CN110032773B - 流体中ez特性的观测模型、阻抗检测和光传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种流体中EZ特性的观测模型、阻抗检测和光传输系统，其中，观测模型包括：由亲水胶体材料和溶剂制成的凝胶块；其中，所述凝胶块中分布有若干通道，各所述通道中灌注有含有微球结构的溶液；所述凝胶块中亲水胶体材料与溶剂的分界处分布有EZ区域。光传输系统包括:激光束、反射镜、第一透镜、第二透镜、偏振分束器、若干滤波片及对应的单光子探测器和流体中EZ特性的观测模型。本发明通过将流体中EZ特性的观测模型用在光传输系统中，可以大大减小光在流体传输中的损耗，同时提高了光在流体中的传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及仿真测量技术领域，具体而言，涉及一种流体中EZ特性的观测模型、阻抗检测和光传输系统。
背景技术
依据亲水视点，小于90度就是亲水，大于90度就是憎水带有极性基团的分子，对水有大的亲和才能，可以招引水分子，或溶解于水。这类分子构成的固体材料的外表，易被水所潮湿，这种分子做成的材料就是亲水材料。水的第四相（EZ）：活性水，形成于亲水界面，EZ的形成就是由于亲水界面存在表面电荷，这些会作为初层模板，单分子层也可以形成EZ。缺少表面电荷的材料不会形成EZ。EZ是六边形的水分子层错位叠加结构，ZE变宽即层数增加，减少也是分层减少， EZ随流体速度的增加渐变减少至完全消失。EZ的密度大于水，分子更有序，结构类似冰，为更碱性的排除带Exclusion Zone water（EZ水），会将水中的离子、小分子等物质都排除，H3O2带负电荷，对声光电磁热都比较敏感，折射率比液态水高，对大约3um波长的红外最为敏感，会增加EZ水分子层的累积，加宽在亲水界面上的EZ宽度， EZ是液态水到固态冰的中间态，可以储存能量，还能提供能量。
质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，美国杜邦公司的Nafion膜是质子交换膜主要材质，采用全氟磺酸膜具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，目前研究EZ的科研人员多使用nafion膜作为亲水界面。然而，Nafion类膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)nafion在制作亲水界面时比较麻烦，与容器的贴合不能做到完全无缝贴合，导致界面不平整，对形成的观察界面完全，宽度不好测量和测算。（4）保存和重复使用困难。
此外，在亲水界面中由于光和电子在水中的传播不断受到散射作用和与水分子的碰撞作用，使得光和电子在亲水界面中不仅传输效率大大降低，而且散射方向非常分散。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种流体中EZ特性的观测模型、阻抗检测和光传输系统，旨在解决现有技术中对流体中的EZ进行观测时操作不便并且难以判定流体中EZ区域的位置、以及光在流体中传输时损耗较大的问题。
本发明第一方面提出了一种流体中EZ特性的观测模型，包括：由亲水胶体材料和溶剂制成的凝胶块；其中，所述凝胶块中分布有若干通道，各所述通道中灌注有含有微球结构的溶液；所述凝胶块中亲水胶体材料与溶剂的分界处分布有EZ区域。
进一步地，上述观测模型中，所述通道呈圆柱形、椭圆形、方形、锥形、菱形或树枝形。
进一步地，上述观测模型中，所述亲水胶体材料为生物聚合物类胶体、植物籽粉类胶体、植物萃取物类胶体、纤维及纤维素衍生物类胶体、淀粉类胶体、动物类亲水胶体、果胶和/或海藻类胶体。
进一步地，上述观测模型中，所述溶剂为超纯水、去离子水或可溶性盐溶液。
本发明第一方面提供的流体中EZ特性的观测模型，结构简单，对工作环境要求低，可以在不同环境中对EZ特性进行观测；该模型保存方便，可以重复利用；此外，制备该观测模型所用的原材料来源广泛且成本低廉。
