質(zhì)譜示教儀仿真教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

柏亞七 許沖 韓云科 趙睿 邱紅星

摘 要：闡述了質(zhì)譜示教儀的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)方法，利用串口通信等技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入包含硬件儀器和仿真質(zhì)譜系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，針對(duì)高校實(shí)驗(yàn)的需求，在豐富實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的同時(shí)，使學(xué)生更加深刻理解質(zhì)譜儀的使用方法及實(shí)驗(yàn)原理，同時(shí)能夠較好彌補(bǔ)目前教學(xué)儀器缺失的現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：質(zhì)譜示教儀；串口通信；虛擬仿真；高校實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

質(zhì)譜儀技術(shù)的開(kāi)發(fā)在不斷更新，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，且質(zhì)譜儀技術(shù)與其他技術(shù)不斷融合，發(fā)展成一門(mén)融合多學(xué)科的交叉科學(xué)，在生物科學(xué)、藥學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等專業(yè)都有廣泛應(yīng)用[ 1-2 ]。因此高校學(xué)生對(duì)質(zhì)譜儀更為透徹的學(xué)習(xí)顯得尤為重要，但是由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件等因素，很多學(xué)生根本不能接觸到質(zhì)譜儀，更不能了解它的原理。

質(zhì)譜示教儀有效地解決了這個(gè)問(wèn)題，不需要價(jià)格昂貴的儀器設(shè)備，且無(wú)需任何樣品就能夠?qū)崿F(xiàn)全程模擬的仿真操作，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解儀器工作原理，掌握儀器的操作，提高學(xué)生軟件操作能力和教學(xué)質(zhì)量。給質(zhì)譜儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了深刻變化[ 3-5 ]。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)機(jī)箱、探針、計(jì)算機(jī)以及安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)的仿真質(zhì)譜系統(tǒng)組成。

（一）仿真儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)機(jī)箱由進(jìn)樣單元、電離分析單元、真空泵單元、檢測(cè)通信單元組成。進(jìn)樣單元、電離分析單元、檢測(cè)通信單元分別內(nèi)置進(jìn)樣電路、電離分析電路、真空泵電路、通信控制電路組成計(jì)算機(jī)控制電路。（如圖1）進(jìn)樣單元由進(jìn)樣口、電動(dòng)噴霧器、霧化室等構(gòu)成。離子分析單元由燈泡、一排藍(lán)色發(fā)光二極管、紅色塑料圓板、一排綠色發(fā)光二極管、一排紅色發(fā)光二等構(gòu)成。真空泵單元內(nèi)置電動(dòng)抽氣泵；其中檢測(cè)通信單元由單片機(jī)控制器、通信模塊構(gòu)成，其中霧化室、管殼均為透明塑料管。計(jì)算機(jī)通過(guò)通信模塊、單片機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)仿真操作軟件與實(shí)驗(yàn)機(jī)箱的通信。

（二）仿真儀器原理

進(jìn)樣單路用電動(dòng)噴霧器噴出霧狀水汽模擬進(jìn)樣物質(zhì)的氣化形成分子的過(guò)程；真空泵電路用電動(dòng)抽氣泵代替真空泵抽氣，模擬質(zhì)譜儀工作需要的真空環(huán)境；檢測(cè)通信電路通過(guò)單片機(jī)控制器檢測(cè)當(dāng)探針進(jìn)入進(jìn)樣口，觸發(fā)樣品檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合，若樣品檢測(cè)開(kāi)關(guān)與單片機(jī)控制器的接口轉(zhuǎn)為低電平，說(shuō)明已經(jīng)進(jìn)樣成功，若拔出探針，則開(kāi)關(guān)失去壓力重新斷開(kāi)，說(shuō)明沒(méi)有進(jìn)樣；單片機(jī)控制器檢測(cè)二極管是否點(diǎn)亮，發(fā)光二極管便于觀察者觀察不可見(jiàn)的離子軌跡，綠色二極管的漸次點(diǎn)亮模擬說(shuō)明未被電子轟擊的樣品分子無(wú)法加速而被真空泵吸走，紅色二極管的漸次點(diǎn)亮模擬被電子轟擊的樣品分子形成正離子，加速，磁場(chǎng)的質(zhì)量分析后到達(dá)離子收集裝置的過(guò)程；單片機(jī)控制器檢測(cè)紅色發(fā)光二極管的接口電平，若電平發(fā)生改變，模擬說(shuō)明離子已經(jīng)到達(dá)。

二、仿真儀器實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì)

1）在計(jì)算機(jī)上打開(kāi)仿真質(zhì)譜系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)藥品單元選擇待測(cè)樣品的名稱；

2）按下實(shí)驗(yàn)機(jī)箱上的開(kāi)關(guān)，為單片機(jī)控制器供電，并初始化系統(tǒng)通信，仿真質(zhì)譜系統(tǒng)與單片機(jī)控制器建立通訊；

3）探針進(jìn)入進(jìn)樣孔，通過(guò)壓力直接使樣品檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合，與樣品檢測(cè)開(kāi)關(guān)連接的單片機(jī)控制器的接口轉(zhuǎn)為低電平，檢測(cè)是否進(jìn)樣成功；

4）進(jìn)樣成功后，仿真質(zhì)譜系統(tǒng)給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)，使電動(dòng)抽氣泵運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)仿真質(zhì)譜系統(tǒng)再給單片機(jī)控制器一個(gè)延時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)霧化器工作的信號(hào)；

5）延時(shí)時(shí)間結(jié)束后，仿真質(zhì)譜系統(tǒng)給單片機(jī)控制器一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)霧化器工作的信號(hào)，電動(dòng)噴霧器噴出霧狀水汽，霧狀水汽不進(jìn)入電離分析單元，防止對(duì)電器造成損傷，霧狀水汽液化后再通過(guò)廢液出水口流入到廢液瓶中；

6）仿真質(zhì)譜系統(tǒng)給單片機(jī)控制器一個(gè)驅(qū)動(dòng)燈泡工作的信號(hào)，單片機(jī)控制器控制一排藍(lán)色發(fā)光二極管亮滅；

7）仿真質(zhì)譜系統(tǒng)給單片機(jī)控制器一個(gè)驅(qū)動(dòng)一排綠色發(fā)光二極管、一排紅色發(fā)光二極管工作的信號(hào)，單片機(jī)控制器通過(guò)鎖存器控制上述兩排二極管的漸次點(diǎn)亮；

8）所有紅色發(fā)光二極管亮后，單片機(jī)控制器檢測(cè)到控制所有紅色發(fā)光二極管的接口電平變化情況，正方形板模擬離子收集裝置，再通過(guò)通信模塊將變化后的電平上傳到計(jì)算機(jī)仿真質(zhì)譜系統(tǒng)，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)數(shù)據(jù)，查看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

三、結(jié)語(yǔ)

質(zhì)譜示教儀是質(zhì)譜儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一次重大突破，它緩和了當(dāng)前實(shí)踐困難，教學(xué)與實(shí)際脫軌的現(xiàn)狀，有利于提高學(xué)生興趣并降低了教學(xué)成本，同時(shí)也提高了學(xué)生的實(shí)踐技能。迎合當(dāng)代培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才的迫切需求，將更多地應(yīng)用到高校教學(xué)中。

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