智能化质谱联用仪虚拟实验室的初步探索

摘要

随着现实教学与虚拟教学的进一步融合使基于虚拟技术而衍生的虚拟实验室逐渐出现在大众视野并引起了研究者的密切关注，虚拟实验的简洁性、高效性、真实性促进了其爆发式的发展，也使虚拟实验室的建构热潮迅速在高校中引爆，并逐渐成为高校实验室建设的标配。因此如何建立浸入式、多感知性、临场感、智能化人机交互虚拟实验室成为VR研究领域的主战场，也是人工智能时代下运用新技术对传统化学实验的一种突破性的探索。 虚拟实验室的迅速发展激发了实验教学领域的新型虚拟仪器及虚拟实验形态的形成。新形态的虚拟实验室不但解决了一些昂贵且实用的大型分析仪器在教学中难以开展的问题，而且产生了新的认知形态与学习模式。本文中通过对虚拟实验技术、国内外虚拟实验室的研究现状进行讨论，确定选用质谱联用仪器虚拟实验室为研究对象，设计了清晰的模块化开发架构，以B/S网络架构为支撑，以国际认证的标准化学实验室为依托，通过3D max完成全三维实验场景的建模。新形态的虚拟实验室拥有逼真的三维场景漫游、融合二维帧技术的工作站、非线性的三维物体交互操作、全新的仪器碰撞与拾取算法、高仿真性的三维物体阴影效果、渐进式的实验模式及完整的考核实验记录评价体系。 以液相色谱质谱联用仪为例，该虚拟实验室在VSL编程语言和编译交互脚本BB模块协同作用下完成了样品预处理、自动进样、实验方法储存与重载、二维工作站与三维虚拟仪器间的实时数据通信与数据保存等功能；实现了视野范围、交互方式、评价体系等多方面突破性的探索。在该实验中，采用五种磺胺类药物作为分析对象，在参考、归纳及提炼真实实验数据的基础上，通过构建色谱理论模型与质谱谱图库，实现了多参数色谱峰的实时动态模拟、色谱峰的精确定位及质谱峰精准识别功能。在气相色谱质谱联用仪中，设置了样品选择功能，操作者可以根据实验中提供的五种药品进行随机的选用和配制，这在某种程度上增加了虚拟实验的灵活度、智能性，实现了差异化的自主学习模式。此外，该虚拟实验系统提供实验平台开放共享，用户可以随时、处处进行实验操作并获得数据记录和考核结果，该系统已经完成了多人在线实验测评，测评结果显示该虚拟实验系统能够满足实验培训与教学的要求。本文为新形态智能化虚拟仪器、虚拟实验室的构建模式及实现方法进行了初步探索，也对相关虚拟仪器研究提供有益借鉴。

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摘 要

Abstract

引 言

1 文献综述

1.1 虚拟现实技术

1.1.1 虚拟现实技术的概念

1.1.2 虚拟现实技术的发展现状

1.2 虚拟实验室

1.2.1 虚拟实验室的概念

1.2.2 国外虚拟实验室的研究现状

1.2.3 国内虚拟实验室的研发现状

1.2.4 联用仪器虚拟实验室的研究现状

1.2.5 联用仪器现状讨论

1.3 小结

2 联用仪器虚拟实验室开发的研究意义与路线

2.1 联用仪器虚拟实验室研究背景

2.2 联用仪器的概述

2.2.1 液相色谱质谱联用仪的概述

2.2.2 气相色谱质谱联用仪的概述

2.3 液质联用虚拟实验室开发软件

2.3.1 3D建模软件的对比分析

2.3.2 交互软件对比分析

2.3.3 开发工具汇总

2.4 质谱联用虚拟实验室整体架构

2.5 小结

3 液质联用仪虚拟实验的构建

3.1 液质联用虚拟实验室总体设计

3.2 沉浸性虚拟实验场景的构建

3.2.1 实验场景的构建

3.2.2 仪器模型的构建

3.3 渐进式虚拟实验模式设计

3.4 情景化虚拟实验原理

3.5 智能化虚拟实验信息的传递与记录

3.6 辅助功能的设计

3.6.1 虚拟计时

3.6.2 情景学习

3.6.3 步骤提示

3.6.4 错误提示

3.7 关键技术的实现

3.7.1 虚拟工作站及质谱标准谱图库的建立

3.7.2 非线性操作下三维物体碰撞与拾取的实现

3.7.3 保留值预测模型的构建

3.7.4 峰形拖尾数学模型的构建

3.7.5 谱峰智能识别的实现

3.8小结

4 气相色谱-质谱联用虚拟实验室的构建

4.1 GC-MS的总体设计

4.2 实验场景的构建

4.3 关键技术的实现

4.3.1 自动进样设置

4.3.2 样品选择功能

4.3.3 多参数调节及谱峰曲线模拟

4.3.4 线性的操作流程

4.3.5 离线工作站的实现

4.3.6 实验方法保存与调取

4.3.7 自动跟踪实时记录系统

4.4 小结

5 质谱联用仪器虚拟实验室的测试与评价

5.1 软件的测试

5.2 软件的评价

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间学术论文的情况

致 谢

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