一种孔道膜材料受刺激-响应性调控的测试系统

一种孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统
技术领域
1.本实用新型涉及测试系统的技术领域，尤其涉及一种孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统。


背景技术：

2.多尺度孔道膜材料具有悠久的发展历史和广阔的应用场景，具体存在于多相物质分离、水处理、食品生产和能源转化等领域，为能源、资源和环境等问题的解决，提供更多的新可能。多尺度孔道膜材料依据膜孔道尺寸的大小，可分为纳米级孔道膜材料、微米级孔道膜材料和大孔道膜材料。在多尺度孔道膜材料的研究及应用中，膜的性能测试是最重要的，决定多尺度孔道膜材料的应用效能。当前，针对多尺度孔道膜材料的性能测试多主要在膜分离应用中的性能测试，也往往忽略孔道内部结构设计(例如，材料孔道内结构表面的物理化学修饰、复合多相(如液体)材料及复合场响应性材料而受单一或多刺激
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响应性调控等)对膜性能的影响，从而阻碍着多尺度孔道膜材料在智能响应开关、药物释放和膜材料化学检测等新领域的开发应用。
3.膜材料测试系统及方法设计是膜科学研究膜材料性能的重要手段，对膜材料性能测试的监测起到基础了解和应用指导规范作用。现有的膜材料测试系统及方法主要基于物理或化学原理，测试形式包括接触或非接触、间接或直接及动态或静态等多种类型，信号的检出也通常以电信号等处理器的可视化信号为主。在系统的实际测试应用过程中，却存在着系统构成碎片化、无序性，原件组成不灵活、不方便随机组装等缺点，且无法满足膜材料性能测试研究中的响应性调控策略测试，也无法实现结果的实时、准确地获取以及快速反馈外界作用对膜材料的改变效果。


技术实现要素：

4.本实用新型针对多尺度孔道膜材料性能测试系统研究中测试系统不灵活、缺少动态实时监测等问题，发展了一种新的多尺度孔道膜材料性能测试系统，且可刺激响应于单一或多刺激物。该种系统设计原理简单、易于实施，流程规范、可进行多单元组合并具有普适性，可广泛用于多尺度孔道膜材料性能的测试需求。
5.为了实现以上目的，本实用新型的技术方案为：
6.一种孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统，包括输送单元、器件测试单元、刺激性单元、第一信号检测单元及信号分析单元；所述器件测试单元包括门控通道；所述门控通道是孔道膜材料，或由孔道膜材料与门控液体配合形成；所述输送单元连通所述器件测试单元；所述输送单元包括位于所述门控通道两侧的输入通道和输出通道以用于输送测试流体；所述刺激性单元用于对门控通道产生刺激，所述门控通道对所述刺激产生响应行为而实现通路或断路，所述第一信号检测单元用于接收测试流体在所述通路或短路下产生的信号，所述信号分析单元与所述第一信号检测单元信号连接。
7.其中测试流体包括但不限于气相、液相、混合多相或含有复杂成分的流体。孔道膜
材料为功能性多尺度孔道膜材料，具体是指不同尺度下的单一或多孔的具有孔道结构的功能性材料，包括无机、有机高分子、金属等材质的功能性多尺度孔道膜材料。门控液体是指单一或多组成成分的具有流动态的功能性液体，包括有机溶液、水溶液、石蜡、液态金属等液体，门控液体与测试流体不互溶。门控液体与孔道膜材料通过化学键或者物理吸附作用结合。
8.门控通道对刺激性单元的刺激作用的响应，是指孔道膜材料和/或门控液体在刺激作用下发生物理变化或化学变化，例如多孔膜的孔径、化学结构或与所述功能流体的浸润性发生变化，或者功能流体的亲疏水性、粘度或形态发生变化。
9.刺激性单元与输送单元可协同作用，共同控制流体的跨膜传输行为。
10.可选的，所述刺激性单元产生是作用于所述门控通道的光、磁、声、电、温度、应力中的至少一种外场的装置，所述外场的变化形成对所述门控通道的刺激。
11.可选的，还包括用于检测所述外场的第二信号检测单元，所述信号分析单元与第二信号检测单元信号连接，接收所述第二信号检测单元的信号。根据刺激的不同，所述第二信号检测单元可以是例如温度传感器、霍尔传感器、光电传感器、离子/分子传感器等。
12.可选的，刺激性单元通过与所述门控通道接触产生作用于所述门控通道的化学刺激，所述化学刺激包括离子或生物分子浓度变化。
13.可选的，所述测试流体本身含有可实现所述刺激的物质，即测试流体本身作为所述刺激性单元。
14.一些已知的孔道膜材料、门控液体或孔道膜材料和门控液体的配合可以在上述刺激下发生上述响应。
15.可选的，另外一种测试流体本身作为刺激性单元的情况是测试流体的输送压力的变化对门控通道产生刺激。
16.可选的，所述响应行为是所述门控通道的测试流体通过压强阈值发生改变。
17.可选的，所述第一信号检测单元为压力传感器，所述压力传感器用于检测所述输入通道和/或输出通道内的测试流体的压强。
18.可选的，所述器件测试单元还包括一外包主体，所述外包主体具有一腔体，所述门控通道装设于所述腔体中，所述输送单元连通所述腔体。
19.可选的，所述信号分析单元还包括反馈模块，所述输送单元还包括输送控制模块，所述输送控制模块接收反馈模块的信息并控制测试流体的运输状态。
20.可选的，所述输送控制模块用于控制测试流体的输送形式，包括但不限于恒压、恒流等输送形式，并可以在反馈模块发送的反馈信号下改变输送形式。所述输入通道和输出通道可以采用包括硅胶管，钢管等各种承载高压或低压的管道。进一步，所述输送控制单元通过控制所述输送压力的变化形成所述刺激性单元。
21.可选的，所述输出通道包括第一输出通道和第二输出通道，所述第一输出通道与所述输入通道位于所述门控通道相对的两侧，所述第二输出通道与所述输入通道位于所述门控通道的相同侧。
22.可选的，所述信号分析单元可以是已知的计算机等具有接收数据并对数据进行处理能力的电子设备，信号分析形式包括但不限于t
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p(时间
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压力)曲线、t
