水/盐运移/溶解/析晶表征的高通量实验平台的制作方法

本发明属于水/盐与环境标准检测设备制造领域，具体涉及一种水/盐运移/溶解/析晶表征的高通量实验平台，用于检测土壤，岩土，盐生植物以及硅酸盐质文物（包括壁画、石窟、土遗址遗迹陶瓷等）样品中水盐迁徙以及结晶学行为及其与多环境因子作用过程模拟，以及检测与标定、拟合实验室与田野数据相关数据。

背景技术：

随着世界人口持续增长，城镇化进程的加速，土地的不合理利用导致的污染以及土地退化，致使农业用地正在以超乎想象的速度递减，因此，有限的资源内贫瘠土地的高效利用就尤为重要。而盐渍土是一种世界性的低产土壤，且由于世界上大量盐碱地和盐渍土壤的存在，不仅使相当大一部分农作物品种因受不同程度盐害的影响难以发挥其产量和品质潜力，而且由于盐渍土的盐胀、溶陷、腐蚀等病害，对盐渍土地上的工程建筑也设造成极大的危害。我国盐渍土具有分布范围广、面积大、类型多的特点，约占国土总面积的9.6%。因此对盐渍土区的研究开发就显得尤为重要。盐渍土本质危害是土壤中水盐的动态：暨土壤中的水盐含量和组成在气候、地形、地貌、水文地质以及人为因素等作用下随时间的变化过程。土壤水盐状态也是农作物生长发育的首要条件之一，例如：氮素肥料在土壤中的运移对农作物及土壤的再生极其重要。研究土壤水盐动态对于改良盐渍土和防止土壤次生盐渍化有着重大的实际意义。

而随着人民生活水平的提高，旅游业的超速发展，人为因素下导致的水盐运移的另一个极为突出的危害集中在文化遗产领域。尤其是一类以天然硅酸盐类矿物为主要原料制造出的一大类具有鲜明文化特征的历史遗存，主要包括壁画、陶质彩绘文物（包括彩陶、彩绘陶、釉陶等）、土遗址、砖瓦构件、石质文物等脆弱硅酸盐质文物。由于文物本体多孔特性，地下水可溶盐离子在渗透等作用下不断进入到这些脆弱硅酸盐质文物基体的内部，在大气环境温湿度、降雨、风力等频繁变化的作用下，硅酸盐质文物内部含有的可溶盐离子析晶-溶解，例如：砖石类古建墙体、出土陶质文物、石刻造像、土遗址中可溶盐的大量迁移导致了文物本体酥碱、层状剥落、基体坍塌，岩石崖体表面壁画等文物的开裂、脱落、损毁等。

针对上述实际问题的实验室研究近年来也都陆续开展，但是都有一个显著的特点是实验的周期长，采集数据耗时耗力。

本发明用于表征土壤，岩土，盐生植物以及硅酸盐质文物样品中水盐运移特性的高通量实验平台，高通量实验技术是一门新兴的科学实验技术，目前主要用生化医药科学工程研究（例如：药物筛选、酶联免疫吸附实验、dna测序处理、临床检验样品处理等）；以及材料科学基因研究中的材料合成制备领域，例如，cn105839041a公开一种成分渐变合金材料的制备。然而针对土壤水盐运移以及盐结晶这一领域的实验平台还是鲜有报道，尤其是文物保护研究的应用更是未见报道。

所以对于这样的实验平台的制备是土壤检测、检测以及文保科技领域急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种水/盐运移/溶解/析晶表征的高通量实验平台，可用于岩土工程、土壤盐碱、氮素等肥料在土壤以及硅酸盐质文物中水盐运移/溶解/析晶高效快速精准检测和标定，能够在实验室批量精准地获取具有浓度梯度的标准盐水溶液样品的特征信息，以及具有浓度梯度的标准盐/水溶液在土壤中的运移以及析晶等行为的特征信息；从而标定田野实验数据；进而用于田野监测研究盐/水在土壤及硅酸盐质文物中的活动，达到提前预测并防护的目的。

