農作物分子檢測實驗室樣品庫管理系統構建

張茗起，張云龍，趙怡錕，王鳳格，匡 猛，彭 軍

（1.中國農業科學院棉花研究所／棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000；2.北京農林科學院玉米研究中心／玉米DNA指紋及分子育種北京市重點實驗室，北京 100097）

0 引言

農業是國民經濟的基礎，農業的穩定發展是國家穩定發展的前提，農業現代化是國家和民族復興的前提和保證。2021 年，中央一號文件提出“農業現代化，種子是基礎”，農業安全和升級與種業息息相關［1］。由于各類生物育種技術的推廣應用和我國種業的快速發展，我國農作物的品種數量隨之劇增。在此背景下，農業農村部農產品質量安全監管司、農業農村部種業管理司及其下轄的全國農技推廣中心、各省市管理站、高校、第三方檢測機構和科研院所等各級檢測機構，以獨立、公正、科學、客觀的態度開展各類檢測活動并提供準確可靠的具有證明作用的數據和結果［2］。其在品種區試審定、品種權保護、市場監管、司法鑒定和企業維權等領域，對樣品的真實性、純度進行檢驗和對轉基因進行鑒定檢測，起到保證品種質量的重要作用，因此各類型檢測任務不斷增加，加大了送檢樣品的管理壓力。檢測實驗室接收的樣品通常具有來源廣泛復雜、樣品數量受季節影響呈現周期性波動等特點，因此在樣品接收、儲存、調取、轉移、處理、識別和溯源的過程中會產生大量信息需人工處理，導致效率低下，人為失誤概率較高［3］。

由于檢測實驗室樣品的暫存和分發與業務要求密切相關，樣品的清理或儲存工作取決于業務要求、實驗結果，因此樣品管理工作需與業務管理、實驗管理工作緊密相連。現階段已有種質資源庫管理系統和實驗信息管理系統兩類輔助系統，前者關注對大批量種子的儲存行為進行規范化管理，包括樣品信息錄入、出入庫規范流程記錄和樣品儲存情況記錄等［4-5］；后者關注對實驗過程中產生的數據進行保存整合、對實驗結果進行簡單分析和儲存等［6］。已有的兩類系統尚不能很好地進行銜接，將樣品和實驗數據實現關聯，同時其既無法在樣品出庫后直接通過種質資源庫管理系統為其分配、對接實驗，也無法直接通過實驗信息管理系統記錄的實驗結果指導剩余樣品后續的轉移、處理工作。此外，兩類系統也不能直接應用于檢測實驗室的樣品快速流轉、樣品異議期暫存管理、樣品長期留存管理和實驗數據處理分析、生成報告，需針對檢測實驗室的儲存調用習慣和實驗類型進行定制化開發。

根據檢測實驗室樣品庫管理需求，在保留對于樣品信息錄入、儲存情況記錄功能的基礎上，簡化申請手續流程，適應檢測實驗室樣品快速流轉的特點，在樣品暫存入庫前進行樣品分取，將分取后的兩份樣品信息相互關聯，同時將樣品與業務信息關聯；在樣品入庫時，錄入樣品信息的同時賦予樣品唯一固定的樣品條碼號，并注明樣品檢測的業務類別與將進行實驗的種類；在樣品分發時根據條碼號與入庫時標注的實驗種類直接分配給對應檢測人員；在對樣品檢測后通過與實驗信息管理系統對接，將結果直接導入樣品庫管理系統，并根據實驗結果自動生成樣品處理建議，輔助人員管理。由于檢測業務的特殊性，剩余樣品在異議期內的暫存與異議期后的清庫處理方式極為重要，在異議期內剩余樣品要嚴格儲存，以便進行復檢和溯源；在異議期后根據合同約定對樣品進行退樣、清庫或長期儲存等方式進行處理，該流程也可通過本系統進行管理。綜上，系統可通過儲存管理、實驗和報告出具與溯源三個層次對樣品信息進行處理，在現有兩類系統的基礎上根據檢測實驗室需求進行調整，著重在出庫實驗后將結果信息關聯［7-9］，填補檢測實驗室樣品庫數據管理的空缺。

1 系統架構

該系統基于分子檢測中心玉米研究所的北京農林科學院樣品庫日常管理、調用模式設計，分為數據層、基礎層、應用層和展示層［10-11］，可向各類檢測機構的樣品庫推廣。其中功能主要依賴HTML、基于Node.js和Prisma 的應用程序接口（API，Application Programming Interface）以及基于SQLite 的數據存儲，實現對樣品庫內以種子為主的多種樣品產生的信息和從入庫到處理或保存的整套管理流程進行高效管理。

