢測業務流程管理子系統、資源管理子系統、檢測數據質量管理子系統、分析原始記錄管理子系統、數據管理子系統和儀器數據自動采集子系統。

2 LIMS子系統功能簡介

根據我隊的具體業務情況，三維天地對各個子系統進行了有針對性地開發。

（1）檢測業務流程管理

包括項目登記、樣品接收、數據分析、數據互審、報告預審、報告編制、報告簽發和報告歸檔等的全流程管理。項目登記功能解決了監測點位每年、每次重復錄入的問題，因為地下水監測項目和國家地下水項目的點位不變，可以把監測點信息導入系統，避免了每次重復錄入的麻煩。結合水文隊化驗室工作特點開發了報告預審功能，第一，這個功能可以對質控不合格的樣品進行退回重測;第二，檢測項目上半年水樣檢測1200多個點位，取樣時間長達兩個月，可以分批提交數據，保證數據提交的及時性。

（2）資源管理

遵從ISO/IEC 17025標準規范要求，實現與檢測質量密切相關的全方位管理，提升綜合管理水平。包括人員管理、儀器設備管理、樣品管理、標準試劑管理、文件管理、檢測方法管理、檢測項目管理、評價標準管理、監測對象管理和分包管理。并能對影響質量的諸要素進行有效的監控，將人員上崗資質、儀器設備檢定與校準狀況、方法標準的有效性、標樣試劑的有效性、水質達標評價等與檢測工作關聯，不符合時有報警功能。質量管理人員可查詢相關信息，進行質量追蹤（林艷等，2019;朱廣福等，2019;張靜波等，2013）。

（3）檢測數據的質量管理

根據目前所承擔的北京市地下水監測網運行項目和國家地下水項目的質量控制的具體要求，量身定制了固定格式的幾種報表。主要依據3個標準：DD 2014-15《地下水污染源調查評價樣品分析質量控制技術要求》、GB/T 5750.3-2006《生活飲用水標準檢驗方法 水質分析質量控制》、HJ/T 164-2004《地下水環境監測技術規范》。從現場平行樣品、實驗室平行樣品、全程序空白、有證標準樣品和自制標準樣品等方面對實驗室檢測數據的內部管理進行控制。可計算平行樣的相對偏差，也可根據質控樣品的標準值對檢測結果自動評判（圖1）（宋生攀，2017;周環宇，2019）。

（4）分析原始記錄管理

系統通過對原始記錄模板進行整合，在系統中建立相應的原始記錄模板，將委托信息、樣品信息、分析參數、分析方法提取到原始記錄中，并通過原始記錄中結果數據的自動采集，以及自動公式計算、自動修約（可根據不同濃度分段修約）、自動判定檢出限（有機項目可以根據不同項目對檢出限不同的要求設定不同的檢出限）、自動單位換算、自動計算質控指標、自動判定樣品結果和質控結果、自動簽名和自動統計，最終自動合成電子化的原始記錄。目前已經實現了所有指標的原始記錄電子化（圖2）。

（5）數據管理

實現全面數據的綜合管理，檢測數據、檢測報告和各種查詢統計報表的自動生成和導出，如docx、xlsx、pdf等多種格式的儀器輸出文件或圖表，支持各種數據和信息的統計和查詢（帥闖等，2019）。結合各個井位的經緯度信息，將來可以實現在一張地理地圖上自動生成采樣點以往歷史數據的趨勢圖，將檢測結果與歷史數據對比分析。北京市地下水監測網運行項目將對1800多眼井進行長期不斷的動態監測，固定井位不變，每年進行2～4次監測，其中平原區的點位已經進行了10年的監測，對這些數據的分析和管理尤其重要。

（6）儀器數據自動采集

儀器分析的數據可自動上傳到LIMS系統中，LIMS系統可自動完成對原始數據的處理，如計算、修約、單位換算、曲線生成和超標判定等，最終生成原始記錄。通過對儀器信號的自動采集，既減少分析人員抄錄數據的工作量，同時也避免因人工抄寫產生的錯誤、偏差，系統會自動保存上傳的數據以及譜圖文件，保證數據的可追溯性（孟靂，2020）。

3 LIMS的應用特點

（1）完整的質量保證體系

遵循導則ISO/IEC 17025，方便實驗室管理者對于影響實驗室質量的諸多要素進行全面管理和控制，對實驗室環境、儀器設備、標物標液、人員和方法標準等實驗室的各種資源進行全面、詳實的管理。

（2）儀器信號的自動采集

數據電子化，實現無紙化辦公，不僅節約了紙張，還方便了數據的查詢。以前大量的原始記錄滿滿得裝了幾個柜子，查閱起來也不方便，現在節省了空間和時間。

（3）質量信息技術化

建立信息管理系統后，從工作質量控制角度，可以解決以下問題：

一是幾種報表可以直觀地把質量問題暴露出來。我們目前使用了陰陽離子匯總表、報告數據匯總表、質控報表以及分析任務查詢表等，以前分析人員要把每個項目的質控檢測數據報給質量管理人員，管理人員要先收集好數據，再進行質量控制工作。數據的收集整理占據了大量的時間，往往不能及時發現問題。現在可以從原來繁瑣的收集、整理質量信息的工作中解脫出來，集中精力關注質量控制工作。解決了一直困擾質控人員的問題。