为达到上述目的，本发明提供水/盐运移高通量检测实验平台设备，包括平台箱体框架、测试样品放置器、顶盖、全自动给液系统和电源单元。其特征在于：所述平台箱体框架为一个可移动的箱式结构，该箱体框架内腔被承载测试样品放置器的二维滑轨甲分成独体的上下两个腔体，测试样品放置器可以在滑轨甲上二维移动；平台箱体框架的上顶部与下底部分别各设置有二维的轨道系统乙、丙，安装有测试仪器的一个顶部升降机构和底部升降机构分别安置在所述上顶部与下底部的与轨道轨甲相平行轨道乙、丙上；所述全自动给液系统给测试样品放置器中的测试样品注满实验需要的不同浓度的盐水液量，然后将测试样品放置器通过一个给/取样门安装于滑轨甲上，视测试的需要，开启顶盖或者仪器安装门将测试仪器安装于顶部升降机构或者底部升降机构上，由所述滑轨甲、乙、丙上配置的小马达履带式驱动小车使测试样品及测试仪器做二维的移动，完成信息的采集，这样一次实验就可得到一系列具有浓度梯度的水盐运移/溶解/析晶实验数据。

本发明的智能自动控制软件系统可以线完成制动、储存与分析。又，本发明提供的高通量实验平台设备采用大视场扫描与小点分析结合的测试方法，可以快速、高效地采集批量化的精细实验数据，因此，可以极大地缩短实验室研究的周期，利于实现实验数据与野外数据的拟合，利于实现实验结果及时应用于野外盐水溶液迁移等的监测。

较佳地，所述的平台箱体框架也可以为舱式。

较佳地，所述的滑移都由与智能自动控制软件系统相连的制动系统控制下移动。

较佳地，所述的测试样品放置盘可依据实验对象的变化定制，由若干个小型格子箱构成，小格子箱体的数量视实验的需求定制。

较佳地，小型格子箱可以是任何的形状，如圆柱体，四方体等。

较佳地，小型格子箱由：箱主体，外接引流装置，盖子以及自控制单元组成。

较佳地，如有实验需要，小型格子箱体内环境通过安装温度、湿度、压力感应材料器件，无线连接智能自动控制软件系统实现稳定可调，这样可以更好地模拟出野外的环境，从而得出更加接近实际的数据；同时也可以通过调控微环境循环的周期加快实验的进程，从而提高实验的效率。

较佳地，小格子箱的样品架凸起结构设计为倾斜45度。

较佳地，小格子箱体的溶液滴口可设计为直径0.001-0.1毫米，以此模拟土壤等的自然空隙状态，而且开口由智能自动控制软件系统调控。

较佳地，小格子箱体的溶液滴口也可选用海绵状多孔材料，模拟重现水盐在土壤等基体中的自然渗透。

较佳地，测试样品放置盘以及小格子箱体的制造材料的选取原则是最大可能地避免对检测产生干扰，且根据检测的内容选择不同材质的样品台，例如：测试组成，则优先选择有机高分子材质；测试吸收值，则优先选择高纯石英。