如圖1 所示，當管理人員訪問系統時，展示層會直接對后臺數據進行渲染，實現可視化呈現，該層面使用React.js 和AntDesign 中的模塊進行搭建，最終通過HTML、CSS和JavaScript的形式進行展示，便于前端交互；應用層是系統功能生成的核心環節，其包括用戶管理、樣品信息輸入、樣品出入庫管理、樣品信息關聯處理、后續實驗結論關聯與記錄、種子情況監控、系統維護和數據導出等功能其基于Node.js 實現；基礎層是貫穿于樣品庫管理全業務流程的系統服務部分，其包含樣品編號模塊、條碼打印模塊、日志生成模塊和權限管理模塊，在整體業務流程中，各個應用部分都需調用系統中的此類功能實現管理，該模塊也基于Node.js控制；數據層是系統的核心部分，其依靠SQLite 實現數據存儲，SQLite是一種外源數據庫，其可對輸入的各類信息進行儲存讀取，分類關聯。其通過Prisma 與Node.js的API相連接，使管理系統前端頁面可與底層功能連通，實現整體業務流程操作。

圖1 樣品庫管理系統層級架構

2 樣品庫管理系統業務流程

系統主要工作內容是輔助各類檢測實驗室日常工作中的樣品儲存管理及樣品在檢驗期間的流轉。其中，在檢測實驗室內接收后待分配實驗的樣品包括各級品種區試審定、對外檢測（品種權保護、市場監督、司法鑒定、企業維權）等業務。上述業務涉及真實性鑒定、純度鑒定、親子鑒定、一致性鑒定和轉基因鑒定等多種實驗類別。在實驗結束后樣品的異議期暫存、清庫處理、退樣轉移、報告出具等工作也依據上述實驗鑒定結果進行。

系統的開發邏輯依據檢測實驗室樣品庫的主要工作內容，因此在架構過程中參考其整體管理流程（見圖2）：首先獲取送檢樣品，將相關信息（來源、樣品名稱、特性、送樣量等）錄入系統，根據不同的業務類別（對外檢測、區域試驗等）和樣品類型（種子、葉片、粉末等）將其分類，賦予其唯一確定的條碼號，標注該份樣品需進行的實驗類別，分取試驗樣品，剩余樣品入庫暫存，該過程中產生的各類信息也需及時同步于系統［12］。試驗樣品送入檢測室進行檢測，同時根據具體實驗類別記錄對應信息，在實驗結束后產生的最終數據會同步記錄在該信息中，試驗完畢后的返樣由樣品室進行統一處理。在樣品進行實驗后，已有的業務管理系統可根據實驗結果出具檢測報告，同時通過API將檢測報告傳遞入本系統。系統可儲存相關檢測報告并獲取其中信息，根據出具報告的時間和異議期等信息確定后續管理方案。在異議期滿后還可為根據合同約定、實驗結果等信息為其生成處理方法建議，如退樣、及時清庫銷毀或按要求轉移至特殊庫房進行長期保存等，在該環節調出樣品時也會記錄相應信息。

2.1 管理樣品入庫業務流程

檢測樣品庫內的樣品包括區試審定和對外檢測，其中區試審定實驗包含國家級區試審定、國家聯合體試驗、省級區試審定、省級聯合體試驗和綠色通道試驗；對外檢測包含品種權保護、市場監督、司法鑒定、企業維權等業務，依據出具報告形式可分為2 種：出具正式報告和出具測試報告，其中需出具正式報告的檢測樣品常來源于法院及公司。在獲取樣品后按照業務流程（見圖2）入庫，入庫時標明業務類別，并根據要求標注其需進行的實驗類別，區試審定通常需進行真實性鑒定和轉基因鑒定；對外檢測實驗則包括真實性鑒定、純度鑒定、親子鑒定、一致性鑒定和轉基因鑒定等。

