一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置和方法

1.本发明涉及非线性化学反应-扩散领域，具体涉及一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置和方法。


背景技术：

2.1952年英国科学家alan turing提出自然界中动物体表的斑图形成的动力学机制是由于自催化和自阻尼两种成形素在远离平衡态条件下通过反应扩散作用形成的时空自组织结构，通过构建简单的反应-扩散方程进行了详细的数值计算。当时实验技术落后，这一理论研究工作并未得到实验验证，直到20世纪90年代，化学领域科学家通过设计简单的化学反应网络及搭建自催化自抑制耦合系统来研究反应-扩散斑图的演化过程，而这些研究工作的突破都离不开非平衡态反应器的发明。
3.用于研究非平衡态的反应器主要为连续流动反应器，单边进料反应器和双边进料反应器。但是这些反应器功能性比较单一，比如连续流动反应器只能监测均相反应时间动力学，单边进料反应器仅局限于反应-扩散斑图的采集，不能实时监控反应的时间动力学，双边进料反应器结构仅能反应扩散斑图演化过程，不能监测其反应的时间动力学。实验技术与管理期刊上发表了《光驱动钙离子震荡动力学实验研究与理论模拟》，文章中提到了用连续流动反应器研究钙离子的时间动力学规律，但是文章中的装置不能同时进行均相反应和非均相反应方面的研究，也没有提出非均相反应时空斑图演化规律的研究方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置和方法，实现同时监测或者分步监测均相反应和非均相反应并研究反应的时间动力学规律和时空斑图演化规律的目的。为解决上述技术问题，本发明提供一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，包括：
5.均相反应模块，包括反应腔室，所述反应腔室包括内反应池；
6.非均相反应模块，包括凝胶模块，所述凝胶模块与所述内反应池连通；
7.均相动力学监测模块，采用多种电极监测所述内反应池中反应物和/或生成物的浓度数据；
8.时空斑图监测模块，采用摄像机拍摄所述凝胶模块中凝胶片的图像；
9.计算机，获取所述浓度数据和所述图像进行分析处理。
10.较佳的，所述多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置还包括：
11.物料输运模块，连接所述内反应池，通过多通道高精密蠕动泵将反应物输送至所述内反应池。
12.较佳的，所述反应腔室还包括外恒温池，所述外恒温池与外部控温装置连通，所述外部控温装置控制所述外恒温池内液体的温度保证所述内反应池处于恒温状态。
13.较佳的，所述内反应池上方和侧面设电极插入口、溶液进口和溶液出口，所述进口
连接所述物料输运模块，所述电极通过所述电极插入口进入所述内反应池。
14.较佳的，所述浓度数据采用数据处理软件分析所述反应物和/或生成物浓度变化及所述反应的时间动力学规律；所述图像采用图像处理软件进行分析并绘制时空图，根据所述时空图分析所述反应的时空斑图演化规律。
15.本发明还提供一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法，包括如下步骤：
16.反应物在内反应池中发生均相反应，反应物在凝胶模块中发生非均相反应；
17.采用多种电极监测所述内反应池中反应物和/或生成物的浓度数据，同时观察并拍摄所述凝胶模块中凝胶片的图像；
18.所述浓度数据传输至计算机进行分析处理，所述图像传输至计算机进行分析处理。
19.较佳的，反应物在内反应池中发生均相反应，反应物在凝胶模块中发生非均相反应前还包括如下步骤：
20.通过多通道高精密蠕动泵将反应物输送至所述内反应池；
21.所述内反应池中的反应物通过扩散作用进入所述凝胶模块。
22.较佳的，所述内反应池外设外恒温池，所述外恒温池与外部控温装置连通，所述外部控温装置控制所述外恒温池内液体的温度保证所述内反应池处于恒温状态；所述内反应池内加入磁子，所述内反应池内和所述外恒温池作为整体放置于磁力搅拌器上，保证所述内反应池处于持续搅拌状态。
23.较佳的，通过控制所述内反应池的进口和出口的开合状态，进行均相动力学、封闭体系动力学及反应-扩散动力学的研究。
24.较佳的，所述浓度数据和所述图像传输至计算机进行分析处理的步骤具体为：所述浓度数据和所述图像传输至计算机进行分析处理的步骤具体为：采用数据处理软件对所述浓度数据进行分析处理，获得所述反应物和/或生成物浓度变化规律和所述反应的时间动力学规律；采用图像处理软件对所述图像进行分析处理，获得时空斑图和所述反应的时空斑图演化规律。
