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歪翻LIMS:5.1仪器数据系统注意事项(1)

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第五章 实验室信息学注意事项-软件和硬件
第一节
LII():仪器数据系统注意事项
标题: 仪器数据系统说明
引用作者:Joe Liscouski,由Shawn Douglas编辑修改
内容许可:知识共享署名 4.0 国际
出版日期:2020年5月27日
5.1.1介绍
这篇简短论文的目的是研究在技术内容、数据质量和生产力方面推进实验室运营所需的条件。过去实验室信息学的进步是渐进的并且是孤立的,是个人或团体工作的成果,而不是广泛的行业策略的一部分。脱节、不协调、渐进式改进必须让位于有计划的、定向的方法,以便可以制定适当的标准和产品,并制定互惠互利的研发计划。我们早已进入一个阶段,在这个阶段,技术开发和实施的成本太高,无法依赖“让我们试试这个”作为主导方法。在实验室技术方面取得进展太重要了,不能在没有一些方向(即深思熟虑的计划)的情况下完成。个人见解,灵感和“开箱即用”的思维总是有价值的;它可以激发方向的改变。但是,为了一个目的而构建,这同样重要。本文回顾了仪器数据系统(IDS)过去的发展,研究了在我们进一步尝试使用集成系统时需要注意的问题,并提出了进一步发展的一些方向。
除了规划之外,还有第二个方面也值得关注:教育。是的,有些人真正知道他们在仪器系统和数据处理方面做了什么。但是,该知识库在实验室中并不通用。许多工业实验室和学校都有人使用仪器数据系统,却不了解他们的数据发生了什么。Hinshaw和Stevenson等人过去曾评论过这种现象:
***色谱学家不遗余力地准备、进样和分离他们的样品,但他们有时不太关注下一步:峰检测和测量......然而,尽管大量暴露于计算机化数据处理,但许多从业色谱学家并不了解存储的色谱图文件(一组时间排列的数据点)如何转换为具有定量属性(如面积、高度和数量)的峰。[注1]
***在这一点上,我注意到讨论从对技术需求和可能解决方案的学术诵经转向主要由挫折驱动的会议。即使在今天,这些仪器通常也比普通用户更复杂,无论他/她是技术人员、研究生、科学家还是首席研究员,都将色谱作为项目的一部分。谁负责生成良好的数据?是否可以改进设计以提高数据完整性?[注2]
我们可以预期,同样的问题也适用于要求更高的个人或组合技术。除非实验室人员在理论和实践方面都受过良好的教育,否则在可用数据和信息的开发中,任何自动化(包括任何IDS组件)都无关紧要。
IDS最初进入实验室是为了帮助分析师完成工作。它的主要作用是减轻繁琐的测量和计算负担,让分析师有更多时间检查和评估实验室结果。此后,IDS从一种便利性转变为一种必需品,然后成为仪器系统的假定必须部分。这引发了两组问题,我们将在这里解决有关人员、技术及其交叉点的问题:
1. 人员:IDS的用户是否了解他们的数据离开仪器并进入计算机后发生了什么?他们是否了解可用的设置及其对数据处理的影响,以及影响分析工作台工作结果的可能性?实验室人员是否接受过教育,以便他们成为工作过程中有效和称职的使用的所有技术的用户?
2. 技术:当我们自动化得设计实验室功能时,我们使用的系统是否能够胜任分配给它们的任务?
