质谱示教仪仿真教学系统的实现

2017-05-30柏亚七许冲韩云科赵睿邱红星

科技风 2017年6期

柏亚七许冲韩云科赵睿邱红星

摘要：阐述了质谱示教仪的设计原理及实验方法，利用串口通信等技术，在实验教学中引入包含硬件仪器和仿真质谱系统的仿真系统，针对高校实验的需求，在丰富实验课堂教学的同时，使学生更加深刻理解质谱仪的使用方法及实验原理，同时能够较好弥补目前教学仪器缺失的现状。

关键词：质谱示教仪；串口通信；虚拟仿真；高校实验

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

质谱仪技术的开发在不断更新，应用领域也越来越广泛，且质谱仪技术与其他技术不断融合，发展成一门融合多学科的交叉科学，在生物科学、药学、地球科学、环境科学等专业都有广泛应用[ 1-2 ]。因此高校学生对质谱仪更为透彻的学习显得尤为重要，但是由于实验经费、实验技术条件等因素，很多学生根本不能接触到质谱仪，更不能了解它的原理。

质谱示教仪有效地解决了这个问题，不需要价格昂贵的仪器设备，且无需任何样品就能够实现全程模拟的仿真操作，帮助学生进一步理解仪器工作原理，掌握仪器的操作，提高学生软件操作能力和教学质量。给质谱仪实验教学带来了深刻变化[ 3-5 ]。

一、系统总体设计

系统由实验机箱、探针、计算机以及安装在计算机内的仿真质谱系统组成。

（一）仿真仪器结构设计

实验机箱由进样单元、电离分析单元、真空泵单元、检测通信单元组成。进样单元、电离分析单元、检测通信单元分别内置进样电路、电离分析电路、真空泵电路、通信控制电路组成计算机控制电路。（如图1）进样单元由进样口、电动喷雾器、雾化室等构成。离子分析单元由灯泡、一排蓝色发光二极管、红色塑料圆板、一排绿色发光二极管、一排红色发光二等构成。真空泵单元内置电动抽气泵；其中检测通信单元由单片机控制器、通信模块构成，其中雾化室、管壳均为透明塑料管。计算机通过通信模块、单片机控制器实现仿真操作软件与实验机箱的通信。

（二）仿真仪器原理

进样单路用电动喷雾器喷出雾状水汽模拟进样物质的气化形成分子的过程；真空泵电路用电动抽气泵代替真空泵抽气，模拟质谱仪工作需要的真空环境；检测通信电路通过单片机控制器检测当探针进入进样口，触发样品检测开关闭合，若样品检测开关与单片机控制器的接口转为低电平，说明已经进样成功，若拔出探针，则开关失去压力重新断开，说明没有进样；单片机控制器检测二极管是否点亮，发光二极管便于观察者观察不可见的离子轨迹，绿色二极管的渐次点亮模拟说明未被电子轰击的样品分子无法加速而被真空泵吸走，红色二极管的渐次点亮模拟被电子轰击的样品分子形成正离子，加速，磁场的质量分析后到达离子收集装置的过程；单片机控制器检测红色发光二极管的接口电平，若电平发生改变，模拟说明离子已经到达。

二、仿真仪器实施过程设计

1）在计算机上打开仿真质谱系统，在实验药品单元选择待测样品的名称；

2）按下实验机箱上的开关，为单片机控制器供电，并初始化系统通信，仿真质谱系统与单片机控制器建立通讯；

3）探针进入进样孔，通过压力直接使样品检测开关闭合，与样品检测开关连接的单片机控制器的接口转为低电平，检测是否进样成功；

4）进样成功后，仿真质谱系统给单片机一个信号，使电动抽气泵运转，同时仿真质谱系统再给单片机控制器一个延时驱动电动雾化器工作的信号；

5）延时时间结束后，仿真质谱系统给单片机控制器一个驱动电动雾化器工作的信号，电动喷雾器喷出雾状水汽，雾状水汽不进入电离分析单元，防止对电器造成损伤，雾状水汽液化后再通过废液出水口流入到废液瓶中；

6）仿真质谱系统给单片机控制器一个驱动灯泡工作的信号，单片机控制器控制一排蓝色发光二极管亮灭；

7）仿真质谱系统给单片机控制器一个驱动一排绿色发光二极管、一排红色发光二极管工作的信号，单片机控制器通过锁存器控制上述两排二极管的渐次点亮；

8）所有红色发光二极管亮后，单片机控制器检测到控制所有红色发光二极管的接口电平变化情况，正方形板模拟离子收集装置，再通过通信模块将变化后的电平上传到计算机仿真质谱系统，读取数据库相应数据，查看相应的实验报告。

三、结语

质谱示教仪是质谱仪实验教学的一次重大突破，它缓和了当前实践困难，教学与实际脱轨的现状，有利于提高学生兴趣并降低了教学成本，同时也提高了学生的实践技能。迎合当代培养高素质技能型人才的迫切需求，将更多地应用到高校教学中。

参考文献：