圖2 樣品庫業務流程

2.1.1 管理樣品分取、送檢和入庫流程

獲取送檢樣品后將樣品混勻（八分法、橫隔式混樣器和鐘鼎式混樣器混樣）后分取實驗所需重量的樣品，該部分樣品為待檢樣品，送入檢驗室進行實驗。剩余樣品為余樣，該部分樣品進入樣品庫進行暫存，兩份樣品除重量外其他信息完全相同。如無特殊情況，余樣在樣品庫內保存至異議期結束，系統提示后對其進行進一步處理；如對實驗結果產生異議，則將余樣再次出庫進行復檢。此階段保存通常不會消耗過長時間，通常保存于短期樣品庫中。

2.1.2 管理樣品返樣、輔助報告出具和復檢流程

在鑒定實驗結束后，實驗結果會同步于樣品庫管理系統中，此時系統會將返回的實驗數據導入模板，輔助出具檢測報告。如果檢測實驗后樣品存在剩余，可將這部分樣品返回辦公室，返樣與實驗前的余樣各類信息完全一致，系統可輔助返樣與對應余樣進行合并暫存。在檢測報告出具后，余樣需暫存至異議期后，在異議期內可提出異議，如果需要復檢，則將樣剩余品出庫，分取復檢樣品，復檢過程產生的信息也會記錄于該系統中。

2.2 管理樣品出庫業務流程

在樣品暫存達到異議期后，系統會根據相關法律法規、合同約定要求和實驗結果提供對剩余樣品的處理建議。剩余樣品通常包括三類處理方式：清庫、樣品轉移保存和退樣處理。系統在提出建議后會根據工作人員最終采取的處理方式進行記錄，以供追溯。

2.2.1 管理清庫處理業務流程

區試審定樣品若當達到設定的保存期限時仍未通過審定，系統則會提示管理人員將其銷毀，進行無害化處理；對外檢測樣品在異議期滿后，按照合同約定需進行清庫處理，或雖未明確要求但無保存價值，或爭議性較低的陰性結果樣品，系統也會提示管理人員銷毀，進行無害化處理。清庫處理通常包括粉碎、填埋、焚燒、烘干和炒制，使種子失去活力。同時系統在管理人員進行操作時再次提示其復核，確定無誤后進行清庫。

2.2.2 管理樣品轉移保存業務流程

區試審定中的國家級區試審定實驗和國家聯合體所用樣品按區試實施方案要求需進行保存，系統會建議其轉入中期庫進行儲存，通過區試審定后將其對外分發，轉移至國家標準樣品庫。對外檢測樣品在異議期后，對于合同約定沒有要求退樣的樣品，根據鑒定實驗結果反饋，對于特殊樣品（如檢測結果為轉基因陽性樣品），系統會對其進行標識，同時建議將其轉移至特殊庫房進行儲存或處理，避免其對其他樣品造成污染，將陽性樣品長期保存有助于后續復查和溯源。

2.2.3 管理樣品退回業務流程

當檢測實驗結束后，在異議期內會將返樣和余樣集中統一保存，在異議期后樣品提供方可按合同約定要求進行退樣。在收到退樣申請后，需將樣品從樣品庫內按要求及時提出，同時分發要求類似地記錄相關信息（分發重量、去向、日期和包裝要求等），退回樣品會及時按要求進行包裝分發。如在異議期內收到退樣申請，系統則提示管理人員，要求再次對其進行核實，避免出現管理漏洞。在確定需在異議期內退樣后，系統會自動對樣品進行備注，該樣品自退樣之日起不可提出異議。

3 系統數據儲存模型

系統實現了對檢測實驗室樣品庫管理過程中原有或產生的各類信息進行儲存關聯（見圖3），包括樣品背景信息、樣品清庫記錄、樣品退回信息、樣品監測信息、樣品業務信息、樣品實驗結論信息和樣品處理信息與轉移信息等。

圖3 樣品庫數據結構圖

4 系統功能模塊設計

4.1 樣品信息

種子信息包括：樣品條碼號、樣品名稱、樣品重量、計量單位、樣品業務類型、樣品實驗類型、實驗結果記錄和所在庫位等基礎信息［13］；標準樣品檢測信息、樣品引入補充申請信息、樣品分發信息、鑒定報告生成和樣品轉移及處理信息等系統管理產生的信息。點擊詳情可查看樣品來源、業務要求和備注等其他詳細信息；點擊編輯可對各項信息進行更新修改；點擊刪除可消除該記錄。