25.本发明结合非线性化学反应体系的时空动力学特性，提供一种可以广泛应用于非线性化学反应体系的时空动力学研究的监测系统；本发明可同时监测或者分步监测均相反应和非均相反应的变化，研究时间动力学规律和时空斑图演化规律，可以有效缩短实验周期；本发明还可用于测定封闭反应动力学，流动反应动力学以及反应-扩散反应动力学，是一种多功能探索时空自组织斑图形成的动力学机制的装置和方法。
附图说明
26.图1为实施例1中多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置模块图；
27.图2为实施例2中多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法流程图；
28.图3为多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.本实施例提供了一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，如图1所示，包括：
32.均相反应模块2，包括反应腔室，所述反应腔室包括内反应池201；
33.非均相反应模块3，包括凝胶模块301，所述凝胶模块301与所述内反应池201连通；
34.均相动力学监测模块4，采用多种电极监测所述内反应池201中反应物和/或生成物的浓度数据；
35.时空斑图监测模块5，采用摄像机501拍摄所述凝胶模块301中凝胶片的图像；
36.计算机6，获取所述浓度数据和所述图像进行分析处理。
37.本实施例中，所述凝胶模块301包括无机膜、凝胶片和石英玻璃片，所述无机膜靠近所述内反应池201侧，可以避免流体对凝胶的作用，反应物通过扩散作用进入凝胶片后发生非均相反应，采用白色无机膜可为图像拍摄提供白色背景，为了便于观察凝胶片内的反应，在凝胶片的另外一侧采用石英玻璃片。
38.本实施例中，所述多功能反应－扩散时空斑图成像监测装置还包括：
39.物料运输模块1，连接所述内反应池201，通过多通道高精密蠕动泵将反应物输送至所述内反应池201，所述物料运输模块1的通道数可根据反应物的种类进行选择。
40.本实施例中，所述反应腔室还包括外恒温池202，所述外恒温池202与外部控温装置连通，所述外部控温装置控制所述外恒温池202内液体的温度保证所述内反应池201处于恒温状态，所述外恒温池202通过下进口和上出口，分别与外部控温装置连通，调节所述外部恒温装置中的水或油的温度控制所述外恒温池202和内反应池201的温度。
41.本实施例中，所述内反应池201上方和侧面设电极插入口、溶液进口和溶液出口，所述进口连接所述物料运输模块1，所述电极通过所述电极插入口进入所述内反应池201。
42.本实施例中，反应物从所述进口流入，反应物和生成物和所述出口流出，所述内反应池201中的反应始终处于非平衡态，可用于研究均相动力学；若将所述内反应池201进口封闭，从所述内反应池201出口添加反应物，则可进行封闭体系动力学研究。
43.本实施例中，所述均相动力学监测模块4可根据不同的反应体系选择不同的电极进行监测，可同时采集所述内反应池201中不同化学物质的多种浓度值，如ph值、氧化还原电位、ca
2+
离子浓度、i-浓度、f-浓度和温度等，反应产生的电信号通过电极传输给ph计或离子检测计，经过多通道的edaq转化为数字信号，通过chart软件保存在计算机6中。
44.本实施例中，在所述凝胶模块301的另外一侧采用摄像机501拍摄不同时间凝胶片的图像，可通过软件控制其拍摄帧率，再将所述图像传输至计算机6，所述摄像机501可以采用工业摄像机或单反相机。
45.本实施例中，所述浓度数据采用数据处理软件分析浓度变化及所述反应的时间动力学规律；所述图像可采用图像处理软件进行分析并绘制时空图，根据所述时空图分析所述反应的时空斑图演化规律。
46.本实施例中，所述数据处理软件可以为origin、excel、graphpad prism或sigmaplot；所述图像处理软件可以为matlab、image pro plus或image j。
47.实施例2
48.本实施例提供了一种多功能反应－扩散时空斑图成像监测方法，如图2所示，包括如下步骤：
49.s201、反应物在内反应池201中发生均相反应；s202、反应物在凝胶模块301中发生非均相反应；
50.s301、采用多种电极监测所述内反应池201中反应物和/或生成物的浓度数据，s302、同时观察并拍摄所述凝胶模块301中凝胶片的图像；
