一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置，包括微流控芯片和载玻片；微流控芯片和载玻片键合，两者之间设置有空腔区域，微流控芯片上开设有与空腔区域连通的进液口和出液口，空腔区域内设置有土壤结构模拟区，所述土壤结构模拟区内设置有孔隙网络模型，所述孔隙网络模型由用于模拟的土壤颗粒排列构成。该方案不仅能使用到土壤结构中的大部分参数，提高模拟的真实性，而且孔隙网络构建方案能适用于各种类型的土壤结构。方案能适用于各种类型的土壤结构。方案能适用于各种类型的土壤结构。

【技术实现步骤摘要】
一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置


[0001]本专利技术属于土壤微流控
，具体涉及一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置。

技术介绍

[0002]在土壤水分运动的研究中，难以直观地对土壤内部水分流动进行微观尺度观测。现有的CT扫描技术能直接扫描土壤的内部孔隙，其原理是利用图像灰度值的划分来分辨孔隙与实体土壤，但是难以对其中的水分形态进行区分且无法动态识别水流状态，对土壤水分流动研究的帮助非常有限。而由透明材料—聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制作的微流控芯片可以模拟土壤内部的多孔结构，可直接观测水分在模拟土壤孔隙结构内部的流动情况。但如何在芯片内部构建合理的土壤多孔结构仍然是个难题。
[0003]由于微流控芯片已成功应用于医疗生物等领域的多孔介质内部流动可视化，近年来有学者尝试用芯片模拟土壤环境。目前对于土壤多孔介质的构建仍停留在初级阶段，主要用于均质结构的仿真。现有的模拟土壤的微流控芯片布置主要有两种，一种是方形排列微柱，一种是交错排列微柱，并且主要实现的都是均质结构的构建。在土壤结构数据中仅关注了土壤孔隙率这一参数，通过调整微柱形状、直径大小、微柱间距、排布规律等特征来对孔隙率参数和土壤渗透性进行拟合。对于非均质结构进行仿真的排布策略目前还相对较少。现有用于模拟土壤多孔介质的微流控芯片，采用的设计结构方案是改变结构中微柱的排列及其大小等参数，且在设计中仅参考了土壤参数中的孔隙率大小，未考虑土壤的孔隙大小分布，土壤孔隙的连通率和喉道大小等因素，设计的土壤芯片多为均质结构，属于一种非常理想化的形态，与实际脱离，用于模拟土壤的真实性尚有欠缺。
[0004]综上所述，现有方法存在的不足主要包括：用于模拟土壤多孔结构的方法主要通过微柱排列的方法，仅考虑到孔隙率和渗透系数，用于模拟土壤的真实性尚有欠缺，且土壤孔隙的构建无法系统地随CT图像参数进行改变。