较佳地，小格子箱体给液接口可以为螺纹式固定，也可以是卡扣式。

较佳地，仪器安装门与顶盖均为可拆卸，方便测试仪器的安装。

较佳地，所述的顶部轨道设计为l型槽轨道，方便仪器的倒挂，以及自如的移动。

较佳地，所述的滑轨x轴向与y轴向宽窄均可调节，方便各种仪器的固定。

较佳地，全自动给液系统可以为独立的附属器件，也可以安装于平台的内部

较佳地，所述的检测仪器可以为红外成像仪、拉曼光谱仪、高光谱成像光谱仪，高分辨图像采集与处理系统，太赫兹探测仪等。

较佳地，所述的检测对象可以为各种土壤样品、硅酸盐质地文物（陶器、砖块、水泥，壁画、城墙等）、岩体、盐水溶液、氮肥等。

较佳地，盐水溶液中的盐种类包括：nacl，na2so4，nano3等。

较佳地，信号端口是仪器分析单元以及自动系统控制单元的链接端口，可以根据实验的需要设置端口的通量。

较佳地，箱体底部装有四个减震弹簧万向脚轮。

较佳地，底部升降系统制造板材材料选择多孔材料，可以满足设备的抗震要求。x型伸缩柄和垂直伸缩杆支撑部件选择零热膨胀系数材料可以避免温度对实验的影响。

因此，本发明的有益效果在于：其一，是可以实现批量化的水盐在空隙基体中迁移析晶等系列活动的检测实验，既可在短时间内获得大量实验数据，又大大缩短实验室获取数据的时间，也实现了省时省力；其二，是系列水盐浓度梯度数据的获得，以及数据库的建立，既能实验室完成检测仪器的校对，又可以实现监测的精准化，减少实验室数据与野外数据的误差，提高监测的可靠性；其三，是多种检测仪器的联合应用，更加提高了实验数据的精确度与可靠性；其四，样品台以及小格子箱体的可变设计，适应各种实验的需求；其五，数据库的建立，全自动化的检测、拟合、监测的实施，尤其有利于文物保护行业的应用。

附图说明

图1是根据本发明的土壤环境监测高通量实验平台的结构示意图；

图2是图1中的样品台的立体结构示意图；

图3是图2中的样品台的小型格子箱立体结构示意图；

图4是图3中的样品台的小型格子箱盖立体结构及半剖面示意图；

图5是图3中样品台的两种小型格子箱体全剖面示意图，5-a竖直放置的格子箱体，5-b倒置的格子箱体；

图6是图1所示的样品台中的底部（顶部）升降系统立体结构示意图；

图7是图1所示的样品台中的二维滑轨系统示意图；

图8是智能自动控制软件系统示意图。

1-平台箱体框架；2-测试样品放置器；3-底部升降机构；4-顶部升降机构；5-给/取样门；6-a、6-b、6-c-滑轨；7-a-顶盖7-b-仪器安装门；8-脚轮；9-全自动给液系统；10-a、10-b-电源单元；11-a、11-b-信号端口；12-平台箱体框架制动触头；13-小型格子箱；14-测试样品放置器制动触头；15-小型格子箱盖；16-a、16-b-数据采集窗；17-给液管道；18-小型格子箱制动触头；19-给液管道接口；20-储液槽；21-溶液滴口；22-样品架；23-小型格子箱盖制空触头；24-仪器固定平台；25-标准螺纹孔；26-x型杆铰链伸缩架；27-滑轨；28-底盘；29-垂直伸缩杆；30-底盘制动触头；31-x轴向滑轨；32-y轴向滑轨；33-升降滑轨制动触头。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施例进一步说明本发明：

实施例一：

参见图1~图7，一种水/盐运移/溶解/析晶表征的高通量实验平台，包括平台箱体框架1、测试样品放置器1、顶盖7-a、全自动给液系统9和电源单元10。其特征在于：所述平台箱体框架1为一个可移动的箱式结构，该箱体框架1内腔被承载测试样品放置器2的二维滑轨甲6-a分成独体的上下两个腔体，测试样品放置器2可以在滑轨甲6-a上二维移动；平台箱体框架1的上顶部与下底部分别各设置有二维的轨道系统乙6-b、丙6-c，安装有测试仪器的一个顶部升降机构4和底部升降机构3分别安置在所述上顶部与下底部的与轨道轨甲6-a相平行轨道乙6-b、丙6-c上；所述全自动给液系统9给测试样品放置器2中的测试样品注满实验需要的不同浓度的盐水液量，然后将测试样品放置器2通过一个给/取样门5安装于滑轨甲6-a上，视测试的需要，开启顶盖7-a或者仪器安装门7-b将测试仪器安装于顶部升降机构4或者底部升降机构3上，由所述滑轨甲6-a、乙6-b、丙6-c上配置的小马达履带式驱动小车使测试样品及测试仪器做二维的移动，完成信息的采集，这样一次实验就可得到一系列具有浓度梯度的水盐运移/溶解/析晶实验数据。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于如下：

