高校实验室试剂安全管理规范分析与对策

曹珂 张颖 任浩冉 陈韶 杨沛

摘 要：以实验室药剂管理为着手点，考虑到由于实验试剂传统包装的“单一”导致拿错试剂以及影响试剂摆放管理的问题，基于易于辨识化的目的，通过对实验室试剂标记贴纸，利用色彩特点设计和标签材料分析来实现。此外，还对根据药品称重方向提出的称重器设计进行分析，采集实验室数据并上传OneNET云平台，可以用称重传感器测量实验室试剂质量，将实验室试剂条形码用条码识别模块获取后，一同上传至Arduino模块，再上传至OneNET云平台，实现实验室试剂质量实时监测与试剂信息溯源。同时，还对线上化采购药剂和公式化管理作出了相关设想，以期实现实验室管理效率的提升。

关键词：实验室;试剂标签贴纸设计;药品称重器;线上化采购;废弃物公示

1 实验药品的规范管理对于实验室管理的影响现状

生化试剂作为特殊商品，其保存、使用和储存均存在危险隐患。高校、研究院以及工厂等单位的实验室，对试剂的规范管理，如试剂的贮存摆放以及药品的取用、分类、储存均有很多问题。通过具体的调研考察，发现传统的试剂标签单一，增加了实验人员在归置实验药品时的工作量，同时还存在拿错试剂的风险，轻则影响实验结果，重则对实验室安全造成威胁。本研究对实验室药品的使用和管理亟待解决的问题进行了深入分析，从精确称量药剂数值和考虑具体化数值标签称量入手，对称量仪器的改进提出了新的看法，致力于提高药品称量的精确度和提升实验过程中的效率，以期实现一种新的称量仪器的使用方式。

1.1  实验包装在药品使用过程中产生的问题分析

由于现有的实验室试剂包装具有“单一、传统、字体密小”的特点，在实验过程中，由于不易精确识别所需药剂，实验人员取用时存在拿错试剂的风险，若出现纰漏，造成试剂误拿误用，可能对实验室的安全造成威胁，纵向加大实验室的管理难度。一些试剂拥有多种特性且需要苛刻的贮存环境，而现在实验室的试剂瓶以及标签未有鲜明的区分，在紧急的实验过程中，会重新启用新的试剂，产生“一试剂多分装”的现象，时间长了，药品难免变质，造成只用了极少部分试剂的玻璃瓶、铁筒等贮藏包装膨胀开裂，导致药品变质、报废[1]。这样不仅造成浪费，同时也造成污染。

试剂虽然价格不高，但从试剂种类繁多及实验室使用的必须性综合来看，每年会产生巨大的非必要财务损失。从保证化学药品质量和实验正常使用来看，实验的“精密性”要求化学试剂的“保质性”。由于每年药品分类管理的复杂性，较多的试剂在现有管理模式下存在“未使用完”和“丢失”的现象，而且现在的试剂包装改进问题未得到重视，传统包装药品在实验室存放、分类不清晰的情况下，难免出现部分变质，弃之可惜，使用又会影响测定的准确性。

1.2  实验药品管理过程中产生的问题分析

现有的化学药品包装缺乏多样性和创新性，在实验室药剂的采购管理和污染处理过程中，同时存在众多问题。在药剂的采购过程中，由于现有实验药剂的采购仍然是各取所需模式，采购流程不统一，人工统计产生的时间成本也是非必要损失。

在药品摆放过程中，相关药剂的摆放和存放管理也有很大的提升空间。对贮存未开封产品进行分类，可以通过增加新的“标签”和“特别摆放”的药剂分类方式，提升实验室药剂管理效率[2]。在药品开封后，要对包装的密封性以及具体特性的药剂摆放合理性提出相关要求。现在实验室相关特性的药剂分类摆放仍遵从传统的“默认式”摆放，在具体的实验操作中，仍未达到标记简单明了和试剂易寻找的要求。

