微乳液相图数据处理与绘制系统的设计与实现_胡嘉.pdf

SOFTWARE2022软 件第 43 卷 第 12 期2022 年Vol.43,No.12基金项目：国家自然科学基金重点项目（51832001）作者简介：胡嘉（1997）,男,硕士研究生,研究方向：智能信息处理与软件技术；夏强（1971）,男,博士,教授,研究方向：生物医学工程；胡文昕（1997）,男,硕士研究生,研究方向：智能信息处理与软件技术。通讯作者：陈功（1969）,男,博士,研究员,研究方向：生物医学工程、智能信息与软件处理。微乳液相图数据处理与绘制系统的设计与实现胡嘉1 夏强3 胡文昕1 陈功2（1.南京中医药大学人工智能与信息技术学院，江苏南京 210023；2.南京中医药大学附属医院，江苏南京 210029；3.东南大学生物科学与医学工程学院，江苏南京 210096）摘要：目的：目测滴定法是绘制微乳液相图常用的方法。通过肉眼观察微乳成型临界点,计算相变点处各含量百分比,然后使用外部工具绘制伪三元相图,过程比较复杂。为了提高实验效率和相变点的精确度,在控温微乳液相图自动化检测装置的基础上研发微乳液相图数据处理与绘制系统。方法：采用三层架构模式和 WinForm 框架搭建系统,使用 MySQL 数据库存储数据和 ADO.NET 技术与数据库交互。结果：系统能够自动化处理实验数据、计算相变点各组分含量、判断微乳临界点和绘制伪三元相图。结论：与传统处理方法相比,系统不仅操作简单,数据处理效率高,而且减少了由人为因素带来的实验误差。关键词：微乳液；伪三元相图；相变点；数据处理中图分类号：R318;TP39文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2022.12.003本文著录格式：胡嘉,夏强,胡文昕,等.微乳液相图数据处理与绘制系统的设计与实现J.软件,2022,43(12):009-014Design and Implementation of Microemulsion Phase Diagram Data Processing and Plotting SystemHU Jia1,XIA Qiang3,HU Wenxin1,CHEN Gong2(1.School of Artificial Intelligence and Information Technology,Nanjing University of Chinese Medicine,Nanjing Jiangsu 210023;2.Affiliated Hospital of Nanjing University of Traditional Chinese Medicine,Nanjing Jiangsu 210029;3.School of Biological Sciences and Medical Engineering,Southeast University,Nanjing Jiangsu 210096)【Abstract】：Objective:Visualinspectionofthetitrationmethodisacommonmethodtodrawthephasediagramofmicroemulsion.Bynakedeyesobservingthemicroemulsionformingcriticalpoint,calculatingthecontentpercentageatthephasetransitionpoint,andthendrawingpseudoternaryphasediagramusingexternaltools,theprocessismorecomplicated.Toimprovetheexperimentalefficiencyandtheprecisionofphasetransitionpoint,amicroemulsionphasediagramdataprocessingandplottingsystemwasdevelopedonthebasisofcontrollingtemperaturemicroemulsionphasediagramautomateddetectiondevice.Method:Itusesthree-tierarchitecturemodeandWinFormframeworktobuildthesystem,usesMySQLdatabasetostoredataandADO.NETtechnologytointeractwiththedatabase.Result:Thesystemwasabletoautomaticallyprocesstheexperimentaldata,calculatethecontentofeachcomponentatthephasetransitionpoint,judgethemicroemulsioncriticalpointanddrawpseudoternaryphasediagram.Conclusion:Comparedwithtraditionalprocessingmethods,thesystemnotonlyhassimpleoperationandhighdataprocessingefficiency,butalsoreducestheexperimentalerrorcausedbyhumanfactors.【Key words】：microemulsion;pseudo-ternaryphasediagram;phasetransition;dataprocessing基金项目论文0 引言 微乳液是一种透明的、热力学稳定的分散体系1。微乳液相态分为水包油型（O/W）、油包水型(W/O)、双连续型(BC)、液晶态(LC)和浑浊态,其中前三者属于微乳区2。区分微乳区相态的主要方法是通过电导率渗滤模型3和电导率-含水量曲线。