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化学实验室中纸质记录的替代方案——Spectrus 数据库的应用

数据管理纸质记录替代高校院所SpectrusChemAnalytical Workbook

案例摘要:德国马普所生物物理化学研究所合成有机化学部门,需要同时应对色谱、NMR、质谱、FT-IR、UV/Vis、荧光等多种分析技术产生的异构数据。过去这些数据以纸质打印方式粘贴进实验记录本,形成典型的“文件抽屉效应”——数据不易检索、难以共享,绝大多数原始结果从未被再次利用。该部门改用 Spectrus 平台,将所有化合物、反应、谱图与元数据合并入库,并可按结构、子结构、谱图或 CAS 号跨库检索。

德国马克斯-普朗克生物物理化学研究所
德国马克斯-普朗克生物物理化学研究所,本文案例的发生地

01 场景:一个覆盖全流程的合成服务部门

在马普所生物物理化学研究所,合成有机化学部门的主要任务是合成制备各种无法从市场上购买的有机化合物,并进行结构分析,使其他部门能把更多时间投入各自的研究,而不必重复承担合成与分析工作。

该部门借助现有技术从头到尾处理各类需求:文献调研、通过经典合成方法或微波合成制备目标化合物,再应用不同分析技术确保质量。过程中涉及的分析技术包括色谱(DC、Flash)、核磁共振(NMR)、质谱(ESI、GC-MS、EI 或 CI)、FT-IR、UV/Vis、荧光、GC 与 HPLC。

现代合成化学实验室中使用的多种分析技术
现代合成化学实验室需要同时驾驭多种分析技术,数据格式各不相同

从最初的合成需求提出,到最终获得化合物样品,整个过程会使用、生成和存储的各式数据包括:文献、安全数据表、色谱图、光谱图、图像、报告以及研究人员自己的笔记。真正的难题在于——这些数据接下来被如何处置?

02 困境:纸质笔记本是数据的坟墓

传统做法是把所有内容写在纸上,把色谱图和光谱图打印出来,再粘贴到记录本上。而这种情况在今天依然普遍。

超过 70% 的工业实验室与高达 96% 的学术或政府实验室仍在使用纸质文件
超过 70% 的工业实验室、高达 96% 的学术或政府实验室仍在使用纸质文件

仅存在于纸面的数据既不易被检索,也难以与同行共享。由于只有一小部分数据会被整理后发表,绝大多数结果会消失在实验室堆积如山的文件中,甚至连最初记录它的科学家本人也无法再用。

这种数据的间接丢失,被科学界视为最大的基础性问题之一,通常被称为“文件抽屉效应”(File Drawer Effect)。不少研究人员都经历过这样的挫折:无法确定当前遇到的问题是否已被其他人解决过;有时仅仅因为同事的笔迹难以辨认,就不得不重做一整轮完整的实验。

03 为何通用 ELN 不够用

电子实验室笔记本(Electronic Lab Notebooks,ELN)等数字存档系统提供了一种解法:研究人员可以用键盘鼠标而非纸笔记录实验日志,系统还能控制数据的创建与修改权限、通过密码或数字签名追踪变更,并提供检索能力——实验参数、仪器设置、色谱图或光谱等实际数据、文本或表格形式的元数据,乃至图片都可被搜索到。

但在实际使用中,商用 ELN 往往灵活性不足,只提供最低限度的用户定制。而每个实验室都有自己的工作方式,往往同时使用多个供应商的仪器,数据因此以多种不同格式留存。理想的软件应当既能兼容不同数据格式,又能提供灵活的用户定制,为特定课题组或部门创建贴合其工作流的界面。

04 方案:以 Spectrus 平台统一底层的多技术数据

为解决上述问题,该部门多年来一直使用 Spectrus 平台,通过自行创建和优化的界面访问实验室内的全部数据。

Spectrus 是独立于仪器供应商的分析软件平台
Spectrus 作为独立于仪器供应商的分析软件平台,以统一方式兼容、处理与分析各主流厂商的原始数据

所有化合物数据、反应式数据、光谱和/或色谱数据以及元数据,都被收集并合并入库,可通过软件直接访问。不同岗位的人员共用同一套数据视图,而界面又可按各自职责分别定制。

合成有机化学部门通过 Spectrus 构建的反应数据库界面
合成有机化学部门构建的反应数据库界面:结构、反应条件与关联谱图同屏呈现

05 效果:检索、复用与再处理闭环

谱图可直接再编辑。保存在数据库中的谱图数据可随时调用——光谱或色谱数据通过 Spectrus Processor 无缝打开处理,关联的文本文档或电子表格则在各自的编辑器中打开,无需在多个软件之间来回搬运。

Spectrus Processor 核磁共振谱处理与分析界面
Spectrus Processor 中的核磁共振谱处理与分析界面

跨技术的统一处理。在一个统一界面即可处理与分析来自不同供应商仪器的数据(NMR、GC/MS、LC/UV/MS、IR、Raman、X-Y 数据等),不必再为每种仪器单独掌握一套软件。

多维度的跨库检索。数据库检索甚至可以同时跨多个库进行,通常通过检索一个结构、一张谱图或一个 CAS 号码发起,也可以进行多参数检索或设置特定的过滤规则。

支持跨部门数据交换。在本案例中,来自不同课题组的同事提交合成任务与分析工作后,能够立即访问到与其工作对应的全部数据,也可以选择用同一套软件直接处理它们。对机构而言,这意味着同时节省了对多套软件的采购投入与学习成本。

06 可按业务定制的多种数据库界面

基于同一平台,不同用途的数据可以以不同界面呈现。以下为该部门实际构建的几类界面形态:

Spectrus 构建的不同数据库自定义界面
基于同一平台、按不同业务目标定制的多套数据库界面
数据库界面示例:存储化学结构、谱图、参数等信息
界面示例一:以化学结构为主体,关联谱图与实验参数
数据库界面示例:存储化学反应式、反应条件等信息
界面示例二:以反应式为主体,关联反应条件与物料信息
化合物性质参数数据库界面示例
界面示例三:面向化合物性质参数的数据库界面
企业版数据库用户登录服务器界面
企业版部署下的数据库用户登录界面,支持多用户按需访问

07 小结

维度纸质/零散电子文档Spectrus 数据库方式
数据留存打印后粘贴进记录本,或散落在个人电脑中原始数据、元数据一并入库,集中存储
可检索性基本不可检索,依赖人工翻查按结构、子结构、谱图、CAS 号、多参数组合检索
跨技术处理不同仪器需切换不同厂商软件统一界面处理 NMR、GC/MS、LC/UV/MS、IR、Raman 等
共享与交接依赖记录本传阅、邮件或聊天工具传递多用户访问,支持跨课题组的即时数据复用
再利用率大量数据沉入“文件抽屉”,难以二次利用谱图可随时调用再处理,历史数据可持续复用

对国内科研机构而言,这类情形并不少见:部分单位已引入包括 ACD/Labs 在内的解决方案实现数据数字化管理,仍有相当多的实验室依赖纸质记录或以电子文档零散存储,存在明显的“文件抽屉效应”。本文所述实践为这一转型提供了可参考的路径。

参考资料

  1. Florian Hauer. “Laboratory Book 2.0: Digital and Networked”, GIT-Labor – Portal für Anwender in Wissenschaft und Industrie, 2013.
  2. The Pains of Analytical Data Management in R&D, Advanced Chemistry Development, Inc., Toronto, ON, Canada, 2015.
  3. 微信公众号「凯美科」相关文章。
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