LA-ICP-MS网络虚拟实验室的研究与开发

陆 霞， 田 地， 何禹潼， 姚 立， 范润龙， 徐 倩

(1. 吉林大学 a. 仪器科学与电气工程学院; b. 地球科学学院， 吉林 长春 130061；2. 中国地质科学院地质研究所 北京离子探针中心， 北京 102206)



LA-ICP-MS网络虚拟实验室的研究与开发

陆 霞1a， 田 地1a， 何禹潼1a， 姚 立1b， 范润龙2， 徐 倩1a

(1. 吉林大学 a. 仪器科学与电气工程学院; b. 地球科学学院， 吉林 长春 130061；2. 中国地质科学院地质研究所 北京离子探针中心， 北京 102206)

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)是一种应用广泛的大型分析仪器。为了方便人们学习仪器的原理和分析方法，熟悉实验操作，采用PHP+MySQL+Apache技术构建基于B/S应用的网络模式，针对LA-ICP-MS仪器的特点，开发了网络虚拟实验室。该虚拟实验室具有课件点播、虚拟实验操作、教学管理等功能。其中，虚拟实验具有逼真的场景，可按真实仪器的基本操作过程进行各种模拟操作及谱图的显示；并提供了交互式操作导航来指导用户学习仪器的基本操作步骤。所开发的LA-ICP-MS网络虚拟实验室已应用到教学实践中并取得了较好的教学效果。

LA-ICP-MS； 虚拟实验室； 网络教学

0 引 言

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)能对固体材料进行微区、微量的原位成分分析及同位素分析，广泛应用于生物、地质、半导体、环境、医学、冶金、石油、核材料分析等领域。这种原位分析仪器需要用户按照自己的实验目的，亲自操作实验。实验前用户需花费一定机时来学习仪器原理及操作知识等，学习方式以现场为主。由于仪器价格昂贵，且需净化的实验环境，机时和实验空间有限，难以满足诸多学科教学和人员培训的需求，影响了该仪器的知识普及。

网络虚拟实验室已逐渐成为现代教育体系的一个组成部分。通过在网络上模拟操作过程和实验现象，使学生身临其境地经历实验操作、了解实验过程、观察实验现象，也能够充分培养学生实验的兴趣[1-3]。网络虚拟实验室改变了实验室传统的教学模式,打破了实验教学时间、空间和教学人数等限制, 缓解了实验资源紧缺问题[3-5]。目前，虚拟实验系统在各领域的教育中发挥了重要作用。例如美国卡内基梅隆大学的化学工作站[6]，美国斯坦福大学的生物医学实验室[7]，土耳其加齐大学的虚拟直流电机实验室[8]。国内在这方面虽然起步比较晚,但是发展速度较快, 例如华中科技大学、北京大学、北京师范大学等学校构建的网络虚拟实验系统[9-10]。2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。近年，用于实验教学的分析仪器虚拟实验平台也逐渐发展起来。例如色谱仪器的虚拟实验室[11-12]、色谱-质谱联用仪等的虚拟实验培训系统[13-15]，我们开发的电子探针虚拟实验室[16]；而针对LA-ICP-MS的虚拟实验平台尚未见报道。

本文研发了基于网络的LA-ICP-MS虚拟实验室。

1 总体设计

LA-ICP-MS虚拟实验室是一个基于网络的交互式教育系统，其整体框架设计如图1所示，主要由课件点播模块、虚拟实验操作模块和教学管理模块组成。此外，虚拟实验室还提供了主要仪器生产厂家和国内主流LA-ICP-MS实验室的网站链接，方便用户获取额外的学习资料。

系统采用PHP+MySQL+Apache技术构建基于B/S应用的网络模式，用户通过客户端的浏览器访问系统，实现LA-ICP-MS的在线学习。利用网页制作和MySQL数据库技术，仿真仪器的操作流程。Apache 作为Web服务器与客户端进行快速和安全的通信；MySQL用于管理用户信息，并存储分析结果数据库；PHP作为编程语言生成动态页面；Adobe Fireworks用于设计与优化用户界面。此外, 嵌入JavaScript 脚本语言以响应用户的操作和实现交互式模拟实验。

2 功能模块设计

2.1 课件点播模块

课件点播模块包括教学课件、仪器操作手册、应用及分析方法资料。远端用户可以随时随地通过浏览器

图1 虚拟实验室整体框架设计

点播学习。

(1) 教学课件。包含仪器概述、分析特点、应用领域、分析原理、仪器基本结构及各部件功能、分析方法等。

(2) 操作手册。包括LA-ICP-MS的操作流程、安捷伦7500ICP-MS的现场培训手册、193 nm激光器使用说明书等。

(3) 应用及分析方法资料。提供近年来LA-ICP-MS在应用和分析方法方面的文献。

2.2 虚拟实验模块

虚拟实验模块由虚拟激光剥蚀系统操作软件和虚拟电感耦合等离子体质谱仪操作软件组成，是整个系统的核心部分。用户可以通过该模块进行虚拟仿真实验。为了真实模拟仪器软件操作，采用活动按钮、下拉菜单和弹出式窗口等模拟功能界面和操作过程；采用动态方式模拟仪器状态的变化和结果的显示。此外，该模块还提供了交互式操作导航来指导用户学习仪器的基本操作步骤。在此，选择目前应用较多的矿物同位素年龄分析实验进行模拟。模拟的激光器剥蚀系统选择美国Coherent公司的193 nm固体激光器，电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)选择美国agilent7500a ICP-MS。

