基于化学扰动的复杂Cu体系的高通量呈现与分析

基于化学扰动的复杂Cu体系的高通量呈现与分析 A novel BD-expressing strategy of complex cupric solution based on the high-throughput disturbance 摘要:基于大数据思维模式，利用化学打印的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 构建了一种高通量化学扰动体系。在该体系下，以含铜的复杂溶液作为研究对象，对其进行高通量化学扰动，并对其结果进行记录和呈现。同时，通过显色反应和数字图像分析，初步提出了一种复杂Cu体系的数字化分析方法。一方面，将含铜溶液内部的化学关系与效应信息进行可视化、特征化的呈现与分析。另一方面，用全新的数字化分析方法，讨论本实验构建的扰动体系对含铜溶液的影响结果。最终，建立一种全新的对含铜复杂溶液分析方法。 关键词:Complex cupric chemical system(Cu-CCS);高通量体系;化学打印;数字图像分析; ? 前言 (一) 我需要解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 城市污水中的铜离子是常见的危害性重金属之一，其主要来源于某些工业废水，如漂洗和电镀废水中都含有大量的铜。常见的关于复杂铜离子体系的研究主要集中在:铜离子的去除，铜离子的生物毒性研究，铜离子的分析 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ，铜离子形态研究等方面。在这些研究过程中，大多数学者主要通过简化关系来分析复杂含铜体系内部的各种反应，或仅面向混合溶液的成分检测。对于各种内部反应的研究，通常凭借化学常识和经验来确定数个独立化学反应来表达整个反应体系的性质，但这种研究方法只适用于 物种较常见并且物种数较少的情况。对于溶液成分的检测，主要采用化学分析和仪器分析，常见的铜离子检测方法为原子光谱法。 然而，在自然环境中，由于污染环境介质的多样性和随机性，附存于环境介质中的特定污染物会受到许多物种的单独影响，也会受到各物种相互耦合后作用的影响。而这些影响作用的数量，往往是一个庞大的数字。同样，在复杂含铜体系里，铜的各种形态(价态、化合态、结合态、结构态)与其它物质之间存在着各种线性的独立作用和非线性的耦合作用。这些作用的数量往往是一个庞大的数字。以自然界中含铜污水为例，如Fig.1对Cu-CCS中的化学物质和作用关系的数量分析。可以看出，当含铜复杂溶液中有数百种污染物时，这些污染物之间的相互作用关系最大可以达到1030。这些关系对于铜复杂溶液的研究将是一个典型的大数据资源。但由于缺少适用的技术手段，对于这种复杂化学体系几乎没有办法开展符合它对应的大数据特征的研究。 Fig. 1. Magnitude of chemical species and interactions in a complex cupric chemical system. (二)我们的解决办法 面对传统的复杂化学体系研究分析方法的弊端，和大数据思维的启发。我们研究组以Cu-CCS为研究对象，利用高通量实验技术平行提供大量扰动作用。最终，通过显色反应和数字图像分析，将含铜复杂溶液内部的化学关系与效应信息进行可视化、特征化的呈现，并初步提出了其内部信息提取与分析的新方法。 为了达到可视化呈现Cu-CCS内部复杂化学关系的目的。我们课题组基 于高通量技术，通过结构化的化学组合，向Cu-CCS提供了大数量级的独立的各异性化学扰动。这种扰动组合是利用在平面载体上规律化独立分散的大数量微反应来实现的，同时，这种组合在外观上具有图形化的分布形式。而对于扰动结果的检测，则利用显色反应成像，对这种大数量平面组合反应的某一种或某一类特性进行图案化呈现。同时，这种检测的图案每一个点都是对应一个预设的化学扰动后的结果。 Fig.1我们的策略构建思路。(a)在外界单一化学扰动下，复杂溶液会呈现出一个扰动结果。(b)批量化各异扰动时，会产生对应的扰动结果。(c)通过高通量技术手段，对扰动系统和结果检测进行结构化的组合。 