一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统及其应用

本发明涉及测量；测试的，特别涉及一种环境监测与微生物的时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统及其应用。

背景技术：

1、微生物降解是自然环境中处理有机污染物的主要途径之一，研究污染物在微生物作用下的降解机理对于开发生物修复技术、评估自然衰减能力及优化修复策略具有重要的科学意义与工程价值。传统研究方法通过定时取样、离线检测的方式获取污染物浓度变化数据，然而存在以下固有局限：其一，样品消耗量大，且取样过程对反应体系具有破坏性，难以实现对同一反应界面的连续追踪；其二，时空分辨率低，所获数据为反应器尺度的宏观平均结果，无法揭示孔隙尺度下的微观传输与反应过程；其三，反应过程不可视，难以直接观测微生物与污染物在固-液界面的接触、附着及降解行为。

2、近年来，微流控技术因其试剂消耗少、传质传热快、可视性强等优势，为在微观尺度上模拟和研究生物化学反应提供了理想平台。现有技术中，已有将微生物与污染物同时引入微流控芯片进行降解过程观测的尝试，然而，现有方案通常采用预混合后注入或双流路同时注入的方式，这导致微生物与污染物在进入多孔介质反应区之前或入口处即发生均匀混合，此种操作模式与实际场地修复中“先存在污染，后引入微生物”的真实情景存在显著差异，无法真实模拟修复剂投加后的传输、附着及反应时序；同时，由于污染物与微生物过早混合，观测到的信号衰减往往难以区分是对流扩散造成的物理稀释作用，还是生物降解引起的化学转化作用，且难以精准控制微生物与污染物的初始接触时间和接触界面，制约了对降解动力学参数的准确提取。

3、此外，现有微流控观测系统大多仅依赖普通光学显微镜进行形貌观察，缺乏与高灵敏度荧光可视化、定量浓度分析相集成的检测单元。普通显微成像只能提供定性或半定性的分布图像，无法对反应界面处的污染物浓度场进行动态、高精度的定量监测，从而限制研究者对降解反应速率、空间分布特征及限速环节的深入认知。

4、综上所述，亟需开发一种能够真实模拟“先污染、后修复”时序过程、具备高时空分辨率、可实现原位可视化观测与浓度定量反演的一体化系统及方法，以支撑多孔介质中微生物降解耦合过程的精细化研究。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统及其应用。

