基于微流控芯片的土壤冻融模拟装置的制作方法

本实用新型涉及土壤研究领域，特别是涉及一种基于微流控芯片的土壤冻融模拟装置。

背景技术：

我国是世界第三冻土大国，冬季冻结、夏季融冻的季节性冻土面积约占国土面积的53.50％；东北、西北地区以及青藏高原等地区，最大冻结深度都在1米以上，部分地区能达到2米以上，且有冻土存在的冻融时间超过200天。对于冻土而言，由于土壤的冻融过程中伴随着复杂的物理、物理化学和热力学现象，这些复杂的现象造成了冻土相较于非冻土而言更为复杂多变。同时，随着人类活动所造成污染的加剧，土壤以及地下水的污染日益严重，针对这一现状，对于非冻土区或季节性冻土区的非冰冻期土壤及地下水的污染问题，很多学者就污染物的组分分布、迁移特征等已进行了较系统的研究，并取得了丰富的成果和研究经验；但是目前我们对于冻土区土壤以及地下水中污染物组分的迁移特征、分布规律以及影响机理还缺乏深入的理解，缺乏完善系统的实验方法。因此，开展冻融条件下土壤中污染物迁移再分配规律的研究，就必须首先要有一种简单且科学合理的，能够模拟自然情况下土壤冻融过程，并且能够支持对其中污染物组分进行定量化研究的实验方法，使得研究人员能够在室内科学且便捷的实现土壤冻融过程来开展相关科学研究，获得合理且充分的科研数据。

专利CN105115882提出了一种土壤冻融过程的室内模拟方法，专利CN107462594提出了一种利用制冷片进行土壤冻融过程的室内模拟方法，专利CN106066273提出了一种模拟垂直人工冻结法的冻融试验设备，上述专利的优点均在于能够较长时间、较为真实的模拟自然情况下土壤的冻融过程，而且理论方法上较为简单，容易实现。但是，在上述专利中，不仅需要进行复杂繁琐的装置设计、结构复杂、价格昂贵、操作不便、实验周期长和可重复性差，而且做不到无损、实时且定量化的监测冻融过程中土壤污染物组分的分布。

由此可见，上述现有的对土壤冻融过程的研究在设备结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种结构简单、使用方便、重复性好且可实现无损、实时及定量化的监测冻融过程中土壤污染物组分分布的土壤冻融模拟装置，成为当前业界极需改进的目标。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、使用方便、重复性好的土壤冻融模拟装置，使其可实现无损、实时及定量化的监测冻融过程中土壤污染物组分的分布。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

基于微流控芯片的土壤冻融模拟装置，包括：

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；

温控装置，与微流控芯片连接，用于通过对微流控芯片进行温度控制，模拟冻融过程；

光学成像系统，朝向微流控芯片，用于对微流控芯片进行拍摄进行图像视频采集。

作为本实用新型进一步地改进，所述温控装置包括半导体制冷片、散热系统和电路板；

所述半导体制冷片安装在微流控芯片两端的底部，一端为冷端，另一端为暖端；

所述散热系统安装在所述暖端，为暖端散热；

所述电路板与半导体制冷片及散热系统相连，通过调节输出端电压来调节温度。

进一步地，所述半导体制冷片的温度范围为-10℃—10℃。

进一步地，所述光学成像系统包括高清CCD相机和显微镜镜头，所述显微镜镜头安装在高清CCD相机的镜头上。

进一步地，所述光学成像系统还包括可移动载物台及光源；

所述光源位于所述可移动载物台的下部；

所述温控装置位于所述可移动载物台的上部；

所述微流控芯片位于所述温控装置的上部。

进一步地，所述光学成像系统还包括一底座，所述底座位于所述光源的下部；

进一步地，所述高清CCD相机采用BC2000三代相机；所述显微镜镜头的高清镜头的变焦范围为0.7-5.0x，大视野范围对角线长4.0-45mm；所述光源型号为D900。

进一步地，还包括避光箱体，所述微流控芯片、温控装置和光学成像系统位于避光箱体之内。

进一步地，所述避光箱体为恒温冰箱。

进一步地，还包括计算机，所述计算机与光学成像系统相连。

通过采用上述技术方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、本实用新型提出一种基于微流控芯片的用于模拟土壤冻融过程的装置和方法。利用微流控芯片来模拟土壤的多孔介质结构，可根据研究人员的想法以及实际研究情况进行定制化，抛开了原来利用土壤进行实验过程中，繁琐劳累的土柱填充-拆解-再填充的过程，而且由于每次填充土柱的条件无法完全相同，这会造成土壤内部空间结构的差异，进而对实验的可重复、可信度造成显著影响；然而，微流控芯片的空间结构并不会发生改变，因此实验的可重复性比利用土壤进行室内模拟更好，科研数据的可对比度、可信度更高，而且操作简单、省时。

2、同时，本实用新型利用显微镜镜头和高清CCD相机对冻融过程中微流控芯片进行图像视频采集，通过后期的数据处理分析，可以很好的实现对冻融过程的无损、实时和定量化的监测。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型实施例中基于微流控芯片的土壤冻融模拟装置的结构示意图；

