离子色谱工作站的设计与实现.doc

于重玲青岛科技大学山东 青岛 &*+(,摘 要-叙述了一种离子色谱工作站的设计与实现$ 给出了其系统结构及主要功能提出了系统中的几个关键技术实现了工作站在谱图数据处理上的自动化和智能化$,关键词-离子色谱工作站*分析方案*积分*校正因子,中图分类号- # &./#/0.,文献标识码- 1,文章编号-!*23.*4.*+(*$3*%$3*+世界性的科学技术和生产的发展!进步推动了分析化学的发展 而色谱分析作为分析化学的重要 组成部分 从一出现就对科学的进步和生产的发展 起着重要的作用# 色谱法作为一种重要的分离和分 析方法广泛应用于生产实践中$ 目前色谱法是生命 科学%材料科学!环境科学!医药科学!食品科学!法 庭科学以及航天科学等研究领域的重要手段 各种 色谱仪器已经成为各类研究室! 实验室极为重要的 仪器设备$ 随着计算机技术的发展将计算机应用于 色谱分析不仅可以快速计算大批的数据 而且可以 发挥计算机在图形图像处理方面的优势$ 通过计算 机 可以将色谱仪器采集到的离散的数据转变成可 视化的色谱图供分析人员参考!处理及存储这就 是现在处于前沿的色谱分析技术&色谱数据工作 站$ 由于色谱法的不同色谱数据工作站便具有了多 种形式 我们所开发的离子色谱工作站便是其中的 一种$理判别信号并计算和输出实验结果*离线运用了专家智能系统对数据进行后处理 使得色谱工作站在 数据处理方面具有如下功能)色谱峰的识别!基线的 校正!重叠峰和畸峰的解析计算峰参数包括保留 时间!峰高!峰面积!半峰宽等(定量计算组分含量定量方法有归一化法!内标法!外标法等($ 色谱工 作站在对重叠峰的数字处理时 一般采用中切法和 高精度拟合法后者有更高的准确度$ 色谱工作站的 软件还有谱图再处理功能 包括对已存储的色谱图 整体或局部的调出!检查*色谱峰的加入或删除*调 整色谱图放大!缩小*色谱图的叠加和相减运算*人 工调整色谱峰的起落点等$ 在采集数据的同时可在 前台运行其他应用软件$本系统针对生产实际分析数据来源理清各种 数据的组织形式 建立适合计算机操作和处理的数 据对象$ 根据色谱分析的专业知识形成分析色谱数 据的方案完成通过串口与色谱仪器通信的过程建 立处理色谱数据的算法将各种不同的文本!图形信 息整合与组织 得到结果报告 完成色谱分析的任系统概述简单来说!色谱数据工作站就是利用计算机来务$样品其数据分析流程如图!所示)进行色谱仪器控制%数据采集运算的系统$ 色谱仪器通过色谱数据采集卡和色谱仪器控制卡与计算机连 接在色谱工作站软件控制下可以对各种色谱检测 器输出的色谱峰的模拟信号电压信号(进行转换% 采集%存储和处理并对采集和存储的色谱图进行分 析校正和定量计算最后打印出色谱图和分析报告# 我们根据实际需要把色谱工作站分别设计开发 为在线和离线两大模块# 在线特点)在线工作模块根 据进样采集到的实验信息 记录信号并对其进行处模拟电数字电分析结!压信号压信号果输出图!数据分析流程若对色谱工作站进一步细化 则其工作流程如图所示$模拟电数字电电压值!压信号处理!压信号分析结!结果输出图色谱工作站工作流程,注-此项目为青岛市科技发展计划项目$形成结果报告数据处理分析方案数据采集包谱工作站采集卡分析仪器!$该通道是否 已经打开(#/!$或更高分辨率的彩色显示器!$数据采集卡一块!%至少带.个有效的窄型串口!0!软件环境操 作 平 台 %1! 位 的 ()*+,- 23&()*+,-!&()*+,-45操作系统!工 具 环 境 %6(-789 :8-(; $0 及 技 术 &(;?+-+A (;B&;B-2C!系统实现方案0.系统结构 整个系统的基本框架如图1所示%$#$处$ $ $图$图1 色谱工作站基本框架0!功能模块根据色谱工作站的工作流程# 本系统共分为四 大主要模块%设置分析方案&数据采集&谱图处理&结 果报告#这四大模块是整个系统的核心部分! 各模块 具体功能如下%0!0.设置分析方案模块所谓分析方案是指完成某一样品分析所需的一 套完整设置#它包括采集参数&峰检测参数&定量方 法&报告设置等诸多内容! 分析方案可以被编辑存储 及调用#选择合适的分析方法至关重要#以下的几个 模块皆是在以它为前提的基础上进行操作的!退出采集界面图%数据采集流程等不规则峰!自动跟踪和校正基线漂移!强大的谱峰手工处理功能#如调整峰起始点 及终止点&移动分割线&强制垂切&强制拖尾&谱峰删 除等!