對色譜法微型模擬儀器的創建探究
1 液相色譜作為一種有著重要用途的分析儀器，配有較完善的工作站，對于其流動相優化、專家系統等方面的軟件有較多研究，但利用圖形圖像技術與程序設計相結合的方法、以網絡遠程實驗教學為目的、基于數學模型來構建的網絡虛擬環境下可交互操作的液相色譜虛擬實驗室的研究則鮮有報道。
本文以FlashMX為開發平臺，采用ActionScript編程技術和矢量動畫技術建立液相色譜虛擬環境，并基于色譜基本理論，通過構建色譜保留時間t R與主要操作條件之間的數學模型， t R與高斯分布色譜流出曲線的標準偏差的關系，在虛擬儀器上模擬考察了不同操作條件下混合物試樣的實時流出曲線、色譜保留參數變化與定量計算結果，并將各種模擬值與實際實驗值進行了對比，獲得了較滿意的結果。通過實際應用表明，本文所建立的液相色譜網絡虛擬實驗室可以較好地滿足操作人員培訓和實驗教學方面的需要。
2 色譜理論的討論與保留值預測模型的建立
色譜虛擬儀器的建立首先需要依據色譜的基礎理論，確定各種操作條件改變與組分保留時間、峰形參數及分離度之間的變化規律，構建出數學模型，使得在虛擬儀器上，可以通過任意調節操作參數而實時獲得與實際接近的色譜流出曲線，達到模擬實際實驗過程的目的。多組分色譜分離是一個復雜過程，涉及色譜熱力學和動力學兩個方面，而這兩方面的影響集中反映在組分保留參數和峰形上。可以采取分步法來構建其數學關系，即先確定色譜峰形與組分保留時間的數學關系；再構建組分保留時間與淋洗液組成和流速間的關系。在理想情況下，采用經作者修正的高斯分布模型來描述組分色譜峰形見式（ 1）。峰形決定于標準偏差及由組分含量修正的峰高的值：y = c para 2 exp<（ t - t R）2 >（ 1）式中的標準偏差表示被分離組分分子在柱內的離散程度，受色譜分析過程的動力學因素控制； t R為保留時間，表示組分峰在色譜流出曲線中的位置，受色譜分析過程的熱力學因素影響，其大小表現了固定相對組分的滯留能力； c para為組分含量決定的參數，表示組分百分含量與峰面積的對應關系。由式可見，色譜峰形除由組分含量決定之外，還受組分保留時間、標準偏差影響。色譜流出峰的半峰寬（ Y 1 2）與色譜保留值（ t R）近似存在線性關系：Y 1 2 = 2. 354 = m + n t R（ 2）式中的m、n為常數，可通過在實際實驗中測定相應數據代入式（ 2）中求得。
在色譜柱一定時，組分保留時間受淋洗液組成和流速u控制，可以導出保留時間t R與分配比k、淋洗液組成及流速之間的數學關系：t R = t 0（ 1+ k） =空柱管體積柱總空隙度（T）流動相體積流量（ F c）（ 1 + k）（ 3）根據盧佩章等在80年代初期提出的頂替吸附-相互作用模型，采用統計熱力學的方法推導出二元流動相液相色譜中溶質保留值變化規律式為：lnk = a + blnC b + cC b（ 4）對于多元流動相液相色譜體積，流動相中強組分濃度影響保留值的關系式為：lnk = a + i b i lnC Bi + i C Bi（ 5）式（ 4）和（ 5）中a是溶質與固定相的相互作用能，溶質同流動相中的溶劑B 0， B 1的相互作用能與溶質的分子體積相關的常數； b是與固定相溶質分子頂替流動相中強溶劑B 1的分子數相關的常數； c為溶質和流動相中溶劑的作用能相關的常數。a， b， c 3項可通過實際實驗所得數據帶入（ 4）式或（ 5）式求得。推導出了以上各關系后，在虛擬實驗中，調節分離流動相組成與流速，即可通過計算得到各組分的保留時間，繪制出多組分試樣的色譜流出曲線，達到較好地模擬實驗的目的。通過模擬實驗確定了色譜保留值t R和半峰寬Y 1 2后，即可由分離度計算式獲得任意兩組分之間的模擬分離程度。此外在模擬過程獲得半峰寬和峰高后，可由峰面積通過歸一化法來進行各組分的含量計算。