本发明第二方面提供了一种阻抗检测系统，包括：锁相放大器、恒流源、稳压电源、控制器和上述的流体中EZ特性的观测模型；其中，所述锁相放大器的信号输出端与所述恒流源的输入端相连接，用以向所述恒流源输出信号；所述稳压电源与所述恒流源相连接，用于为所述恒流源供电；所述锁相放大器的正极和负极分别通过两根测试电极与所述流体中EZ特性的观测模型中的凝胶区域、EZ区域和含有微球结构的通道溶液中位于中间的两个检测点相连接，以在两个所述检测点之间形成电位差；所述恒流源的正负极分别通过另外两根测试电极与所述凝胶区域、EZ区域和含有微球结构的通道溶液中位于两端的检测点相连接，用以分别在所述凝胶区域、EZ区域和含有微球结构的通道溶液中形成稳定电流；所述锁相放大器的的数据输出端口与所述控制器相连接，用以将各检测点的电压值和流经各检测点之间的电流值发送至所述控制器，所述控制器用于根据接收到的电压值和电流值分别计算所述凝胶区域、EZ区域和微球通道中溶液的阻抗，并确定阻抗最低的区域为EZ区域。
进一步的，上述阻抗检测系统中，所述恒流源输出的恒定电流为100-400μA。
进一步的，上述阻抗检测系统中，通过显微镜对四个所述测试电极进行定位。
本发明第二方面提供的阻抗检测系统，通过锁相放大器设置输出信号给恒流源，稳压电源为恒流源供电，采用四电极法，将恒流源提供的恒定电流作为激励信号输入四个电极中处于的两端的测试电极，使用锁相放大器差分测量方法测试中间两个测试电极的电压，通过锁相放大器将电压和电流数据发送至控制器，最终分别计算出凝胶区域、EZ区域及微球通道溶液中的阻抗，并确定阻抗最低的区域为EZ区域，因此，可以准确的确定流体中EZ的分布区域，为EZ的应用提供了基础。
本发明第三方面提供了一种光传输系统，包括: 激光束、反射镜、第一透镜、第二透镜、偏振分束器、若干滤波片及对应的单光子探测器和上述的流体中EZ特性的观测模型；其中，所述反射镜设置在所述激光束和所述第一透镜的之间，用以将所述激光束反射至所述第一透镜；所述流体中EZ特性的观测模型设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间，并且，所述流体中EZ特性的观测模型中的EZ区域对准所述第一透镜和所述第二透镜的中心，用以将经过所述第一透镜聚焦后的激光透射至第二透镜；所述偏振分束器设置在所述第二透镜的出射端，用以对所述第二透镜出射的平行光束进行分束；各所述滤波片分别设置在所述偏振分束器出射端的一侧，各单光子探测器分别对应设置在各所述滤波片的出射端，用以接收经滤光后得到的光子。
进一步的，上述光传输系统中，所述流体中EZ特性的观测模型中的EZ区域的截面长度为0.5-1cm，宽度为50-140μm。
进一步的，上述光传输系统中，在所述激光束与所述反射镜之间还设置有若干用以改变光的偏振状态的波片。
本发明第三发明提供的光传输系统，通过将流体中EZ特性的观测模型中的EZ区域对准第一透镜和第二透镜的中心，使得光线穿透EZ区域后继续传播，经过若干单光子探测器对透射的光子进行收集，可以发现，相对于水而言，EZ区域中光子的传播效率得到了大幅度的提高。
附图说明
图1为本发明实施例中EZ区域的观测示意图；
图2为本发明实施例中用于观测流体中EZ特性的模型的制作过程示意图；
图3为本发明实施例中用于观测流体中EZ特性的模型的又一制作过程示意图；
图4为本发明实施例中流体阻抗检测系统的结构示意图；
图5为本发明实施例中光传输系统的结构示意图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也视为本发明的保护范围。
流体中EZ特性的观测模型实施例：
本发明提供了一种流体中EZ特性的观测模型，包括：由亲水胶体材料和溶剂制成的凝胶块；其中，所述凝胶块中分布有若干通道，各所述通道中灌注有含有微球结构的溶液；所述凝胶块中亲水胶体材料与溶剂的分界处分布有EZ区域。