保存谱图的手工处理操作#并且可以随时恢 复到原来状态!灵活的谱峰缩放功能#通过放大&缩小单个谱 峰#可以使一张谱图中的每个谱峰都能以较好的峰 型显示出来!谱图对比功能多张谱图在同一个坐标系中 对比显示$#用来比较相同样品不同针次的重复性! 0!0% 结果报告模块谱图可以任意缩放和移动位置! 选择打印谱图和分析数据! 谱图自动分页和连续打印! 根据需要自行设置打印内容的字体&颜色等属性!#系统实现关键技术数据采集模块0!0!色谱信号自动采集# 最多可以满足两个通道同时采集不同通道对应独立的显示窗口#同时显示 每个通道色谱图的变化情况!实时显示和分析信号的变化情况! 定时功能#实现信号采集自动停止! 在此仅以数据采集模块的流程图图%$为例#介绍本系统各个模块的详细设计!#谱图处理模块设定积分参数#自动完成谱峰识别和面积积信号采集#0.否谱处 理谱 图 比 较谱 峰 检 测定 量 计 算结 果 报 告系 统 界 面分 析 方 案帮助窗口谱图编辑后理采集设置文件主界面态$测试通道是否准否备好E 次机会$接$接收数据或状态并 设 置 $%& 值 接收态是&$F98G 标志位$收态 H 发送$是继续通信发送指令指示采集卡工作发送启 动 A(DB? 事 件并发送采集指令点击采集按钮或快捷菜单中采集项$换另一通道打开显示采集界面否是采 集 模 块 选 择 了 !#$%& %#( 提 供 的 一 个 名 为)*+,-的通信控件来实现该功能!它通过串行端 口传输和接收数据!具备基本的串行通信能力!其通 讯设置值为./011!2!3!4.本系统通信采用串行同步传输方式 由于本程 序是单机与采集卡硬件通信!单机为主动方!向采集 卡发送指令!从采集卡接收数据或状态!通信简单并 且时间间隔短!因此采用垂直校验!出错时采用重发机制 数据以不等长字节存放!每次前564个数据进 行垂直异或!将所得7校验和.存放于第5个数据中! 附数据末尾发送出去!接收方在收到的564个数据的组数据谱图积分积分就是在数据采集系统采集到的信号中确认 峰!并计算峰的面积和峰高 积分是定性与定量计算 中必不可少的前提步骤 色谱工作站积分时!先是辨 别每一个峰的开始及结束时间! 并用符号标记这些 点!同时寻找这些峰的顶点!确定保留时间!然后建 立基线!计算峰面积#峰高!最后根据分析方案中设 置的积分参数判别该峰是否是合格峰! 并将相关信 息存入文件 积分流程如下$!89计算校正因子!峰 面 积有效峰有效峰峰峰信息 高图R积分流程当被分析样品的色谱峰被积分后! 色谱工作站就可以用这些数据进行定量计算 所谓定量是指使 用峰面积或峰高来确定样品中化合物的浓度! 包括 以下过程$弄清并鉴别所要分析的化合物%建立分析 含有这种化合物样品的方法% 分析含有已知化合物 浓度的一个或几个标准样品! 以获得该浓度下的响 应! 并计算出校正因子% 分析未知浓度的化合物样 品!以得到未知浓度的响应%将未知浓度的样品与标 准样品进行比较! 并利用标准样品的校正因子来确 定未知样品中化合物的浓度 由此可知!计算校正因 子是实现定量计算的关键步骤 定量分析方法有多 种!最常使用的方法有归一化法#外标法和内标法 在此仅以外标法来解释如何计算校正因子外标法是基本的定量方法!是在相同的条件下! 同时分析测定标准样品和欲测的未知样品! 将未知 样品的结果和标准样品的结果进行比较! 然后计算 未知样品中欲测组分的含量 外标法常用标准样品 作校正曲线! 用多个浓度不同的标准样品! 在浓度& 含量 和响应值& 峰面积或峰高 坐标中获得多个 点!然后用一条直线将这些点与原点进行线性拟合 其拟合算法如下$:; ?4:; ?A$A4 = $A4 B C;5D#44&! $AA = $AA E C;5D#44&! ! C;5D#44&! (AA = (AA E C;5D#44&! ! C;5D#AA&! 2FGD $4A = $A4$44 = ?A% & = &(44 ! $AA 6 (AA ! $4A H &$44 ! $AA 6$4A ! $A4I & = &(44 ! $A4 6 (AA ! $44 H &$A4 ! $4A 6$AA ! $44(44 = 1 (AA = 1$A4 = 1$AA = 12FGD 其中!?4为标准样品中的组分数%?A为不同浓 度的标准样品数%C;5D#44数组中保存的是各组分的 浓度值%C;5D#AA数组中保存的是各组分的峰面积或 峰高度%&校正曲线J=KLEM中的常数M%I&校 正曲线J=KLEM中的斜率K应用前景离子色谱&N+是高效液相色谱&OPQ+的一种! 