高效液相色谱仪仿真教学系统的设计及实践

毛广玮，柏亚七，赵 睿，邵珍珍，胡俊锋

徐州医科大学：1 医学影像学院；2 医学信息学院， 江苏 徐州 221004



高效液相色谱仪仿真教学系统的设计及实践

毛广玮1，柏亚七1，赵 睿1，邵珍珍1，胡俊锋2

徐州医科大学：1医学影像学院；2医学信息学院， 江苏 徐州 221004

针对高效液相色谱仪在实验教学中存在的问题，采用VB 6.0平台、串口通信技术，设计仿真软件工作站与仿真仪器，解决了教学资源稀缺和有毒药品挥发等问题，达到使学生能自由学习并反复操作的教学目的。

高效液相色谱仪；VB 6.0；串口通信；仿真教学

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

高效液相色谱仪(high performance liquid chromat- ograph，HPLC)作为一种重要的化学分析仪器，需求和应用越来越广泛[1]。而在HPLC的实验教学方面，许多高校由于受设备条件、实验经费以及实验技术人员水平等方面限制，使HPLC的实验教学受到很大的影响。本科生缺少接触、操作相应实验设备的机会,使得其动手能力极度欠缺[2-4]。这种局限于课堂，缺乏实践机会的实验教学培养模式和教学方法已经无法适应创新型、综合型人才的培养要求。

借助仿真教学平台设计的思想[5-6],徐州医科大学自主设计的HPLC仿真教学系统解决了这一矛盾。系统简单、易操作且教学成本低，实现了操作过程与操作环境的仿真，学生可反复操作系统，能够满足学生掌握HPLC操作的基本技能需求，解决了真实仪器数量稀少、精细易损等一系列问题。这种基于仿真实验平台的教学模式将对高等教育质量提升和实验教学改革深化产生积极影响[7-8]。

1 系统的总体设计

该系统由计算机、安装在计算机内的仿真工作站、实验机箱、外围附件系统组成(如图1所示)。软件仿真工作站利用VB 6.0平台，综合当前岛津、安捷伦等工作站设计特点，搭建仿真界面，并收集定量实验数据，基本涵盖本科教学所需的实验结果。仿真仪器则实现仪器运转流程与原理的仿真。

图1 系统总体结构示意图

1.1 仿真工作站的设计

该仿真系统分为3个模块：信息设定模块、数据调用模块、串口通信模块。

1.2 仿真仪器的设计

仿真仪器中实验机箱通过通信电路与计算机相连，并包括外围附件系统(如图1所示)。其中，实验机箱包括进样单元、检测单元、通信单元、开关和指示灯；进样单元包括蠕动泵、电机控制模块、继电器和稳压电源；检测单元包括红外对管检测装置和指示灯；通信单元包括单片机控制器和通信模块。计算机通过通信单元与实验机箱连接，指示灯与检测电路连接，继电器与蠕动泵电连接，外围附件系统包括进样孔、进样器、水管、透明玻璃管、废液瓶和储液瓶。

2 仿真工作站功能与结构设计

仿真工作站主要包括标题栏、主界面、主菜单三部分(如图2所示)，主菜单功能可分为信息设定模块、数据调用模块、串口通信模块。

图2 仿真工作站初始界面

2.1 信息设定模块

该模块包括更改应用程序子系统模块、方法设定子系统模块、样品表模块。分别完成选择要使用的应用程序、仪器条件菜单的设定和数据处理菜单的设定、选择相应的样品表，设定单一方法样品表等功能。

相应模块的每个子模块又对应其他功能模块，如方法设定模块包含方法文件结构、泵的参数、自动进样器参数、柱温箱参数、ch1通道处理检测器中采集的色谱数据、定量计算方法、成分表显示成分表生成/修改的窗口、标准曲线系数表、波形处理时间表显示，等。在泵的参数、自动进样器参数等设定好后，系统会根据相应的参数得到标准曲线系数并显示表的图形，并在内部储存相应的信息，以便实验时使用。

2.2 数据调用模块

该模块包括数据采集、数据再处理和报告模块设计，其中每一模块分别有不同的功能。根据系统内部的数据，对于之前信息设定模块，系统将调用相应的数据，在数据采集监视器中进行详细的数据采集和分析，得到相应的成分表、浓度表和波形处理时间，等。在数据再处理中，可提取色谱柱、修改报告以及数据编组，最后生成报告，显示相应的实验图谱和系统信息，对应可填写实验数据和学生个人信息。