从实验室废品污染处理角度分析，药品处理往往因其特殊性使得流程比较烦琐，在环保方面也有很大争议。传统的试剂包装瓶很难移作他用，只能回收[3]，在回收过程中，一部分可能成为污染环境的垃圾。现有的实验室废弃物的处理方式仍具有“非透明化、非公示化”的缺点，实验室相关人员对于实验所浪费的试剂以及试剂的污染没有精准的概念。

从药品的取用角度分析，单一的包装外形导致取用时存在拿错药品的可能性。药品包装科学的结构和视觉设计，可以为药品的安全使用创造良好的条件[4]。通过给不同的药品设计“色彩标签”，降低取用错误的概率。在化学包装的设计以及性能的考量中，包装结构设计的创新性和适用性是重点，功能化的目标设计能实现化学药品贮存、运输、使用的改良[5]。不同试剂按其特性加入新元素来设计包装标签，无论是从社会效益还是经济效益考虑，都具有一定的必要性。

1.3  药品称量方面的改进

传统的药品称量方式多使用的是台秤、光电天平或电子天平，但对于现在越来越严格的实验试剂用量要求，传统台秤不仅有精确度的问题（如精确度最高到0.1 g），对于称量药品的特性也有要求，必须满足多次称量、减小误差的要求。特定药品的稱量方式不当，会损害称量仪器，导致称量数据不精确，严重的话会影响实验结果。虽说现在电子天平在灵敏性、精确性方面有了很大的改善，但电子天平依然有天平示值的不变性（如对电子天平重复性、再现性的控制，对电子天平零位及回零误差的控制;电子天平空载或加载时，天平在规定时间对天平示值漂移的控制）。如何提高实验室称量仪器的精确度、减少对已称量试剂的标记次数、减小药品称量中出现的误差和称量过程中对天平的损害，这些都是亟待解决的问题[6]。

2 实验室试剂规范管理的具体方案

2.1  实验室试剂标记贴纸

2.1.1  实验室试剂标记贴纸设计分析

现代管理学认为，科学化管理有3个层次：第一层次是规范化，第二层次是精细化，第三层次是个性化[7]。其中，精细化即细化管理，细化管理是体现在细节中的科学管理。实验室试剂的安全规范管理是实验室安全管理的重要组成部分，只有对实验室试剂管理方面进行科学、细化管理，才能排除各种安全隐患，并且高效、环保地利用现有资源，保障实验教学可以安全有序地进行，更好地为实验教学服务。

根据已有实验事故资料可知，实验室试剂错误拿取是实验事故产生的重要原因。实验员依靠试剂瓶标签辨别试剂，试剂名称在标签上占据面积小，且在颜色与形态上均不具有识别性，因此，对于安全实验操作，提升试剂的辨别度具有必要性。在对实验员的用户访谈与用户行为的观察过程中，实验员对于试剂瓶的二次标记现象较为突出，标记贴纸也因此遍布于置物架之上，加大了实验室试剂的管理难度。因此，通过标记贴纸进行规范化设计对于实验试剂的规范化管理具有必要性。

本标记贴纸为一款可以提高试剂辨识度、方便寻找试剂的规范性试剂标记贴纸，形式上表现为粘贴于试剂瓶盖上，具有一定硬度的立式贴纸。在贴纸的设计过程中，主要从人机尺度、材料与色彩3个方面进行研究。

