基于树莓派的开源色谱记录仪

一种基于树莓派的低成本开源数字条形图记录仪，用于色谱检测器

摘要

色谱分析中最关键的方面之一是有效的数据采集与处理。典型的方法包括为特定仪器设计的软件平台或商用数据采集硬件板，二者均需要昂贵的许可证才能使用和操作。为了提高色谱数据采集的可及性和经济性，特别是针对那些软件控制已过时或必须自行编写软件的系统，开发了一种开源数字条形记录仪。该系统基于树莓派单板计算机和一个带有必要集成电路用于数据采集的插接式印刷电路板。利用一种名为Processing（开源编程语言）的开源软件，开发了完整的用户界面以控制系统，实现色谱数据的采集、滤波和处理。该系统性能可与更昂贵的平台相媲美，所计算的峰面积、保留时间和理论塔板数均在广泛使用的商用色谱数据软件包计算值的3%以内。

关键词

Open‐Source，Raspberry Pi，数据采集，色谱法，液相色谱

1. 引言

现代色谱仪器通常设计为集成数据采集，并结合每个供应商独有的专有商业软件。然而，上一代仪器依赖于在条形图记录仪上记录检测器电压信号，或使用LabView [2]或MATLAB [3]等软件编写的简单数字程序。这些解决方案，尤其是数字记录技术，目前仍常用于自制科研仪器中。相较于这些较简单的方法，现代商业平台的一个关键优势在于其内置的数据处理功能，可自动计算保留时间、理论塔板数、分辨率及其他性能指标，而这些在数字记录仪上需要大量额外编程，且在条形图记录仪上无法实现。然而，这些商业软件包及其许可费用可能过于昂贵，并且可能无法与旧系统或自行设计的仪器耦合。即使是替代方案LabView和MATLAB平台，仍需支付高昂的许可证费用才能执行必要的数据采集操作。除了成本节约之外，从商业平台转向开源硬件和软件解决方案还能为最终用户提供更大的灵活性。开源许可使用户有机会对原始开发者提供的设计进行进一步修改和改进，而这一策略在大多数商业设备上无法实现。随着开源微控制器板和单板计算机[5–7],的最新进展，低成本、开源的数据采集与色谱数据处理方案 now exists。

开源微控制器板（最常见的是Arduino Uno）和单板计算机（如树莓派）在过去几年中已被广泛应用于多种分析仪器中[4,7,8]。最近的一些应用实例包括仪器操作中的电机和阀门控制[9–14], 、微流控及其他分离技术中的光学检测简易图像处理[15,16][17], ，以及作为简易低成本分光光度法的系统控制器[5,18–21]。我们此前对这些设备的应用集中于基于Arduino Uno的色谱仪器数据采集平台，旨在作为市场上众多商业USB数据采集（USB‐DAQ）产品的低成本替代方案 [22]。该开源设备包含一个配套的软件包来运行设备，从而进一步降低成本，避免了上述昂贵的软件许可证需求。这一初始方案的缺点在于使用了仍需连接的微控制器板

连接到台式或笔记本电脑，限制了其在便携式应用中的潜力，并增加了设备运行的总成本。此外，尽管Arduino Uno能够记录电压，但由于微控制器计算能力有限，无法进行额外的数据处理。

在本简要通讯中，我们介绍了一款第二代低成本、开源的16位数据采集设备，该设备采用树莓派单板计算机，无需外接计算机，集成了采集后的数字滤波和基线校正等数据处理功能，并可计算峰面积、保留时间和理论塔板数，整体总成本约为85美元。本文将这款新型树莓派数字条形图记录仪与商用USB‐DAQ在较旧型号的紫外吸收检测器上的数据采集性能进行了比较，同时将其数据处理结果与广泛使用的Chemstation软件包进行了对比。