2.3 串口通信模块

串口通信模块是将仿真工作站设定信息发送到实验机箱进行处理的模块，具有完成串口通信、信息收集、信息处理、快速分析并展示动态图谱等功能[9]。分为模块状态设定和模板参数信息设定两个子模块。

2.3.1 模块状态设定 可进行色谱仪参数的初始化设定，电脑即和硬件部分完成串口通信。

此版块为设定未初始化时，下面的信息均不可进行设置；设定后，下面的子模块由不可见状态变为可调试状态，串口通信在此模块实现。

2.3.2 模板参数信息设定 包括泵A开关模块、模板的详细信息、模板原参数的设定模块、快速分析开始模块四个子模块。分别完成选择水泵A状态是否打开、设置相应泵的参数，分为泵A和控制两个版块。泵A的设定包括压力的最大值、最小值，流量的大小；控制模块包括净化、手动设定、泵A压力零点补整，从而对模板状态进行控制。选择快速分析开始，可显示动态图谱，并得出分析结论。

3 系统操作步骤

进入初始界面后，设置好相关参数，完成初始化设置，通过单片机与硬件建立通讯，根据得到的数据软件进行分析并处理结果(如图3所示)。

图3 系统工作流程图

第一步，在计算机上打开仿真HPLC工作站，在实验药品单元选择待测样品的名称；

第二步，在相应模块中按照实验的要求设置实验参数；

第三步，按下实验机箱上的开关，通信模块为单片机控制器供电，稳压电源为电机控制模块供电并初始化系统通信，仿真HPLC工作站与单片机控制器建立通讯；

第四步，建立通讯后，仿真HPLC工作站给单片机控制器一个驱动电机模块工作的信号，单片机控制器控制电机控制模块运转，从而带动蠕动泵开始工作；

第五步，蠕动泵工作后，储液瓶内的流动相通过水管进入蠕动泵并到达透明玻璃管，此时用进样器向透明玻璃管中注射待测样品，待测样品与流动相混合之后进入检测单元，位于检测单元的红外对管检测装置可判断是否有液体或水流通过。若有，则红外对管检测装置会发出信号，单片机控制模接收到信号后，控制指示灯长亮；同时，单片机控制器通过通信模块将信号传送给计算机中的仿真HPLC工作站，系统接收有液体通过的信号后，会读取根据设定好的样品名称和参数，读取数据库相应的数据，查看相应的实验报告、动态波峰图等结果。

4 结论

徐州医科大学自主设计开发的HPLC仿真教学系统于2016年2月份在学校投入试用，教学反馈良好，在对仿真工作站不明确的操作步骤进行改进并增添了实验数据之后，于6月份再次投入使用，获得了师生们的一致认可。

系统总体操作安全，能够避免有毒化学药品挥发、精密仪器易损等问题，同时减少了高校对仪器资金的投入，学生可根据实验手册进行操作，入门简单，还允许多次操作练习有利于学生更深入地学习和发展；系统还可实现软、硬件的自由组合，能够满足不同场合的教学需求，具有安全、经济、功能多样化的特点。

[1]李升源,刘宏,周克良,等.电工电子虚拟实验与真实实验的互补性[J].实验技术与管理，2010，27(4)：74-76

[2]宋丽丽，王建胜，刘红玥,等.高效液相色谱实验教学改革探讨[J].中国中西药现代远程教育，2016，14(5)：4-7

[3]狄斌，吴春勇，李博.在仪器分析教学中引入仿真教学手段的思路[J].药学教育，2005，21(5)：13-16

[4]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8

[5]段齐文，刘芳，刘博科.基于化学仿真实验平台的化学实验教学模式的创新设计[J].中国电化教育，2012(8)：125-128

[6]吴涓，孙岳民，雷威,等.东南大学机电综合虚拟仿真实验教学中心建设规划思路与进展[J].实验技术与管理，2014(10)：5-9

[7]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32(12)：5-8

[8]徐祖华，王彦，黄智伟.高校仿真教学的调查与研究[J].理工高教研究，2002，21(6)：94-96

[9]张震.串口通信技术及VB实现方法[J].科技信息，2008(14)：155-155

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

江苏省高等教育教改研究立项重点课题(2015-JSGG-062)；江苏省高校“青蓝工程”项目(2012)；徐州市科技计划立项课题(KC14SH078)

2016-08-09

毛广玮(1995-)，男，江苏徐州人，本科在读，主要研究方向：医学仿真。

胡俊峰(1969-)，男，江苏徐州人，教授，博士，主要研究方向：医学图像处理、医学仿真。 电话：13905202040；E-mail:469085688@qq.com

G434

A

1004-5287(2016)06-0695-03