技术实现思路

[0005]为了克服现有的土壤微流控芯片内部结构设计所考虑的土壤参数不足，对于土壤多孔介质的构建仍停留在初级阶段，不能满足在复杂孔隙网络下研究的需求，本专利技术提供一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置，该方案不仅能使用到土壤结构中的大部分参数，提高模拟的真实性，而且孔隙网络构建方案能适用于各类的土壤结构。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供了一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置，其包括微流控芯片(2)和载玻片(1)；所述微流控芯片(2)的下表面设有凹槽区域，所述载玻片(1)紧贴设置在微流控芯片(2)的下表面，从而使凹槽区域成为空腔区域(5)，所述微流控芯片(2)上方开设有与空腔区域(5)连通的进液口(4)和出液口(3)，且进液口(4)和出液口(3)分别位于空腔区域(5)的两端；所述空腔区域(5)内设置有土壤结构模拟区(6)，所述土壤结构模拟区(6)
内设置有孔隙网络模型，所述孔隙网络模型由用于模拟真实土壤的土壤颗粒排列构成，所述孔隙网络模型按如下方法设计并获得：
[0008]1)选定土壤结构模拟区(6)的范围，即确定土壤结构模拟区(6)的长度和宽度；以点代表孔隙，确定孔喉长度，即各点之间的距离，在选定的区域内生成等间距的点阵；
[0009]2)获取要模拟的真实土壤的实测孔隙参数，其中，实测孔隙参数包括孔隙半径及其数据分布、孔喉半径、孔隙度和配位数，所述配位数为每个孔隙所连接的孔喉的个数；
[0010]3)设置每个点的大小，每个点的大小通过孔隙半径数据的概率来确定；
[0011]4)设置连通概率，其中连通概率由配位数得到；
[0012]5)得到孔隙网络模型，对比孔隙网络模型和实测孔隙的孔隙度来确定生成的孔隙网络模型模型是否合理；若不合理，则重新回到步骤1)，改变孔喉长度参数；若合理，则输出孔隙网络模型，并根据输出的孔隙网络模型得到用于模拟真实土壤的土壤颗粒的形状，根据得到的用于模拟真实土壤的土壤颗粒的形状生成用于模拟真实土壤的土壤颗粒并组成孔隙网络模型，将孔隙网络模型设置在土壤结构模拟区(6)内。
[0013]优选的，所述的步骤3)具体为：
[0014]对土壤孔隙按孔隙半径大小进行分组，并根据实测的孔隙半径大小的分布得到各孔隙半径分组的分布概率，令各孔隙半径分组内的孔隙半径分布为均匀分布；通过各个孔隙所分配的上下限孔隙半径，使用均匀分布随机为各个孔隙赋确定的半径值。
[0015]进一步的，在本专利技术的一个优选实施方式中，以10μm作为每个分组的半径跨度，将土壤孔隙分成若干个小区间(例如半径分布在10～20μm为一组，分布在20～30μm的为一组，分布在30～40μm的为一组，以此类推，分组的范围和跨度可灵活调整，分组的原则是使得分段更加接近线性，生成的孔隙大小分布更加接近原始数据)。
[0016]优选的，所述的步骤4)具体为：配位数为每个孔隙所连接的孔喉的个数，配位数的取值范围为0
‑
8，其中配位数超过8个的情况也看作配位数为8；根据步骤2)的实测配位数，分别算出配位数0～8所占的比例，得到实测配位数的概率分布，依据该概率分布对每个点的配位数进行随机赋值，并保证每个点的配位数的概率分布与实测配位数的概率分布一致，由配位数进行喉道连接。
[0017]优选的，所述的步骤5)中，孔隙网络模型是否合理的判断依据为：对孔隙网络模型进行孔隙度提取，若模型的孔隙度在所模拟的土壤样本孔隙度的范围内，则可认为生成的孔隙网络模型较为合理。
[0018]优选的，所述空腔区域(5)的高度相等，颗粒的高度均为50μm。进一步的，所述空腔区域(5)的高度为50μm。
[0019]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果有：
[0020](1)采用本专利技术的设计方案，能够充分利用土壤结构中的数据参数，因此克服了现有技术中模拟的土壤真实性欠缺问题，从而取得了提高仿真可靠程度的效果。
[0021](2)采用本专利技术的孔隙网络构建方案，能够灵活地对不同种类的土壤进行模拟，因此克服了现有技术中芯片所模拟的土壤较为单一的问题，从而取得了能对不同的土壤CT图样构建相应孔隙网络的效果。
附图说明
[0022]图1是本专利技术微流控芯片装置的俯视示意图。
[0023]图2是图1中B
‑
B
’
的剖视示意图；
[0024]图3是图2中I部的局部放大示意图；
[0025]图4为孔隙网络模型局部放大图；
[0026]图5为图4的进一步局部放大图；
[0027]图6为真实土壤样本与本方案构建的半径概率密度对比图；
[0028]图7为均质结构和本专利技术结构的流动对比图。
[0029]图中1.载玻片，2.微流控芯片，3.出液口，4.进液口，5.空腔，6.土壤结构模拟区域，7.模拟的土壤颗粒。
具体实施方式
[0030]下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于真实土壤孔隙网络的微流控芯片装置，其特征在于，包括微流控芯片(2)和载玻片(1)；所述微流控芯片(2)的下表面设有凹槽区域，所述载玻片(1)紧贴设置在微流控芯片(2)的下表面，从而使凹槽区域成为空腔区域(5)，所述微流控芯片(2)上方开设有与空腔区域(5)连通的进液口(4)和出液口(3)，且进液口(4)和出液口(3)分别位于空腔区域(5)的两端；所述空腔区域(5)内设置有土壤结构模拟区(6)，所述土壤结构模拟区(6)内设置有孔隙网络模型，所述孔隙网络模型由用于模拟真实土壤的土壤颗粒排列构成，所述孔隙网络模型按如下方法设计并获得：1)选定土壤结构模拟区(6)的范围，即确定土壤结构模拟区(6)的长度和宽度；以点代表孔隙，确定孔喉长度，即各点之间的距离，在选定的区域内生成等间距的点阵；2)获取要模拟的真实土壤的实测孔隙参数，其中，实测孔隙参数包括孔隙半径及其数据分布、孔喉半径、孔隙度和配位数，所述配位数为每个孔隙所连接的孔喉的个数；3)设置每个点的大小，每个点的大小通过孔隙半径数据的概率来确定；4)设置连通概率，其中连通概率由配位数得到；5)得到孔隙网络模型，对比孔隙网络模型和实测孔隙的孔隙度来确定生成的孔隙网络模型模型是否合理；若不合理，则重新回到步骤1)，改变孔喉长度参数；若合理，则输出孔隙网络模型，并根据输出的孔隙网络模型得到用于模拟真实土壤的土壤颗粒的形状，根据得到的用于模拟真实土壤的土壤颗粒的形状生成用于模拟真实土壤的土壤颗粒并组成孔隙网络模型，...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅六午，周鸿翔，陈诺恒，梁晓瑜，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：