2. 材料与方法

设备设计、零件清单、安装说明和软件使用的完整描述详见支持信息，此处仅作简要概述。

如图1所示，主系统架构基于树莓派3型B版计算机（树莓派基金会，英国剑桥），并配备一个插接式数据采集“Pi帽”，该Pi帽包含AD7705模数转换器集成电路（模拟器件公司，马萨诸塞州诺伍德）。用于读取和处理输入电压信号的图形用户界面（图1）是在开源的Processing集成开发环境（Processing基金会，马萨诸塞州波士顿）中设计的。在数据采集之前，用户可选择所需的采样速率和采样时间。数据采集可通过用户输入或外部数字触发信号启动。数据采集完成后，使用四阶Savitzky‐Golay滤波器进行数字滤波[23,24], ，采用文献[25],中报道的方法检测峰，然后通过用户选定阶数的多项式拟合进行基线校正（基于[26]中描述的算法）。随后计算峰面积（通过迭代统计矩法[27]）、保留时间（通过迭代统计矩法[27]）和理论塔板数（基于峰高4.4%处的峰宽，相当于 5σ）。作为一个开源平台，最终用户可根据需要轻松在软件中添加其他峰计算功能（如拖尾因子、分辨率、半高峰宽、基于三角测量的基宽等）或数字滤波器，尽管在为更复杂计算更新开源代码时具备一定的编程知识会更有帮助。计算完成后，数据将保存为制表符分隔文件，输出三组数据（原始数据、Savitzky‐Golay滤波数据以及滤波并基线校正后的数据），同时输出每个峰的峰面积、保留时间和理论塔板数的计算结果。

为了展示与引言中描述的传统采集模式相比的系统性能，测试了两种液相色谱仪器配置。首先，将由沃特世 616 LC 和沃特世 2487紫外检测器（沃特世公司，马萨诸塞州米尔福德）组成的液相色谱系统连接至基于树莓派的数字条形图记录仪，以及使用内部编写的LabView 软件进行电压记录的国家仪器USB‐6008数据采集设备（国家仪器公司，德克萨斯州奥斯汀）。为了将数据处理软件与商业解决方案进行比较，新系统连接至安捷伦Infinity 1290 G4212A二极管阵列检测器的模拟输出BNC接口，该检测器由Chemstation软件包操作（安捷伦科技，德国瓦尔德布隆）。该检测器是完整的安捷伦1290 Infinity系统（安捷伦科技，德国瓦尔德布隆）的一部分。随后使用Igor Pro 6.0（Wavemetrics公司，俄勒冈州莱克奥斯韦戈）中的采集数据绘制色谱图。完整的色谱实验细节见支持信息。

3. 结果与讨论

随着现代色谱仪器取代早期产品，目前普遍采用与专有软件包联用的方式来操作这些仪器。尽管旧款仪器仍然完全可用且具有实用价值，但往往由于运行其软件的计算机无法工作或与更现代的操作系统不兼容而被淘汰。大多数基于家庭构建的解决方案虽然使用了商用数据采集接口，但仍依赖需要昂贵用户许可证的兼容软件，且这些许可证需每年续费。采用易于获取且无需许可的开源硬件和软件方法，是克服上述色谱分析局限性的有效替代方案。然而，对于编程或电子电路设计经验有限的分析化学家而言，使用开源设备的初始门槛可能较高。本文通过提供简单的安装和操作指南，以及一个完整的开源软件包，解决了这一问题——该软件包可轻松下载并直接使用，无需任何编程基础。根据标准开源许可指南，此平台还可作为其他科研人员进一步开发和构建其他仪器设计的框架。该方法不同于其他现有的开源色谱软件包，后者仅兼容质谱检测器采集的数据[28,29], ，而不适用于在较简单的液相色谱仪器中更为常见的光学检测技术。此外，这些其他选项仍需要台式设置，无法与单板计算机结合使用。由于其低成本和小型化特点，本文所述方法特别适合作为教育用途和便携式分离平台的数据采集解决方案。