是分析离子的一种新的液相色谱方法 由于操作简 便!对常见阴阳离子分析的高灵敏度!特别是对阴离 子和价态形态分析的突出优点!已广泛应用于环境# 电厂#半导体#食品卫生#石油化工和生命科学等领 域 目前!离子色谱工作站已成为应用领域最广泛! 对复杂样品的分离测定最有效的分析0存 储 峰 面 积 和 峰 高 数 据 !以便于下一步定量计算用计 算 峰 面 积和 峰 高确 定 基 线 及 保 留 时 间根 据 峰 检 测 参 数 识 别 峰 !判 定 峰 及 峰 类 型节(#)次增加到每秒调节*+$,-次!节性能% 现场控制总线存在的问题,!* 标准众多 用户无所适从从而改善了调一个控制系统!无论是采用%&还是采用现场总线!系统需要处理的信息量至少是一样多的% 实际 上!采用现场总线和智能仪表后!可以从现场得到更 多的诊断&维护和管理信息% 现场总线系统的信息量 增加了!而传输信息的线缆却减少了% 这就要求一方 面要提高线缆传输信息的能力& 减少多余信息的传 递% 另一方面要让大量信息在现场就地完成处理!减 少现场与控制机房之间的信息往返%如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆! 是没有理解到它的实质% 信息处理的现场化才是智 能化仪表和现场总线所追求的目标! 也是现场总线 不同与其它计算机通信技术的标志%目前!现场控制总线除了有*,种国际标准外!还有欧洲标准!而世界上其他国家还各有其国家标准! 如英国的./0&挪威的1$23等!一些国外的大公司还 推 出 自 己 的 标 准 ! 如 日 本 三 菱 的&45$26& 法 国789:;9;?A等 现在的现场总线!标准如 此之多!但没有一种能覆盖所有的应用面 因为目前现场总线有着)个层次! 即传送数据宽度以位#:B(计的传感器总线& 宽度以字节CDB9( 计的设备总线%9E:F9 ?A( 和宽度为数据流CGFH( 的 现 场 总 线 % 而且在每个层次中都存在着*对以上的竞争对手!这 就使用户无从选择%,I, 不同现场控制总线间互操作性差系统组态傻瓜化目前现场总线系统的组态是比较复杂的! 需要 组态的参数多!各参数之间的关系比较复杂!如果不 是对现场总线非常熟悉! 很难将系统设置到最佳状 态% 尽量减少总线上的信息往返!选择与该功能有关 的信息输出最多的那台仪表上的功能块! 以使系统 组态逐步傻瓜化%)I,现场总线的主要特点之一是可互操作性!但现有的*,种现场总线国际标准中! 异种现场总线之间是不能进行互操作的!虽说可以通过网关JKB9LKD( 通信或通过M#&M5. N #F9AA &8BG( 协议进行 互操作!但这种互操作只能在各自的主机间进行!不 能在彼此的现场仪表间进行%,I) 大型示范工程并不多见工程的规模越大! 现场总线的优越性越能得到 充分的体现!应用现场总线的说服力才会更大% 但目结 论现场总线的出现! 给控制领域带来了又一次革 命!但其深度与广度将超过历史上的任何一次!将开 创自动化的新纪元% 基于现场总线的控制系统!最后 将取代传统的%&! 而且一个统一的现场总线国际 标准必将会出现%O!上接第&页(工具之一% 离子色谱工作站的设计与开发符合学科 发展的潮流! 对国家经济和社会发展及环境保护有 着极大的社会效益&理论意义及实际应用价值!因此 具有广阔的应用前景%P参考 文 献QPRQ汪正范I色谱定性与定量$=%I北京)化学工业出版社!,+RIP,Q李光明IS:AKG CKA:FTI+大制作$=%I北京)冶金工业出版社!,+RIP)Q黄淼云!张学忠!王福成IS:AKG CKA:FTI+控件高手$=%I北京)中国电 力出版社!,+,IPOQ=:F7K9G 1GD;I用S:AKG CKA:FTI+开发通信应用程序$=%I北京)机械 工业出版社!RUUVIPQ李 鹏I计算机通信技术及其程序设计$=%I西安)西安电子科技大 学出版社!RUUWI!# $%&() *)+ ,-./%-%)0*01) 12 ,1) 341-*01(4*.5 6147&0*01)! #$%&()*&X:8Y;K Z8:E9N F:98F9 K8; 39F78GYD ! X:8Y;K (TT+O( ! &7:8K(!8&04*90)37:A KB:FG