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。条件查询设置根据体系名称、实验日期和实验员姓名三种方式,通过搜索栏输入已知条件,定位到待查询的实验名称,展示查询实验的历史数据。3 数据库设计3.1 数据表设计根据系统需求和功能,设计实验信息表,用于存储导入体系的相关信息,包括体系名称、实验温度、初始混合物配比、单次加液量、搅拌时间、静置时间和搅拌方式、实验员姓名和实验时间；设计分实验数据表,用于存储仪器采集的实验数据,包括实验次数、油相、乳化剂、含水量、电导率、光照值；设计实验映射表,用于存储相应体系的分实验名称和处理状态。设计好数据库后,将其导入 PowerDesigner 进行建模,得到本次系统的 E-R 图如图 4 所示。Sub_experiment1_dataPnumPtimePoilPwaterPemulsifierPconductivityPbrightness1Pbrightness2varchar(2o)varchar(20)varchar(30)varchar(10)varchar(30)varchar(10)varchar(10)varchar(10)PsystemnamePtemperaturrePaddwaterPstirtimePstirmodePstandingtimePuserPtimePkmexperiment_infovarchar(20)int(10)int(10)int(10)varchar(20)int(10)varchar(10)datetimevarchar(5)Experimental_mappingPsystemnameSub_experiment1nameSub_experiment2nameSub_experiment3nameSub_experiment4nameSub_experiment5nameSub_experiment6nameSub_experiment7nameSub_experiment8nameSub_experiment9namePsub1statePsub2statePsub3statePsub4statePsub5statePsub6statePsub7statePsub8statePsub9statePtimePuservarchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)varchar(20)int(5)int(5)int(5)int(5)int(5)int(5)int(5)int(5)int(5)datetimevarchar(10)图 4 E-R 图Fig.4 E-R diagram3.2 数据库通用访问类设计系统设计数据库通用访问接口,用于从多个数据表中获取业务数据和在多个页面对数据库进行重复操作,使应用程序能够高效、快捷的访问数据库。4 系统实现微乳液相图数据处理与绘制系统基于.NET 平台的WinForm 框架和 C#语言完成开发。系统使用 MySQL数据库存储和管理微乳液实验数据,利用 ADO.NET 技术实现与数据库的交互。4.1 数据库通用访问类实现系统调用ADO.NET的MySQLConnection、MySQL-Command 和 MySQLDataReader 通用类,设计本系统的静态通用访问类库 MySQLHelper,实现与数据源连接,向数据源提交操作指令和接受返回值。针对系统功能需求,在 MySQLHelper 类库中创建用于数据库增、删、改的 Update()方法,调用 MySQL-Command 类的ExecuteNoneQuery 方法执行增删改的SQL语句实现。创建用于获取单个结果集的GetOne-12软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWAREResult()方法,调用MySQLCommand类的ExecuteScalar方法执行查询SQL语句来实现。创建用于获取多个结果集的GetReader()方法,调用MySQLDataReader 类的Execute-Reader方法来实现。实例化MySQLConnection类对象和数据源连接字符串完成数据库的连接。4.2 实验信息录入页面使用 Label 和 TextBox 控件搭建一个信息提交表单。用户在导入实验数据之前填写操作环境信息和实验体系相关信息,然后点击“提交”按钮保存到数据库中,功能页面如图 5 所示。