在许多学术和工业实验室中，定期升级到更现代的计算机操作系统的做法使得运行较旧色谱硬件所需的软件变得过时，导致仪器闲置。即使在计算机仍离线运行的情况下，经过数十年使用后也经常出现故障，并且由于组件已淘汰而无法修复。尽管泵和进样器仍可通过仪器前面板操作，但仍需对检测器输出的电压信号进行数字记录。本文介绍的基于树莓派的系统为常用的商业数据采集（DAQ）解决方案提供了一种替代性的开源设备，可用于此类信号记录。图2展示了 Waters 2487紫外检测器输出的模拟信号对比结果，分别由树莓派条形图记录仪和连接至PC的国家仪器USB‐6008数据采集设备（配合商业LabView软件）记录。集成在基于Processing的用户界面中的数据处理功能包括运行结束后自动应用萨维茨基‐戈莱数据滤波器，并向用户提供原始数据和滤波后的数据。图2中的第三条曲线显示了经过该滤波处理后，树莓派采集的数据相较於原始原始数据的改善情况。开源平台与商业平台表现几乎一致，附加的滤波功能有助于提高所采集数据的信噪比。

为进一步研究新型开源数字条形图记录仪的性能，特别是自上一代以来新增的数据处理功能，将其与用于操作安捷伦1290 Infinity液相色谱仪的集成化学工作站数据处理系统进行了比较。图3显示了直接在化学工作站中获取的数据与通过检测器模拟输出由基于Pi的设备记录的同一色谱图之间的对比。与NI DAQ的情况类似，两条曲线基本一致，证明了该设备的基本功能正常。

4. 结论

本文介绍了一种新型的开源、基于树莓派的数字条形图记录仪，可用于任何提供标准模拟电压输出的检测器进行色谱数据采集。其低成本、结构简单和操作便捷的特点，使其成为许多研究和教学实验室中常用商业解决方案的有效替代品。该设备现在能够自动在运行后对色谱峰进行表征，并且无需额外计算机即可独立运行，相比此前报道的开源数据采集设备实现了显著进步。所计算得到的数值与广泛使用的色谱仪器软件包中的结果高度一致，表明所编程的算法可为最终用户提供准确的结果。未来可在软件包中增加拖尾因子和分辨率等更多性能指标，以进一步提升运行后所提供的信息量。此外，引入更复杂的峰去卷积策略也将具有重要意义，尽管这可能需要在未来版本中对开源代码进行较大规模的修改。同时，还将探索集成数据处理步骤的审计追踪功能，因为该功能是商业软件包的重要组成部分，也是许多工业环境中所必需的。

开源运动在这一新的数据采集平台基础上，尚有许多方面有待进一步探索。除了作为商用 USB‐DAQ设备的低成本替代品这一显而易见的应用之外，其小型化和低成本特性还使其成为便携式分离装置和检测器的理想配套系统[30–33]。即使是设计用于与智能手机配合进行数据采集和处理的便携式系统，这款85美元的开源条形图记录仪的成本也显著低于主流智能手机型号。此外，向开源色谱数据处理方向的发展，为实现行业标准数据格式（如同素异形体基金会提出的格式）迈出了初步步伐[34]。由于大多数大型工业实验室使用的色谱仪器来自多个供应商，且其数据协议并不总是易于对接，转向开源协议将极大提升跨企业数据聚合与比较的能力，这一点在分析化学中机器学习应用日益增长的背景下尤为重要[35]。

	峰1	峰1	峰1	峰2	峰2	峰2	峰3	峰3	峰3	峰4	峰4	峰4
	面积a	tr b	Nc	Area	tr	N	Area	tr	N	Area	tr	N
商业 平台	718.4	1.671	10866	1800.5	2.954	16254	1088.4	3.841	17223	1206.0	5.030	17780
开源 平台	738.4	1.686	10949	1839.5	2.965	16149	1111.3	3.852	17152	1227.6	5.040	17788
百分比 差异a	2.75%	0.87%	1.07%	2.14%	0.39%	0.67%	2.08%	0.28%	0.69%	1.78%	0.20%	0.45%

a通过色谱峰的零阶矩计算得出。
b通过色谱峰的一阶矩计算得出。
c基于在5σ （峰高4.4%处）的 峰宽。