4.1.1 樣品背景信息

包括樣品來源、樣品名稱、樣品業務類型、樣品重量、計量單位等信息，該類信息與種子樣品同時獲得，可手動輸入系統，也可通過模板Excel 表格直接導入系統。業務類型是檢測實驗室樣品庫管理系統特有的需求之一，其包括區試審定業務、對外檢測（品種權保護、市場監督、司法鑒定、企業維權）業務等。業務類型信息通常與樣品背景信息同時錄入系統中，后續管理方式（存儲位置、開展實驗類別等）也會根據業務類型對應展開（見圖4）。

圖4 樣品業務信息記錄頁面

4.1.2 樣品入庫信息

接收樣品時統一賦予入庫條碼號，并且記錄樣品入庫時間、所在庫位、按業務要求所需參與的實驗類型等信息。入庫時間和所在庫位信息可在輸入樣品背景信息后按時間和業務類別自動生成，也可通過編輯進行修改。同一條碼號的種子可能需進行多個實驗，具體向檢測人員分發或對外分發的方式在該階段確定并錄入。

4.1.3 退樣信息管理

業務要求退樣的樣品在出庫時會記錄其重量、去向、日期和包裝要求等。除記錄相關信息外，還會復核初始設定的保存時間，如要求在異議期前進行退樣，則提示管理人員復核該情況，復核結果反饋后方可繼續進行退樣流程。

4.1.4 檢測報告記錄

在檢測實驗結束后，得到的檢測報告會同步于樣品庫管理系統中，此報告包含檢測結論、報告生成時間和初定的異議期等信息（見圖5）。系統會根據檢測報告對異常樣品進行標記，同時給出樣品轉移和后續儲存建議（如轉移至異常樣品中期庫進行儲存）并提示管理人員，管理人員可根據該提示確定最終方案并提交執行。

圖5 檢驗業務管理系統

4.2 出入庫管理

出入庫管理系統主要調用樣品編號、樣品類型、出入庫重量、庫位、操作類型（出庫、入庫）、操作時間和描述（如出庫目的）等信息，進行整合顯示，可按時間、品種等多種關鍵信息進行檢索管理。同時該部分可對出入庫記錄進行編輯處理，為實驗人員日常記錄提供便利。

4.3 庫房管理

庫房管理將樣品庫覆蓋的庫房、庫架進行可視化處理，以更加直觀的方式展現樣品在庫中儲存的位置、庫架在庫房內的分布情況等信息。樣品管理系統在庫房列表中集成庫房名稱、庫房位置、庫房號、排數、每排列數、每列框數等多信息，將復雜的倉庫構造數據表格化，通過多層級表格進行顯示（見圖6）。

圖6 樣品庫庫位管理頁面

在通過庫房管理系統定位具體材料后，還可通過詳情按鈕對該位置儲存的具體樣品信息進行查閱，同時該信息也支持反向查找、快速定位，可高效地輔助工作人員找出所需樣品，也可準確收納新入庫樣品。實現樣品到儲存位置、儲存位置到樣品的雙向確定，增加工作效率，使管理更加簡便快捷。

4.4 系統管理

系統管理主要覆蓋該系統后臺操控權限，除管理員權限外其他實驗人員無法對其進行操作。其包括角色管理、用戶管理、字典管理和版本記錄。角色管理可設定登錄該系統人員的權限；用戶管理可支持多用戶名平行使用該系統，保存其登錄名和密碼等信息；字典管理可對系統中的關鍵字進行定義，便于系統后期擴充或修改概念；版本記錄可保存系統更新日志，如果出現故障導致系統崩潰，可利用版本記錄對系統進行臨時恢復。

5 系統創新點與討論

5.1 檢測實驗室工作輔助系統

檢測實驗室內樣品流轉通常涉及四類系統：檢驗業務管理系統、檢測樣品庫管理系統、種質庫管理系統和實驗室檢驗信息管理系統（見圖7）。其中檢驗業務管理系統承擔從合同簽署到出具報告的業務層面信息管理，其分別與檢測樣品庫管理系統、實驗室信息管理系統連接；實驗室信息管理系統承擔記錄實驗原始數據等工作，其將實驗產生的原始數據、圖表等信息記錄儲存，并輔助實驗人員進行分析，得到的實驗結論和原始數據會傳入檢驗業務管理系統；檢測樣品庫管理系統與檢驗業務管理系統連接，其可獲取檢驗業務合同中的樣品信息和檢驗報告生成的信息指導樣品管理工作，同時樣品異議期后轉移儲存的管理任務由與檢測樣品庫管理系統連接的種質庫管理系統完成。