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i(时间
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电流)曲线、t
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v(时间
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电压)等。
23.可选的，所述受刺激
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响应性的调控，其调控方式可以单一也可是功能性的集成(通过多种刺激单元刺激叠加)。针对同一器件测试单元，不同响应性的刺激物响应调控行为来源于相应刺激物的施加与否。
24.本实用新型的有益效果为：
25.1.本实用新型针对多尺度孔道膜材料性能测试，通过规范、简单地集成化待传送物质的输送单元、器件测试单元和监测结果的信号检测单元和信号分析单元，提供了一种研究膜材料性能的新系统。
26.2.刺激性单元的加入使得多尺度孔道膜材料受刺激
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响应性调控的性能测试的实时监测成为可能，可用于探究孔道内部设计在新领域应用发展的可能。
27.3.该测试系统具有多功能性、普适性，通过简单调整或者调换单元模块就可获取多种测量结果。
28.4.通过对信号检测单元和信号分析单元进行可视化结果设置，可直接观察体系内部实验现象或界面变化等信息。
29.5.此种系统在应用时可以通过设计增加多种具有不同功能的仪器，为设计简单、易操作、易携带的检测器件提供了新的设计思路。
附图说明
30.图1为实施例的孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统的结构示意图；
31.图2为实施例1的测试系统的部分结构示意图；
32.图3为实施例1的测试结果示意图；
33.图4为实施例2的测试系统的部分结构示意图；
34.图5为实施例3的测试系统的部分结构示意图；
35.图6为实施例3的测试结果示意图；
36.图7为实施例4的测试系统的部分结构示意图；
37.图8为实施例5的测试系统的部分结构示意图；
38.图9为实施例6的测试系统的部分结构示意图；
39.图10为实施例7的测试系统的部分结构示意图。
具体实施方式
40.以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步解释。
41.参考图1a，实施例的一种孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统包括输送单元010、器件测试单元020、刺激性单元030、第一信号检测单元040及信号分析单元050；器件测试单元020包括外包主体021和门控通道022，外包主体021具有一腔体021a，门控通道022装设于腔体021a内；门控通道022由孔道膜材料形成，或由孔道膜材料与门控液体配合形成；输送单元010包括输入通道011、第一输出通道012以及输送控制模块013，输入通道011和第一输出通道012位于门控通道022的两侧、连通腔体021a以用于输送测试流体，输送控制模块013用于控制测试流体在通道内的输送状态；刺激性单元030通过外场或内场的形式作用于门控通道022，第一信号检测单元040与信号分析单元050信号连接。门控通道022在刺激性单元030的刺激作用下产生响应行为而控制测试流体通过门控通道022，第一信号检
测单元040接收测试流体通过门控通道022产生的信号并传送至信号分析单元050，信号分析单元050对信号进行实时的分析及处理；信号分析单元050具有反馈模块051，反馈模块051与输送控制模块013信号连接，需要时，输送控制模块013接收反馈模块051的信息并控制测试流体的运输状态。
42.参考图1b，另外一种孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统还包括与输入通道011位于同侧的第二输出通道012’，其余与图1a相同。
43.在进行孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试时，包含如下基本的操作步骤：
44.第一步：选择一种孔道膜材料或一种孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合，(如高分子有机疏水膜材料或润滑油复合高分子有机疏水膜材料的液体门控膜材料，高分子有机亲水膜材料或水溶液复合高分子有机亲水膜材料液体门控膜材料，金属膜或低表面能含氟油溶剂复合金属膜液体门控膜材料，化学功能化修饰)作为器件测试单元020的门控通道022，测试流体为空气、水溶液、油溶液或者空气
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水、空气
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油、水
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油、空气
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水
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油混合的流体，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内或输入通道011与第二输出通道012’间测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑。
45.第二步：单一或多组分混合流体在输送单元的控制下从物质输运入口通道011通入，从第一输出通道012(或第二输出通道012’)流出。
46.输送单元的压强由于其输送方式会影响输送流体的跨膜行为。可通过控制通道内的物质输运压强形式，控制流体选择性的通过第一输出通道012或第二输出通道012’流出。