图 5 实验信息录入页面Fig.5 Experiment information entry page4.3 实验数据处理4.3.1 导入数据页面提供两个下拉框展示待导入的实验体系名称和初始混合物质量比。页面还设置一个实验信息明细栏显示导入数据成功后的实验相关信息,功能页面如图 6 所示。图 6 导入数据页面Fig.6 Import data page4.3.2 数据清洗页面设置表格来展示导入的数据,使用 GroupBox控件和环形图展示单行的数据明细。设置“图表预览”和“噪声清除”按钮,用户点击“图表预览”查看导入的电导率、90散射光强和检偏器透射光强趋势图,如果有异常数据,点击“噪声清除”按钮删除数据库中该次实验。功能页面如图 7 所示。图 7 数据清洗页面Fig.7 Data cleaning page4.3.3 处理与可视化该模块主要将导入的电导率数值、90散射光强和检偏器透射光强进行处理,转换成电导率-水曲线、浊度变化和液晶相关趋势图并展示在系统页面。本部分页面中展示数据均来自微乳液相图检测装置实验采集的结果,实验以单硬脂酸甘油酯（GMS）作为油相,硬脂酸聚烃氧酯（S-40）与泊洛沙姆（F-68）作为混合乳化剂8。（1）电导率数据处理。数据库表中电导率数据形式为 实验次数,电导率值,对应到坐标系中是离散点。由于仪器实验过程中体系的不稳定性,连接的散点图参差不齐,不适用于绘制电导率-含水量曲线。该模块调用 MathNet.Numerics 库中的高次多项式拟合方法,拟合电导率-水的散点图,不仅得到了电导率随含水量的变化曲线,还起到了数据降噪效果。图 8 电导率数据拟合Fig.8 Conductivity data fitting如图 8 所示即原数据散点图和拟合曲线的对比图,拟合效果由 R2代表,越接近 1,表示曲线拟合效果越13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好,图中显示为 6 阶多项式拟合效果。（2）散射光数据处理。在微乳液相图检测装置中,测量体系的浊度变化是通过实验皿侧面的光照传感器采集的亮度值来表示的,遵循的是 90散射式浊度检测法9。在入射光不变的情况下,90散射光强与浊度成正比,浊度的测量可转换成散射光强度的测量10。系统后端通过散射光强与浊度的线性关系,将导入的散射光照值换算成浊度值,存进数据库,并绘制浊度-实验次数的趋势图,展示随着含水量增加实验体系浊度的变化过程。功能页面如图 9 所示。图 9 浊度变化趋势Fig.9 Turbidity variation trend（3）液晶相数据处理。液晶相可以通过是否发生双折射现象来判别11。一束光透过液晶相,发生双折射后变为两束线偏振光,且振动方向几乎垂直。通过检偏器观察这两束线偏振光,皆会出现强弱变化和消光现象12。系统导入的检偏器透射光强数据来自微乳液相图检测装置,装置中透射光强检测结构如图 10 所示。光源光照传感器检偏器出射光实验皿入射线偏光起偏器图 10 装置液晶检偏结构图Fig.10 Structure diagram of liquid crystal deviation detection of the device检偏器与起偏器振动方向呈垂直状态,透过起偏器射出的线偏光经过实验皿,入射检偏器,几乎完全被遮蔽,所以采集透过检偏器的光照值很小,几乎是0（因为偏振片没有完全消光）。若实验的体系中产生液晶相,由于双折射,入射线偏光透过实验皿变成了两束线偏光,有一束未被检偏器遮挡,透过检偏器检测到的光照值会变的很大。基于上述原理,根据数据库中的检偏器透射光强数据,绘制检偏器透射光强与实验次数趋势图,展示在页面上,方便用户判断是否有液晶相发生。功能页面如图 11 所示。4.4 伪三元相图绘制系统后端遍历数据库表中浊度数据,寻找澄清-浊度转折点 P,根据 P 点处对应的含水量,计算当前体系中油相、混合乳化剂相、水相的质量分数 P(m1%,m2%,m3%)作为相变点数据。在所有相变点中找到微乳成型临界点,然后绘制相图。页面设置状态栏,显示不同质量比实验的处理进度,勾选框显示是否处理完成。所有实验全部完成,点击“生成”按钮生成伪三元相图,展示在页面右侧。后端创建一个新的进程,执行用于绘图的.py 文件,调用 Python 中的 Ternary 包和 Matplotlib 包。将表格中展示的微乳区临界点数据作为参数传给 Python 程序,绘制相图并展示到系统页面上。功能页面白盒测试如图 12 所示。