参见图1~图7，所述水/盐运移/溶解/析晶表征的高通量实验平台，其特征在于：所述的测试样品放置器2可依据实验对象的变化定制，由若干个小型格子箱13构成，小格子箱体13的数量视实验的需求定制。所述的顶部轨道丙6-c设计为l型槽轨道，方便仪器的倒挂而实现自如的移动；所述的滑轨甲6-a、乙6-b、丙6-c的x轴向与y轴向宽窄均可调节，方便各种仪器的固定。小型格子箱13形状为如圆柱体活四方体；小型格子箱13由：箱主体，外接引流装置，盖子以及自控制单元构成。所述小型格子箱体内环境通过安装温度、湿度、压力感应材料器件，以及造/除湿、加热、抽真空/加压、鼓风等设备，无线连接智能自动控制软件系统实现稳定可调。仪器安装门7-b与顶盖7-a均为可拆卸，方便测试仪器的安装。全自动给液系统为独立的附属器件，或者安装于平台的内部。所述的检测仪器为红外成像仪、拉曼光谱仪、高光谱成像光谱仪，高分辨图像采集与处理系统和太赫兹探测仪中的一种或者多种。所述的试样品为各种土壤样品或者硅酸盐质地文物陶器、砖块、水泥，壁画和城墙等中的一种或者多种，或岩体和盐水溶液和/或氮肥。所述盐水溶液中的盐类为：nacl或na2so4或nano3。

实施例三：

参见图1~图7，其示出根据本发明的高通量实验平台的外形结构示意图，如图所示，本发明开发一种高效快速的用于检测岩土工程、土壤盐碱、氮素等肥料在土壤以及硅酸盐质文物中水盐运移/溶解/析晶等环境变化，以及标定、拟合实验室与野外数据的高通量实验平台设备，在实验室模拟条件下快速获取具有浓度梯度的标准盐溶液的特定信息，以及具有浓度梯度的标准盐溶液在陶质样品（土壤、岩石）中的运移及结晶行为的特定信息。该实验平台装置由平台箱体框架1，测试样品放置器2，底部升降机构3，顶部升降机构4，给/取样门5，滑轨甲、乙、丙6-a、6-b、6-c，顶盖7-a、测试仪器安装门7-b，脚轮8，全自动给液系统9；电源单元10-a；信号端口（仪器分析单元、自动系统控制单元）11-a，构成。滑轨甲6-a置于箱体框架1的中部，将箱体1分割为两个独立的空间；首先利用全自动给液系统9给测试样品放置器2中的测试样品注满实验需要的不同浓度的盐水液量，然后将测试样品放置器2通过给/取样门5安装于滑轨甲6-a上，视测试的需要，开启顶盖7-a或者仪器安装门7-b可将测试仪器安装于顶部升降机构4或者底部升降机构3，由14-测试样品放置器2和33-升降滑轨制动触头驱动滑轨甲6-a、乙6-b、丙6-c上的小马达驱动履带式小车使测试样品及测试仪器做二维的移动，完成信息的采集，这样一次实验就可以得到一系列具有浓度梯度的水盐运移/溶解/析晶实验数据。

上可本发明实验平台还包括智能自动控制软件系统，湿度/温度/吹风/压力等控制单元（未图示），以及检测设备（未图示），例如：可根据环境模拟工程原理安装在恰当位置的湿度、温度、压力，风力等感应设备，以及造/除湿、加热、抽真空/加压、鼓风等设备；例如，可装在顶部或者底部的红外成像仪、拉曼光谱仪、高光谱成像光谱仪，高分辨图像采集与处理系统，太赫兹探测仪等仪器设备。

设备的内部全部采用标准黑色。

虽然在该图中示出一个整机箱体，但应理解，该平台设备可由数个这样的箱体联用，进而升级为全新的设备。

图2示出图1中的测试样品放置器2的外观及剖面结构，如图所示，测试样品放置器2具有包括数个小型格子箱套装式框架结构，其四周均为全透式，测试样品放置器2的整体外壳设计为方形，亦可做成任何需要的标准形状，其放置小格子的框架也可以做成各种形状，所有格子的大小根据不同的实验需要而定，制作框架的材料选择对轻质材料，而且必须对实验不会产生任何的干扰。

图3示出图2中的一个小型格子箱体13的结构图，其由小型格子箱盖15，数据采集窗16，给液管道17构成。其制备材质选择透光性好，对测试仪器的结果不会干扰的或者少干扰，例如：高纯石英，有机玻璃等，但这必须与测试仪器的要求所对应。补充液体由全自动给液系统9，通过给液管道17，完成，这些补液管材选择具备耐酸、耐碱及抗氧化等性能的材质制造。

图4示出图3中一个小型格子箱体13的盖子15的剖面结构图，其由给液管道接口19，储液槽20，溶液滴口21，其中的给液口19可以为螺纹式接口，也可以是卡扣式接口，溶液滴口21模拟自然界的毛细管道，小型格子箱体13的盖子与箱体之间为磨砂密封，也可以是橡胶密封。