图2是微流控芯片的结构示意图；

图3是光学成像系统结构示意图；

图4是基于上述土壤冻融模拟装置的残余NAPL相识别方法流程图。

具体实施方式

本实施例提供了一种土壤冻融模拟装置，为了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，如图1-3所示，该土壤冻融模拟装置以微流控芯片1作为模拟主体，再配以温控装置2对其进行温度控制模拟土壤的冻融循环过程，同时还采用光学成像系统3对微流控芯片进行拍摄进行图像视频采集。

如图2所示，为微流控芯片的结构示意图，其内构建有多孔介质网络模型，用于模拟多孔介质(土壤)内孔隙分布的空间结构。其可根据研究人员的想法以及实际研究情况进行定制化，抛开了原来利用土壤进行实验过程中，繁琐劳累的土柱填充-拆解-再填充的过程，而且由于每次填充土柱的条件无法完全相同，这会造成土壤内部空间结构的差异，进而对实验的可重复、可信度造成显著影响；然而，微流控芯片的空间结构并不会发生改变，因此实验的可重复性比利用土壤进行室内模拟更好，科研数据的可对比度、可信度更高，而且操作简单、省时。优选地，可利用玻璃刻蚀的技术在玻璃芯片上构建多孔介质网络模型，玻璃刻蚀的成熟性及玻璃的通透性为进一步的研究提供了方便。另外，利用微流控芯片具备其他方法所不具备的直观性，可通过对高分辨率的图像分析处理，实时获取和在线监测实验结果。

如图1所示，微流控芯片1用于模拟土壤的孔隙结构，温控装置2与微流控芯片1连接，用于通过对微流控芯片进行温度控制，模拟冻融过程。

为了方便温度控制，更好地模拟冻融过程，优选采用半导体制冷的方式，该温控装置2由三部分构成：半导体制冷片、散热系统及电路板。

半导体制冷片主要是利用半导体材料的Pe lt ier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。半导体制冷片安装在微流控芯片1两端的底部，一端为冷端，另一端为暖端；散热系统安装在所述暖端，为暖端散热，其散热能力的大小决定温度范围；电路板与半导体制冷片及散热系统相连，通过调节输出端电压来调节温度，精确度达0.05℃。

对于土壤冻融模拟，经试验发现，优选的半导体制冷片控温范围为-10℃—10℃。

当然，本领域技术人员基于本实用新型的上述原理，还可以采用其它温度控制方式。

如图1、3所示，光学成像系统3，朝向微流控芯片1，用于对微流控芯片进行拍摄进行图像视频采集。

上述光学成像系统3包括高清CCD相机31和显微镜镜头32，显微镜镜头32安装在高清CCD相机31的镜头上。其中，高清CCD相机31采用的是BC2000(三代)，成像用以获取RGB图像颜色；显微镜镜头的高清镜头的变焦范围为0.7-5.0x，大视野范围4.0-45mm(对角线长)，用以观察微流控芯片1。

由于显微镜镜头32视野范围有限，上述光学成像系统3还优选设置有可移动载物台33，微流控芯片1及温控装置2置于可移动载物台33上部，使用时，可移动载物台33对微流控芯片1进行前后、左右移动。

为了更好地辅助成像，优选地，所述光学成像系统3还包括光源34，光源34位于微流控芯片1下方的可移动载物台33下部。光源34型号优选为D900，用以对微流控芯片1提供及调节光源。

另外，上述光学成像系统3还包括一底座35，底座35位于光源34的下部。

为避免光学成像系统3受室外光照变化等影响，如图1所示，将光学成像系统3、微流控芯片1及温控装置2放置到避光箱体4中，保证除光学成像系统3本身的光源外，不受其他光源影响；作为优选地，避光箱体4采用恒温冰箱，即在避光的同时也进行了恒温处理，保证了除半导体制冷片外，光学成像系统3不受其他温度影响，恒温处理温度优选6度。

如图1所示，为了对上述土壤冻融模拟装置的模拟结果进行分析，上述光学成像系统3的高清CCD相机31还连接有计算机5，进行处理分析。

如图4所示，为基于上述土壤冻融模拟装置的残余NAPL相识别方法。

NAPL(Non-aqueous Phase Liquid)为非水相流体，指泄露于土壤或含水层中且水不溶混的有机液体。

上述识别方法包括以下步骤：

S1、在微流控芯片的孔隙中形成残余NAPL相；

S2、将形成残余NAPL相的微流控芯片经过温控装置进行冻融循环过程，控制冻融方向及冻融循环次数；

S3、冻融循环结束后，通过光学成像系统图像视频采集最终形态结果，获取RGB图像颜色，然后进行数据处理分析，获取残余NAPL相的分布情况。

其中，S1中的残余NAPL相形成方法为：配合图2所示，对图2中的微流控芯片一端(如左端的注入端口)注入去离子水，另一端(如右端的注入端口)注入被油红染色的正十二烷，经过多次的交替注入水和正十二烷，在孔隙中形成残余NAPL相。

综上所述，本实用新型所提供的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，微流控芯片的空间结构不会发生改变，因此实验的可重复性比利用土壤进行室内模拟更好，科研数据的可对比度、可信度更高，而且操作简单、省时。同时，本实用新型提供的方法利用显微镜镜头和相机对冻融过程中微流控芯片进行图像视频采集，通过后期的数据处理分析，可以很好的实现对冻融过程的无损、实时和定量化的监测。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型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，均落在本实用新型的保护范围内。