CN109596810B - 一种模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，以具有温控装置的微流控芯片来模拟土壤冻融过程；所述方法包括：S1:对注入有色可溶性组分溶液的微流控芯片进行冻融处理，控制其冻结速度及方向，获得灰度值随距离的分布曲线；S2:将S1获取的灰度值随距离的分布曲线同标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线进行拟合，从而获得微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布。本发明无需对土壤直接采样，无需破坏土壤环境，可通过微流控芯片直观地对冻融过程中的组分进行实时定量化监测，能够真实准确的反映土壤中组分的分布规律。

Description

一种模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法
技术领域
本发明涉及土壤研究领域，特别是涉及一种模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法。
背景技术
土壤是由固、液、气组成的多相复杂体系，在多年冻土区或季节性冻土区的冻融作用下，土壤的理化性质发生了极大的变化，特别是对于土壤中存在的溶液有着显著的影响。伴随着冰水相变，土壤中的水分及溶解在其中的组分会在土壤内部出现再分配的现象。因此，能否准确的获取典型污染组分在土壤中的分布特征，是探索典型污染组分在冻融条件下迁移行为及其影响机理的关键。然而，在以往的研究方法中，一般是采用对冻融后的土壤进行取样，这不仅破坏了土壤的结构，且不能对冻融过程中的组分进行实时定量化监测，因此不能够真实准确的反映土壤中组分的分布规律。
由此可见，上述现有的对土壤冻融过程组分分布的研究方法，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可直观、实时定量化模拟土壤冻融过程并检测该过程中有色可溶性组分分布的方法，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可直观、实时定量化模拟土壤冻融过程并检测该过程中有色可溶性组分分布的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，以具有温控装置的微流控芯片来模拟土壤冻融过程；所述微流控芯片，其内构建有多孔介质网络模型，用于模拟土壤内孔隙分布的空间结构；所述温控装置用于对微流控芯片进行温度控制，使其形成冻融状态；
所述方法包括：
S1:对注入有色可溶性组分溶液的微流控芯片进行冻融处理，控制其冻结速度及方向，获得灰度值随距离的分布曲线；
S2:将S1获取的灰度值随距离的分布曲线同标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线进行拟合，从而获得微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布。
作为本发明进一步地改进，所述S2中，标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线的获取方法为：根据注入微流控芯片中的标准溶液浓度与对微流控芯片进行图像采集获得的灰度值，确定标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线。
进一步地，所述标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线的获取方法为：
A.分别向微流控芯片中注入配置好的不同已知浓度Ci的标准溶液，使之饱和；
B.通过光学成像，对已注入好标准溶液的微流控芯片进行图像视频采集，利用MATLAB进行后期的数据处理分析，获取各芯片对应的灰度值Ai；
C.将已知浓度Ci与对应的灰度值Ai进行拟合，以确定标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线。
进一步地，所述步骤A中，分别向微流控芯片中注入配置好的已知浓度C1、C2、C3、C4、C5、C6的标准溶液，使之饱和。
进一步地，所述温控装置采用半导体制冷片，所述半导体制冷片安装在微流控芯片的两端，使所述微流控芯片的两端分别形成冷端和暖端。
进一步地，所述S1包括如下步骤：
A.向微流控芯片中注入初始浓度C0的溶液使之饱和；
B.利用温控装置对微流控芯片两端进行温控，控制其冻结速度及方向，在冻结同时，会发生排盐现象；
C.利用光学成像系统对冻融过程中的微流控芯片进行图像采集，通过图像分析得到芯片冻结锋面后灰度值随距离的分布。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明基于能够表征土壤真实孔隙介质结构复杂性，且能让研究者直接观察到孔隙条件下流体流动情况的微流控芯片来模拟土壤，并采用温控装置对其温控以模拟土壤冻融环境，基于此，通过光学成像系统对微流控芯片中冻融状态下的图像灰度进行采集，再对比标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线，最终获得了微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布，上述方法无需对土壤直接采样，无需破坏土壤环境，通过微流控芯片直观地对冻融过程中的组分进行实时定量化监测，能够真实准确的反映土壤中组分的分布规律。
2、微流控芯片的温控装置采用半导体制冷片，结构简单、控制方便，利用同一个装置即可实现冷暖同时控制，冻融模拟效果好。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是模拟土壤的微流控芯片结构示意图；
图2是本发明的实施方式中模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法流程图；
图3是标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线图；
图4是微流控芯片中溶液在正常及冻融状态下的灰度变化对比图；
图5是冻结锋面前的灰度分布值；
图6是微流控芯片在冻融过程中溶质浓度随距离的分布图。
具体实施方式
本发明为了检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的规律，首先采用了一种土壤冻融模拟装置，该装置以微流控芯片作为模拟主体，再配以温控装置对其进行温度控制模拟土壤的冻融循环过程，通过该装置能够简单而且科学合理地在室内模拟自然情况下土壤的冻融过程。基于该装置检测冻融过程中有色可能性组分分布，可以自然而真实地体现出对应的土壤中的色可能性组分分布规律。
如图1所示，为微流控芯片结构示意图，其内构建有多孔介质网络模型，用于模拟土壤内孔隙分布的空间结构，两端分别为注入端，用于溶液，其能够表征土壤真实孔隙介质结构复杂性，且能让研究者直接观察到孔隙条件下流体流动情况。
与上述微流控芯片配合的温控装置，主要是对微流控芯片进行温度控制以模拟土壤的冻融循环过程，包括对冻结方向和冻结速度进行控制，而作为优选的方案，温控装置采用半导体制冷片，半导体制冷片安装在微流控芯片的两端(底部两端)，使微流控芯片的两端分别形成冷端和暖端。该温控装置结构简单、控制方便，利用同一个装置即可实现冷暖同时控制，冻融模拟效果好。