为了验证我们这种策略的可行性，我们以含铜的复杂溶液为研究对象。如配制了不同浓度梯度的纯铜溶液、外加不同物质(柠檬酸、镍离子、钠离子、蔗糖)的复杂铜溶液、含外不同环境溶液(垃圾渗滤液、土壤溶液、生活污水)的复杂铜溶液来建立实施我们的研究策略。主要通过三个步骤来完成:首先，运用高通量组合的方法来构建化学扰动体系。这种扰动体系可并行提供大数量级的扰动因素。其次，通过实验手段，用构建好的扰动体系向各种复杂溶液提供扰动作用，并记录下扰动信息。最后，利用显色成像原理，对记录下的扰动信息进行提取和分析。 ? Construction of a chemistry-disruptive paper 首先，我们需要用高通量组合的方法构建化学扰动体系(Fig.3a)。为了快速的构建扰动体系的THE组合，我们采用了喷墨打印的方式，它是一种数字式非接触矩阵式的印刷技术，由自身的储存卡或计算机导入图案，打印机接收转化成数字信号的图案，再通过自身的功能把信息传送给喷头， 喷头按照信息开始打印图片，墨水迅速地沉积在介质上最终成像[19, 20]，是一种构建高通量组合技术常用的手段。 本研究经过大量的筛选试验后，选择了3种代表性化学物质分别是对溶液中物质有螯合作用和酸性调节作用的DTPA;对溶液有碱性调节作用的有机碱六次甲基四胺;与溶液中铜离子可产生竞争作用的CdCl2。然后，通过喷墨打印法(Fig.3a)上述的3种“扰动溶液”(listed in Table1)负载在平面载体() 基本原理是:喷墨打印机采用的为CMYK色彩模式( CMYK分别指的是四个油墨:青色 , 品红色,黄色和黑色)。按照 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的图案(Fig.4a)，电脑可自动调节这四种原色(实际为“扰动溶液”)的输出配比(每种颜色以1%的变化幅度，从0-100%进行变化)和分布方向(每种溶液按照不同方向分布)。最终，在相纸上，形成高达10^4~10^8数量级的组合反应位点，即高通量扰动点。另外，为了便于实现对扰动结果的检测，本研究利用铜离子遇CAS显蓝色的原理。以CAS为显色剂，将其喷墨打印负载在构建好的扰动体系上。最终，得到如下扰动试纸。 Fig.3 Construction of a chemistry-disruptive system by ink-jet printing。在CMYK模式下，6种扰动溶液的组合情况。不同的颜色代表不同的化学物质，combinatorial colours drawing代表了6种溶液最终的负载在片基上的组合图案。 Tab.1The disruptive solution print order list Cyan DTPA Magenta HexamethyleneteTramine Yellow CdCl2 ? HTE disturbance experiment 通过化学打印的方法， 在制作好的扰动试纸的扰动区域上形成了超数量级的高通量扰动 点，每一个扰动位点相当于一个微型反应器。所以，当我们向扰动区域内均匀的负载某种溶液时，不同微型反应器的发生的扰动作用会不同。根据这一原理，我们采用超声喷雾装置将各种含铜复杂溶液雾化为小液滴(平均中位直径(MMD)3.5μm <5μm的微粒百分比88.67%)，同时制作雾气输送装置，使雾滴快速的、均匀的地输送到扰动基片上。从而，实现扰动试纸对铜复杂溶液的扰动作用。 Fig.5The equipment of disturbance test 本研究的实验装置有雾化装置、储存装置、雾气传送装置、密闭反应器。雾化装置的作用是将反应溶液雾化，落到制作好的扰动试纸上。雾气传送装置的作用是让雾化后的反应溶液能够迅速、均匀地从储存装置中进入反应器内。密闭反应器则是反应的核心装置，在反应器中，溶液与扰动试纸上的溶液能充分反应，且不易蒸发。反应结束后，待试纸上自然干燥后，将其迅速进行扫描处理，从而完成数据的记录与保存。 本实验，配制了不同种类的含铜溶液，包括:铜离子含量分别为1ppm、10ppm、100ppm的纯铜溶液;将柠檬酸钠(0.05mol/L)、氯化镍(0. 2g/L)、尿素(0.05mol/L)、硫酸钠(0. 