51.s401、所述浓度数据传输至计算机6进行分析处理，s402、所述图像传输至计算机6进行分析处理。
52.本实施例中，内反应池201和凝胶模块301中反应物在恒温条件下发生反应前还包括如下步骤：
53.s101、通过多通道高精密蠕动泵将反应物输送至所述内反应池201；
54.s102、所述内反应池201中的反应物通过扩散作用进入凝胶模块301。
55.本实施例中，所述通道的数目可根据反应物的种类进行选择。
56.本实施例中，所述内反应池201外圈设外恒温池202，所述外恒温池202与外部控温装置连通，通过所述外部控温装置控制所述外恒温池202内液体的温度保证所述内反应池201处于恒温状态。
57.本实施例中，所述外恒温池202通过下进口和上出口，分别与外部控温装置连通，调节所述外部恒温装置中的水或油的温度控制所述外恒温池202和内反应池201的温度；所述内反应池201内加入磁子，所述内反应池201内和所述外恒温池202作为整体放置于磁力搅拌器上，保证所述内反应池201处于持续搅拌状态。
58.本实施例中，通过控制所述内反应池201的进口和出口的开合状态，可以进行均相动力学、封闭体系动力学及反应-扩散动力学的研究。
59.本实施例中，反应物从所述进口流入，反应物和生成物和所述出口流出，所述内反应池201中的反应始终处于非平衡态，在磁力搅拌器持续搅拌下可用于研究均相动力学；若将所述内反应池201进口封闭，从所述内反应池201出口添加反应物，可进行封闭体系动力学研究；所述凝胶模块301包括无机膜、凝胶片和石英玻璃片，所述无机膜靠近所述内反应池201侧，可以避免流体对凝胶的作用，反应物通过扩散作用进入凝胶片后发生非均相反应，可以研究反应-扩散动力学。
60.本实施例中，根据不同的反应体系选择不同的电极进行监测，可同时采集所述内反应池201中多种化学物质的浓度变化，如ph值、氧化还原电位、ca
2+
离子浓度、i-浓度、f-浓度和温度等，电信号通过电极传输给ph计或离子检测仪，经过多通道的edaq转化为数字信号，通过chart软件保存在计算机6中。
61.本实施例中，在所述凝胶模块301的另外一侧采用一台摄像机501实时监测不同时间凝胶片的图像，通过控制其拍摄帧率，再将所述图像传输至计算机6进行分析处理,本实施例提供一种可基于matlab使用的程序代码，可将图像序列制作成视频，并通过改变帧率调节视频放映时长。具体程序代码如下：
62.framespath＝'此处填写图像序列所在路径\'；
63.videoname＝'此处填写视频输出名称'；
64.img_path_list＝dir(strcat(framespath,'*.jpg'))；
65.img_num＝length(img_path_list)；
66.fps＝10；
67.startframe＝1；
68.endframe＝img_num；
69.if(exist('videoname','file'))
70.delete videoname.mp4
71.end
72.aviobj＝videowriter(videoname)；
73.aviobj.framerate＝fps；
74.open(aviobj)；
75.for i＝startframe:2:endframe
76.image_name1＝img_path_list(i).name；
77.frames＝imread(strcat(framespath,image_name1))；
78.writevideo(aviobj,frames)；
79.end
80.close(aviobj)；
81.本实施例中，所述浓度数据和所述图像传输至计算机进行分析处理的步骤具体为：采用数据处理软件对所述浓度数据进行分析处理，获得所述反应物和/或生成物浓度变化规律和所述反应的时间动力学规律；采用图像处理软件对所述图像进行分析处理，获得时空斑图和所述反应的时空斑图演化规律。
82.本实施例中，所述数据处理软件可以为origin、excell、graphpad prism或sigmaplot；所述图像处理软件可以为matlab、image pro plus或imagej，常见处理软件例如image pro plus和imagej不能批量提取空间某一点或者某一条直线随时间变化的灰度值矩阵，本实施例提供一种可基于matlab使用的程序代码，可以实现批量提取空间某一点或者某一条直线随时间变化的矩阵，具体程序代码如下：
