CN110133180B - 一种基于门控压力阈值变化的物质检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于门控压力阈值变化的物质检测分析方法，所述检测系统包括气体流道、门控单元、指示单元和待测液体，门控单元设于气体流道中且对待测液体具有刺激响应；门控单元包括多孔膜和门控液体，门控液体至少部分浸润所述多孔膜且两者配合形成气体流道的门控通道。检测时，由于待测液体与门控单元接触而改变门控压力阈值，在气体流道内存储的高压气体或者额外施加压力的作用下，气体将通过门控通道并作用于指示单元。本发明提供了一种将物质检测信号转化为气体过膜的临界压力变化信号的新检测方法。

Description

一种基于门控压力阈值变化的物质检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于门控压力阈值变化的物质检测分析系统及方法，可用于无机离子、小分子、生物大分子等的检测。属于新物质检测方法和新检测器件设计领域。
背景技术
检测技术是人类科学认知客观世界的手段，起着人感官世界的作用。现有的物质检测系统多基于物理、化学和生物学原理，检测方法包含主动和被动、直接和间接、接触和非接触及动态和静态等多种形式，信号也多以消耗电能等信号检出方式为主。然而，通常的物质检测体系需要消耗大量资源如大型的精密仪器检测设备、经受良好培训的相关科研人员及电能等资源的输出。现有方法中无论是质谱、色谱、电泳或是光学分析仪器，都难以实现在更为复杂物质检测环境，尤其是在没有电能等能量输出条件的物质检测，也难以直观的通过肉眼可见的变化体现出来。因此，如何开发一种轻便可携带又具有无电可视化的物质检测系统及相应的检测分析方法日益受到研究人员的关注。
发明内容
本发明针对现有检测分析方法及仪器设备价格昂贵、实验方法成本高等缺点，发展了一种新的用于检测物质成分及浓度的检测方法。本发明充分利用液体门控复合膜物质检测体系，即：膜中门控液体成分由于检测物质的成分变化而导致门控压力阈值变化这一新发现，来实现物质检测。该种体系原理简单易于实施，可广泛用于各种物质检测体系，尤其是无电能等能量输出的环境。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种基于门控压力阈值变化的物质检测系统，包括气体流道、门控单元、指示单元和待测液体，门控单元设于气体流道中且对待测液体具有刺激响应；门控单元包括多孔膜和门控液体，门控液体至少部分浸润所述多孔膜且两者配合形成气体流道的门控通道；待测液体通过与门控单元接触而改变门控压力阈值，从而控制气体通过门控通道并作用于指示单元。
可选的，所述刺激响应是指所述待测液体通过化学作用、物理作用、生物作用中的至少一种改变所述门控液体的性质或多孔膜的孔道性质。
可选的，所述门控液体通过与所述待测液体进行接触界面的物质交换而改变表面张力、粘度或组分。
可选的，所述门控液体是含有表面活性剂的水溶液，所述待测液体含有Ca2+、Na+(包括但不仅限于这两种离子)或与水互溶的有机溶剂。
可选的，所述门控液体含有疏水缔合型聚合物，所述待测液体含有表面活性剂。
可选的，所述指示单元为指示液滴，所述指示液滴设于所述气体流道中并由气体通过门控通道之后推动而发生移动。
可选的，还包括一主体，所述主体具有一腔体，所述门控单元封装于所述腔体中；所述腔体具有分别位于所述门控通道两侧的气体输入通道和气体输出通道，所述气体输入通道、气体输出通道和门控通道形成所述气体流道；所述腔体还具有用于输入所述待测液体的液体输入通道。
可选的，所述腔体还具有液体输出通道，所述液体输出通道和液体输入通道位于所述气体流道的两侧，且所述液体输出通道和液体输入通道与所述气体流道不相串联。
一种基于上述物质检测系统的检测方法，包括以下步骤：选择多孔膜和门控液体配合形成门控单元，向气体流道中通入低于并接近门控单元门控压力阈值的气体，向门控单元中通入待测液体，待测液体通过与门控单元接触而改变门控压力阈值，从而控制气体通过门控通道并作用于指示单元，通过指示单元判断待测液体的成分及浓度。
可选的，所述待测液体通过与门控单元接触而增大门控压力阈值，还包括对所述气体加压至气体通过所述门控通道的步骤以及检测加入气体量的度量方法。