2、本发明所采用的技术方案是，一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，包括：

3、一注射单元，用于分别依序输出污染物及其降解的关联流体；

4、一微流控芯片，包括顺次设置的入口、反应观测区域及出口，所述入口与注射单元的输出端连接，所述反应观测区域的透光度大于预设值；

5、一荧光激发及采集单元，包括激发光源及荧光相机，激发光源用于以激发光对注射流体后的所述反应观测区域进行照射，荧光相机用于实时采集荧光图像；

6、一数据处理分析单元，配合荧光激发及采集单元设置，用于对采集到的时序化的荧光图像处理生成降解过程的动态变化数据；

7、配合所述注射单元、荧光激发及采集单元、数据处理分析单元设有控制器。

8、优选地，所述注射单元包括至少2个独立控制的注射模块，关联流体包括分别由注射模块独立输出的含有污染物的第一流体和含有微生物的第二流体。

9、优选地，所述反应观测区域为平板结构，包括透光度大于预设值的顶板和底板，顶板和底板间填充有用于模拟土壤孔隙环境的填充物。

10、优选地，配合所述荧光激发及采集单元设有二向色镜，二向色镜的反射面分别朝向激发光源和微流控芯片设置，二向色镜的透射输出端朝向荧光相机设置。

11、优选地，配合激发光源和二向色镜间设有扩束器；配合二向色镜和荧光相机间设有滤波片。

12、优选地，所述数据处理分析单元包括：

13、图像校正模块，用于获取暗场图像及反映激发光强空间分布的参考图像，并基于校正算法消除激发光强的空间分布不均与时间波动对荧光信号的影响；

14、浓度定量模块，用于根据预存的荧光强度-污染物浓度标准曲线，将经校正处理后的实时荧光强度值反演为对应的污染物浓度值，并生成浓度随时间变化的降解曲线。

15、优选地，所述系统还包括可视化单元，用于将荧光图像按时序排列并与污染物浓度值的变化曲线同步展示。

16、优选地，所述系统的控制包括以下步骤：

17、s1 以注射单元向微流控芯片注入含有荧光指示剂的污染物溶液，直至反应观测区域内充满并形成均匀、已知的初始浓度场；

18、s2 以注射单元向微流控芯片注入含有微生物的溶液，启动微生物对污染物的原位降解，启动荧光激发及采集单元，以预设频率连续采集反应观测区域内的荧光图像；

19、s3 数据处理分析单元接收荧光图像，经过校正处理提取对应于反应观测区域的实时荧光强度值，并依据预先生成的荧光强度-污染物浓度标准曲线，将荧光强度值实时反演为污染物浓度值，生成浓度随时间变化的降解曲线。

20、优选地，s3中，采集无激发光时的暗场图像，在注入污染物溶液后、注入微生物溶液前，采集一帧作为空间参考图像的荧光图像；利用暗场图像和空间参考图像，对每一帧实时采集的原始荧光图像进行归一化校正处理。

21、一种所述的时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统的应用，应用于具备通过ph或特定化学指标变化反映降解过程的污染物的降解与浓度测定。

22、本发明涉及一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统及其应用，注射单元分别依序输出污染物及其降解的关联流体，微流控芯片的入口与注射单元的输出端连接，反应观测区域的透光度大于预设值，荧光激发及采集单元的激发光源以激发光对注射流体后的反应观测区域进行照射，荧光相机用于实时采集荧光图像，数据处理分析单元对采集到的荧光图像依时序处理后生成降解过程的动态变化数据；系统配合设置控制器；应用于具备通过ph或特定化学指标变化反映降解过程的污染物的降解与浓度测定。

23、本发明的有益效果在于：

24、（1）实现污染物降解过程的可视化及污染物浓度变化的数据测量；

25、（2）运用微流控芯片精确模拟土壤环境以及先污染后修复的时序，使得数据更加真实可靠；

26、（3）采用的光路更稳定、集成性更好；

27、（4）不仅适用于全氟辛酸(pfoa)的研究，还可拓展至其他能够通过ph或特定化学指标变化反映降解过程的污染物，适用于全氟烷基物质等难降解有机污染物降解机理的高时空分辨率研究，展现出广泛的应用潜力。

1.一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：所述注射单元包括至少2个独立控制的注射模块，关联流体包括分别由注射模块独立输出的含有污染物的第一流体和含有微生物的第二流体。

3.根据权利要求1所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：所述反应观测区域为平板结构，包括透光度大于预设值的顶板和底板，顶板和底板间填充有用于模拟土壤孔隙环境的填充物。

4.根据权利要求1所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：配合所述荧光激发及采集单元设有二向色镜，二向色镜的反射面分别朝向激发光源和微流控芯片设置，二向色镜的透射输出端朝向荧光相机设置。

5.根据权利要求4所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：配合激发光源和二向色镜间设有扩束器；配合二向色镜和荧光相机间设有滤波片。

6.根据权利要求1所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：所述数据处理分析单元包括：

7.根据权利要求1所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：所述系统还包括可视化单元，用于将荧光图像按时序排列并与污染物浓度值的变化曲线同步展示。

8.根据权利要求3所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：所述系统的控制包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统，其特征在于：s3中，采集无激发光时的暗场图像，在注入污染物溶液后、注入微生物溶液前，采集一帧作为空间参考图像的荧光图像；利用暗场图像和空间参考图像，对每一帧实时采集的原始荧光图像进行归一化校正处理。

10.一种权利要求1~9之一所述的时序可控的污染物微流控降解可视化与浓度测定系统的应用，其特征在于：应用于具备通过ph或特定化学指标变化反映降解过程的污染物的降解与浓度测定。