摘要：本文介绍了在经济全球化和IT热潮下国际上实验室信息管理系统(LIMS)的最新进展和发展趋势，在仪器联结、仪器控制、光谱采集、光谱处理和化学结构方面的突破，以及生物科学与IT结合诞生出来的新学科—生物信息学(Bioinformatics)。
关键词：LIMS；仪器联结；仪器控制；光谱采集；光谱处理；生物信息学
Recent Progress and Trends of LIMS in the International Market
Fu Xuesheng
(LabInfo, 200120)
This article summarizes the recent progress and trends of Laboratory Information Management Systems (LIMS) in the international market under the economy globalization and IT upsurge， the breakthrough in instrument connection, instrument control, spectral acquisition, spectral processing and chemical structure, as well as bioinformatics, the subject born from the conjunction between bioscience and IT.
Key Words: LIMS; instrument connection; instrument control; spectral acquisition; spectral processing; chemical structure; bioinformatics
实验室信息管理系统(LIMS)自上个世纪七十年代末出现以来，到如今已经历了20多年的发展。尤其是近七、八年来PC的普及和IT技术的爆炸性发展，以及生物科学领域所取得的举世瞩目的成果，对LIMS技术起到了巨大的推动作用。如今的LIMS早已经不再局限于传统意义上的样品管理，人员管理，仪器管理和报告打印等简单的功能。全球化(Globalization)浪潮，知识经济，基因工程，以及各种严格的行业规范(尤其是FDA发布的关于电子记录和电子签名的新规范)，把LIMS的应用推向了一个前所未有的高度。本文就当前国际上LIMS技术的最新进展以及未来发展趋势进行一个简单的概述。
1. 企业内部的系统集成
世界上最早的LIMS用户是石油，化工，制药和冶金等大型生产企业。在这些企业中，LIMS只是其整个IT架构的一部分(图1)。在这种情况下，如何将实验室的质量检测数据迅速准确地传送到企业的其它相关部门并指导生产过程，而生产过程控制系统如何迅速可靠地将相关样品信息传送给LIMS，以及各个系统如何在ERP(企业资源规划系统)下完美地集成已成为这些企业使用LIMS成功与否的关键。

图1. 企业IT架构示意图
为了能与以企业的ERP为主的各个主要IT系统成功集成，世界上著名的LIMS供应商都做出了很大的努力。如英国实验室系统公司(Thermo LabSystems)的SampleManager LIMS已经可以做到与SAP R/3，Aspen IP21，OSI PI等系统的无缝联结。这些无缝联结功能都是与相关厂商合作开发的结果，从而保证了企业整个IT架构的完整性。
2. 全球化趋势
近几年来，随着IT业界的持续升温和各大公司并购狂潮的加剧，如何在全球范围内保证相同的产品质量和服务，降低生产成本，提高竞争力，以完成“全球化”的梦想，成为每个跨国公司CIO(首席信息官)的首要任务。作为质量保证的主要系统，LIMS站在了“全球化”大潮的前沿。各大跨国公司为此投入巨资，以在全球范围内保证其产品质量和加速新产品开发的进程。
在LIMS的全球化应用方面，世界上最大的感光材料制造商，伊士曼-柯达(Eastman Kodak)公司走在了最前面。该公司在全球范围内全部采用同一套LIMS，这样，伊士曼-柯达下属的所有工厂的产品都采用完全相同的质量标准和检验流程。同时，公司总部也能对下属的所有工厂的质量进行全方位的监控，并可同时下发统一的质量标准。公司的研究与开发中心可以随时访问其全球几十个实验室内的任何一个数据，以供研究之需。象伊士曼-柯达这样完成或正在进行LIMS全球化工作的跨国公司还有很多，如艾克森-美孚(Exxon-Mobil)石油公司，壳牌(Shell)石油公司，英国石油(BP-Amoco)公司和葛兰素-史克(GlaxoSmithKline)制药公司等。
在LIMS的全球化方面还有一个关键问题，那就是LIMS界面所使用的语言。因为跨国公司的人员来自世界各地，使用不同的语言，而且每个国家的法律也常常要求使用他们自己的本国语言。为此，有的厂商推出了能同时支持多种语言的LIMS以满足跨国公司的需求。如英国实验室系统公司的Nautilus LIMS就带有一种称为国际化(Internationalization)的功能，允许每个用户根据自己的需求选择独特的语言界面(图2)。Nautilus LIMS目前支持22种语言。

图2 在Nautilus LIMS中选择自己特定的语言界面
3. 面向实验室工作人员
LIMS的出现，无疑为实验室管理人员带来了巨大的方便，但同时也带来了一个不大不小的烦恼。原因在于几乎所有的LIMS在安装之后都需要作大量的用户化(Customerization)工作，即编写一些程序满足用户特定的需求，如映射实验室的工作流程以及联结各种分析仪器等。而且用户的这些要求往往是需要经常改变的，也就是说需要IT专业人员作为LIMS用户的系统管理员(System Manager)随时编写相关程序。由此就带来了两个问题：首先是IT专业人员的流动性很大(国际上IT人员的平均年流动率超过25%)，使得LIMS系统管理员的稳定性不高。因系统管理员的离职造成LIMS无法正常运行的情况在国内外都是屡见不鲜的。其次是IT出身的系统管理员很难完全理解实验室运作的详细机制，为LIMS的用户化带来了一定的难度，尤其是在研究与开发实验室(其工作性质要求LIMS的工作流程能被科研人员随时修改)。因此，大多数实验室管理人员都希望能有一套不需要IT专业人员就能完好运行的LIMS。
以Nautilus为代表的LIMS的出现将实验室管理人员的这一梦想变为现实。该LIMS在安装后不需要用户化工作，只需要按照用户的具体要求进行简单的设置(Configuration)，就可将整个系统正式投用。在设置过程中，用户不需要编写任何程序，而只需要进行鼠标的点击(图3)。任何熟悉Windows操作的实验室工作人员在接受简单的培训以后就可完成诸如工作流程(Workflow)的设计和仪器联结等工作，并按照实验室工作要求的变化随时更改系统的设置。

