LA-ICP-MS網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的研究與開發(fā)

陸 霞， 田 地， 何禹潼， 姚 立， 范潤龍， 徐 倩

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

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LA-ICP-MS網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的研究與開發(fā)

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(xué) a. 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院; b. 地球科學(xué)學(xué)院， 吉林 長春 130061；2. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)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(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)是一種應(yīng)用廣泛的大型分析儀器。為了方便人們學(xué)習(xí)儀器的原理和分析方法，熟悉實驗操作，采用PHP+MySQL+Apache技術(shù)構(gòu)建基于B/S應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模式，針對LA-ICP-MS儀器的特點，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(dǎo)航來指導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)儀器的基本操作步驟。所開發(fā)的LA-ICP-MS網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室已應(yīng)用到教學(xué)實踐中并取得了較好的教學(xué)效果。

LA-ICP-MS； 虛擬實驗室； 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)

0 引 言

激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)能對固體材料進行微區(qū)、微量的原位成分分析及同位素分析，廣泛應(yīng)用于生物、地質(zhì)、半導(dǎo)體、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、冶金、石油、核材料分析等領(lǐng)域。這種原位分析儀器需要用戶按照自己的實驗?zāi)康?，親自操作實驗。實驗前用戶需花費一定機時來學(xué)習(xí)儀器原理及操作知識等，學(xué)習(xí)方式以現(xiàn)場為主。由于儀器價格昂貴，且需凈化的實驗環(huán)境，機時和實驗空間有限，難以滿足諸多學(xué)科教學(xué)和人員培訓(xùn)的需求，影響了該儀器的知識普及。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室已逐漸成為現(xiàn)代教育體系的一個組成部分。通過在網(wǎng)絡(luò)上模擬操作過程和實驗現(xiàn)象，使學(xué)生身臨其境地經(jīng)歷實驗操作、了解實驗過程、觀察實驗現(xiàn)象，也能夠充分培養(yǎng)學(xué)生實驗的興趣[1-3]。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室改變了實驗室傳統(tǒng)的教學(xué)模式,打破了實驗教學(xué)時間、空間和教學(xué)人數(shù)等限制, 緩解了實驗資源緊缺問題[3-5]。目前，虛擬實驗系統(tǒng)在各領(lǐng)域的教育中發(fā)揮了重要作用。例如美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的化學(xué)工作站[6]，美國斯坦福大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)實驗室[7]，土耳其加齊大學(xué)的虛擬直流電機實驗室[8]。國內(nèi)在這方面雖然起步比較晚,但是發(fā)展速度較快, 例如華中科技大學(xué)、北京大學(xué)、北京師范大學(xué)等學(xué)校構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)[9-10]。2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。近年，用于實驗教學(xué)的分析儀器虛擬實驗平臺也逐漸發(fā)展起來。例如色譜儀器的虛擬實驗室[11-12]、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀等的虛擬實驗培訓(xùn)系統(tǒng)[13-15]，我們開發(fā)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(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的LA-ICP-MS虛擬實驗室。

1 總體設(shè)計

LA-ICP-MS虛擬實驗室是一個基于網(wǎng)絡(luò)的交互式教育系統(tǒng)，其整體框架設(shè)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(xué)管理模塊組成。此外，虛擬實驗室還提供了主要儀器生產(chǎn)廠家和國內(nèi)主流LA-ICP-MS實驗室的網(wǎng)站鏈接，方便用戶獲取額外的學(xué)習(xí)資料。

系統(tǒng)采用PHP+MySQL+Apache技術(shù)構(gòu)建基于B/S應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模式，用戶通過客戶端的瀏覽器訪問系統(tǒng)，實現(xiàn)LA-ICP-MS的在線學(xué)習(xí)。利用網(wǎng)頁制作和MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，仿真儀器的操作流程。Apache 作為Web服務(wù)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(jié)果數(shù)據(jù)庫；PHP作為編程語言生成動態(tài)頁面；Adobe Fireworks用于設(shè)計與優(yōu)化用戶界面。此外, 嵌入JavaScript 腳本語言以響應(yīng)用戶的操作和實現(xiàn)交互式模擬實驗。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 課件點播模塊