2.2.1 虚拟激光剥蚀系统操作软件

包含激光器的控制、分析位置选定及样品图像显示。

(1) 激光器控制。设置激光器工作模式、激光脉冲频率、激光的开与关等。

(2) 分析位置选定。虚拟驱动样品台改变样品分析位置，结合ICP-MS进行调谐与数据采集等虚拟实验操作。

(3) 样品图像显示。显示不同样品图像，并模拟激光剥蚀样品全过程。

2.2.2 虚拟电感耦合等离子体质谱仪操作软件

包含仪器状态监测、调谐、方法建立、数据采集等操作。

(a) 仪器状态监测(如图2)：模拟仪器状态变化过程，并根据仪器状态实现“点火”操作。

(b) 调谐(如图3)。结合激光剥蚀系统，模拟不同激光器状态，不同样品分析位置的调谐操作及效果。

(c) 方法加载(如图4)。模拟数据采集之前进行的方法加载操作，不同的分析方法对应不同的分析效果。

(d) 数据采集(如图5)。通过调用实验结果数据库和仪器仿真数据库来模拟分析结果随样品分析位置移动的变化情况。

图2 虚拟仪器状态监测面板

图3 虚拟调谐面板

图4 虚拟方法加载面板

2.3 教学管理模块

教学管理模块包括用户管理、课程管理和教学考核等。

(1) 对学生的申请进行使用授权。用户在允许权

图5 虚拟数据采集面板

限内参与虚拟仪器实验操作、在线学习等。

(2) 教师的权限。教师可以添加、删除、修改教学课件，发布课程信息，进行相应的课程管理。

(3) 师生互动。学生可以通过在线测试对自己的学习效果进行评估，老师也可以根据学生的测试结果制定相应的教学策略。

3 开发的关键技术

3.1 虚拟样品台的移动

在输入框输入参数大小，点击 “goto target” 按钮可以设定样品台位置，也可以双击样品图像相应位置进行设定。本文采用JavaScript 脚本语言实现样品台的移动。记录样品台的原始位置(x,y,z)和用户输入的数值(x1,y1,z1)，当用户点击 “goto target” 按钮，则根据两组数据进行运算，获得样品台移动的方向和距离，从而虚拟样品台移动。获取鼠标所在位置，当鼠标移动到样品图像区域并双击时，将鼠标位置参数与适当的数值进行运算，从而达到前一种方法的效果。

3.2 虚拟调谐参数的输入

在调谐过程中，用户需要对实验参数进行修改，以达到较好的实验效果。本软件设置了26个调谐参数，这些参数要求在一定的范围内改变。采用JavaScript脚本，当用户点击某个参数，便会出现调节该参数大小的滚动条和输入框；用户拖动滚动条或在输入框中输入参数值，软件的后台便会区分属于哪个参数，将该参数值存入数据库中，并动态显示相应的调谐结果。

3.3 交互式操作导航的设计

对于初学者而言，在完全没有提示的情况下学习仪器软件的操作是很困难的。因此，本文在实现虚拟实验的同时，设计了交互式操作导航来指导用户学习仪器的基本操作步骤。虚拟实验时，通过监测鼠标的动作、键盘的输入指令等，根据实验进行的步骤，弹出红色指示框提示正确操作。

4 结 语

本文研发的LA-ICP-MS网络虚拟实验室(http://vlab.xlims.cn/icpms/index2.php)属于中国科技资源网的一个服务平台，提供开放式的虚拟实验资源，使没有该仪器资源的用户能通过网络学习仪器的相关知识。并在吉林大学进行了本科生及研究生专业课程的教学应用，主要应用课程有分析仪器、现代分析测试技术、分析测试实验等。该虚拟实验室能够使学生在进入实验室之前初步学习仪器原理、结构和基本操作，节省了仪器培训机时。

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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

国家“211”工程项目“高等学校仪器设备和优质资源共享”(CERS—2—9)；国家科技基础条件平台项目(DDK14—018)

陆 霞(1988-)，女，广西玉林人，硕士生，研究方向：网络实验室。Tel.：18844092662; E-mail：luxiahh@126.com

田 地(1958-)，男，吉林长春人，博士，教授，研究方向：分析仪器测控技术与软件。

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

TP 391.9

A

1006-7167(2015)11-0120-04