开放式色谱虚拟仪器及实验室的构建方法研究

摘要

虚拟现实技术日益成熟，使虚拟仪器(VI)和虚拟实验室(VL)在科学研究、教育培训等方面得到广泛关注和应用。其中网络化、场景化、智能化和高交互纯软件形式的虚拟仪器(S-VI)和仿真虚拟实验室(E-VL)更是以其出色的性价比正成为研究热点。 色谱法是近代分析化学中发展最快、应用最广的分离分析技术，并正在发展成为高效、节能的分离工程技术，在化学、生物学、医药学等许多领域发挥着越来越重要的作用。目前的色谱分离模型软件，多是研究复杂的模型构建和数学计算，以提高预测的精度及优化分析条件为目的，缺乏集简便的数学预测模型，可视化实验模拟操作训练、优化分析条件与结果预测为一体，以人员培训、研究性实验设计等为目的的实验模拟练习软件。这正是本课题的研究意义所在。 本论文在对色谱分析过程的理论和实验研究基础上，利用Flash 8.0矢量动画技术和ActionScript2.0编程技术，分别开发了开放式的离子色谱虚拟实验室和气相色谱虚拟实验室软件。 在开放式离子色谱虚拟仪器和虚拟实验室中，依据离子色谱基本理论，色谱保留值与淋洗液浓度及流速的关系，以KOH为淋洗液，水中常见阴离子为考察对象，构建不同色谱分析条件下保留参数的预测模型。在开放式气相色谱虚拟仪器和虚拟实验室中，根据柱效与载气流速及柱温的关系，以多种物质为考察对象，构建了不同分析条件下保留参数的预测模型。 在分析了色谱工作站现状的基础上，首次提出了在虚拟实验室中构建虚拟工作站，利用组件技术，开发与色谱虚拟实验相配套的离子色谱Chromeleon工作站和气相色谱N2000虚拟工作站，实现了从控制仪器操作到动态绘制色谱流出曲线；从实时处理实验数据到动态绘制标准曲线和输出实验报告，模拟了色谱实验的全过程。虚拟实验中得到的各种模拟结果与真实实验结果十分相近。该虚拟实验室采用开放式设计方案，通过调用外部文件来实现虚拟实验中的参数传递，使用者可根据需要更改虚拟实验的内容，使虚拟实验在内容上得到了扩展。 所开发的虚拟实验室可以对实验过程进行完整展现，具有逼真场景，并可按真实仪器操作过程进行各种模拟操作。同时，具有较为强大的数据处理功能，可以加深用户对实验过程及相应的色谱理论的理解，这对于色谱实验的教学和仪器操作培训具有较大的推广应用价值。