液晶态需要用偏光显微镜来区分,有双折射现象的为液晶相4。澄清与浑浊态主要通过目测法来判断,往往很难准确判断体系中10软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWARE澄清与浑浊的转折点,且结果偏差较大。三元相图法是研究微乳液平衡相组成的主要方法,可以得到相行为的详细信息5。由于微乳液中常含有助乳化剂,为了研究方便,研究微乳液常使用伪三元相图6。在绘制伪三元相图时,需要先判断相变发生位置,然后人为的计算出相变点位置处油相、乳化剂（含助乳化剂）混合物相、水相所占的质量百分比,最后使用 Origin 等绘图软件进行绘图,过程较为复杂。东南大学顾宁院士课题组提出一种控温微乳液相图自动化检测装置7,完成微乳液制备实验的操作流程,包括实验搅拌、自动加液、采集数据以及保持恒温环境等。装置中设置光照传感器,采集 90散射光强对应浊度变化趋势。采集检偏器透射光强用于判断体系是否发生双折射现象,用于判断液晶相。使用电导率传感器检测实验中电导率变化,用来区分微乳区各相态。但是该装置仅用于微乳液体系实验的恒温控制和乳液制备过程,并未涉及相图的绘制功能。基于以上研究现状,在控温相图检测装置的基础上,设计和研发微乳液相图数据处理与绘制系统,作为装置的后续软件,处理由装置采集的实验数据并绘制相图。1 系统总体设计1.1 系统架构微乳液相图数据处理与绘制系统结构采用三层架构模式,分为表现层、业务逻辑层和数据访问层,如图 1所示。表示层是与用户交互的界面,系统在该层使用Winform 窗体框架中的控件搭建完成。业务逻辑层介于表现层和数据访问层之间,用于实现系统具体功能,包括信息录入、数据清洗、图表展示、判断相变和计算相变点数据等。数据访问层主要实现对数据库的操作,将存储在数据库中的数据提交给业务层,同时将业务层处理的数据保存到数据库。系统在该层调用 ADO.NET连接模型的 MySQLConnection、MySQLCommand 和MySQLDataReader 公共类,设计数据库通用访问接口,实现数据访问层与数据库的交互。1.2 功能模块微乳液相图数据处理与绘制系统主要功能是将实验装置采集到的数据进行处理和判断相变,然后绘制实验体系的伪三元相图。同时系统还增加了历史数据查询功能,方便用户存档和使用。系统功能模块设计如图 2 所示。微乳液相图数据处理与绘制系统装置数据处理历史数据查询实验信息导入数据处理三元相图绘制模糊查询按条件查询装置操作信息体系相关信息导入数据数据清洗处理与可视化相变判断绘制相图根据日期查询根据体系名查询根据实验员查询图 2 系统功能模块图Fig.2 System function module diagram2 系统功能设计2.1 装置数据处理模块该模块是系统的主体功能,用于处理微乳液相图检测装置采集的实验数据,分为实验信息录入、数据处理和绘制相图 3 个子功能,模块操作流程如图 3 所示。实验信息录入相变判断获取相变点相图绘制start数据处理处理与可视化数据清洗导入数据end仪器图 3 数据处理模块操作流程图Fig.3 Operation flow chart of data processing module2.1.1 实验信息录入在处理数据之前,先录入实验相关的信息,便于存档和历史查询。录入实验中仪器的搅拌方式、搅拌时间、静置时间、设定温度以及单次加液等作为操作环境信息。录入体系名称、实验时间、实验材料、初始材料质量比、仪器型号以及实验员姓名等作为实验体系相关信息。2.1.2 数据处理（1）导入数据。导入的数据来源于微乳液相图检测装置实验采集的结果,导入数据的字段包括实验次数、实验温度、初始材料、含水量、电导率、90散射光强图 1 系统三层架构设计Fig.1 System three-tier architecture design数据库表示层(UI)业务逻辑层数据访问层用户请求返回数据用户请求返回数据11胡嘉夏强胡文昕等：微乳液相图数据处理与绘制系统的设计与实现和检偏器透射光强。在导入数据时需要选择待导入的实验体系名称,实验名称需同录入的名称一致。微乳液制备实验按初始混合物质量比分为 1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1共 9 次分实验,所以在导入页面还需要选择待导入分实验的质量比。（2）数据清洗。由于数据来源于微乳液相图检测仪器采集的结果,可能会有突变点和异常数据,影响后续相变点的判断。数据清洗功能分为数据展示、图表预览和噪音清除三个部分。页面展示导入的数据和实验相关信息,绘制电导率、90散射光照光强、检偏器透射光强的趋势图供用户预览。通过趋势图判断是否有突变点和异常数据,选中表格中噪音数据所在行,进行噪音删除。（3）处理与可视化。在微乳液相行为研究中,电导率-含水量曲线、浊度变化、液晶态相关数据对于体系各相态判断有着重要意义。而系统导入的数据是仪器单次实验完成后采集的电导率数值、90散射光强和检偏器透射光强,需要进行处理,才能用于体系相变判断。根据导入的 90散射光强数据,通过散射光式浊度测量法和散射光-浊度的线性关系,将导入的散射光强换算成浊度值。绘制浊度变化趋势图,为后续判断相变发生位置和绘制伪三元相图提供参考。根据导入的电导率数据,绘制并展示电导率随含水量增加的曲线图,方便用户通过电导率-含水量曲线判断微乳区各相态。根据导入的检偏器透射光强数据,绘制并展示透射光强与实验次数的趋势图。方便用户通过液晶相双折射检偏原理判断体系中有无液晶相发生。2.1.3 伪三元相图绘制根据数据库表中浊度数据,判断实验澄清与浑浊相变发生位置。根据该位置对应的含水量计算当前体系中各组分的质量分数,记为相变点数据,并展示到页面表格中。通过所有相变点判断微乳成型临界点,然后根据临界点各组分质量分数绘制伪三元相图。2.2 历史数据查询模块该模块用于查看数据库中保存的历史实验数据,便于用户查阅和复现实验。查询方式分为模糊查询和条件查询两种。模糊查询功能便于用户在已知较少实验信息时,定位到待查实验的大致范围。条件查