在人机尺度方面，为了保证舒适的使用体验，当标签贴于试剂盒瓶盖上时，最显眼的标记—试剂名称应在人体站立时的平视视线范围内。也就是说，人们需要根据人体眼高数据与环境数据寻找合适的试剂标签尺寸。实验人员主要包括实验室的硕士研究生、博士研究生、博士后等，男女年龄范围分别在18～60岁与18～55岁。根据国家标准《在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则》，同时，基于国家标准《中国成年人人体尺寸》，分别选取1 643 mm和1 388 mm作为眼高的上下限。在实验室中，最常用的实验台上有两层放置试剂的架子，高度分别为1 300 mm与1 570 mm，架子宽度为150 mm，实验台的台面宽度为700 mm。使用最广泛的试剂瓶高度为160 mm，瓶身宽度为85 mm，瓶盖宽度为        60 mm。考虑到人体站立寻找试剂瓶时身体与实验台台面间的距离为200 mm左右，将实验台尺寸与人体尺寸数据作出简化后的侧视如图1所示。放在中间试剂台上的标签底部所处的空间位置高度为1 460 mm，放在上方试剂台上的标签底部所处的空间位置高度为1 730 mm。人眼所见的空间位置高度为1 388～1 643 mm。取眼高数据的平均值1 516 mm，可得出眼高比中间试剂台标签底部A点高56 mm，而根据眼高数据最小值1 388 mm计算，得到查看最上层试剂标签时，视线盲区的高度为9 mm。

由以上计算分析可得，在进行标签设计时，最显眼的标签信息应位于距标签底部56 mm处，而在距标签底部9 mm的范围内，不应展示相应标签信息。

在色彩设计方面，针对实验室试剂标记贴纸的色彩设计，要充分展现其易辨识的特性。基于色彩的辨识性，实验室试剂标记贴纸的色彩设计需满足以下需求。

（1）色彩与实验室操作台环境相适应。根据实地调研，实验室试剂虽分类摆放，但是由于常用实验操作用品数量较多且大多为公用，在操作台上通常摆放杂乱，加大了实验人员寻找试剂的难度。因此，试剂标签采用与实验室操作台环境相适应的色彩，能够提升试剂标识性。

（2）色彩需具备亲和力。2008年，《A computer-aided product color design system based on color image》中指出，色彩作为感性工学的一部分，可以影响用户的知觉与感觉[8]。实验室作为培养高校科研人员的重要场所，其内部的仪器与设施构成了整个实验室环境。实验试剂作为环境的一部分，其标签设计也应充分考虑色彩对实验员的心理影响。

（3）色彩需给人较快的反应速度。基于标签的功能定义，标签的色彩能给实验员带来第一视觉印象，在色彩的选择上，应适应人眼识别速度。在材料的使用方面，为了提高标签的辨识性，使用具有优越硬挺性的PET（聚酯）材料。试剂标签由4层组成：第一层，表面材料PET加双胶纸，用于记录化学药品名称信息;第二层，标签胶黏剂，用于粘连标签与化学药品瓶盖;第三层，硅树脂涂层，确保标签与衬纸容易分开，胶黏剂将表面材料分离;第四层，衬纸，保护标签在未使用前不被沾污。

2.1.2  实验室试剂标记贴纸设计原型

本试剂标记贴纸具有名称、化学名称与开封日期三大标记项目，具有规范与自定义两种版本可供选择，在保证试剂标记规范性的同时，赋予了更多的实用价值。在使用方式上，用户在有颜色的双胶纸部分书写，书写完毕后，将PET胶黏隔膜撕开，按照压制虚线进行折叠，将贴纸粘贴于试剂瓶盖之上（见图2）。

2.2  实验室试剂称重器

首先，传统的实验室并没有对试剂质量作出有效的管理，无法实时掌握试剂的余量。通过对实验室试剂数据的实时采集并进行可视化，能够很大程度地提升实验室管理的效率。根据药品称重方向设计称重器，一方面，可以采集实验室数据并上传至OneNET云平台，用称重传感器测量实验室试剂的质量，将实验室试剂的条形码用条码識别模块获取后，一同上传至Arduino模块，再上传至OneNET云平台，实现实验室试剂质量的实时监测与试剂信息溯源。另一方面，可以将实验室数据上传至App，利用称重传感器，实时测量试剂质量，通过单片机外接的蓝牙模块与手机蓝牙对接，将数据在App上显示。

