Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

100

Рис. 4.1. Структурная схема полного программного обеспечения масс-спектрометра

Ядром программного обеспечения является главный интерфейсный модуль, обеспечивающий формирование главного окна пользовательского интерфейса, в котором интегрированы как все программные комплексы, так и все функции, выполняемые программным обеспечением. Модуль обеспечивает управление всеми функциями программного обеспечения либо с помощью опций “спадающих” меню, либо с помощью ”иконок”, выбираемых посредством мыши, либо “горячих” клавиш.

4.2.2. Функциональное назначение программных модулей

Программный комплекс сбора и накопления масс-спектров (ПК1) включает следующие программные блоки.

Блок диалога пользователя с ПК (персональным компьютером) вызывает диалоговое окно “Параметры эксперимента” на экран дисплея и обеспечивает возможность задания с клавиатуры параметров, определяющих режим записи и накопления массспектров. В “окне” предусмотрены ячейки, позволяющие вводить комментарий, определять имя файла, запускать процесс записи. Одновременно там же задаются количество точек на спектр, частота оцифровки и диапазон масс-спектра, определяемый выбранными каналами регистрации. Программный блок реализует выбранные параметры.

Блок записи масс-спектров обеспечивает запуск развертки с клавиатуры компьютера, выбор режима развертки (в зависимости от используемой методики), изменение скорости развертки (в случае анализа рабочего газа), определяет цикличность операций, связанных с разверткой.

Блок селекции масс-спектров производит оценку качества массспектров и их отбор по выбранному критерию

Блок коррекции масс-спектров по временной шкале - это программный блок, который анализирует положение пиков в массспектре, вычисляет их смещение и вводит поправку для каждого массового пика при сложении их с пиками предыдущих массспектров.

Блок формирования итогового масс-спектра обеспечивает «сшивку» масс-спектров, получаемых на выходе разных каналов

цифрового осциллографа с учетом коэффициентов усиления.

101

Это позволяет увеличить динамический диапазон измерения для однократных масс-спектров до 4–5 порядков.

Блок визуализации масс-спектров решает две задачи: 1) обеспечение (в режиме on-line) визуального контроля за процессом записи масс-спектров с целью получения информации о штатном его протекании, 2) визуализация итогового масс-спектра и обеспечение его просмотра на экране с произвольно выбираемым масштабированием по координатам. Он выполняет функции обработки информации, инициализации драйвера монитора и вывода масс-спектра на экран, выполнения масштабирования массспектра и т.п.

Программный комплекс первичной обработки масс-спектров (ПК2) включает следующие программные блоки.

Блок полуавтоматической калибровки масс-спектров обеспечивает выбор меток для калибровки, реализует калибровку спектра по выбранным пикам, вычисляет значения масс в зависимости от положения пика на шкале, градуирует шкалу масс и проставляет цифры на шкале.

Блок коррекции фона вычисляет аппроксимирующую функцию для фона и, используя ее, вычитает фоновый сигнал; формирует новый масс-спектр без постоянного или медленно меняющегося фона.

Блок вычисления интенсивностей осуществляет перемещение курсора по масс-спектру, производит фиксацию начала массового пика и окончания пика, вычисляет интегральную интенсивность по площади пика, обеспечивает запись вычисленных данных в память компьютера, формирует новый файл по результатам вычислений.

Блок формирования данных обработки масс-спектров обеспечивает формирование таблиц результатов вычисления интенсивностей пиков в форме удобной для вторичной обработки. Осуществляет стандартизацию результатов обработки с целью совместимости их с Exсel-таблицами.

Блок графического отображения информации анализирует ви- део-ресурсы компьютера, стандартизует форму графического представления масс-спектров, осуществляет вывод масс-спектра на экран, рассчитывает и расставляет шкалы координатной сетки, производит управление движением курсора по масс-спектру,

102

задает с помощью мыши границы масштабирования, пересчитывает масштабы в процессе трансформации изображения и т.п. Программный комплекс вторичной обработки масс-спектров

(ПК3) включает следующие программные блоки.

Блок статистической обработки, обеспечивает статистическую обработку результатов вычислений. Обработку ведет по стандартным формулам математической статистики.

Блок расчета концентраций элементов обеспечивает вычисление состава анализируемого образца по масс-спектрам.