图5示出图2的一个小型格子箱体13的全剖图，其中图a为竖直放置的格子箱体，既数据采集窗口位于格子的下部14-a，图b为倒置的格子箱体，既数据采集窗口位于格子的上部16-b，其中的22是样品架。

图6示出图1的底部升降机构结构图，其有仪器固定平台24，标准螺纹孔25，x型伸缩柄26，底盘28，滑轨27构成。其中制造板材材料选择必须满足高精密测试需要，例如：仪器固定平台24选择多孔材料，可以满足设备的抗震要求。例如x型伸缩柄26传动式马达驱动，选择零热膨胀系数材料可以避免温度对实验的影响。其中底盘28的滑轨宽窄可变，以适应不同的实验要求。

上述所有的有缝连接处均设有橡胶密封条（未图示）。

本发明的水盐运移表征高通量实验平台可高效批量化地完成具有浓度梯度水盐溶液在不同作用力下在多孔基体中（岩土、土壤、硅酸盐质文物）水盐运移/溶解/析晶检测、标定的高通量实验室平台。以下将结合上述结构分述不同作用力下水盐溶液在多孔隙基体中的迁移检测、标定及监测。

以下的实例中多孔隙基体选择陶（pottery），但应该明确本发明的实验对象不局限于陶（pottery）。可以为各种土壤样品，硅酸盐质地文物（陶器、砖块、水泥，壁画、城墙等），岩体，盐水溶液等。

实例1

所有的实例中不做特别说明电源单元10-a、10-b都将视为处于开启状态。

首先配制具有浓度梯度序列的盐溶液，所述的盐可以选择易溶于水的nacl，na2so4，nano3等的中的任意单一盐，也可以选择两种或者多种上述盐的复合盐，可根据实验精细程度的需要，选择盐溶液的浓度梯度，所述的溶液浓度序列可以为几个，或者数十个，或者数百个。

本实例选择nacl盐溶液，在室温20℃下配制浓度：0%nacl盐溶液，1%nacl盐溶液，2%nacl盐溶液，3%nacl盐溶液，4%nacl盐溶液，5%nacl盐溶液，依次至26%nacl盐溶液，以及26.1%nacl盐溶液，26.3%nacl盐溶液，26.4%nacl盐溶液，26.5%的nacl饱和溶液。总计30个nacl盐溶液样品。且依次编号为1-30。

将配制好的具有浓度梯度的盐溶液依次按编号移液到自动给液系统9的溶液储存器中（未详细图示），所述的储液器序列号存储于智能自动控制软件系统，同时，通过智能自动控制软件系统使溶液存储器的温度恒定在20℃。

开启测试仪器拆卸门7-b，利用标准螺纹孔25，把需要的测试仪器安装固定在底部升降机构3的仪器固定平台24上，所述的测试仪器可以为红外成像仪、拉曼光谱仪、高光谱成像光谱仪，高分辨图像采集与处理系统，太赫兹探测仪等仪器中的任意一种，或者可以同时选择多种仪器同时进行测试，因此所述的底部升降系统3亦可以安装数个于滑轨乙6-b，而且可以根据实验仪器的需要而定制成任意的大小，以及任意的升降角度。测试仪器的电源通过电源10-a连接，测试仪器的数据由信号端口11-a连接。

本实例选择单台高光谱成像光谱仪。

选择具有30个小格子箱体5-a型的测试样品放置器2，打开的小型格子箱盖15，把待测试陶样品的样品置于样品架22，合上小型格子箱盖15，对应序列号把给液管道17接通到给液接口19。

开启自动给液系统9的给自动控制单元11-b的给液模块，使溶液存储器中具有浓度梯度的盐溶液对应序列号地充满储液槽20。

所有的样品台以及待测样品都按上述操作完成。

将装有待测试样品及充满盐溶液的样品台2移置于滑轨甲6-a上。

关闭给/取样门5，关闭仪器拆卸门7-b。

运行智能自动控制软件系统的移动马达模块（未图示），启动底盘制动系统30和升降滑轨制动系统33，将装有待测试样品及充满盐溶液的测试样品放置器2，以及安装有测试仪器的底部升降系统3，调整x轴向滑轨31，y轴向滑轨32以及，通过滑轨6-a、6-b移动到即将测试的位置，并使所有的数据采集窗口16-a都在测试仪器的镜头内。对于光谱仪器利用x型杆铰链伸缩架26以及垂直伸缩杆29调整其焦距，并使得仪器处于最佳数据的采集范围。