47.刺激性单元也可以与输送单元共同作用，共同参与控制流体的跨膜传输行为，使传送物质选择性的通过第一输出通道012或第二输出通道012’流出。
48.第三步：通过监测物质流通通道内(输入通道011，或输入通道011与第二输出通道012’间)的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。
49.第四步：压力传感器将所测压力或压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。
50.实施例1
51.参考图2a，选择一种孔道膜材料或一种孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合作为器件测试单元020的门控通道(例如尼龙亲水膜材料或水溶液复合尼龙多孔膜液体门控膜材料)，测试流体(内含输运单元)为气体或水溶液，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011与第一输出通道012’间测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑。当输运单元本身的传送方式作为刺激性单元发生改变(如传送压力发生改变)，则传送物质的跨膜行为也会发生改变。在输运单元设置第一输出通道012和第二输出通道012’。当流体由输入通道011通入，当输运入口的输入压强低于多孔膜材料的门控压强阈值时，门控通道关闭，运输流体从第二输出通道012’流出；当输运入口的输入压强高于多孔膜材料的门控压强阈值时，门控通道打开，运输流体从第一输出通道012流出。此时通过对输运单元的物质(如气体与水的混合流体)控制不同输运压强，可以达到多组分流体择性输出，进而分离的目的。
52.参考图2b，当输送单元的传送物质本身作为刺激性单元时，由于物质可以直接与孔道膜材料接触。通过物质输运通道将某一化学刺激物质(如ph等)接触测试单元的测试主
体，进而改变物质的过膜材料临界输运压强。运输流体由输入通道011通入，当输运入口的输入压强高于多孔膜材料的门控压强阈值时，门控通道打开，运输流体从第一输出通道012流出。可以通过控制输运流体的ph，选择性的控制物质输道是否打开，以达到控制流体输运的目的。例如图3，利用水溶液复合亲水型膜液体门控膜材料可针对水溶液中从无到有表面活性剂的实验测试的电流信号数据记录图。
53.实施例2
54.参考图4a，选择一种柔性的单一孔道膜材料或一种柔性的孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合作为器件测试单元020的门控通道(例如选用弹性pvdf多孔膜或润滑油复合弹性pvdf多孔膜液体门控膜材料)，测试流体为气体或水溶液，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑，刺激性单元030采用可对门控通道施加对称或非对称的拉伸应力的装置(图中仅显示作用力)。运输流体由输入通道011通入，当输运入口的输入压强高于多孔膜材料的门控压强阈值时，门控通道打开，运输流体从第一输出通道012流出。刺激性单元030可对门控通道施加对称或非对称的拉伸应力，改变膜材料的有效孔径，使膜材料产生应力响应，以此来调整应力响应下测试流体通过门控通道的压强阈值。通过监测测试流体流通输入通道011的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。对所施加的应力大小及方向进行测量并记录，并与所测门控压强阈值进行对应分析。压力传感器将所测压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。该系统为柔性膜材料在应力刺激
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响应行为的改变监测提供数据支撑。
55.参考图4b，在输运单元设置第一输出通道012和第二输出通道012’。通过添加刺激性响应，当流体由输入通道011通入，当输运入口的输入压强低于多孔膜材料的门控压强阈值时，门控通道关闭，运输流体从第二输出通道012’流出；当输运入口的输入压强高于多孔膜材料的门控压强阈值时，门控通道打开，运输流体从第一输出通道012流出。此时通过对输运单元的物质(如气体与水的混合流体)控制不同输运压强，可以达到多组分流体择性输出，进而分离的目的。通过记录相关实验数据，该系统为功能性柔性膜材料通过应力
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响应行为的改变达到物质分离应用提供数据支撑。
56.实施例3
57.参考图5，选择一种光响应的单一孔道膜材料或一种光响应的孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合作为器件测试单元020的门控通道(例如pnipam
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金属膜或k103复合pnipam
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金属膜液体门控膜材料)，测试流体为气体，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑，刺激性单元030采用可产生紫外光，近红外光或者可见光等的光源。本实施例中，还包括用于检测光源强度的光感传感器作为第二信号检测单元060，第二信号检测单元060与信号分析单元050信号连接。调节刺激性单元030(光源)的波长、频率或功率来调节光响应的膜材料门控压强阈值。通过监测测试流体流通输入通道011的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。同时光感传感器和压力传感器可将所测光信号和压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。例如图6，测试光响应的孔道膜