二是幫助質量管理人員發現問題、確認問題、解決問題及對質量產生的問題進行追溯。系統能詳細記錄業務流程中各個環節的數據，對疑問數據能及時溯源。這樣就提高了數據的真實性和公正性，實現對日常工作全過程的質量控制和監管，提升質量管理的水平。三維天地為水文隊的質量管理開發了適合水質檢測的專門的有特色的質控體系，例如添加了陰陽離子平衡偏差小于3%，游離二氧化碳、碳酸鹽和pH的相關性，電導率和溶解性總固體的相關性等質控手段。這樣能及時的發現質量問題，及時復測（圖3）。

（4）數據保密性

水文隊實驗室配備了專門的局域網系統，確保信息安全。系統根據工作職責不同對管理權限進行劃分，也就是一個用戶只有一套操作權限。用戶可以根據自身需求關聯多個角色，且不同角色具備不同操作權限，從而對不同操作人員進行數據訪問進行嚴格控制。每個操作人員都需要密碼登錄（楊曉雪，2019）。

（5）系統采用架構與數據庫

系統采用B/S開發模式。客戶端無需安裝軟件即可正常使用，減少系統維護的工作量。系統構架主要包括5個層次的功能：應用基礎設施層、信息資源層、支撐層、應用層和信息展示層。數據庫采用MySQL數據庫，是一種開放源代碼的關系型數據庫管理系統，因此任何人可以根據個性化的需要對其進行修改。因為其速度、可靠性和適應性而被采用。

易學、易用，只需有一定的WINDOWS的操作知識，即可學會LIMS的操作。LIMS對計算機的硬軟件要求有限，因此，投入較低。系統采用B/S結構的設計，客戶端零維護，支持質量體系的持續性改進，有利于投資保護。這種開發維護必須是長期性的，因為實驗室工作不斷發展變化，不斷擴充新的檢測項目、檢測方法，增添儀器設備，儀器設備的軟件升級等都要求LIMS系統做出不斷的調整和改進，以保證實驗室工作的順利進行。

（6）系統管理維護

系統管理維護對保證LIMS系統的正常運行具有重要的意義。系統管理維護包括操作權限的設置、系統數據庫和系統訪問日志的管理維護等。其中數據庫的管理維護尤為重要，因為系統每天運行都要產生大量數據，這些數據的有效存儲、備份都是很重要的。為了保證數據安全，定期將數據庫備份，從而實現數據的備份與恢復。另外化驗室配備了專門的業務管理員維護監測模板和基礎測試庫。

4 LIMS使用現狀及發展趨勢

水文隊LIMS實驗室管理系統經過半年的上線運行，主要完成了與檢測工作直接相關的數據采集、報告編制等核心功能的使用，并初步實現了質量管理的要求，初步顯示了它的優越性。對水質檢測結果的分析利用服務是系統未來發展的重點和趨勢，系統自動完成大量數據的統計工作（林舒等，2018）;可以通過系統中積累的檢測數據，實現檢測項目各種指標的統計與分析，如主要污染物分析、檢測指標的檢出率、超標率分析等;提供豐富的圖表功能，增強數據的直觀性和表現力，如曲線圖、直方圖和餅狀圖等。這樣可以對每口井的歷史數據進行分析比較，進一步掌握水質指標的動態變化，從而達到充分利用基礎的數據資料的目的，并將環境監測業務中地理信息與GIS應用有效地結合起來（圖4）。

在野外工作中，可以考慮pH、電導率等現場測試數據即時上傳;現在只涉及水質檢測，將來土和廢氣檢測會隨著業務的持續開發而逐漸加入進來。總之，系統建設工作難以一蹴而就，實驗室人員正在逐步了解、逐步掌握，并促進系統的逐步完善，以助力于實驗室的業務發展。

5 結論

水文隊LIMS實驗室信息管理系統已經實現了實驗室數據自動采集，自動完成檢測記錄中的各種計算，自動生成原始記錄和檢測報告，實現了工作流程的自動化。極大地提高了數據的及時性、有效性。將不斷以現場檢測和化驗室分析化驗為中心，將人、機、料、法、環等影響檢測數據的各種因素有機結合起來，進行全面控制和管理。使整個質量管理體系的運行更趨科學和嚴謹。隨著經濟的飛速發展，地質實驗室的業務也在快速的發展。通過現代計算機網絡等技術的應用，實現未來地質實驗室的高度專業化、智能化、系統化、自動化。因此現有的以信息管理為主題思想的LIMS將不斷適用地質實驗室發展的要求。我們正在努力打造一個適合水文隊發展的有特色的地質實驗室信息管理系統，更好的為地質事業服務。

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