2g/L)四种溶液分别与硝酸铜溶液进行排列 组合配制，最终配制成铜离子含量为100ppm的混合溶液;分别用生活垃圾渗滤液、土壤溶液、生活污水配制100ppm的含铜混合溶液。将这些组成复杂的铜离子溶液，按照上述喷雾液化的方法负载在制作好的扰动试纸上，并通过对图片扫描，完成数据的采集和保存(如Fig.6得到的含铜复杂溶液实验结果)，并等待接下来的实验结果处理与分析。 Fig.6 Experimental results of some different copper solution分别用生活垃圾渗滤液、土壤溶液、生活污水配制100ppm的含铜混合溶液的实验结果。 ? ANALYSIS PROCESS AND RESULTS (1)信息的提取方法 通过化学打印的方法，我们制得了扰动试纸，即构建出大数量级的HTE扰动系统。随后，通过将复杂含铜溶液喷雾负载在扰动试纸上。同时，利用CAS对铜的显色作用完成对扰动信息可视化呈现。可视化形成的图案每一个点都是对应一个预设的化学扰动后的结果，所以，如上文所述，得到的显色图片上的信息是极大数量级的。所以，如何将这些信息提取出来是我们接下来要解决的问题。 数字图像处理是指将图像上的信息转换成可编辑的数字信号，并利用计算机软件对其进行处理的过程，因此又称为计算机图像处理[28]。实际就是把图片信息变成一个矩阵型的数字信息，每个像素就是一个对应的独立矩阵元素。从数字图像分析的角度出发，每张数字化后的彩色图片上每个矩阵元素的色彩信息均由红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色。其成色原理就是:在 RGB 模 式下，每一个像素的RGB 成分都可使用从 0(黑色)到 255(白色)的值。RGB是从颜色发光的原理来设计定的，当它们的光相互叠合的时候，色彩相混，而亮度却等于两者亮度之总和，越混合亮度越高，即加法混合。对于彩色图片，每个矩阵元素上的R、G、B的数值和组合方式有较大差异。对于而灰度图片，，某个矩阵元素点上的R、G、B值是同一个值，即Gray值。其中，在Adobe Photoshop软件中，RGB值与灰度值之间有固定的转化公式(如下式)。 根据这一原理，我们可以知道即使彩色图片转化为灰度图片，图片上的灰度值也可以间接反映图片矩阵元素上RGB的分布情况。所以，针对我们得到的图片，为了便于分析，我们将传统的数字图像处理技术和高通量分析技术联合起来。在提取数据之前，我们将得到的RGB图片转化为灰度图片。而对于灰度图片来说，图片上每个点对应一个灰度色阶值，其中相同灰度值的点连接起来通常形成一个连续的平滑曲线，类似于地理图片处理中的等值线的做法。利用这一原理，首先，我们将采集到的栅格数字图片，以图片的灰度值为数量指标值，进行等值线处理，最终形成可以反映灰度分布的图片(Fig.7(2))。然后，设定所有的样本图 片灰度变化范围的平均K为分界值。K确定后，以此为标准对所有做好的等值线图进行处理，只保留图片平均等值线值K=216。最后，将得到由该K=216组成的等值线形成的闭合曲线(Fig.7(3))。因此，本文基于这一信息的提取方法，开展信息的数字分析。 Fig.灰度-等值线提取过程.图(1)是实验得到的只喷了一定量水溶液的空白栅格图片;图 (2)是以图片的灰度值为指标得到的灰度-等值线图。其中，相同灰度值的点连接起来形成连续的平滑曲线。图(3)是只保留灰度值为K=216的等值线。 当喷雾负载各种不同的含铜的复杂溶液时，通过按照统一的标准对得到的图片进行等值线处理，将得到形如Fig.7(3)的一系列特征斑。之所以说为特征斑，是因为基于扰动点的大数据性，我们得到不同含铜溶液的特征斑。由于不同图片上灰度值的分布有一定的差异，我们得到的特征斑也有一定的差异。例如，斑的形状、斑的面积大小、斑内灰度极值点的极值、个数和坐标等这些信息均可以作为定性判断和半定量分析不同含铜复杂溶液的依据。(但有检出范围)下面将详细介绍本方法的分析过程。 (2)用于定性和半定量分析 Fig.8(a)分别为I-1ppm，II-10ppm，III-100ppm纯铜溶液的扰动实验结果，1和2分别代表两个实验的重复样，以验证实验操作的准确性。(b)为经过等值线处理后得到的相对应于(a)的特征斑的信息图。