具体而言，通道可以为一个或多个。当通道为多个时，各个通道可以相互平行，也可以交错布置。通道的形状可以根据实际情况确定，例如可以呈圆柱形、椭圆形、方形、锥形、菱形或树枝形。亲水胶体材料为生物聚合物类胶体、植物籽粉类胶体、植物萃取物类胶体、纤维及纤维素衍生物类胶体、淀粉类胶体、动物类亲水胶体、果胶和/或海藻类胶体。其中，所述海藻类胶体可以为琼脂、卡拉胶、海藻酸或海藻盐；所述纤维素衍生物类胶体可以为羧甲基纤维素钠；所述生物聚合物类胶体可以为黄原胶或结冷胶；所述植物籽粉类胶体可以为刺槐豆胶或瓜尔豆胶；所述动物类亲水胶体可以为明胶。溶剂可以为超纯水、去离子水或可溶性盐溶液，例如生理盐水（质量浓度为0.9%的NaCl溶液）。
本实施例中，在形成的凝胶中亲水胶体材料的浓度可以为0.01-0.25 g/ml。优选为0.5g/30ml、2.5g/110ml或0.5g/50ml。
参阅图1，通过显微镜观测，在凝胶与溶剂之间出现明暗变化的区域即为EZ区域，图中d即代表EZ区域的宽度。通过红外照射后可发现凝胶与溶剂之间的区域的宽度变宽，并且距离该区域越远，红外吸收的吸光度越小；微球在该区域之外的溶液中，下降速率大体一致，接触到该区域后速度逐渐放缓，说明该区域中的物质相对于水具有更高的粘稠度；在核磁共振实验中，该区域中物质相对于水的弛豫时间较短 ，这些都符合EZ（Exclusion Zone）的特性，从而证明了在凝胶与溶剂之间出现了EZ。
结合图2和图3，本发明实施例中流体中EZ特性的观测模型的具体制作方法如下：步骤S1，选取亲水胶体材料和溶剂混合后，加热搅拌，在混合物沸腾后关火，继续搅拌直至界面光滑，冷却后得到凝胶块1＇；其中，在所述亲水胶体材料冷却凝固之前，向所述混合物中加入若干嵌入物；步骤S2，待所述胶体材料冷却凝固后，将所述嵌入物抽出，即可得到具有若干中空通道的用于观测流体中EZ特性的模型；步骤S3，向所述中空通道中注入含有微球结构的流体，以便于观测EZ的特性。
具体而言，在混合物中加入的嵌入物2＇的材质可以为树脂材料、木质材料、陶瓷材料或金属材料。例如树脂材料可以为聚苯乙烯，玻璃材料可以为亚克力。嵌入物2＇的尺寸、形状可以根据实际设计要求而调整，优选的，嵌入物2＇可以呈圆柱形、椭圆形、方形、锥形、菱形或树枝形，以制备出不同类型的中空通道。所述嵌入物截面的最大宽度为0.2-60mm。例如可以选用底面直径为3mm的圆柱结构，长、宽、高分别为2mm、2mm、7mm的方形柱体和长、宽、高分别为3mm、3mm、8mm的方形柱体。在凝胶块中可以仅形成一个通道，也可以形成多个通道。同时，可以通过改变通道的尺寸来改变亲水界面中EZ的宽度。微球结构的材质为树脂材料、磁性材料或荧光材料。例如树脂材料可以为聚苯乙烯材料。所述微球结构的粒径为1-20μm，优选为1-10μm，例如1.2μm、5μm、10μm。
本发明第一方面提供的流体中EZ特性的观测模型，结构简单，凝胶块结构对温度和含水量要求较低，因此对使用环境的要求不高，增加了观测模型的使用便利性；制作过程中选用的亲水材料来源广泛，成本低廉；加工过程中，亲水凝胶块的形状、尺寸易于控制，有利于提高模型的通用性；此外，得到的凝胶块容易保存，有利于提高模型的重复利用率。
参阅图4，本发明还提供了一种阻抗检测系统，包括：锁相放大器100＇、恒流源200＇、稳压电源300＇、控制器500＇和流体中EZ特性的观测模型400＇；其中，所述锁相放大器100＇的信号输出端与所述恒流源200＇的输入端相连接，用以向所述恒流源200＇输出信号；所述稳压电源300＇与所述恒流源200＇相连接，用于为所述恒流源200＇供电；所述锁相放大器100＇的正极和负极分别通过两根测试电极（600＇、700＇）与所述流体中EZ特性的观测模型400＇中的凝胶区域401＇、EZ区域402＇和含有微球结构的通道溶液403＇中位于中间的两个检测点相连接，以在两个所述检测点之间形成电位差；所述恒流源200＇的正负极分别通过另外两根测试电极（800＇、900＇）与所述凝胶区域401＇、EZ区域402＇和含有微球结构的通道溶液403＇中位于两端的检测点相连接，用以分别在所述凝胶区域401＇、EZ区域402＇和含有微球结构的通道溶液403＇中形成稳定电流，所述恒流源输出的恒定电流可以为100-400μA。所述锁相放大器100＇的数据输出端口与所述控制器500＇相连接，用以将各检测点的电压值和流经各检测点之间的电流值发送至所述控制器500＇，所述控制器500＇用于根据接收到的电压值和电流值分别计算所述凝胶区域401＇、EZ区域402＇和微球通道溶液403＇的阻抗，并确定阻抗最低的区域为EZ区域。
