質譜示教儀仿真教學系統的實現

柏亞七 許沖 韓云科 趙睿 邱紅星

摘 要：闡述了質譜示教儀的設計原理及實驗方法，利用串口通信等技術，在實驗教學中引入包含硬件儀器和仿真質譜系統的仿真系統，針對高校實驗的需求，在豐富實驗課堂教學的同時，使學生更加深刻理解質譜儀的使用方法及實驗原理，同時能夠較好彌補目前教學儀器缺失的現狀。

關鍵詞：質譜示教儀；串口通信；虛擬仿真；高校實驗

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

質譜儀技術的開發在不斷更新，應用領域也越來越廣泛，且質譜儀技術與其他技術不斷融合，發展成一門融合多學科的交叉科學，在生物科學、藥學、地球科學、環境科學等專業都有廣泛應用[ 1-2 ]。因此高校學生對質譜儀更為透徹的學習顯得尤為重要，但是由于實驗經費、實驗技術條件等因素，很多學生根本不能接觸到質譜儀，更不能了解它的原理。

質譜示教儀有效地解決了這個問題，不需要價格昂貴的儀器設備，且無需任何樣品就能夠實現全程模擬的仿真操作，幫助學生進一步理解儀器工作原理，掌握儀器的操作，提高學生軟件操作能力和教學質量。給質譜儀實驗教學帶來了深刻變化[ 3-5 ]。

一、系統總體設計

系統由實驗機箱、探針、計算機以及安裝在計算機內的仿真質譜系統組成。

（一）仿真儀器結構設計

實驗機箱由進樣單元、電離分析單元、真空泵單元、檢測通信單元組成。進樣單元、電離分析單元、檢測通信單元分別內置進樣電路、電離分析電路、真空泵電路、通信控制電路組成計算機控制電路。（如圖1）進樣單元由進樣口、電動噴霧器、霧化室等構成。離子分析單元由燈泡、一排藍色發光二極管、紅色塑料圓板、一排綠色發光二極管、一排紅色發光二等構成。真空泵單元內置電動抽氣泵；其中檢測通信單元由單片機控制器、通信模塊構成，其中霧化室、管殼均為透明塑料管。計算機通過通信模塊、單片機控制器實現仿真操作軟件與實驗機箱的通信。

（二）仿真儀器原理

進樣單路用電動噴霧器噴出霧狀水汽模擬進樣物質的氣化形成分子的過程；真空泵電路用電動抽氣泵代替真空泵抽氣，模擬質譜儀工作需要的真空環境；檢測通信電路通過單片機控制器檢測當探針進入進樣口，觸發樣品檢測開關閉合，若樣品檢測開關與單片機控制器的接口轉為低電平，說明已經進樣成功，若拔出探針，則開關失去壓力重新斷開，說明沒有進樣；單片機控制器檢測二極管是否點亮，發光二極管便于觀察者觀察不可見的離子軌跡，綠色二極管的漸次點亮模擬說明未被電子轟擊的樣品分子無法加速而被真空泵吸走，紅色二極管的漸次點亮模擬被電子轟擊的樣品分子形成正離子，加速，磁場的質量分析后到達離子收集裝置的過程；單片機控制器檢測紅色發光二極管的接口電平，若電平發生改變，模擬說明離子已經到達。

二、仿真儀器實施過程設計

1）在計算機上打開仿真質譜系統，在實驗藥品單元選擇待測樣品的名稱；

2）按下實驗機箱上的開關，為單片機控制器供電，并初始化系統通信，仿真質譜系統與單片機控制器建立通訊；

3）探針進入進樣孔，通過壓力直接使樣品檢測開關閉合，與樣品檢測開關連接的單片機控制器的接口轉為低電平，檢測是否進樣成功；

4）進樣成功后，仿真質譜系統給單片機一個信號，使電動抽氣泵運轉，同時仿真質譜系統再給單片機控制器一個延時驅動電動霧化器工作的信號；

5）延時時間結束后，仿真質譜系統給單片機控制器一個驅動電動霧化器工作的信號，電動噴霧器噴出霧狀水汽，霧狀水汽不進入電離分析單元，防止對電器造成損傷，霧狀水汽液化后再通過廢液出水口流入到廢液瓶中；

6）仿真質譜系統給單片機控制器一個驅動燈泡工作的信號，單片機控制器控制一排藍色發光二極管亮滅；

7）仿真質譜系統給單片機控制器一個驅動一排綠色發光二極管、一排紅色發光二極管工作的信號，單片機控制器通過鎖存器控制上述兩排二極管的漸次點亮；

8）所有紅色發光二極管亮后，單片機控制器檢測到控制所有紅色發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，再通過通信模塊將變化后的電平上傳到計算機仿真質譜系統，讀取數據庫相應數據，查看相應的實驗報告。

三、結語

質譜示教儀是質譜儀實驗教學的一次重大突破，它緩和了當前實踐困難，教學與實際脫軌的現狀，有利于提高學生興趣并降低了教學成本，同時也提高了學生的實踐技能。迎合當代培養高素質技能型人才的迫切需求，將更多地應用到高校教學中。

參考文獻：

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