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Wie zukunftsorientiertes Datenmanagement gelingt pH 4.0: GLP-gerechtes Datenhandling im Labor

| Autor / Redakteur: Wolfram Merz und Christoph Lösche* / Dr. Ilka Ottleben

Die elektronische Dokumentation von Daten ist auf dem Vormarsch – auch im Labor. Doch wie gelingt ein zukunftsorientiertes Datenmanagement? Das beschreibt dieser Beitrag am Beispiel der direkten Übergabe elektrochemischer Messparameter in Datenbanksysteme unter Verwendung einer offenen REST-API.

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Abb. 1: Moderne Geräte kommunizieren mit einem „smarten“ Sensor, bei dem die analogen Messwerte bereits im Sensor digitalisiert werden. Die Datenübertragung kann kabelgebunden oder kabellos erfolgen.
Abb. 1: Moderne Geräte kommunizieren mit einem „smarten“ Sensor, bei dem die analogen Messwerte bereits im Sensor digitalisiert werden. Die Datenübertragung kann kabelgebunden oder kabellos erfolgen.
(Bild: Xylem Analytics Germany)

In jedem modernen Labor stellt sich die Frage, ob das Arbeiten mit einem Laborbuch noch zeitgemäß ist. Im Zuge der Digitalisierung von Daten wird der Umgang mit Dokumenten in Papierform immer häufiger hinterfragt, und in Zeiten von COVID 19 und „Homeoffice“ wird die dezentrale digitale Auswertung von Messdaten noch wichtiger. Wo in unserem privaten Umfeld das „Internet of Things“ in Form diverser Smart-Home-Applikationen bereits Einzug gehalten hat, steckt für viele Labore die Digitalisierung noch in den Kinderschuhen.

Anforderungen Messwert

Die Anforderungen im Labor haben sich bezüglich der Messdaten insofern verändert, als nicht nur der für den Wissenschaftler/Laboranten wichtige Messwert von Bedeutung ist, sondern dass auch das Qualitätsmanagement und die IT-Abteilung Erwartungen an die Messdaten knüpfen.Um einen Nachweis der „Richtigkeit“ des Messwertes zu erbringen ist es erforderlich, zusätzlich die Messbedingungen, z.B. die Temperatur, das Messgerät, die Kalibrierdaten sowie die Sensordaten mit aufzunehmen.

Bei einer digitalen Weiterverarbeitung der Daten sind alle Änderungen in einem „audittrail“ nachvollziehbar zu dokumentieren, d.h. die Messdaten dürfen nicht veränderbar sein und es muss sichergestellt sein, dass alle zum Messwert gehörenden Informationen (Metadaten) richtig zugeordnet sind. Erst damit ist der Datensatz GLP-konform, und die Anforderungen des Qualitätsmanagements erfüllt. Für die elektronische Datenverarbeitung sind Anforderungen an Datenformate, Übertragungssysteme und Datensicherheit für die Auswertung und Speicherung der Datensätze unabdingbar. All dies muss bei einer einfachen pH-Messung von drei Minuten berücksichtigt und dokumentiert werden.

In modernen Labors ist zuerst ein Prozess zu definieren, der im LIMS abgebildet wird. Das LIMS erteilt dann einen Auftrag, wer, wann, was, wie, macht.

Anforderungen Messsystem

Ein klassisches pH-Messsystem besteht aus einem pH-Messgerät und einem dazu passenden analogen Messsensor, der ein analoges hochohmiges mV-Signal zum Messgerät schickt. Im Messgerät wird das Signal in ein digitales Signal umgewandelt, angezeigt und/oder abgespeichert.

Moderne Geräte kommunizieren mit einem „smarten“ Sensor, bei dem die analogen Messwerte bereits im Sensor digitalisiert sind, und so Messwerte bereits in digitaler Form an das Messgerät übermittelt werden. Das digitale Messsystem ist bei der Datenübertragung weitaus weniger störanfällig durch Umwelteinflüsse (z.B. Elektrosmog oder Kabellänge).