图3 在Nautilus LIMS中使用鼠标点击更改工作流程
4. 仪器联结与仪器控制
20多年来，LIMS的仪器联结功能一直是广大用户所关注的焦点。如何直接采集各种分析仪器的数据是LIMS技术的关键之一。在过去，仪器联结需要由LIMS厂商的技术服务人员或者经验丰富的系统管理员编写复杂的程序以达到目的(有的比较原始的LIMS甚至不切实际地要求用户提供仪器与计算机的通讯协议和文件格式等)，这使得仪器联结成为LIMS实施过程中最昂贵和最艰难的一环。
近几年出现的技术已经完好地解决了这个问题。如在Nautilus LIMS中，由于采用了先进的电子数据俘获(Electronic Data Capture)技术，联结仪器不仅不需要编写程序，而且联结过程简单到可以和在Windows中联结打印机相比，一个完全不懂编程的实验室工作人员就可轻而易举地完成。
能够远程用统一的界面控制不同厂家，不同型号的分析仪器一直是实验室工作人员的梦想。随着以英国实验室系统公司为主组成的全球最大的实验室软件开发部门Thermo Informatics发布My Instrument仪器控制标准以来，这一梦想正在逐步变为现实。如在Nautilus LIMS中已经可以控制多个厂家，多个型号的色谱仪和光谱仪(图4)。

图4 在Nautilus LIMS中控制紫外光谱仪和气相色谱仪
5. 光谱采集与处理
很多的分析仪器不仅提供各种传统意义上的简单数据，还提供更有价值的各种类型的光谱。但每个厂家，每种型号的仪器所提供的光谱文件格式各不相同，如何通过LIMS自动采集这些光谱，是20余年来LIMS行业最大的难点之一。而这一难点直到去年才得以突破。
在刚刚结束的2002年匹兹堡会议(Pittcon 2002)上，英国实验室系统公司的eRecordManager数据存档(Data Archival)系统获得金奖。其实，eRecordManager一般是以SampleManager LIMS或Nautilus LIMS插件的形式出现的。通过eRecordManager，SampleManager和Nautilus LIMS均可以自动采集来自110多个厂家的仪器的150多种格式的光谱，如紫外/可见(UV/Vis)、红外(IR)、近红外(NIR)、拉曼(Raman)、荧光(FL)、色谱(GC/LC)、质谱(MS)和核磁共振(NMR)等，并将其自动转化成工业标准的XML格式储存在LIMS数据库内，以便于网络上的用户随时进行远程查询和处理。如果需要，网络上的用户还可以对这些光谱进行谱库检索和三维图处理等操作(图5)，而完全不必回到这些仪器专用的工作站上。

图5 在Nautilus LIMS中采集光谱并进行谱库检索
LIMS的光谱采集与处理功能不仅极大地丰富了“大型仪器专管共享”的内涵，方便了广大科学工作者和实验室管理人员，更重要的是完全满足美国食品与药品管理局关于电子记录的要求(FDA 21 CFR Part 11)。
6. 化学结构与多媒体支持
随着IT业的迅猛发展，越来越多的实验室工作人员希望LIMS能提供更多的信息，包括化合物的化学结构和理化性质，并能够以多媒体的方式记录相关信息等。Nautilus LIMS同样也完好地解决了这一问题。该系统不仅能够显示化合物的结构式，还能自动给出分子式，分子量，元素百分比等内容。如果需要，还能提供化合物的理化性质，IUPAC名称，CAS注册号，分子模型和相关光谱等，同时也能用多媒体记录分子模型或各个检验项目的标准操作过程等。

图6 在Nautilus LIMS中显示化学结构，理化性质和光谱等内容
7. 在生物科学中的应用
众所周知，当今世界上发展最快，最具有潜力的两个行业是IT和生物科学。二者的结合诞生了一个崭新的学科—生物信息学(Bioinformatics)。该行业被认为是未来IT业界最具发展潜力的部分，将很快拥有数百亿美元的市场。而我们知道，生物科学最重要的部分都是在实验室内完成的，因此，如果说LIMS在传统行业的各大企业中是在幕后运行的话，那么在生命科学领域中则一跃到了前台。面向生物科学的LIMS必然将是未来LIMS发展的方向。
图7 Nautilus LIMS中对样品盘(Plate)的操作管理

为了这个巨大的潜在市场，全球各大LIMS厂商都为此进行了大量的工作。如以全球第一个克隆动物多利(Dolly)而著称于世的罗斯林研究所(Roslin Institute)采用的Nautilus LIMS已经可以很好地支持各种生物科学研究的流程，包括蛋白质，酶，核酸，克隆，杂交和生物芯片等方面的技术，支持对样品盘(Plate)的各种操作(图7)，能联结包括DNA扩增仪，凝胶电泳仪和毛细管电泳仪等多种型号的生物科学仪器。所有的这些工作流程和仪器联结都可由罗斯林研究所的科学家们自行设定(图8)，而不需要任何IT专业人员。
图8 Nautilus LIMS中进行DNA扩增(PCR)研究的工作流

总之，LIMS是一个年轻的IT学科，在20多年来得到了很大的发展，而如今的经济全球化和生物科学又为其注入了新的活力，使其站在当今科技发展的最前沿。相信其在未来的几年内会得到无与伦比的高速发展，而面向生物科学的LIMS将是其最重要的发展方向。