材料与一匹配性的功能液体组合(k103复合pnipam
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金属膜液体门控膜材料)体系，对光从无到有的电流信号数据记录图。该系统为功能性光响应膜材料在光刺激
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响应行为的改变监测提供数据支撑。
58.实施例4
59.参考图7，选择一种热响应的单一孔道膜材料或一种热响应的孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合作为器件测试单元020的门控通道(例如au
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ssm膜或k103复合au
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ssm膜液体门控膜材料)测试流体为气体，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑，刺激性单元030采用热浴或者电热等热源对器件测试单元进行间接或直接加热方式。本实施例中，还包括用于检测温度的温度传感器作为第二信号检测单元060，第二信号检测单元060与信号分析单元050信号连接。调节刺激性单元030的温度的高低来调节温度(热)响应的膜材料门控压强阈值。通过监测测试流体流通输入通道011的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。同时温度传感器和压力传感器可将所测温度信号和压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。该系统为功能性热响应膜材料在热刺激
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响应行为的改变监测提供数据支撑。
60.实施例5
61.参考图8，选择一种磁响应的单一孔道膜材料或一种磁响应的孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合作为器件测试单元020的门控通道(例如fe
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pvdf膜材料或磁流体复合cu foam膜液体门控膜材料)，测试流体为气体，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑，刺激性单元030采用可产生磁场的电磁铁或永磁铁。调节刺激性单元030(磁铁)的强度大小或功率高低来调节磁响应的膜材料门控压强阈值。通过监测测试流体流通输入通道011的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。同时压力传感器可将所测压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。该系统为功能性磁响应膜材料在磁刺激
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响应行为的改变监测提供数据支撑。
62.实施例6
63.参考图9，选择一种声响应的单一孔道膜材料或一种声响应的孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合器件测试单元020的门控通道(例如吸声高分子膜材料或淀粉溶液复合金属膜液体门控膜材料)，作为器件测试单元的测试主体，测试流体为气体，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑，刺激性单元030采用可产生声场等的声源。本实施例中，还包括用于检测声音的声强传感器作为第二信号检测单元060，第二信号检测单元060与信号分析单元050信号连接。调节刺激性单元030(声源)的强度大小或功率高低来调节声响应的膜材料门控压强阈值。通过监测测试流体流通输入通道011的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。同时声强传感器和压力传感器可将所测温度信号和压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。该系统为功能性声响
应膜材料在声刺激
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响应行为的改变监测提供数据支撑。
64.实施例7
65.参考图10，选择一种电响应的单一孔道膜材料或一种电响应的孔道膜材料与一匹配性的功能液体组合器件测试单元020的门控通道(例如ssm膜材料或电解液复合ssm膜液体门控膜材料)，为器件测试单元的测试主体，测试流体为气体，第一信号检测单元040采用用于检测输入通道011内测试流体压强的压力传感器，信号分析单元050采用电脑，刺激性单元030采用可产生电场等的电源。调节刺激性单元030(电)的方向、强度大小或功率来调节电响应的膜材料门控压强阈值。通过监测测试流体流通输入通道011的压强，外接压力传感器对器件测试单元的过膜性质(过膜压力或压强)进行监测，可得到物质流通或流过膜材料的门控信息。同时压力传感器可将所测压强信号转化成电流信号传送到电脑，电脑对数据进行保存、处理及分析等操作。在需要时，也可对输送单元产生信号反馈。该系统为功能性电响应膜材料在电刺激
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响应行为的改变监测提供数据支撑。
66.上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种孔道膜材料受刺激
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响应性调控的测试系统，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。