Xylem Analytics hat die IDS-Sensoren so konstruiert, dass im Sensor nicht nur eine Signalumwandlung stattfindet, sondern auch Kalibrierdaten, Kalibrierprotokolle und Seriennummer zur eindeutigen Identifikation eines Sensors im Sensorkopf hinterlegt sind. Dadurch entfällt ein parameterspezifisches Gerät, da der Sensor alle für den Parameter wichtigen Daten beim Anschluss an das Gerät weitergibt. Das Messgerät wird damit zu einem Multiparametergerät, das je nach der Anzahl der Eingangskanäle bis zu drei Sensoren verwalten kann. Die Funktion des Gerätes beschränkt sich damit auf die Kalibrierroutinen, die Speicherverwaltung und die Messwertanzeige, der unterschiedlichen IDS-Sensoren.

In einem weiteren Schritt wurden die IDS-Sensoren mit einem Steckkopf und aufsteckbaren Funkmodulen versehen, womit Sensorkabel überflüssig wurden.

Bindeglied IDS-Gate

Das IDS-Gate ermöglicht eine neue, zukunftsweisende Art der Messwert­erfassung. Da digitales Datenmanagement an Regeln gebunden ist, z.B. GLP/GxP oder FDA 21 CFR Part 11, versuchen die Hersteller bisher, diese Vorgaben in unterschiedlicher Weise in derzeitigen Messgeräten zu erfüllen. Sie bleiben damit bei „Insellösungen“ und verfolgen dabei ihre firmenspezifische Philosophie in der Umsetzung.

Das IDS-Gate verfolgt einen anderen, freien Ansatz unter Nutzung einer offenen REST-API-Schnittstelle. Wie bereits beschrieben, verfügen die IDS-Funkelektroden über eine eineindeutige Seriennummer. Nach einer Kalibrierung stehen auch die Kalibrierdaten im Sensor zur Verfügung. Mit der Software im IDS-Gate ist dieses in der Lage Messdaten, sowie Metadaten wie Anwendername, Probennummer, Kali­brierdaten und Seriennummer über Funk zu empfangen und diese Daten mit dem Messwert sowie der Temperatur zu verbinden und das Paket mit einem Zeitstempel zu versehen. Damit ist der erste Teil, der GLP-Anforderungen, das Erfassen der Daten, erfüllt.

Den zweiten Teil, das Aufzeichnen, Archivieren und die Berichterstattung der Prüfungsergebnisse übernimmt in größeren Firmen das LIMS des Anwenders. Für kleinere Unternehmen, die ohne LIMS arbeiten, können die Daten auch in Excel übertragen werden.

Abb. 2: Generelles Prinzip des IDS-Gate
Abb. 2: Generelles Prinzip des IDS-Gate
(Bild: Xylem Analytics Germany)

Das generelle Prinzip des Systems wird in Abbildung 2 dargestellt. Zu Beginn der Arbeit wird der Messsensor an einem beliebigen IDS-Messgerät kalibriert. Danach steht er für die Messaufgabe zu Verfügung.

Probendaten sowie Anwenderdaten lassen sich vorab in der API oder individuell während des Messvorganges über einen Barcode-Leser übertragen. Durch das Bestätigen eines Messwertes am Funkmodul werden die Mess- und Metadaten per Funk an die API des IDS-Gates übertragen und mit einem Zeitstempel versehen. Damit stehen die Informationen für eine externe Datenbank zur Verfügung. Diese externe Datenbank kann ein LIMS oder z.B. eine Excel-Datenbank sein. Das LIMS holt jetzt die für seinen Prozess wichtigen Daten nach seiner Priorität geordnet ab, z.B. alle Daten, die zu einem bestimmten Nutzer gehören, die zu einem bestimmten Zeitpunkt erhoben wurden, oder die zu einer Probennummer gehören, usw.

Damit der Anwender weiß, welchen Messwert er während der Messung auswählt, gibt es einen browserbasierten „Status-Viewer“ der auf beliebigen Ausgabegeräten, wie Laptop, Smartphone, Tablet usw. die wichtigsten Daten in Echtzeit anzeigt.

Für die Einbindung des IDS-Gate in ein Netzwerk gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten: Die Direkte Verbindung über LAN und WLAN oder den Anschluss im lokalen Netzwerk. Das IDS-Gate lässt sich komplett über eine REST-API fernsteuern. Eine Dokumentation dieser API ist direkt vom Gerät abrufbar.

* W. Merz und C. Lösche: Xylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG, 82362 Weilheim

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