LA-ICP-MS網絡虛擬實驗室的研究與開發

陸 霞， 田 地， 何禹潼， 姚 立， 范潤龍， 徐 倩

(1. 吉林大學 a. 儀器科學與電氣工程學院; b. 地球科學學院， 吉林 長春 130061；2. 中國地質科學院地質研究所 北京離子探針中心， 北京 102206)

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LA-ICP-MS網絡虛擬實驗室的研究與開發

陸 霞1a， 田 地1a， 何禹潼1a， 姚 立1b， 范潤龍2， 徐 倩1a

(1. 吉林大學 a. 儀器科學與電氣工程學院; b. 地球科學學院， 吉林 長春 130061；2. 中國地質科學院地質研究所 北京離子探針中心， 北京 102206)

激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)是一種應用廣泛的大型分析儀器。為了方便人們學習儀器的原理和分析方法，熟悉實驗操作，采用PHP+MySQL+Apache技術構建基于B/S應用的網絡模式，針對LA-ICP-MS儀器的特點，開發了網絡虛擬實驗室。該虛擬實驗室具有課件點播、虛擬實驗操作、教學管理等功能。其中，虛擬實驗具有逼真的場景，可按真實儀器的基本操作過程進行各種模擬操作及譜圖的顯示；并提供了交互式操作導航來指導用戶學習儀器的基本操作步驟。所開發的LA-ICP-MS網絡虛擬實驗室已應用到教學實踐中并取得了較好的教學效果。

LA-ICP-MS； 虛擬實驗室； 網絡教學

0 引 言

激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)能對固體材料進行微區、微量的原位成分分析及同位素分析，廣泛應用于生物、地質、半導體、環境、醫學、冶金、石油、核材料分析等領域。這種原位分析儀器需要用戶按照自己的實驗目的，親自操作實驗。實驗前用戶需花費一定機時來學習儀器原理及操作知識等，學習方式以現場為主。由于儀器價格昂貴，且需凈化的實驗環境，機時和實驗空間有限，難以滿足諸多學科教學和人員培訓的需求，影響了該儀器的知識普及。

網絡虛擬實驗室已逐漸成為現代教育體系的一個組成部分。通過在網絡上模擬操作過程和實驗現象，使學生身臨其境地經歷實驗操作、了解實驗過程、觀察實驗現象，也能夠充分培養學生實驗的興趣[1-3]。網絡虛擬實驗室改變了實驗室傳統的教學模式,打破了實驗教學時間、空間和教學人數等限制, 緩解了實驗資源緊缺問題[3-5]。目前，虛擬實驗系統在各領域的教育中發揮了重要作用。例如美國卡內基梅隆大學的化學工作站[6]，美國斯坦福大學的生物醫學實驗室[7]，土耳其加齊大學的虛擬直流電機實驗室[8]。國內在這方面雖然起步比較晚,但是發展速度較快, 例如華中科技大學、北京大學、北京師范大學等學校構建的網絡虛擬實驗系統[9-10]。2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。近年，用于實驗教學的分析儀器虛擬實驗平臺也逐漸發展起來。例如色譜儀器的虛擬實驗室[11-12]、色譜-質譜聯用儀等的虛擬實驗培訓系統[13-15]，我們開發的電子探針虛擬實驗室[16]；而針對LA-ICP-MS的虛擬實驗平臺尚未見報道。

本文研發了基于網絡的LA-ICP-MS虛擬實驗室。

1 總體設計

LA-ICP-MS虛擬實驗室是一個基于網絡的交互式教育系統，其整體框架設計如圖1所示，主要由課件點播模塊、虛擬實驗操作模塊和教學管理模塊組成。此外，虛擬實驗室還提供了主要儀器生產廠家和國內主流LA-ICP-MS實驗室的網站鏈接，方便用戶獲取額外的學習資料。

系統采用PHP+MySQL+Apache技術構建基于B/S應用的網絡模式，用戶通過客戶端的瀏覽器訪問系統，實現LA-ICP-MS的在線學習。利用網頁制作和MySQL數據庫技術，仿真儀器的操作流程。Apache 作為Web服務器與客戶端進行快速和安全的通信；MySQL用于管理用戶信息，并存儲分析結果數據庫；PHP作為編程語言生成動態頁面；Adobe Fireworks用于設計與優化用戶界面。此外, 嵌入JavaScript 腳本語言以響應用戶的操作和實現交互式模擬實驗。

2 功能模塊設計

2.1 課件點播模塊

課件點播模塊包括教學課件、儀器操作手冊、應用及分析方法資料。遠端用戶可以隨時隨地通過瀏覽器

圖1 虛擬實驗室整體框架設計

點播學習。

(1) 教學課件。包含儀器概述、分析特點、應用領域、分析原理、儀器基本結構及各部件功能、分析方法等。

(2) 操作手冊。包括LA-ICP-MS的操作流程、安捷倫7500ICP-MS的現場培訓手冊、193 nm激光器使用說明書等。

(3) 應用及分析方法資料。提供近年來LA-ICP-MS在應用和分析方法方面的文獻。

2.2 虛擬實驗模塊

虛擬實驗模塊由虛擬激光剝蝕系統操作軟件和虛擬電感耦合等離子體質譜儀操作軟件組成，是整個系統的核心部分。用戶可以通過該模塊進行虛擬仿真實驗。為了真實模擬儀器軟件操作，采用活動按鈕、下拉菜單和彈出式窗口等模擬功能界面和操作過程；采用動態方式模擬儀器狀態的變化和結果的顯示。此外，該模塊還提供了交互式操作導航來指導用戶學習儀器的基本操作步驟。在此，選擇目前應用較多的礦物同位素年齡分析實驗進行模擬。模擬的激光器剝蝕系統選擇美國Coherent公司的193 nm固體激光器，電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)選擇美國agilent7500a ICP-MS。