并以圆心为原点，将图中坐标“归一化”。同时，标出斑区内灰度-峰值点，红色代表斑内最亮点，绿色代表斑内最暗点。 Table.1特征信息提取 低浓度(1ppm) 重复样编号 i-1 i-2 中浓度(10ppm) ii-1 ii-2 高浓度(100ppm) iii-1 iii-2 峰值 219 219 221 221 Max-217 Min-195 Max-218 Min-196 峰值坐标 Max-(0.0690,0.107) Max-(0.0966,0.100) Max-(-0.0966,-0.148) Max-(-0.117,-0.0828) Max-(0.128,0.176) Min-(0.114,-0.259) Max-(0.131,0.100) Min-(0.186,-0.207) 面积占比 19.5% 21.9% 26.3% 24.6% 38.5% 40.1% 基于高通量的组合化学基本原理，扰动液在不同位点处的作用效果不同，最终量化后灰度值分布亦不同，即每种溶液形成的等值线分布具有唯一性。而我们简化得到的特征斑内的信息(灰度-峰值点、峰值、斑的占比等)也一样具有较强的特征性。我们根据这些特性，一方面，易于进一步探讨某种复杂溶液的内部化学关系的呈现;另一方面，通过特征提取，使不同溶液之间差异更加显著，更加易于区分。 通过统计纯铜溶液斑的面积大小、灰度-极值点的极值、坐标三个指标。我们可以明显看到不同浓度纯铜溶液之间的差异。从Table1.我们可以看到，不同浓度的纯铜溶液，斑的面积逐渐变大。如Fig.8(a)所示，铜离子遇CAS显蓝色，扰动试纸的圆中心区域的分布的扰动液浓度最少。对于纯铜溶液，如果铜含量较高时，中间区域应该为颜色较暗，即灰度值较小，而正如Fig.8所示，图(III)的颜色最暗，且图(iii)的最亮点峰值较其他低浓度小。如果铜含量较小时，中间区域应该为颜色较亮，即灰度值较大，图(iii)的最亮点峰值会较高。通过对比，我们可以明显的看到，随着浓度的增大， 极大峰值会越来越小，且100ppm的斑内出现小于等值线K=216的最暗点。同时，随着浓度增大，由平均值圈出来的斑的面积占总面积的比例越来越大。这反应了扰动试纸在中间区域扰动作用随浓度的增加，扰动能力越来越小，到了100ppm时已经到了临界，因为出现了最暗点。所以，我们可以利用峰值的变化和斑面积的进行定性和半定量的判断。 (3)重复性验证 同时，如Fig.8所示，我们对不同浓度纯铜溶液，各做了两个重复的样品。并通过比较其特征峰值、峰值点出现坐标以及特征斑所占面积，以验证本方法的可重复性。经过比较可以看到峰值大小除了高浓度铜溶液的两个平行样略有差异，其他均相同。特征斑面积相对偏 差也可以控制在12%以下。另外，我们又利用图片数字化分析的方法来验证两张图片的相似度(Fig.9)。原理是:计算的平行样图片上的每个点之间的相对标准偏差(matlab软件)，并对计算结果进行统计。绘出图片里不同相对标准偏差值下的像素数累积趋势线。可明显的看到，平行样图片之间的相对标准偏差小于5%的点已达到90%以上，这说明平行样图片间的偏差较小，本法的可重复性较高。 Cumulative percentageRSD(relative standard deviation) Fig.9重复样间相对标准偏差累积百分数 (4)扰动强度分析 本实验采用的三种干扰液，每种干扰液的影响能力是不同的，如何呈现干扰液的影响也是实验研究的一方面。在地理科学中，处理地形图时，经常会用到最陡路径，指的是从一点到目标点最快的路线，相应的等高线 图中指的是线最密的部分。因为在扰动试纸上，各种含铜的复杂溶液呈均匀的分布，而干扰液的高通量组合分布是唯一的变量， 根据这个原理，我们知道:通过“等值线”处理得到的灰度-等值线变化有密集、有稀疏，反应了灰度变化的程度。而灰度-等值线的变化最快的方向与干扰液的影响是直接相关。所以，我们可以通过做出灰度-等值线图的“最速下降线”得到设计图上C、M、Y三种颜色的变化趋势，从而，间接得到三种化学扰动液的影响能力强弱。 如Fig10(1)所示具体做法为:以最小特征区域的几何中心为圆心，画与最近等值线相切的圆，切点为下次画圆的圆心，与下一个等值线相切的距离为半径，依次类推直到最后一个点，最后把这些点依次连接，形成的曲线我们称之为“灰度-最速变化线”。