所有計算過程均通過程序設計在后臺處理，虛擬實驗得到的模擬結果將在下面進行討論。
3液相色譜虛擬儀器與虛擬實驗室
多媒體技術和計算機圖形圖像技術為計算機虛擬現實提供了強大的技術支撐，時至今日，虛擬實驗室的建立不但要求能夠準確模擬出實際結果，而且希望具有更強烈的沉浸感，即具有身臨其境的感受和具有情感交流特征。
3. 1虛擬實驗室的場景式設計本文基于以上討論的數學模型構建了液相色譜虛擬儀器，在3個方面突出了虛擬實驗室的沉浸感和情感交流，將立體化的虛擬儀器置于由多重場景構成的虛擬環境中，且虛擬環境的明暗度自動隨時間變化；強調儀器的操作過程，如按實際設計的擬人化進樣操作過程等；通過虛擬人物強化情感交流，如虛擬人物的語音提示，虛擬教師的講解等。通過這些細節方面的人性化設計，更好地實現了虛擬實驗室的情感化，強化實驗內容與實驗環境的協調，場景化虛擬實驗室所示。
的ActionScript編程功能，通過以上所建立的數學模型，將前臺操作與后臺程序運算結合在一起。在實驗室界面中，操作者可在屏幕上通過鍵盤輸入、鼠標點擊、拖動等進行仿真操作。當正確進行了各項操作后，在圖中的計算機屏幕中可以實時繪制出相應的色譜流出曲線并給出定量計算結果。
3. 2虛擬儀器操作及實驗條件的調節
可按實際過程進行操作，如點擊門可打開，查看分離室中的色譜柱，點擊色譜柱可更換柱子。所有參數調節均在可視的操作面板上進行，儀器可進行任意放大縮小而保持不失真，方便操作。
淋洗液流速和組成是影響保留值與色譜流出曲線形狀的重要參數，虛擬實驗中，淋洗液組成設定為系統變量（初始化時，設定默認值），可直接通過動態文本框輸入來調節。流速由前臺調節流量按鈕后自動賦值獲得。
3. 3功能框圖
4液相色譜虛擬實驗室模擬結果與討論
4. 1色譜流出譜圖對比在淋洗液組成為：甲醇濃度： 28. 36 mol L；冰醋酸濃度： 0. 28 mol L；流量為1. 0 mL min時，試樣乙酰水楊酸的虛擬實驗與實際實驗結果的分析譜圖對比所示，兩者基本吻合。
4. 2虛擬實驗中的色譜參數結果對比
模擬的色譜流出曲線和基本參數的獲得為進一步的定量計算奠定了基礎，依據上述所建立的數學模型和色譜基本關系式，在虛擬實驗結束后，可自動計算列出虛擬實驗所得到的一系列參數和組分含量的定量模擬結果。給出的是乙酰水楊酸組分在虛擬實驗與真實實驗中得到的保留時間、峰高、峰面積、分離度、半峰寬、理論塔板數等的計算結果。由表中數據可見，半峰寬的模擬值與實驗值之間存在較大誤差，其原因可能包含兩個方面：一是所建立的數學模型存在一定偏差，曲線擬合的不夠準確，需要繼續改進；二是該數值較小，且取的有效數字位數少，與其它數據相比，絕對誤差并不大，但相對誤差較大。增加取值位數或改以秒為單位將會降低其誤差。
4. 3不同組成淋洗液對色譜保留參數的影響
液相色譜中，流動相組成的改變可使溶質在兩相中的分配系數改變，可以達到改善分離、調節出峰時間的目的。
4. 4不同流速對色譜保留參數的影響
液相色譜中流速的變化對柱效的影響較大，流量是一個調整分離度和出峰時間的重要參數。
5結束語
基于矢量動畫技術和ActionScript編程技術，在對保留參數預測模型研究的基礎上，構建了可在網絡上運行的場景式實時交互液相色譜虛擬儀器。所開發的網絡虛擬色譜儀仿真程度高，操作簡便，可在網絡上運行，功能較全面，能夠滿足儀器操作培訓、實驗教學的網絡學習等方面的需要，優化建立的乙酰水楊酸等保留值預測和色譜流出曲線模型簡練實用，與實驗值的吻合程度高，在儀器操作培訓、色譜實驗的網絡學習等方面具有較大的應用價值。并為網絡型虛擬儀器的開發進行了有益探索。本文對更多類型組分及梯度淋洗下的保留值預測還有待深入。
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