2.2.1 虛擬激光剝蝕系統操作軟件

包含激光器的控制、分析位置選定及樣品圖像顯示。

(1) 激光器控制。設置激光器工作模式、激光脈沖頻率、激光的開與關等。

(2) 分析位置選定。虛擬驅動樣品臺改變樣品分析位置，結合ICP-MS進行調諧與數據采集等虛擬實驗操作。

(3) 樣品圖像顯示。顯示不同樣品圖像，并模擬激光剝蝕樣品全過程。

2.2.2 虛擬電感耦合等離子體質譜儀操作軟件

包含儀器狀態監測、調諧、方法建立、數據采集等操作。

(a) 儀器狀態監測(如圖2)：模擬儀器狀態變化過程，并根據儀器狀態實現“點火”操作。

(b) 調諧(如圖3)。結合激光剝蝕系統，模擬不同激光器狀態，不同樣品分析位置的調諧操作及效果。

(c) 方法加載(如圖4)。模擬數據采集之前進行的方法加載操作，不同的分析方法對應不同的分析效果。

(d) 數據采集(如圖5)。通過調用實驗結果數據庫和儀器仿真數據庫來模擬分析結果隨樣品分析位置移動的變化情況。

圖2 虛擬儀器狀態監測面板

圖3 虛擬調諧面板

圖4 虛擬方法加載面板

2.3 教學管理模塊

教學管理模塊包括用戶管理、課程管理和教學考核等。

(1) 對學生的申請進行使用授權。用戶在允許權

圖5 虛擬數據采集面板

限內參與虛擬儀器實驗操作、在線學習等。

(2) 教師的權限。教師可以添加、刪除、修改教學課件，發布課程信息，進行相應的課程管理。

(3) 師生互動。學生可以通過在線測試對自己的學習效果進行評估，老師也可以根據學生的測試結果制定相應的教學策略。

3 開發的關鍵技術

3.1 虛擬樣品臺的移動

在輸入框輸入參數大小，點擊 “goto target” 按鈕可以設定樣品臺位置，也可以雙擊樣品圖像相應位置進行設定。本文采用JavaScript 腳本語言實現樣品臺的移動。記錄樣品臺的原始位置(x,y,z)和用戶輸入的數值(x1,y1,z1)，當用戶點擊 “goto target” 按鈕，則根據兩組數據進行運算，獲得樣品臺移動的方向和距離，從而虛擬樣品臺移動。獲取鼠標所在位置，當鼠標移動到樣品圖像區域并雙擊時，將鼠標位置參數與適當的數值進行運算，從而達到前一種方法的效果。

3.2 虛擬調諧參數的輸入

在調諧過程中，用戶需要對實驗參數進行修改，以達到較好的實驗效果。本軟件設置了26個調諧參數，這些參數要求在一定的范圍內改變。采用JavaScript腳本，當用戶點擊某個參數，便會出現調節該參數大小的滾動條和輸入框；用戶拖動滾動條或在輸入框中輸入參數值，軟件的后臺便會區分屬于哪個參數，將該參數值存入數據庫中，并動態顯示相應的調諧結果。

3.3 交互式操作導航的設計

對于初學者而言，在完全沒有提示的情況下學習儀器軟件的操作是很困難的。因此，本文在實現虛擬實驗的同時，設計了交互式操作導航來指導用戶學習儀器的基本操作步驟。虛擬實驗時，通過監測鼠標的動作、鍵盤的輸入指令等，根據實驗進行的步驟，彈出紅色指示框提示正確操作。

4 結 語

本文研發的LA-ICP-MS網絡虛擬實驗室(http://vlab.xlims.cn/icpms/index2.php)屬于中國科技資源網的一個服務平臺，提供開放式的虛擬實驗資源，使沒有該儀器資源的用戶能通過網絡學習儀器的相關知識。并在吉林大學進行了本科生及研究生專業課程的教學應用，主要應用課程有分析儀器、現代分析測試技術、分析測試實驗等。該虛擬實驗室能夠使學生在進入實驗室之前初步學習儀器原理、結構和基本操作，節省了儀器培訓機時。

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Research and Development of the Web-based LA-ICP-MS Virtual Laboratory

LUXiaa,TIANDia,HEYu-tonga,YAOLib,FANRun-longc,XUQiana

(1a. College of instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University；b. College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China； 2. Beijing SHRIMP Center，Institute of Geology Chinese Academy of Geology Sciences，Beijing 102206，China)

Laser ablation - inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is a widely used large-scale integrated analyzer. In order to facilitate people to learn the instrument principle and analysis method, and familiarize with experimental operation, a web-based virtual laboratory for LA-ICP-MS is developed by using the PHP+MySQL+Apache technology. It is with a network mode based on B/S. The virtual lab contains the following modules: courseware on demand module, virtual experiment system module, and teaching management module. The virtual experiment system module provides users a vivid scene of LA-ICP-MS analysis processes and simulated practice as the actual experimental operation, and an interactive navigation to guide users how to operate. Since it is applied to education in practice, good results have been achieved in teaching.

LA-ICP-MS; virtual laboratory; online teaching

2015-02-28

國家“211”工程項目“高等學校儀器設備和優質資源共享”(CERS—2—9)；國家科技基礎條件平臺項目(DDK14—018)

陸 霞(1988-)，女，廣西玉林人，碩士生，研究方向：網絡實驗室。Tel.：18844092662; E-mail：luxiahh@126.com

田 地(1958-)，男，吉林長春人，博士，教授，研究方向：分析儀器測控技術與軟件。

Tel.：0431-88502053; E-mail：tiandi@jlu.edu.cn

TP 391.9

A

1006-7167(2015)11-0120-04