同时，为了使其可以与设计图相对应，我们将得到的标有“最速下降线”的(1)图与原设计图相互 叠加，得到图(3)。最终，可在设计图上得到对应于样品图片上灰度值变化最快的三种扰动液的组合情况。 (b) PercentageSequence number Fig.10(a)“最速下降线”的做法。(b)“最速下降线”方向上对应的C、M、Y的变化情况。 随后，为了明确探讨C、M、Y三种扰动液对该复杂体系的扰动情况。我们统计得到三种扰动液沿着“最速下降线”方向上的浓度变化情况。具体操作为:沿浓度“最速下降线”方向上选出连续变化的80个点，并以此作为横坐标;同时，分别统计出每个点对应的C、M、Y值，以此作为纵 坐标。从而，得到Fig10.(b)。 可以看出沿着中心向边界依次取点的方向得到的CMY值是逐渐升高的，反应片上色阶的变化是三种干扰液共同作用的结果，从图中三种干扰液的变化幅度来看，沿着变化线的取点方向Y值的上升幅度最大，所以Y值代表的干扰液的影响能力是最强的。Y代表的溶液是CdCl2，说明竞争剂对该溶液的影响能力大于酸碱调节剂大于络合剂。 ? Discussion (1) 图案的设计可能的深入改进方面 首先，为了形成规律化独立分散的大数量微反应，我们利用“化学打印”的方式，将不同的扰动物质负载在平面载体上。最终，按照一定的设计图案形成了规律性的图形化分布形 式，且图案上的每个点都是一种扰动组合。为了使扰动组合实现大数量级，我们将六种扰动溶液按照不同量(浓度成0%~100%的线性变化)和不同种类(不同方向上分布)进行组合(如Fig.2)。但这种组合只是不同功能图案的一种，研究人员可设计不同的图案，以达到自己的研究需求。 (2) 扰动剂的选择的深入探讨 其次，由于本研究主要探讨复杂化学体系，为了模拟实际过程中可能存在的对复杂溶液的扰动作用，我们经过大量的筛选试验后，选择了6种代表性化学物质(即扰动溶液)提供不同扰动作用。而对于其他研究人员可以根据研究内容的不同选择不同的扰动溶液，如对溶液中某种物质的检测、对某种物质的定性分析，甚至可以一定的定量或半定量分析。 (3) 未来图案分析的深入设想及可能的途径 再次，在将复杂溶液内部的化学关系与效应信息进行可视化呈现后，如何提取它们的内部复杂信息，并对这些海量信息进行分析是一个重要的工作。针对这一工作，本课题组以垃圾渗滤液的“LEEYE PATTERN”为例。根据扰动反应后，片基上荧光强度分布的不同，通过“量化-等值线-特征区提取”的方法，将垃圾渗滤液在THE组合扰动体系下的可视化特征提取出来。定义特征区域面积大小、荧光峰值点的光强度以及坐标分布等信息为垃圾渗滤液的特征信息，作为其“指纹性”的特征。同时，探讨不同复杂溶液在该扰动体系下，内部复杂化学反应和效应的差异。提出一种全新的复杂定性分析方法。 然而，这只是大数量级可视化信息的一种提取和分析方式。由于现有支撑技术手段的限制，我们无法将这些信息完全提出和充分分析。例如，本研究为了采集片基上的荧光分布情况采用了数码拍照的方法。但由于数码相机对荧光扑捉能力的局限性，我们收集到的信息可能会忽略掉一些细微的荧光变化，从而丢失一些扰动点的信息。另外，就分析手段而言。我们基于现有对色彩分析技术，我们无法同时将图像的某个点反映的R、G、B三个数值同时分析，只能选择代表荧光强度的灰度值作为分析参考，特别是对一些显色剂响应下的图像数字分析有一定的局限性。 (4)本技术用途的有深度的思考 本研究在对不同溶液的高通量数字图像分析过程中发现，本法有较强的普适性。同时，由于相对于传统复杂溶液的分析方法，本法具有快速、便捷、溶液耗量少、可精确控制，并能够可视化的呈现与记录复杂化学体系内部信息等特点。这对于环境、食品、医学等领域的复杂化学体系分析 有着里程碑式的意义，也期待可以给各行业的研究人员起到一定的启发作用。 待用: Fig.10一系列铜的复杂溶液扰动信息提取。 由于不同溶液在扰动试纸上的扰动结果可能存在较大差异，其得到的图片上灰度值的分布情况也会不同，最终形成的闭合曲线可能差异会较大。基于这样的推测，我们针对得到的一系列铜的复杂溶液扰动实验结果进行“等值线”处理，以分析其存在的规律和差异。