开放式色谱虚拟仪器及实验室的构建方法研究

论文摘要

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ActionSeript 2.0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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 虚拟仪器（VI）的现状
• 1.1.1 虚拟仪器的定义和分类
• 1.1.2 虚拟仪器的特点及应用
• 1.1.3 软硬件结合构建的虚拟仪器（S&H-VI）的介绍与展望
• 1.1.4 纯软件形式的虚拟仪器（S-VI）的介绍与展望
• 1.2 虚拟实验室（VI）定义及其发展现状
• 1.2.1 虚拟实验室的定义
• 1.2.2 虚拟实验室的分类
• 1.2.3 国外虚拟实验室的现状
• 1.2.4 国内虚拟实验室的现状
• 1.3 色谱辅助教学软件的发展现状
• 1.3.1 国外色谱教学的常用软件
• 1.3.2 国内色谱教学的常用软件
• 1.4 色谱数据工作站
• 1.4.1 现代色谱工作站
• 1.4.2 虚拟色谱工作站
• 1.5 色谱相关理论的讨论
• 1.5.1 气相色谱相关理论
• 1.5.2 离子色谱相关理论
• 1.6 小结
• 2 色谱虚拟实验室的开发准备
• 2.1 色谱虚拟实验室的需求分析
• 2.1.1 开发前提及面向对象分析
• 2.1.2 色谱实验教学的现状及需求
• 2.1.3 色谱虚拟实验室的定位
• 2.2 虚拟实验室的实现技术讨论
• 2.2.1 虚拟实验室的架构模式
• 2.2.2 架构模式对比与发展趋势
• 2.2.3 虚拟实验室的实现技术对比
• 2.2.4 Flash技术
• 2.2.5 组件连用技术
• 2.2.6 模块化设计思想
• 2.3 构建类型、设计模式和开发技术的选择
• 2.4 实现环境说明
• 2.4.1 开发技术支持系统
• 2.4.2 技术支持系统
• 2.4.3 应用技术支持系统
• 2.4.4 开发工具
• 2.5 小结
• 3 开放式离子色谱虚拟实验室的实现
• 3.1 离子色谱虚拟实验室总体框架的设计
• 3.2 离子色谱虚拟实验室构建的基本规则
• 3.3 离子色谱虚拟实验室的实验流程图
• 3.4 离子色谱虚拟实验室的场景构建
• 3.5 离子色谱虚拟实验室的开放式设计与实现
• 3.6 离子色谱虚拟仪器的构建
• 3.7 离子色谱虚拟样品的实现
• 3.8 离子色谱虚拟工作站的设计与实现
• 3.8.1 离子色谱虚拟工作站的总体设计方案
• 3.8.2 离子色谱虚拟工作站的界面实现
• 3.8.3 离子色谱虚拟工作站的实现技术
• 3.9 不同分离条件下的保留预测结果讨论
• 3.10 小结
• 4 开放式气相色谱虚拟实验室的实现
• 4.1 气相色谱虚拟实验室总体框架的设计
• 4.2 气相色谱虚拟实验的实验流程图
• 4.3 气相色谱虚拟实验室的场景构建
• 4.4 气相色谱虚拟工作站的设计与实现
• 4.4.1 气相色谱虚拟工作站总体设计
• 4.4.2 气相色谱虚拟工作站的界面实现
• 4.4.3 气相色谱虚拟工作站的实现技术
• 4.5 与“原气相色谱虚拟实验室”的比较
• 4.5.1 开发工具及其支持的脚本语言版本
• 4.5.2 虚拟实验室界面与功能
• 4.5.3 虚拟工作站的界面与功能
• 4.5.4 实验的内容和扩展性
• 4.6 小结
• 5 开放式色谱虚拟实验室的测试与评价
• 5.1 测试
• 5.1.1 传播
• 5.1.2 应用
• 5.2 评价
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