2.3  试剂采购与废弃物处理公示线上化

由于实验室仪器与试剂种类繁多，传统的采购方式通常有信息滞后、采购内容不详细、采购批次不统一等问题，如纸张丢失或损坏、无法实现采购信息实时查看、人力统计工作量庞大以及错误率高，表明了实验室试剂管理需要与时俱进。将实验室采购信息在App上公示能有效解决这些问题。首先，将实验室采购的试剂、财务使用情况以及药品的种类、数量、试剂批号等详细信息登记在App上，既可以保证信息不会轻易丢失，还可以保持正常的采购进度。其次，即使是不同的采购人员、批次，他们的信息在App上也能一目了然，试剂的统计部分也已经包含在程序内部的算法中。最后，考虑到试剂耗材属于特殊用品，记录试剂耗材的信息后，如果试剂出现问题，可方便溯源查询，制定供应商的黑白名单，将实验室的安全风险降到最低。

3 实验室试剂管理改进方案具体的技术支撑

3.1  Arduino与OneNET云平台

Arduino是一款优秀的开源电子平台，包含Arduino电路板和IDE。OneNET是中国移动发布的一款物联网云平台，适应各种传感网络与通信网络，现将二者结合应用于实验室试剂质量统计[9]。

利用称重传感器，可以实时测量试剂瓶的质量，将采集到的数据通过ESP8266模块上传到云平台。利用WiFi来传输数据，模块选用ESP8266-12N。

条形码是由宽度、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则制定的[10]。利用条形码，不仅方便实验室药品的管理，在追究来源等获取不常见信息方面也有巨大贡献[11]。扫描器发出光线并转换成相应的电信号输送到放大整流电路，根据编码规则，转换成对应的药品信息并上传到云平台。

ESP8266控制模块外接远景达LV1000R条码识别读取器，由LV1000R扫描器对条形码发出光线，光电转换器接收光信号后转化为电信号，通过控制模块上传到云平台[12]。

軟件部分采用的是Arduino IDE，登录系统后，将API Key录入Arduino代码中，将代码通过USB接口烧录至主板上，建立设备与云平台的连接，打开热点，对传感器模块进行供电后打开云平台，即可得到实时更新的试剂瓶质量信息。

应用嵌入代码：

本系统基于Arduino平台，设计了一种传感器结合云平台的实验室试剂质量实时监测系统，加强了实验室的试剂质量实时监控，方便了实验室药品的采购。

3.2  蓝牙与Android手机端App

本设计通过STC单片机对称重传感器的数据进行采集，将采集到的数据传送到蓝牙模块。Android手机通过蓝牙配对设备，将数据在手机App上显示出来。

3.2.1  单片机

单片机采用STC89C作为主控制器，外接传感器与蓝牙模块。ESP8266控制模块外接远景达LV1000R条码识别读取器，由LV1000R扫描器对条形码发出光线，光电转换器接收光信号后转化为电信号，通过蓝牙模块这种短距离无线数据通信手段上传到手机App[13]。

3.2.2  Android手机端App设计

App端质量监控界面设计如图3所示。Android手机端App设计是本系统的UI设计关键，在Android Studio工作环境下，界面布局采用XML语言，后端逻辑采用JAVA语言[14]。

在界面设计中，设置试剂余量上传、试剂采购、废弃物公示模块，将试剂采购的数量、批次显示在App上，避免信息滞后导致的重复购买，并保证废弃物的去向透明。

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android：layout_marginTop="10dp"

android：text="设置"

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android：textSize="16sp"/>

以上是XML语言描述的部分界面布局。Android代码完成以后，在AVD模拟器上进行测试，之后通过USB数据线连接手机，再在设备上重新运行程序，App就会自动下载到手机上，之后打开手机蓝牙搜寻附近的蓝牙设备，建立手机与单片机蓝牙模块的连接，等待传输以及处理数据后，就完成了实验室试剂质量监控与手机App的实时连接。

4 结语

通过对试剂包装、药品称重、线上化采购和废弃物处理公示4个方面进行分析和设计，旨在从实验室使用与管理双方向实现实验室试剂的安全高效管理。在设计中，充分考虑多种因素，证明其具有一定的应用价值，可为实验室的试剂安全和规范化管理提供参考。

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