圖7 檢測實驗室系統關系圖

種質資源庫管理系統著眼于種子在冷庫中的保存流程，輔助科研單位人員對其進行保存和調用。其重視長期的規范性管理，對種子入庫出庫有嚴格的手續要求。對于種質資源的入庫和調取都需經過較長審查周期，且在儲存期間除對外交流等目的出庫和活力監測、繁種外，一般不涉及其他實驗，這保證了其長期貯存的低錯誤率和資源穩定性［14-16］。檢驗業務管理系統可有效儲存業務辦理過程中產生的信息，并在檢測結束后輔助檢測人員出具報告，其中報告出具時間、異議期和檢測結果可作為本系統進行后續管理依據。

5.2 檢測實驗室樣品庫管理系統創新點

已有系統都可輔助管理人員和實驗人員進行日常工作，但尚不能滿足輔助檢測實驗室工作流程的要求。檢測實驗室樣品庫管理系統相較于已有系統更側重于對送檢樣品從接收到分發至實驗室進行實驗和從實驗室返回數據后的銜接管理。與傳統種質資源庫按物種或品種類型分區儲存不同，由于檢測實驗室通常承接各類檢測任務，因此在樣品入庫時已經可以確認該樣品的用途，系統在分配庫位時也會根據其進行的檢測內容，將同類或相似業務類型的樣品集中管理。此外由于每一批樣品的檢測都是獨立進行的，因此雖然可根據樣品名稱進行查詢，但不同批次、不同來源的樣品的實驗結果不具有關聯性，在檢測過程中樣品管理系統賦予的唯一確定的條碼號是判斷樣品的標識。同時在樣品出入庫過程中，系統會簡化非必需的手續流程，加快實驗進程。

檢驗業務管理系統通常側重于實驗過程中數據的管理，因此在一定程度上會忽視實驗樣品的來源和實驗結束后剩余樣品的去向問題［17］。檢測實驗室樣品管理系統可以很好地與檢驗業務管理系統對接，保證每個實驗的樣品來源可查，在實驗結束后檢測報告也會及時反饋進入本系統（見圖4），①在業務層面使樣品管理流程更加完整，當調取某個樣品時，與之相關的檢驗結果也可被直接查閱，不必再從業務系統內進行調取；②對對應樣品的后續管理工作作出指導，成為轉移保存、退樣和清庫處理的依據。在傳統種質庫內，種子的儲存位置通常是在固定位置不移動的，但在檢測實驗室內，除業務要求更改樣品儲存位置的情況外還有一類特殊情況，即實驗結果反饋異常的樣品，本系統會根據需求將這類樣品進行特別標注，并建議、提示管理人員將其單獨調取，避免在儲存期間導致其他樣品污染的情況出現。

6 結論

隨著我國育種行業的發展，作物品種數量逐年上升，而新品種的不斷出現也相應推動著分子檢測規模擴大，農業農村部及其下轄的各類具有資質的檢測機構工作量隨之上升。已有的種質資源庫管理系統和檢驗業務管理系統存在著儲存目的、業務、管理方式改變和儲存與業務、試驗間管理銜接的問題，已不能滿足檢測實驗對樣品儲存管理提出的高效連貫的要求［18-19］，因此針對檢測實驗室開發了本系統。本系統可進行基礎的樣品信息和樣品儲存記錄管理，同時可對檢測實驗結果進行跟蹤，并根據結果提出后續管理儲存工作的建議，保證樣品檢測后異議期內保存無誤、異議期后及時按合同約定進行處理，同時系統還會在各樣品需作出處理的時間點提示管理人員，保證檢測工作的順利展開。現階段已將該系統投入日常管理使用，其可有效輔助管理人員對檢測樣品庫內樣品進行管理。在測試階段，該系統與檢驗業務系統、種質庫管理系統能夠較好地進行對接，獲取和傳遞樣品信息，處理樣品的分發、儲存、轉移工作，協助檢測工作完成。在后續工作中還需繼續完善檢測樣品庫管理系統，可以將之與檢驗業務管理系統進行整合并形成整體，實現更加流暢地對業務和樣品進行管理；同時與各類檢測實驗室加強聯系、相互合作，根據不同檢測實驗室樣品儲存管理中涉及的通用要求和定制化要求，為檢測樣品庫管理系統指明發展方向，建設一套通用于各類檢測實驗室待測樣品儲存管理的系統，提高我國檢測實驗室樣品管理工作效率。