Блок формирования таблиц результатов вычислений обеспечивает формирование таблиц результатов как конечных, так и промежуточных вычислений.

Блок визуализации результатов обработки обеспечивает вывод на экран как результатов конечной обработки, так и промежуточных результатов. Этот же блок дает возможность вывести на экран любой из обработанных масс-спектров.

Описание функциональных возможностей программного комплекса. Инициализация главного интерфейсного модуля производится путем нажатия левой клавиши мыши на иконке, находящейся на рабочем столе компьютера. Программное обеспечение (ПО) построено таким образом, что любой из программных комплексов, входящих в его состав, может быть активным. Более того, оно обеспечивает индивидуальную работу отдельных программных блоков, которые реализованы как самостоятельные единицы.

Важная часть программного обеспечения выполняет функции управления устройством автоматизированной регистрации массспектров (УАРМС). При этом реализована возможность проводить запись масс-спектров в различных условиях. Большой динамический диапазон измерения достигается путем одновременной регистрации масс-спектров одновременно на разных каналах цифрового осциллографа с разными усилениями и последующей сшивки записанных масс-спектров. При формировании итогового массспектра производится учет коэффициентов усиления, и все пики результирующего масс-спектра представляются в едином масштабе.

Программный комплекс первичной обработки масс-спектров выполняет четыре основные функции. Первая из них – калибровка шкалы масс и представление временной (или поканальной) шкалы

103

спектра в масштабе масс (а.е.м.). Предусмотрены два режима калибровки: полуавтоматический и автоматический. В первом случае калибровка производится путем проставления меток над известными массами (не менее двух) и пересчетом шкалы масс по соответствующей формуле в массовую. Во втором случае шкала масс проставляется по времени пролета, пересчитанного по известной формуле в значения масс.

Спецификой получаемых масс-спектров является наличие постоянного” пьедестала”. Это может быть обусловлено смещением “нулевого” уровня используемых АЦП. Независимо от природы нулевого уровня, его коррекция осуществляется одинаковым образом. Программа методом наименьших квадратов находит аппроксимирующую функцию для пьедестала и, используя полученную аппроксимирующую функцию, вычитает фоновый сигнал. Полученный итоговый масс-спектр вновь записывается в соответствующий файл.

После вычитания постоянного фона из масс-спектра производится вычисление интенсивностей массовых пиков. Предусмотрены два режима вычисления интенсивностей пиков: полуавтоматический и автоматический. В полуавтоматическом режиме курсор мыши последовательно устанавливается слева и справа от границы пиков и нажатием клавиши “пробел” вычисляется площадь пика. Результаты вычисления интенсивностей всех пиков заносятся в сформированную таблицу. Во втором режиме программа автоматического вычисления интенсивностей пиков отыскивает пики в масс-спектрах, определяет площади сигнала под кривой массовых пиков. Результаты вычислений также заносятся в таблицу.

Расчеты производятся индивидуально для каждого массспектра, а по результатам расчетов формируется таблица предварительных данных. Далее эти данные используются для статистической обработки результатов анализа.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Работа выполняется с ранее полученным спектром. Спектр представляет собой необработанный результат элементного анализа на лазерном масс-спектрометре.

104

Для выполнения лабораторной работы предлагается выполнить следующие задания по обработке спектра.

1.Произвести калибровку по массам.

2.Посчитать разрешение масс-спектра.

3.Посчитать соотношение сигнал/шум и оценить относительную чувствительность произведенного анализа.

4.По спектру многоизотопного элемента посчитать изотоп-

ные соотношения.

Порядок выполнения. Откройте выданный преподавателем масс-спектр. Спектр открывается двойным щелчком мыши по файлу или нажатием клавиши Enter.

1.Произведите калибровку. Для этого сначала нужно найти как минимум два пика с известной массой. Обычно такие пики находят по характерному для данного элемента соотношению изотопных пиков. Поставьте курсор на вершину одного из найденных пиков, нажмите клавишу Insert и введите соответствующую массу

склавиатуры. Сделайте тоже самое со вторым пиком. Калибровка производится уже после маркировки второго пика, но для повышения точности калибровки можно промаркировать еще несколько пиков в интересующей области масс-спектра. (Если вдруг значения масс были введены не правильно, калибровка спектра удаляется нажатием клавиши Delete).