本发明是利用液体门控复合膜中门控液体成分改变引起气体的门控压力阈值变化来检测物质成分的体系，门控液体的加入使得气体通过体系的临界压力随门控液体成分的变化方式成为可能，可将物质检测信号转化为气体过膜的临界压力变化信号问题。基本的原理是：待测物直接接触膜门控体系的门控液体，通过相互作用改变膜门控液体的性质或多孔膜的孔道性质，从而改变气体的过膜门控压力阈值。在一定的系统压力驱动下，可通过指示单元的设置直接观察得到待检测物的浓度和成分信息。除此之外，该体系可以精确设计装置的元件，定量的将物质成分及浓度变化信息转化为可见的膜门控系统压力变化信号，从而实现特定某一物质检测。
本发明的有益效果为：
1.本发明的液体门控复合膜物质检测体系，通过选择和搭配门控液体和多孔膜形成对检测液响应的检测体系，在检测液与门控液界面上的物质交换或者相互作用而改变气体的门控压力阈值，提供了一种将物质检测信号转化为气体过膜的临界压力变化信号的新检测方法。
2.通过可视化可指示单元的设置，可通过直接观察体系内部存储的指示性液滴的移动特性，判断检测液体的成分变化信息。此种系统的应用不需要复杂仪器以及能量尤其是电能输入，为设计简单易携带的检测器件提供了新的设计理念。
3.门控液体和多孔膜来源广泛，门控液体内有效成分及浓度也可以依据检测成分而进行调整，灵活多变，适用范围广泛。
附图说明
图1为实施例的系统结构示意图；
图2为实施例的原理示意图；
图3为实施例1的门控单元组成示意图；
图4为实施例1的含有不同溶质门控液体的门控单元的临界压力阈值与溶质浓度的关系示意图；
图5为实施例1的含表面活性剂的门控单元对待测液体刺激响应引起气体过膜临界压力阈值改变的机制图；
图6为实施例2中分别以NaCl和CaCl2水溶液与4mM SDBS混和液作门控液体时，系统临界压力阈值与NaCl和CaCl2浓度关系示意图；
图7为实施例2中含表面活性剂的门控单元检测物质成分Ca2+的结果示意图；
图8为实施例3中系列浓度乙醇水溶液与4mM SDBS混和液作门控液体时，系统临界压力阈值变化的数据图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
参考图1，一种基于门控压力阈值变化的物质检测系统包括主体1、门控单元2、气体输入通道3、气体输出通道4、液体输入通道5、液体输出通道6和指示单元7。主体1包括密封材料11和两夹持件12，两夹持件12配合形成一腔体，密封材料11配合于两夹持件12连接的部分之间实现密封效果。气体输入通道3、气体输出通道4分设于腔体相对的两侧并连通形成气体流道，指示单元7(例如小液滴)设于气体输出通道4内。门控单元2设于腔体内。参考图2，门控单元2包括多孔膜21和门控液体22，门控液体22至少部分浸润所述多孔膜21且两者配合形成气体流道的门控通道。气体输入通道3内通入具有一定压力的气体8，该气体8的压力低于并尽量接近门控压力阈值(即气体通过门控通道的临界压力)，从而门控通道处于闭合状态。液体输入通道5、液体输出通道6分设于气体流道两侧并同样与腔体连通且液体通道与气体流道互不串联。门控单元2对待测液体9具有刺激响应，待测液体9由液体输入通道5进入腔体内，通过与门控单元接触而改变门控压力阈值，从而控制气体8通过门控通道并作用于指示单元7。
例如，待测液体的加入降低了门控压力阈值，则门控通道打开，气体通过门控通道进入气体输出通道4并推动指示单元7移动，通过指示单元7移动的距离(可以单位时间或者特定时间尺度内)或者是移动速率与标准的图(需提前测量制图)对比，即可求得待测液体的成分及浓度信息。又例如，待测液体的加入提高了门控压力阈值，通过向气体输入通道3推注一定的外加压力至达到门控压力阈值，气体通过门控通道并推动指示单元7前进，通过检测外加压力而得到待测液体的成分及浓度信息。
所述刺激响应是指所述待测液体通过化学作用、物理作用、生物作用中的至少一种改变所述门控液体或多孔膜的性质。举例来说，所述门控液体通过与所述待测液体进行接触界面的物质交换而改变表面张力、粘度或组分。