我们将从一些基本材料开始,然后从那里发展论点。
实验室过程和仪器的整体模型
实验室工作依赖于仪器,对更高生产率的需求正在推动我们走向自动化。所有这些可能丢失的东西,特别是对于那些刚接触实验室程序的人来说,是对机器如何工作的理解,以及计算机系统如何控制过程中的最后步骤。没有这种理解,好的工作台式工作可能会沦为糟糕和误导性的结果。如果想要防范这种风险,您必须了解仪器数据系统的工作方式,以及 您在确保准确结果方面所扮演的角色。
让我们首先看一下实验室过程的模型(图1),并定义重要的元素。
图 1.实验室基本工艺模型
图 1 中的大多数元素都很容易理解。“仪器输入”可以是进样口、自动进样器或天平上的重量转移。“控制系统和通信”通常与“数据采集与处理”属于同一电子元件包的一部分,被分离出来以提供可能在机器人系统中找到的分层控制配置。该模型易于扩展,可描述连字符系统,如气相色谱-质谱(GC-MS) 应用,如图2所示。质谱仪最适合在样品干净(无污染物)时使用,而色谱仪非常适合分离混合物和分离出水相中的组分。不同仪器的组合是分离和识别混合物中组分的有效工具。
图 2.应用于GC-MS组合的基本实验室过程模型(下部模型插图垂直翻转以简化图表)
注意,从质谱仪(MS)的角度来看,色谱系统及其相关组件成为图1中的“样品制备”元素。流出色谱柱的流动被分离(如果需要,取决于所使用的检测器,同时控制MS的输入),以便洗脱的材料被引导到MS的输入。色谱仪中每个洗脱的组分都成为MS的样品。
仪器与仪器套件
图1所示模型的一个重要特征是标有“模拟输出”的箭头;这强调了仪器的标准输出是模拟“响应”或电压。反应可以采取针头在秤上移动,偏转或其他一些指示(例如,水银或酒精温度计中的水平)的形式。电压输出可通过仪表或条形图记录仪读取。没有带数字输出的仪器;它们都是模拟输出设备。
另一方面,看似数字设备的仪器是制造商包装的结果。该封装包含模拟信号生成仪器,其电压输出连接到模数转换器。
以模拟pH计为例,它实际上是毫伏计,在仪表表面添加了pH刻度。如果您看一下图3,开关位置的下部同时具有MV(毫伏)和pH值的设置。当您读取仪表上的pH值时,您正在进行模数转换;针的运动是来自pH电极的输入电压的结果。“pH读数”由您在将针的位置投影到秤上并记下相应的数值时执行。
图 3.猎户座研究IONALYZER的正面
数字 pH 计将我们模型中的以下组件(图 1)整合到仪器套件中(模型中的浅绿色元素):
仪器 - 一个或多个电极提供模拟信号,这取决于溶液的pH值。
数据采集和处理 – 外部连接将电极连接到模数转换器,模数转换器将输入电压转换为数字值,然后用于计算pH值。
控制系统和通信 – 用于管理数字显示、前面板控制功能,以及 RS-232/422/485 或网络通信(如果存在)。如果存在通信功能,则此模块还会解释和响应来自外部计算机的命令。
使用更复杂的仪器
在将计算机引入仪器之前,查看仪器输出的常用方法是通过仪表和带状图记录仪。这意味着两件事:所有的测量和计算都是手工完成的,而且你非常熟悉你的数据。这两点都很重要,并且具有值得在当今实验室中认真考虑的后果。
为了保持简单,让我们把重点放在色谱上,尽管提出的观点将应用于光谱学,热分析和其他化学仪器技术;材料科学;物理;和其他域。色谱在实验室工作中具有最丰富的自动化历史,它被广泛使用,并为我们思考其他技术提供了一个模型。您不必成为色谱专家即可了解以下内容。[a]简单地说,色谱是一种技术,用于获取复杂的混合物,并允许分析人员(通过一些工作)分离混合物的组分并确定这些组分可能是什么并量化它们。
较旧的色谱仪看起来像图4中技术人员面前的仪器:
图 4.USGS,UMESC科学家Joseph Hunn在气相色谱仪上,1965年
仪器输出是一个模拟信号,一个电压,使用移动图表纸上的笔迹记录在条形图记录仪上,如图5所示(红线是记录的信号;基线在右侧)。
图 5.带状图记录仪
仪器的输出是连接到记录仪的电压(模型中的“模拟输出”元件)。简单地说,“数据采集与处理”和“控制系统与通信”元素是您和您的计算器。
现在让我们看一下现代仪器的典型色谱图(图6)。

未完待续,明晚(若有时间)更新完本节,若是没空,则本周内更。
发布于 2022-08-09 22:24:07 © 著作权归作者所有