Оцените точность калибровки на разных участках спектра.

2.Для измерения разрешающей способности выберите три пика в легкой, средней и тяжелой части спектра. Разрешение будем оценивать на полувысоте пика.

Поместите курсор на вершину пика и расширьте спектр по временной шкале нажимая клавишу F1 чтобы нужный пик был хорошо виден. Так же можно отмасштабировать пик при помощи левой клавишей мыши: не отпуская клавишу обведите участок спектра, который нужно увеличить, после этого выбранный участок займет все окно.

Поместите курсор на левый фронт пика на полувысоте, нажмите клавишу Home.

Поместите курсор на левый фронт пика на полувысоте, нажмите клавишу End.

105

Нажмите Space. Над спектром появятся числа со значениями левой и правой границы в единицах каналов АЦП и массе, а также разница между ними.

Для каждого пика отметьте положение пика на временной шкале по показанию цифры под курсором.

3. Чтобы посчитать соотношение сигнал/шум проделайте следующие операции:

Найдите самый интенсивный пик в спектре;

Поместите курсор на его вершине и расширьте спектр по временной шкале, нажмая клавишу F1, чтобы пик был хорошо виден.

Измерьте площадь пика. Для этого:

oпоместите курсор на левую границу пика, где уровень сигнала близок к фону, нажмите клавишу Home;

o найдите правую границу и нажмите клавишу End;

oнажмите Space. Над спектром появится числа со значениями левой и правой границы в единицах каналов АЦП и массе, а также посчитанная площадь пика.

Измерьте площадь свободного от пиков участка спектра на таком же временном промежутке как для пика.

Чтобы оценить изотопическую чувствительность, измерьте площадь под шумовой дорожкой после интенсивного пика в районе расположения следующей массы. Если там уже есть пик, то измерьте высоту сигнала слева и справа от этого пика и из этого найдите среднее значение высоты шума на интересующем нас участке.

4.Чтобы посчитать изотопные соотношения найдите в спектре элемент с несколькими изотопами. Измерьте площади для каждого изотопного пика.

Обработка результатов.

1.Постройте график отклонения соотношения М/Q измеренного в спектре по калибровке от таблично значения для нескольких (4-6) пиков находящихся в разных участках спектра. Для этого:

106

Поместите курсор на вершину пика, значение массы, вычисленное в соответствии с калибровкой, будет показано под курсором внизу спектра.

Измерьте значения найденных масс элементов в спектре для нескольких пиков по всей ширине спектра.

Для каждого из измеренных пиков определите элемент и соответствующий найденной массе изотоп и по таблице найдите истинное значение массы.

Постройте график отклонения найденных значений от табличных в зависимости от массы.

Сформулировать причины погрешности определения масс элементов с помощью программы, обеспечивающей калибровку массовой шкалы, от табличных значений.

2.Постройте график разрешающей способности, посчитанной для 4-6 пиков в разных участках спектра от массы.

3.Посчитайте соотношение сигнал/шум для данного спектра. Посчитайте изотопическую чувствительность.

4.Посчитать изотопные соотношения для выбранного элемента. Сравнить измеренные значения с табличными и посчитать относительную ошибку для каждого изотопа.

Контрольные вопросы

1.Какова роль программного обеспечения в автоматизации массспектрометрических приборов?

2.Какие задачи автоматизации решает программное обеспечение масс-спектрометра?

3.Какие программные комплексы имеются в программном обеспечении лазерного времяпролетного прибора?

4.Какие программные блоки входят в программный комплекс записи и визуализации масс-спектров?

5.Какие программные блоки входят в комплексы первичной и вторичной обработки масс-спектров?

6.Какие программные блоки входят в программный комплекс, обеспечивающий автоматизированное функционирование лазерного времяпролетного масс-спектрометра?

107

7.Какое назначение у программы селекции масс-спектров в лазерном времяпролетном масс-спектрометре.

Список рекомендуемой литературы

1.Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Схемотехника. - М.: Радио и связь, 1990. § 11.1 11.4.

2.Быстрродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров / Под. ред. А.-Й.К. Марцинкявичюса, Э.-А.К. Багданскиса. - М.: Радио и связь, 1988, Гл.2.

108