图 12 相图绘制界面Fig.12 Phase diagram drawing interface4.5 历史查询由于数据库表中“实验名称”字段的唯一性,模糊查询根据用户输入的字符与数据表中实验名称字符匹配的方式,将所有符合的实验体系和相关数据都显示在页面上。条件查询时根据用户输入的条件遍历数据库中所有的实验体系,将符合的体系和相关数据显示到页面 图 11 检偏器透射光强趋势图Fig.11 Trend diagram of transmitted light intensity of polarizer14软 件第 43 卷 第 12 期SOFTWARE中。功能页面如图 13 所示。5 结论基于.NET 开发的微乳液相图数据处理与绘制系统,将微乳液检测装置采集到的数据导入清洗,展示电导率、浊度、液晶相的变化趋势,并获取相变点,生成伪三元相图。针对历史数据,系统设置历史数据查询功能,用户可以通过不同方式查询历史实验数据。该系统提出了一种新的微乳液数据处理与相变判断方法,相较于传统目测法判断相变和绘制相图,提高了相变点的可靠性和精确度,减少了人为因素带来的误差。但是系统功能中未涉及微乳区相态判断和面积计算,后续可以继续完善此方面,使得系统能够更好的应用于微乳液相图制备实验。参考文献1韩冰,郑野,徐嘉,等.微乳体系的制备及其稳定性研究进展J.食品与发酵工业,2020,46(24):284-291.2杨哲,郭爽,张永民.微乳液的基本理论及应用J.中国洗涤用品工业,2020(8):81-89.3余丹妮,王一淑,丛瑞,等.三组分体系相图教学实验微乳的制备J.化学教育(中英文),2021,42(24):59-66.4潘国梁,贾晓斌,魏惠华,等.药用微乳伪三元相图的几种制备方法比较研究J.中国药房,2006(1):21-23.5殷代印,吕红涛,王东琪.微乳液在油气田开发中的应用J.化学工程师,2022,36(3):63-68.6樊丽雅,胡丽,张璐,等.苦杏仁苷自微乳的制备及理化性质的研究J.中国现代应用药学,2022,39(4):475-479.7顾宁,金娟,陈功,等.一种控温微乳液相图的自动化检测装置及方法:中国,CN202110060988.0P.2021-06-01.8陆杨燕,夏强,夏勇,等.载药微乳液相行为的研究J.物理化学学报,2005(01):98-101.9管轶华,项志强,郜晚蕾,等.一种在线式超低量程浊度高精度测量传感器研制J.无线通信技术,2022,31(1):30-35.10倪亮,刘冠军,邹君,等.一种低量程在线式浊度仪的研制J.仪表技术与传感器,2018(12):50-53.11张永民.微乳液在化妆品中的应用J.中国洗涤用品工业,2018(10):54-58.12张雅男,戈戋,刘国栋,等.基于光强测量溶液旋光率实验的讨论与改进J.大学物理,2020,39(10):42-47.图 13 历史数据查询界面Fig.13 Historical data query interface5 结语本文设计并实现了基于 MongoDB 存储架构的蒙古高原家畜基因组大数据管理系统。该系统比采用关系型数据库的传统系统具有更好的性能,提供给用户高性能、无模式和自动扩展的数据存储。另外,该系统的构建能够为从事蒙古高原家畜研究的科学工作者提供方便和帮助,并能够为相关数据库的构建积累经验。参考文献1黄廷华,曹建华,余梅,等.猪专门化分子生物学数据库的建立及其初步应用J.猪业科学,2006,23(2):19-20.2张文广,陈铭,李金泉.绒山羊分子生物学数据库设计与构建J.中国生物工程杂志,2005(4):199-203.3胡泉军.牦牛基因组数据库建设D.兰州:兰州大学,2014.4赵永强.基于NoSQL的特色数据库系统研究J.图书馆工作与研究,2018(S1):97-99+124.5徐旭平,李小勇.基于MongoDB的元数数据管理理研究J.信息技术,2018,25(8):95-101.6郭远危.大数据存储MongoDB实战指南M.北京:人民邮电出版社,2015.7邱新忠.基于MongoDBGridFS的地图瓦片数据存储研究J.地理空间信息,2016,17(2):50-52.8杨宏章.MongoDB分布集群方案部署J.中传媒科技,2021,31(3):111-113.9刘仪轩.基于MongoDB的排水设施监管养护系统的应用与研究D.上海:东华大学,2020.10符永琦.基于MongoDB的高可用性分布式数据库集群技术研究J.信息技术与信息化,2020,36(9):56-58.上接第8页