課件點播模塊包括教學(xué)課件、儀器操作手冊、應(yīng)用及分析方法資料。遠(yuǎn)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(shè)計

點播學(xué)習(xí)。

(1) 教學(xué)課件。包含儀器概述、分析特點、應(yīng)用領(lǐng)域、分析原理、儀器基本結(jié)構(gòu)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(xiàn)場培訓(xùn)手冊、193 nm激光器使用說明書等。

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

2.2 虛擬實驗?zāi)K

虛擬實驗?zāi)K由虛擬激光剝蝕系統(tǒng)操作軟件和虛擬電感耦合等離子體質(zhì)譜儀操作軟件組成，是整個系統(tǒng)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(tài)方式模擬儀器狀態(tài)的變化和結(jié)果的顯示。此外，該模塊還提供了交互式操作導(dǎo)航來指導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)儀器的基本操作步驟。在此，選擇目前應(yīng)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(tǒng)選擇美國Coherent公司的193 nm固體激光器，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)選擇美國agilent7500a ICP-MS。

2.2.1 虛擬激光剝蝕系統(tǒng)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(shè)置激光器工作模式、激光脈沖頻率、激光的開與關(guān)等。

(2) 分析位置選定。虛擬驅(qū)動樣品臺改變樣品分析位置，結(jié)合ICP-MS進行調(diào)諧與數(shù)據(jù)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(zhì)譜儀操作軟件

包含儀器狀態(tài)監(jiān)測、調(diào)諧、方法建立、數(shù)據(jù)采集等操作。

(a) 儀器狀態(tài)監(jiān)測(如圖2)：模擬儀器狀態(tài)變化過程，并根據(jù)儀器狀態(tài)實現(xiàn)“點火”操作。

(b) 調(diào)諧(如圖3)。結(jié)合激光剝蝕系統(tǒng)，模擬不同激光器狀態(tài)，不同樣品分析位置的調(diào)諧操作及效果。

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

(d) 數(shù)據(jù)采集(如圖5)。通過調(diào)用實驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫和儀器仿真數(shù)據(jù)庫來模擬分析結(jié)果隨樣品分析位置移動的變化情況。

圖2 虛擬儀器狀態(tài)監(jiān)測面板

圖3 虛擬調(diào)諧面板

圖4 虛擬方法加載面板

2.3 教學(xué)管理模塊

教學(xué)管理模塊包括用戶管理、課程管理和教學(xué)考核等。

(1) 對學(xué)生的申請進行使用授權(quán)。用戶在允許權(quán)

圖5 虛擬數(shù)據(jù)采集面板

限內(nèi)參與虛擬儀器實驗操作、在線學(xué)習(xí)等。

(2) 教師的權(quán)限。教師可以添加、刪除、修改教學(xué)課件，發(fā)布課程信息，進行相應(yīng)的課程管理。

(3) 師生互動。學(xué)生可以通過在線測試對自己的學(xué)習(xí)效果進行評估，老師也可以根據(jù)學(xué)生的測試結(jié)果制定相應(yīng)的教學(xué)策略。

3 開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 虛擬樣品臺的移動

在輸入框輸入?yún)?shù)大小，點擊 “goto target” 按鈕可以設(shè)定樣品臺位置，也可以雙擊樣品圖像相應(yīng)位置進行設(shè)定。本文采用JavaScript 腳本語言實現(xiàn)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(shù)值(x1,y1,z1)，當(dāng)用戶點擊 “goto target” 按鈕，則根據(jù)兩組數(shù)據(jù)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(biāo)所在位置，當(dāng)鼠標(biāo)移動到樣品圖像區(qū)域并雙擊時，將鼠標(biāo)位置參數(shù)與適當(dāng)?shù)臄?shù)值進行運算，從而達到前一種方法的效果。