83.[0084][0085]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，其特征在于，包括：均相反应模块，包括反应腔室，所述反应腔室包括内反应池；非均相反应模块，包括凝胶模块，所述凝胶模块与所述内反应池连通；均相动力学监测模块，采用多种电极监测所述内反应池中反应物和/或生成物的实时浓度数据；时空斑图监测模块，采用摄像机拍摄所述凝胶模块中凝胶片的图像；计算机，获取所述浓度数据和所述图像进行分析处理。2.如权利要求1所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，其特征在于，所述多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置还包括：物料输运模块，连接所述内反应池，通过多通道高精密蠕动泵将反应物输送至所述内反应池。3.如权利要求1所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，其特征在于，所述反应腔室还包括外恒温池，所述外恒温池与外部控温装置连通，所述外部控温装置控制所述外恒温池内液体的温度保证所述内反应池处于恒温状态。4.如权利要求2所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，其特征在于，所述内反应池上方和侧面设电极插入口、溶液进口和溶液出口，所述进口连接所述物料输运模块，所述电极通过所述电极插入口进入所述内反应池。5.如权利要求1所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置，其特征在于，所述浓度数据采用数据处理软件分析所述反应物和/或生成物浓度变化及所述反应的时间动力学规律；所述图像采用图像处理软件进行分析并绘制时空图，根据所述时空图分析所述反应的时空斑图演化规律。6.一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法，其特征在于，包括如下步骤：反应物在内反应池中发生均相反应，反应物在凝胶模块中发生非均相反应；采用多种电极监测所述内反应池中反应物和/或生成物的浓度数据，同时观察并拍摄所述凝胶模块中凝胶片的图像；所述浓度数据传输至计算机进行分析处理，所述图像传输至计算机进行分析处理。7.如权利要求6所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法，其特征在于，反应物在内反应池中发生均相反应，反应物在凝胶模块中发生非均相反应前还包括如下步骤：通过多通道高精密蠕动泵将反应物输送至所述内反应池；所述内反应池中的反应物通过扩散作用进入所述凝胶模块。8.如权利要求6所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法，其特征在于，所述内反应池外设外恒温池，所述外恒温池与外部控温装置连通，所述外部控温装置控制所述外恒温池内液体的温度保证所述内反应池处于恒温状态；所述内反应池内加入磁子，所述内反应池和所述外恒温池作为整体放置于磁力搅拌器上，保证所述内反应池处于持续搅拌状态。9.如权利要求6所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法，其特征在于，通过控制所述内反应池的进口和出口的开合状态，进行均相反应动力学、封闭反应体系动力学及反应-扩散动力学的研究。10.如权利要求6所述的多功能反应-扩散时空斑图成像监测方法，其特征在于，所述浓
度数据和所述图像传输至计算机进行分析处理的步骤具体为：采用数据处理软件对所述浓度数据进行分析处理，获得所述反应物和/或生成物浓度变化规律和所述反应的时间动力学规律，采用图像处理软件对所述图像进行分析处理，获得时空斑图和所述反应的时空斑图演化规律。

技术总结
本发明公开了一种多功能反应-扩散时空斑图成像监测装置和方法，所述装置包括：均相反应模块，包括反应腔室，所述反应腔室包括内反应池；非均相反应模块，包括凝胶模块，所述凝胶模块与所述内反应池连通；均相动力学监测模块，采用多种不同电极监测所述内反应池中反应物和/或生成物的浓度数据；时空斑图监测模块，采用摄像机拍摄所述凝胶模块中凝胶片的图像；计算机，获取所述浓度数据和所述图像进行分析处理。本发明能够同时监测或者分步监测均相和非均相反应的时间动力学规律和时空斑图演化规律，还可以用于进行均相反应动力学、封闭体系反应动力学及反应-扩散动力学的研究。扩散动力学的研究。扩散动力学的研究。


技术研发人员：袁玲 高庆宇 吉琛 马娟 潘长伟 滕睿 程珍芳 孟春霄
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8