毛廣瑋，柏亞七，趙 睿，邵珍珍，胡俊鋒

徐州醫(yī)科大學(xué)：1 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院；2 醫(yī)學(xué)信息學(xué)院， 江蘇 徐州 221004

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高效液相色譜儀仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計及實踐

毛廣瑋1，柏亞七1，趙 睿1，邵珍珍1，胡俊鋒2

徐州醫(yī)科大學(xué)：1醫(yī)學(xué)影像學(xué)院；2醫(yī)學(xué)信息學(xué)院， 江蘇 徐州 221004

針對高效液相色譜儀在實驗教學(xué)中存在的問題，采用VB 6.0平臺、串口通信技術(shù)，設(shè)計仿真軟件工作站與仿真儀器，解決了教學(xué)資源稀缺和有毒藥品揮發(fā)等問題，達到使學(xué)生能自由學(xué)習(xí)并反復(fù)操作的教學(xué)目的。

高效液相色譜儀；VB 6.0；串口通信；仿真教學(xué)

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201606019

高效液相色譜儀(high performance liquid chromat- ograph，HPLC)作為一種重要的化學(xué)分析儀器，需求和應(yīng)用越來越廣泛[1]。而在HPLC的實驗教學(xué)方面，許多高校由于受設(shè)備條件、實驗經(jīng)費以及實驗技術(shù)人員水平等方面限制，使HPLC的實驗教學(xué)受到很大的影響。本科生缺少接觸、操作相應(yīng)實驗設(shè)備的機會,使得其動手能力極度欠缺[2-4]。這種局限于課堂，缺乏實踐機會的實驗教學(xué)培養(yǎng)模式和教學(xué)方法已經(jīng)無法適應(yīng)創(chuàng)新型、綜合型人才的培養(yǎng)要求。

借助仿真教學(xué)平臺設(shè)計的思想[5-6],徐州醫(yī)科大學(xué)自主設(shè)計的HPLC仿真教學(xué)系統(tǒng)解決了這一矛盾。系統(tǒng)簡單、易操作且教學(xué)成本低，實現(xiàn)了操作過程與操作環(huán)境的仿真，學(xué)生可反復(fù)操作系統(tǒng)，能夠滿足學(xué)生掌握HPLC操作的基本技能需求，解決了真實儀器數(shù)量稀少、精細易損等一系列問題。這種基于仿真實驗平臺的教學(xué)模式將對高等教育質(zhì)量提升和實驗教學(xué)改革深化產(chǎn)生積極影響[7-8]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

該系統(tǒng)由計算機、安裝在計算機內(nèi)的仿真工作站、實驗機箱、外圍附件系統(tǒng)組成(如圖1所示)。軟件仿真工作站利用VB 6.0平臺，綜合當前島津、安捷倫等工作站設(shè)計特點，搭建仿真界面，并收集定量實驗數(shù)據(jù)，基本涵蓋本科教學(xué)所需的實驗結(jié)果。仿真儀器則實現(xiàn)儀器運轉(zhuǎn)流程與原理的仿真。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 仿真工作站的設(shè)計

該仿真系統(tǒng)分為3個模塊：信息設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)調(diào)用模塊、串口通信模塊。

1.2 仿真儀器的設(shè)計

仿真儀器中實驗機箱通過通信電路與計算機相連，并包括外圍附件系統(tǒng)(如圖1所示)。其中，實驗機箱包括進樣單元、檢測單元、通信單元、開關(guān)和指示燈；進樣單元包括蠕動泵、電機控制模塊、繼電器和穩(wěn)壓電源；檢測單元包括紅外對管檢測裝置和指示燈；通信單元包括單片機控制器和通信模塊。計算機通過通信單元與實驗機箱連接，指示燈與檢測電路連接，繼電器與蠕動泵電連接，外圍附件系統(tǒng)包括進樣孔、進樣器、水管、透明玻璃管、廢液瓶和儲液瓶。

2 仿真工作站功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真工作站主要包括標題欄、主界面、主菜單三部分(如圖2所示)，主菜單功能可分為信息設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)調(diào)用模塊、串口通信模塊。

圖2 仿真工作站初始界面

2.1 信息設(shè)定模塊

該模塊包括更改應(yīng)用程序子系統(tǒng)模塊、方法設(shè)定子系統(tǒng)模塊、樣品表模塊。分別完成選擇要使用的應(yīng)用程序、儀器條件菜單的設(shè)定和數(shù)據(jù)處理菜單的設(shè)定、選擇相應(yīng)的樣品表，設(shè)定單一方法樣品表等功能。

相應(yīng)模塊的每個子模塊又對應(yīng)其他功能模塊，如方法設(shè)定模塊包含方法文件結(jié)構(gòu)、泵的參數(shù)、自動進樣器參數(shù)、柱溫箱參數(shù)、ch1通道處理檢測器中采集的色譜數(shù)據(jù)、定量計算方法、成分表顯示成分表生成/修改的窗口、標準曲線系數(shù)表、波形處理時間表顯示，等。在泵的參數(shù)、自動進樣器參數(shù)等設(shè)定好后，系統(tǒng)會根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)得到標準曲線系數(shù)并顯示表的圖形，并在內(nèi)部儲存相應(yīng)的信息，以便實驗時使用。

2.2 數(shù)據(jù)調(diào)用模塊

該模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)再處理和報告模塊設(shè)計，其中每一模塊分別有不同的功能。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，對于之前信息設(shè)定模塊，系統(tǒng)將調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集監(jiān)視器中進行詳細的數(shù)據(jù)采集和分析，得到相應(yīng)的成分表、濃度表和波形處理時間，等。在數(shù)據(jù)再處理中，可提取色譜柱、修改報告以及數(shù)據(jù)編組，最后生成報告，顯示相應(yīng)的實驗圖譜和系統(tǒng)信息，對應(yīng)可填寫實驗數(shù)據(jù)和學(xué)生個人信息。