3.2 虛擬調(diào)諧參數(shù)的輸入

在調(diào)諧過程中，用戶需要對實驗參數(shù)進行修改，以達到較好的實驗效果。本軟件設(shè)置了26個調(diào)諧參數(shù)，這些參數(shù)要求在一定的范圍內(nèi)改變。采用JavaScript腳本，當(dāng)用戶點擊某個參數(shù)，便會出現(xiàn)調(diào)節(jié)該參數(shù)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?yún)?shù)值，軟件的后臺便會區(qū)分屬于哪個參數(shù)，將該參數(shù)值存入數(shù)據(jù)庫中，并動態(tài)顯示相應(yīng)的調(diào)諧結(jié)果。

3.3 交互式操作導(dǎo)航的設(shè)計

對于初學(xué)者而言，在完全沒有提示的情況下學(xué)習(xí)儀器軟件的操作是很困難的。因此，本文在實現(xiàn)虛擬實驗的同時，設(shè)計了交互式操作導(dǎo)航來指導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)儀器的基本操作步驟。虛擬實驗時，通過監(jiān)測鼠標(biāo)的動作、鍵盤的輸入指令等，根據(jù)實驗進行的步驟，彈出紅色指示框提示正確操作。

4 結(jié) 語

本文研發(fā)的LA-ICP-MS網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室(http://vlab.xlims.cn/icpms/index2.php)屬于中國科技資源網(wǎng)的一個服務(wù)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(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)儀器的相關(guān)知識。并在吉林大學(xué)進行了本科生及研究生專業(yè)課程的教學(xué)應(yīng)用，主要應(yīng)用課程有分析儀器、現(xiàn)代分析測試技術(shù)、分析測試實驗等。該虛擬實驗室能夠使學(xué)生在進入實驗室之前初步學(xué)習(xí)儀器原理、結(jié)構(gòu)和基本操作，節(jié)省了儀器培訓(xùn)機時。

[1] 白 雁,張 娟,潘 瑾,等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28 (12):169-171.

[2] 許映杰,胡六江.虛擬實驗在儀器分析實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報,2014,34 (7):89-91.

[3] 田 杰,張 民. 探究網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(4):262-264.

[4] 王 涌,李國麗,應(yīng)艷杰,等.建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室,深化實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(9):85-87.

[5] 趙 紅,李著成.基于B/S的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)構(gòu)建與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理,2011,28(9):86-88.

[6] Yaron D, Karabinos M, Lange D,etal. The chemcollective-virtual labs for introductory chemistry courses[J]. Science, 2010, 328 (5978), 584-585.

[7] Huang C. Changing learning with new interactive and media-rich instruction environments: Virtual labs case study report[J]. Computerized medical imaging and graphics, 2003, 27 (2-3), 157-164.

[8] Colak I, Demirbas S, Sagiroglu S,etal. A novel web-based laboratory for dc motor experiments[J]. Comput Appl Eng Educ, 2011,19 (1):125-135.

[9] 李凌云,王海軍.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2008,18(4):111-114

[10] 朱 敏,張際平. 虛擬實驗室及其教學(xué)應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索,2006,25(5):626-628.

[11] 王雅彬.網(wǎng)絡(luò)化色譜虛擬儀器與虛擬實驗室的實現(xiàn)方法研究[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

[12] 周 標(biāo),朱亞東,繆 強,等.大型分析儀器的虛擬實驗[J].計算機與應(yīng)用化學(xué),2003,20(3):348-350.

[13] Waller J C, Foster N. Training via the web: A virtual instrument[J], Computers & Education, 2000, 35 (2):161-167.

[14] 劉蒸蔚,卞亞紅,張 力,等.大型藥物分析儀器虛擬實驗訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2014(3):280-284.

[15] 劉志廣,王姣姣,王艷嬙,等.三維網(wǎng)絡(luò)原子吸收光譜分析虛擬實驗室的構(gòu)建[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(3):205-210.

[16] Lu X, Tian D, He Y T,etal. A web-based virtual laboratory for electron probe microanalysis[J]. Comput Appl Eng Educ, 2015, DOI 10.1002/cae.21620.

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(xué)校儀器設(shè)備和優(yōu)質(zhì)資源共享”(CERS—2—9)；國家科技基礎(chǔ)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(wǎng)絡(luò)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(shù)與軟件。

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

TP 391.9

A

1006-7167(2015)11-0120-04