具体实施时，在处理器计算出个区域的阻抗值后，对各所述阻抗的大小进行比较，将阻抗最低的确定为EZ区域的阻抗值。如果各区域的阻抗值一致，则重新检测，以确保检测结果的准确度。由于EZ区域的宽度在微米级，因此可以通过显微镜对四个测试电极进行定位，以确定各测试电极的安装位点。各个区域中阻抗的计算可以采用差分测量方法进行计算。
需要说明的是，本实施例中关于流体中EZ特性的观测模型的具体结构可以参见上述实施例，此处不再赘述。
综上所述，本发明提供的阻抗检测系统，通过锁相放大器设置输出信号给恒流源，稳压电源为恒流源供电，采用四电极法，将恒流源提供的恒定电流作为激励信号输入四个电极中处于的两端的测试电极，使用锁相放大器差分测量方法测试中间两个测试电极的电压，通过锁相放大器将电压和电流数据发送至控制器，最终分别计算出凝胶区域、EZ区域及微球通道溶液中的阻抗，并确定阻抗最低的区域为EZ区域，因此，可以准确的确定流体中EZ的分布区域，为EZ的应用提供了基础。
光传输系统实施例：
参阅图5，本发明第三方面提供了一种光传输系统，包括: 激光束100、反射镜200、第一透镜300、第二透镜500、偏振分束器600、若干滤波片700及对应的单光子探测器800和上述的流体中EZ特性的观测模型400；其中，所述反射镜200设置在所述激光束100和所述第一透镜300的之间，用以将所述激光束100反射至所述第一透镜300；所述流体中EZ特性的观测模型400设置在所述第一透镜300和所述第二透镜500之间，并且，所述流体中EZ特性的观测模型400中的EZ区域对准所述第一透镜300和所述第二透镜500的中心，用以将经过所述第一透镜300聚焦后的激光透射至第二透镜500；所述流体中EZ特性的观测模型中的EZ区域的截面可以呈矩形状，其长度为0.5-1cm，宽度为50-140μm。其中，EZ区域的宽度可以通过改变流体中EZ特性的观测模型400中流体通道的截面积来改变，以使得EZ区域可以达到理想的传光效果。例如，当流体通道的截面长为0.2mm，宽为3.5 mm时，EZ区域宽度为141.57μm；当流体通道的截面长为0.2mm，宽为1.7 mm时，EZ区域宽度为140.38μm；当流体通道的截面长为0.5mm，宽为4.0 mm时，EZ区域宽度为130.17μm；当流体通道的截面长为0.8mm，宽为5.4mm时，EZ区域宽度为350.69μm；当流体通道的截面长为2.7mm，宽为3.0 mm时，EZ区域宽度为131.47μm。
所述偏振分束器600设置在所述第二透镜500的出射端，用以对所述第二透镜500出射的平行光束进行分束；各所述滤波片700分别设置在所述偏振分束器600出射端的一侧，各单光子探测器800分别对应设置在各所述滤波片700的出射端，用以接收经滤光后得到的光子。
激光束100与反射镜200之间还设置有若干用以改变光的偏振状态的波片。例如可以根据实际情况，在激光束100与所述反射镜200之间设置1/2波片101和1/4波片102。
需要说明的是，本实施例中关于流体中EZ特性的观测模型的具体结构可以参见上述实施例，此处不再赘述。
可以看出，本发明实施例提供的光传输系统，通过将流体中EZ特性的观测模型中的EZ区域对准第一透镜和第二透镜的中心，使得光线穿透EZ区域后继续传播，经过若干单光子探测器对透射的光子进行收集，可以发现，相对于水而言，EZ区域中光子的传播效率得到了大幅度的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种阻抗检测系统，其特征在于，包括：锁相放大器、恒流源、稳压电源、控制器和流体中EZ特性的观测模型；其中，
所述锁相放大器的信号输出端与所述恒流源的输入端相连接，用以向所述恒流源输出
号；
所述稳压电源与所述恒流源相连接，用于为所述恒流源供电；
所述锁相放大器的正极和负极分别通过两根测试电极与所述流体中EZ特性的观测模
型中的凝胶区域、EZ区域和含有微球结构的通道溶液中位于中间的两个检测点相连接，以在两个所述检测点之间形成电位差；