2.3 串口通信模塊

串口通信模塊是將仿真工作站設(shè)定信息發(fā)送到實驗機箱進行處理的模塊，具有完成串口通信、信息收集、信息處理、快速分析并展示動態(tài)圖譜等功能[9]。分為模塊狀態(tài)設(shè)定和模板參數(shù)信息設(shè)定兩個子模塊。

2.3.1 模塊狀態(tài)設(shè)定 可進行色譜儀參數(shù)的初始化設(shè)定，電腦即和硬件部分完成串口通信。

此版塊為設(shè)定未初始化時，下面的信息均不可進行設(shè)置；設(shè)定后，下面的子模塊由不可見狀態(tài)變?yōu)榭烧{(diào)試狀態(tài)，串口通信在此模塊實現(xiàn)。

2.3.2 模板參數(shù)信息設(shè)定 包括泵A開關(guān)模塊、模板的詳細信息、模板原參數(shù)的設(shè)定模塊、快速分析開始模塊四個子模塊。分別完成選擇水泵A狀態(tài)是否打開、設(shè)置相應(yīng)泵的參數(shù)，分為泵A和控制兩個版塊。泵A的設(shè)定包括壓力的最大值、最小值，流量的大??；控制模塊包括凈化、手動設(shè)定、泵A壓力零點補整，從而對模板狀態(tài)進行控制。選擇快速分析開始，可顯示動態(tài)圖譜，并得出分析結(jié)論。

3 系統(tǒng)操作步驟

進入初始界面后，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，完成初始化設(shè)置，通過單片機與硬件建立通訊，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)軟件進行分析并處理結(jié)果(如圖3所示)。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

第一步，在計算機上打開仿真HPLC工作站，在實驗藥品單元選擇待測樣品的名稱；

第二步，在相應(yīng)模塊中按照實驗的要求設(shè)置實驗參數(shù)；

第三步，按下實驗機箱上的開關(guān)，通信模塊為單片機控制器供電，穩(wěn)壓電源為電機控制模塊供電并初始化系統(tǒng)通信，仿真HPLC工作站與單片機控制器建立通訊；

第四步，建立通訊后，仿真HPLC工作站給單片機控制器一個驅(qū)動電機模塊工作的信號，單片機控制器控制電機控制模塊運轉(zhuǎn)，從而帶動蠕動泵開始工作；

第五步，蠕動泵工作后，儲液瓶內(nèi)的流動相通過水管進入蠕動泵并到達透明玻璃管，此時用進樣器向透明玻璃管中注射待測樣品，待測樣品與流動相混合之后進入檢測單元，位于檢測單元的紅外對管檢測裝置可判斷是否有液體或水流通過。若有，則紅外對管檢測裝置會發(fā)出信號，單片機控制模接收到信號后，控制指示燈長亮；同時，單片機控制器通過通信模塊將信號傳送給計算機中的仿真HPLC工作站，系統(tǒng)接收有液體通過的信號后，會讀取根據(jù)設(shè)定好的樣品名稱和參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)，查看相應(yīng)的實驗報告、動態(tài)波峰圖等結(jié)果。

4 結(jié)論

徐州醫(yī)科大學(xué)自主設(shè)計開發(fā)的HPLC仿真教學(xué)系統(tǒng)于2016年2月份在學(xué)校投入試用，教學(xué)反饋良好，在對仿真工作站不明確的操作步驟進行改進并增添了實驗數(shù)據(jù)之后，于6月份再次投入使用，獲得了師生們的一致認可。

系統(tǒng)總體操作安全，能夠避免有毒化學(xué)藥品揮發(fā)、精密儀器易損等問題，同時減少了高校對儀器資金的投入，學(xué)生可根據(jù)實驗手冊進行操作，入門簡單，還允許多次操作練習(xí)有利于學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)和發(fā)展；系統(tǒng)還可實現(xiàn)軟、硬件的自由組合，能夠滿足不同場合的教學(xué)需求，具有安全、經(jīng)濟、功能多樣化的特點。

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Design and practice of the high-performance liquid chromatograph simulation teaching system

Mao Guangwei1, Bai Yaqi1, Zhao Rui1, Shao Zhenzhen1, Hu Junfeng2

1CollegeofMedicalImaging; 2CollegeofMedicalInformation,XuzhouMedicalUniversity,Xuzhou221004,China

In view of the deficiency in experiment teaching of high performance liquid chromatograph, this paper proposes utilizing VB 6.0 platform and serial communication system to design the simulation software workstation and simulation equipment. This is a possible solution to the scarcity of teaching resources and volatilization of toxic drugs so as to achieve the teaching purpose of helping students learn freely and operate repeatedly.

high performance liquid; Visual Basic 6.0; serial communication; simulation teaching

江蘇省高等教育教改研究立項重點課題(2015-JSGG-062)；江蘇省高?！扒嗨{工程”項目(2012)；徐州市科技計劃立項課題(KC14SH078)

2016-08-09

毛廣瑋(1995-)，男，江蘇徐州人，本科在讀，主要研究方向：醫(yī)學(xué)仿真。

胡俊峰(1969-)，男，江蘇徐州人，教授，博士，主要研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)仿真。 電話：13905202040；E-mail:469085688@qq.com

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1004-5287(2016)06-0695-03