如图2所示，为基于上述装置的模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，包括：
S1:对注入有色可溶性组分溶液的微流控芯片进行冻融处理，控制其冻结速度及方向，获得灰度值随距离的分布曲线；
S2:将S1获取的灰度值随距离的分布曲线同标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线进行拟合，从而获得微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布。
在实际实验过程中，S2步骤中涉及到的标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线，可以在冻融实验前就获取，当然也可以在冻融实验后再获取，两种方式均可以实施。
本实施例以在冻融实验前获取为例进行说明，整个模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，包括：
(1)根据注入微流控芯片中的标准溶液浓度与对微流控芯片进行图像采集获得的灰度值，确定标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线；具体地，包括：
A.分别向微流控芯片中注入配置好的不同已知浓度Ci的标准溶液，使之饱和；如准备6个微流控芯片，分别向透明的微流控芯片中注入配置好的已知浓度C1、C2、C3、C4、C5、C6的标准溶液，使之饱和；当然，为了实现的准确性，还可以采用更多浓度的标准溶液。
B.通过光学成像，对已注入好标准溶液的微流控芯片分别进行图像视频采集，利用MATLAB进行后期的数据处理分析，获取各芯片对应的灰度值Ai(获取各芯片对应的灰度值A1、A2、A3、A4、A5、A6；)；当然，在A中也可以直接采用一个微流控芯片，分别进行多次的浓度与灰度值的获取。
C.将已知浓度Ci与对应的灰度值Ai进行拟合，以确定标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线,即标准浓度—灰度值曲线.如图3所示。
(2)对注入有色可溶性组分溶液的微流控芯片进行冻融处理，控制其冻结速度及方向，获得灰度值随距离的分布曲线；具体包括：
A.向微流控芯片中注入初始浓度C0的溶液使之饱和；
B.利用温控装置对微流控芯片两端进行温控，控制其冻结速度及方向，在冻结同时，会发生排盐现象；如图4所示为微流控芯片中溶液在正常(非冻融状态下注入初始浓度C0的溶液)及冻融状态下的灰度变化对比图；
C.利用光学成像系统对冻融过程中的微流控芯片进行图像采集，通过图像分析得到芯片冻结锋面后灰度值随距离的分布，即图5所示的灰度—x’曲线；
(3)将上述获取的灰度值随距离的分布曲线同标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线进行拟合，从而获得微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布，从而获得如图6所示的微流控芯片在冻融过程中溶质浓度随距离的分布图。
综上所述，本发明基于能够表征土壤真实孔隙介质结构复杂性，且能让研究者直接观察到孔隙条件下流体流动情况的微流控芯片来模拟土壤，并采用温控装置对其温控以模拟土壤冻融环境，基于此，通过光学成像系统对微流控芯片中冻融状态下的图像灰度进行采集，再对比标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线，最终获得了微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布，上述方法无需对土壤直接采样，无需破坏土壤环境，通过微流控芯片直观地对冻融过程中的组分进行实时定量化监测，能够真实准确的反映土壤中组分的分布规律。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，其特征在于：
以具有温控装置的微流控芯片来模拟土壤冻融过程；所述微流控芯片，其内构建有多孔介质网络模型，用于模拟土壤内孔隙分布的空间结构；所述温控装置用于对微流控芯片进行温度控制，使其形成冻融状态；
所述方法包括：
S1:对注入有色可溶性组分溶液的微流控芯片进行冻融处理，控制其冻结速度及方向，获得灰度值随距离的分布曲线；
S2:将S1获取的灰度值随距离的分布曲线同标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线进行拟合，从而获得微流控芯片在冻融过程中有色可溶性组分的浓度分布。
2.根据权利要求1所述的模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，其特征在于，所述S2中，标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线的获取方法为：根据注入微流控芯片中的标准溶液浓度与对微流控芯片进行图像采集获得的灰度值，确定标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线。
3.根据权利要求2所述的模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，其特征在于，所述标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线的获取方法为：
A.分别向微流控芯片中注入配置好的不同已知浓度Ci的标准溶液，使之饱和；
B.通过光学成像，对已注入好标准溶液的微流控芯片进行图像视频采集，利用MATLAB进行后期的数据处理分析，获取各芯片对应的灰度值Ai；
C.将已知浓度Ci与对应的灰度值Ai进行拟合，以确定标准溶液浓度与灰度值之间的拟合曲线。
4.根据权利要求3所述的模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，其特征在于，所述步骤A中，分别向微流控芯片中注入配置好的已知浓度C1、C2、C3、C4、C5、C6的标准溶液，使之饱和。
5.根据权利要求1所述的模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，其特征在于，所述温控装置采用半导体制冷片，所述半导体制冷片安装在微流控芯片的两端，使所述微流控芯片的两端分别形成冷端和暖端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的模拟并检测土壤冻融过程中有色可溶性组分分布的方法，其特征在于，所述S1包括如下步骤：
A.向微流控芯片中注入初始浓度C0的溶液使之饱和；
B.利用温控装置对微流控芯片两端进行温控，控制其冻结速度及方向，在冻结同时，会发生排盐现象；
C.利用光学成像系统对冻融过程中的微流控芯片进行图像采集，通过图像分析得到芯片冻结锋面后灰度值随距离的分布。
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