门控液体和待测液体可以是特异性的(即单一的相互作用)，也可以非特异性的，但之间一定要有浓度等量的关系。门控液体和待测液体可以是互溶体系(如均为水相溶液或者有机相溶液)，也可以是不互溶的体系，但两者之间存在待检测某一成分的交换。多孔膜的孔径、化学结构可随待测液体的精度和作用方式的变化而变化。
待测液体中的待检测物质可以是离子、某一类化合物或者生物分子。
多孔膜可以是例如：亲水性多孔膜材料可选乙基纤维素、聚乙烯醇等。疏水性多孔膜材料可选聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等。除此之外所述的多孔膜也包括修饰有对所述检测液刺激响应功能性集团的亲水或者疏水性膜材料。
实施时，待测液体9可以是包括门控液体22的组分以及待测的特征组分，从而替代初始门控液体22成为新的门控液体。也可以向门控液体22中加入微量的待测液体形成新的门控液体。下文实施例均以图1的结构为基础。
实施例1
表面活性剂，是一类少量加入可使溶液体系的界面张力发生显著变化的物质。表面活性剂的分子结构具有两亲性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团，这会使得表面活性剂通常集中于溶液表面、两种不相混溶的界面或者集中在液体和固体的界面，起到降低表面(界面)张力的作用。亲水基团常为极性基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团；而疏水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。表面活性剂分为离子型表面活性剂(包括阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂)、非离子型表面活性剂、两性表面活性剂、复配表面活性剂、其他表面活性剂等。
如图3所示，可选取亲水的尼龙膜作为多孔膜基底，通过加入门控液体则可构成液体门控复合膜体系门控单元。如图4，测试含有不同溶质(SDBS，NaCl，乙醇)的门控液体构成的门控单元其气体临界压力阈值与溶质浓度的关系可见：NaCl和乙醇分别体现着气体临界压力阈值与浓度的线性增加和降低的关系；而表面活性剂SDBS则呈现的是非线性降低，在低浓度时，门控的气体临界阈值急速降低，但到一定程度后(4mM)，将不再发生改变的性质。参考图5，加入表面活性剂的新组分门控液体为多元门控液体体系的构建提供了新检测思路设计思路，通过向基于表面活性剂的门控液体中添加待测组分来改变门控液体的气液界面组成可改变系统的门控压力阈值。
实施例2——含表面活性剂(SDBS)的门控液体用于检测水相中离子浓度
参考图6，向含有表面活性剂的门控液体中额外添加NaCl和CaCl2，随着钠离子和钙离子的加入将会引起系统的临界压强阈值有明显的降低，且CaCl2的作用明显于NaCl。
以图1所示结构为基础，以纯水溶液作为门控单元的门控液体。多孔膜选择亲水型的尼龙膜，孔径为1m，膜具有相互连通的多通道。以4mM SDBS，0.75mM CaCl2溶液为待检测液。利用恒压泵将施加的压力PA＝62kPa设定在PEC1(状态I：以纯水溶液作为门控液体时，体系的气体临界压力阈值)和PEC2(状态II：以4mM SDBS,0.75mM CaCl2溶液作为门控液体时，体系的气体临界压力阈值)之间。测试数据结果如图7所示。初始时，由于设定的PA小于PEC1，气体将不能通过门控单元，存储在气体输入通道3中形成高压气体。当检测液体通过液体输入通道5进入体系，扩散至门控单元，形成新的门控液体。此时，门控单元的气体临界阈值将由PEC1降低至PEC2，而由于施加压力PA高于PEC2则通道打开，原来存储的高压气体将推动指示单元(如染色的指示性液滴)移动。这种移动可以被直接观察，如图中状态II的位移移动。检测移动的位移距离就可以得到待测液体的浓度的信息。
实施例3——含表面活性剂(SDBS)的门控液体用于检测水相中有机溶剂浓度