所述恒流源的正负极分别通过另外两根测试电极与所述凝胶区域、EZ区域和含有微球
结构的通道溶液中位于两端的检测点相连接，用以分别在所述凝胶区域、EZ区域和含有微
球结构的通道溶液中形成稳定电流；
所述锁相放大器的数据输出端口与所述控制器相连接，用以将各检测点的电压值和流
经各检测点之间的电流值发送至所述控制器，所述控制器用于根据接收到的电压值和电流
值分别计算所述凝胶区域、EZ区域和微球通道中溶液的阻抗，并确定阻抗最低的区域为EZ
区域；
所述流体中EZ特性的观测模型包括：由亲水胶体材料和溶剂制成的凝胶块；其中，
所述凝胶块中分布有若干通道，各所述通道中灌注有含有微球结构的溶液；所述凝胶块中亲水胶体材料与溶剂的分界处分布有EZ区域，所述亲水胶体材料为生物聚合物类胶体、植物籽粉类胶体、植物萃取物类胶体、纤维及纤维素衍生物类胶体、淀粉类胶体、动物类亲水胶体、果胶和/或海藻类胶体；在形成的凝胶中亲水胶体材料的浓度为0.01-0.25 g/ml；
所述EZ特性观测模型的制作方法如下：
步骤S1，选取亲水胶体材料和溶剂混合后，加热搅拌，在混合物沸腾后关火，继续搅拌直至界面光滑，冷却后得到凝胶块；其中，在所述亲水胶体材料冷却凝固之前，向所述混合物中加入若干嵌入物；所述嵌入物截面的最大宽度为0.2-60mm；
步骤S2，待所述胶体材料冷却凝固后，将所述嵌入物抽出，即可得到具有若干中空通道的用于观测流体中EZ特性的模型；
步骤S3，向所述中空通道中注入含有微球结构的流体，以便于观测EZ的特性；所述微球的粒径为1-20μm。
2.根据权利要求1所述的阻抗检测系统，其特征在于，所述恒流源输出的恒定电流为
100-400μA。
3.根据权利要求1所述的阻抗检测系统，其特征在于，通过显微镜对四个所述测试电极进行定位。
4.根据权利要求1所述的阻抗检测系统，其特征在于，所述通道呈圆柱形、
椭圆形、方形、锥形、菱形或树枝形。
5.根据权利要求1所述的阻抗检测系统，其特征在于，所述溶剂为超纯水、去离子水或可溶性盐溶液。
6.一种光传输系统，其特征在于，包括：激光束、反射镜、第一透镜、第二透镜、偏振分束器、若干滤波片及对应的单光子探测器和流体中EZ特性的观测模型；其中，
所述反射镜设置在所述激光束和所述第一透镜的之间，用以将所述激光束反射至所述
第一透镜；
所述流体中EZ特性的观测模型设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间，并且，所述
流体中EZ特性的观测模型中的EZ区域对准所述第一透镜和所述第二透镜的中心，用以将经过所述第一透镜聚焦后的激光透射至第二透镜；
所述偏振分束器设置在所述第二透镜的出射端，用以对所述第二透镜出射的平行光束进行分束；
各所述滤波片分别设置在所述偏振分束器出射端的一侧，各单光子探测器分别对应设
置在各所述滤波片的出射端，用以接收经滤光后得到的光子；
所述流体中EZ特性的观测模型包括：由亲水胶体材料和溶剂制成的凝胶块；其中，
所述凝胶块中分布有若干通道，各所述通道中灌注有含有微球结构的溶液；所述凝胶块中亲水胶体材料与溶剂的分界处分布有EZ区域，所述亲水胶体材料为生物聚合物类胶体、植物籽粉类胶体、植物萃取物类胶体、纤维及纤维素衍生物类胶体、淀粉类胶体、动物类亲水胶体、果胶和/或海藻类胶体；在形成的凝胶中亲水胶体材料的浓度为0.01-0.25 g/ml；
所述EZ特性观测模型的制作方法如下：
步骤S1，选取亲水胶体材料和溶剂混合后，加热搅拌，在混合物沸腾后关火，继续搅拌直至界面光滑，冷却后得到凝胶块；其中，在所述亲水胶体材料冷却凝固之前，向所述混合物中加入若干嵌入物；所述嵌入物截面的最大宽度为0.2-60mm；
步骤S2，待所述胶体材料冷却凝固后，将所述嵌入物抽出，即可得到具有若干中空通道的用于观测流体中EZ特性的模型；
步骤S3，向所述中空通道中注入含有微球结构的流体，以便于观测EZ的特性；所述微球的粒径为1-20μm。
7.根据权利要求6所述的光传输系统，其特征在于，所述激光束与所述反射镜之间还
设置有若干用以改变光的偏振状态的波片。
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