开启溶液滴口21，移开给液管道17，同时开启测试仪器（高光谱成像光谱仪），实验平台开始工作，检测进行中。这样在同一实验环境下，智能自动控制软件系统以图片及数字信息等模式录取存储系列浓度的nacl盐溶液在陶样品中的扩散-迁移-析晶-溶解-结晶的动态过程，如果想加快实验的进程，亦可以不移开给液管道17，并通过自动给液系统9给储液槽20一定的压力。

这样一次就可以获得一个批量具有系列浓度的nacl盐溶液在陶样品中的扩散-迁移-析晶-溶解-结晶的动态过程。本实施例，这一次实验可以获得30个样品的实验数据，而这样的实验在非高通量实验条件下需要至少30个实验周期完成。

利用上述实验获得的数据即可标定建立不同浓度盐溶液在多孔基体中所具有的物理活动标准值数据库。

进而把野外数据与此数据库值拟合，即可完成野外监测。

所有这些操作均通过信号端口11-a的链接的自动单元完成。

实例2

在上述的实施例1中，将测试样品放置器2置换为具有30个小格子箱体5-b型。打开的小型格子箱盖15，把待测试陶样品的样品置于样品架22，合上小型格子箱盖15，对应序列号把给液管道15接通到给液接口16。

开启测试仪器拆卸门7-a，利用标准螺纹孔25，把需要的测试仪器安装固定在顶部升降机构4的仪器固定平台24上，并将顶部升降机构4倒挂于顶部l型滑轨（未图示）。所述的测试仪器可以为红外成像仪、拉曼光谱仪、高光谱成像光谱仪，高分辨图像采集与处理系统，太赫兹探测仪等仪器中的任意一种，或者可以同时选择多种仪器同时进行测试，因此所述的顶部升降机构4亦可以安装数个，而且可以根据实验仪器的需要而定制成任意的大小，以及任意的升降角度。测试仪器的电源通过电源单元10-a连接，测试仪器的数据由信号端口11-a连接。

将装有待测试样品及充满盐溶液的试样品放置器2移置于滑轨6-a上。

关闭给/取样门5，关闭仪器拆卸门7-a。

运行智能自动控制软件系统的移动马达模块（未图示），启动底盘制动系统30和升降滑轨制动触头33，将装有待测试样品及充满盐溶液的测试样品放置器2，以及安装有测试仪器的底部升降机构4，调整x轴向滑轨31，y轴向滑轨32以及，通过滑轨甲6-a、丙6-c移动到即将测试的位置，并使所有的数据采集窗口16-b都在测试仪器的镜头内。对于光谱仪器利用x型杆铰链伸缩架26以及垂直伸缩杆29调整其焦距，并使得仪器处于最佳数据的采集范围。

开启溶液滴口21，移开给液管道17，同时开启测试仪器（高光谱成像光谱仪），实验平台开始工作，检测进行中。这样在同一实验环境下，智能自动控制软件系统以图片及数字信息等模式录取存储系列浓度的nacl盐溶液在陶样品中的扩散-迁移-析晶-溶解-结晶的动态过程，如果想加快实验的进程，亦可以不移开给液管道17，并通过自动给液系统9给储液槽20一定的压力。

这样一次就可以获得一个批量具有系列浓度的nacl盐溶液在陶样品中的扩散-迁移-析晶-溶解-结晶的动态过程。本实施例，这一次实验可以获得30个样品的实验数据，而这样的实验在非高通量实验条件下需要至少30个实验周期完成。

利用上述实验获得的数据即可标定建立不同浓度盐溶液在多孔基体中所具有的物理活动标准值数据库。

进而把野外数据与此数据库值拟合，即可完成野外监测。

所有这些操作均通过信号端口11-a的链接的自动单元完成。

在上述的两个实施例子中，如有实验需要自然光照，则可以打开顶盖7-a，使用滑轮8，把平台移动到有太阳光照的地方。