有机溶剂(如乙醇，异丙醇，丙酮等)可以明显的与水互溶，通过其对表面活性剂溶液的溶剂效应可以改变表面活性剂的在界面的分布，从而改变含表面活性剂的液体门控复合膜体系的气体临界压力阈值。参考图8，当加入乙醇水溶液的浓度在0％～30％v/v范围内，系统的气体临界压强将高于仅含有SDBS的门控液体的门控单元。若此时将含有此浓度0％～30％v/v的乙醇水溶液加入仅含有SDBS的门控液体的门控单元中，则将会出现与实施例2相反的现象：体系的气体临界压强阈值增加。此时需要通过向气体输入通道3内推注一定的外加压力至达到新的高的门控压力阈值，使气体通过门控通道并推动指示单元前进。设计加入气体量的量度方法，检测外加压力就可以得到待测液体的成分及浓度的信息。
实施例4——含疏水型聚合物的门控液体用于检测表面活性剂
聚合物(尤其是疏水缔合型聚合物)和表面活性剂的相互作用作为超分子研究的一个重要领域具有重要理论和实际应用意义。它源于自然界中蛋白质和天然脂质体的缔合，其后很快扩展到高分子电解质和表面活性剂的缔合研究。在疏水缔合型聚合物溶液中加入表面活性剂后，它们容易相互疏水缔合，形成混合胶束状聚集体。且随溶液中表面活性剂浓度的变化，溶液粘度会大幅度地升高或降低，而其粘度变化的最高值一般出现在表面活性剂临界胶束浓度CMC附近。这也提供了一种通过疏水型聚合物与表面活性剂缔合反应检测某一表面活性剂浓度的方法。即在膜液体门控体系中将聚合物溶液作为门控液体，将位置浓度且含表面活性剂的溶液作为检测液，通过测量门控压强，对比已有的测量标准值，计算相应表面活性剂的浓度。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于门控压力阈值变化的物质检测系统及方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于门控压力阈值变化的物质检测系统，其特征在于：包括气体流道、门控单元、指示单元和待测液体，门控单元设于气体流道中且对待测液体具有刺激响应；门控单元包括多孔膜和门控液体，门控液体至少部分浸润所述多孔膜且两者配合形成气体流道的门控通道；待测液体通过与门控单元接触而改变门控压力阈值，从而控制气体通过门控通道并作用于指示单元。
2.根据权利要求1所述的物质检测系统，其特征在于：所述刺激响应是指所述待测液体通过化学作用、物理作用、生物作用中的至少一种改变所述门控液体的性质或多孔膜的孔道性质。
3.根据权利要求2所述的物质检测系统，其特征在于：所述门控液体通过与所述待测液体进行接触界面的物质交换而改变表面张力、粘度或组分。
4.根据权利要求2所述的物质检测系统，其特征在于：所述门控液体是含有表面活性剂的水溶液，所述待测液体含有Ca2+、Na+或与水互溶的有机溶剂。
5.根据权利要求2所述的物质检测系统，其特征在于：所述门控液体含有疏水缔合型聚合物，所述待测液体含有表面活性剂。
6.根据权利要求1所述的物质检测系统，其特征在于：所述指示单元为指示液滴，所述指示液滴设于所述气体流道中并由气体通过门控通道之后推动而发生移动。
7.根据权利要求1所述的物质检测系统，其特征在于：还包括一主体，所述主体具有一腔体，所述门控单元封装于所述腔体中；所述腔体具有分别位于所述门控通道两侧的气体输入通道和气体输出通道，所述气体输入通道、气体输出通道和门控通道形成所述气体流道；所述腔体还具有用于输入所述待测液体的液体输入通道。
8.根据权利要求7所述的物质检测系统，其特征在于：所述腔体还具有液体输出通道，所述液体输出通道和液体输入通道位于所述气体流道的两侧，且所述液体输出通道和液体输入通道与所述气体流道不相串联。
9.一种基于权利要求1～8任一项所述物质检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤：选择多孔膜和门控液体配合形成门控单元，向气体流道中通入低于并接近门控单元门控压力阈值的气体，向门控单元中通入待测液体，待测液体通过与门控单元接触而改变门控压力阈值，从而控制气体通过门控通道并作用于指示单元，通过指示单元判断待测液体的成分及浓度。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于：所述待测液体通过与门控单元接触而增大门控压力阈值，还包括对所述气体加压至气体通过所述门控通道的步骤以及检测加入气体量的度量方法。
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