CN103940939B - 基于微流控芯片的恶臭气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微流控芯片的恶臭气体检测装置，包括气路系统、控制系统、气体检测系统及数据处理系统，所述控制系统采用温度控制系统，气体检测系统采用光离子化检测器，其特征在于该检测装置还包括进样系统和气体分离系统，进样系统通过左、右连接件分别与气路系统、气体分离系统一侧相连，气体分离系统下部设有控制系统，气体分离系统另一侧与气体检测系统、数据处理系统依次连接；所述气体分离系统采用微通道内涂覆有固定相的微流控芯片；所述进样系统包括样气入口、连接件、定量管、三通阀、两通阀和隔膜泵。本发明能够准确有效的控制气路压力、流量稳定，检测精度高，能够实现多组分气体的充分分离，进而实现多组分气体的定性定量分析。

Description

基于微流控芯片的恶臭气体检测装置

技术领域

本发明涉及一种恶臭气体检测系统，尤其是涉及基于微流控芯片的恶臭气体检测装置。

背景技术

恶臭污染是空气污染中一种特殊的污染，它对人体的嗅觉器官产生刺激，并对人的心理产生影响。恶臭气体是所有有异味的气体的总称，关于恶臭气体的国家标准定义为(GB14554-93)：一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损坏生活环境的气体物质。高浓度恶臭污染甚至会威胁人类生命健康，因此加强对大气中恶臭气体检测关系着人民的身体健康，同时也是监测环境污染的一项有效措施。

众所周知，气相法应用广泛，其分离原理就是利用可分离的诸组分在流动相(载气)和固定相两相间的分配有差异(即有不同的分配系数、吸附系数或渗透系数)完成各样品组分的分离，当两相做相对运动时，这些组分在两相间的分配反复进行，从几千次到数百万次，即使组分的分配系数只有微小的差异，随着流动相的移动可以有明显的差距，最后使这些组分得到分离。目前传统的仪器分离系统通常使用毛细色谱柱，柱长一般在20-50m范围之内，使得分离系统部分尺寸过大，为保证所需温度，加热装置尺寸也很大，最终仪器尺寸偏大，具有功耗高、难以实现在线或便携形式等缺点，为了实现便携化的目标，检测装置的进一步微型化、集成化势在必行。

微流控分析系统通过在微米级通道与结构中实现微型化，具有高效率、低能耗、高通量、易集成等优点。随着对微流控芯片应用研究的不断深入，微流控芯片的应用范围不断扩大，目前其应用主要集中在药物分析与筛选及疾病检测、人类基因组计划等生物医药领域，在其他领域的应用还不太成熟。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于微流控芯片的恶臭气体检测装置。该检测装置能够准确有效的控制气路压力、流量稳定，检测精度高，能够实现多组分气体的充分分离，进而实现多组分气体的定性定量分析。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是，设计一种基于微流控芯片的恶臭气体检测装置包括气路系统、控制系统、气体检测系统及数据处理系，所述控制系统采用温度控制系统，气体检测系统采用光离子化检测器，其特征在于该检测装置还包括进样系统和气体分离系统，进样系统通过左、右连接件分别与气路系统、气体分离系统一侧相连，气体分离系统下部设有控制系统，气体分离系统另一侧与气体检测系统、数据处理系统依次连接；所述气体分离系统采用微通道内涂覆有固定相的微流控芯片；所述进样系统包括样气入口、连接件、定量管、三通阀、两通阀和隔膜泵，其中气路系统、两通阀一端及左边三通阀的下面一路通过左边连接件相连，样气入口与左边三通阀的上面一路相连，左边三通阀的中间一路与定量管一端相连；定量管另一端与右边三通阀中间一路相连，右边三通阀上面一路与隔膜泵相连，右边三通阀下面一路、两通阀另一端及微流控芯片通过右边连接件相连。

与现有技术相比，本发明气体分离系统采用微流控芯片，实现了不同种类气体的分离，同时还提高了检测装置的效率，降低了样气的消耗量，从而实现了多集成化。进样系统可自动完成采样、进样等过程，简单方便。采用光离子化检测器(PID)实现了气体组分的定量分析，同时在不破坏气体的情况下，简化了系统结构，提高了检测装置的灵敏度。

附图说明

图1为本发明基于微流控芯片的恶臭气体检测装置一种实施例的整体结构组成示意图；

图2为本发明基于微流控芯片的恶臭气体检测装置一种实施例丁烷与乙醇混合气体的检测结果示意图；

图3为本发明基于微流控芯片的恶臭气体检测装置一种实施例甲苯的检测结果示意图；

图1中，1.气路系统，11.载气瓶，12.空气过滤器，13.减压阀，14.压力传感器；2.进样系统，21.样气入口，22.连接件，23.定量管，24.三通阀，25.两通阀，26.隔膜泵；3.气体分离系统，31.微流控芯片，32.固定相；4.控制系统，41.加热装置，42.温度传感器；5.气体检测系统，51.光离子化检测器；6.数据处理系统。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步介绍本发明。下述实施例仅是对本发明的进一步详细地说明及解释，并不以此限定本申请权利要求的保护范围。

本发明基于微流控芯片的恶臭气体检测装置(简称检测装置，参见图1)包括气路系统1、进样系统2、气体分离系统3、控制系统4、气体检测系统5及数据处理系6，所述控制系统4采用温度控制系统，气体检测系统5采用光离子化检测器，进样系统2通过左、右连接件22分别与气路系统1、气体分离系统3一侧相连，气体分离系统下部设有控制系统4，气体分离系统另一侧与气体检测系统5、数据处理系统6依次连接；所述气体分离系统3采用微通道内涂覆有固定相32的微流控芯片31；所述进样系统2包括样气入口21、连接件22、定量管23、三通阀24、两通阀和25隔膜泵26，其中气路系统1、两通阀25一端及左边三通阀24的下面一路通过左边连接件22相连，样气入口21与左边三通阀24的上面一路相连，左边三通阀的中间一路与定量管23一端相连；定量管另一端与右边三通阀24中间一路相连，右边三通阀24上面一路与隔膜泵26相连，右边三通阀24下面一路、两通阀25另一端及微流控芯片31通过右边连接件22相连。

本发明检测装置的进一步特征在于所述气路系统包括压力传感器；所述温度控制系统包括加热部件和温度传感器，温度传感器位于加热部件的底部，可控制加热部件的加热温度；所述光离子化检测器采用10.6eV、8.3eV或11.7eV电离能的紫外灯。

本发明检测装置气路系统1包括载气瓶11，空气过滤器12，减压阀13和压力传感器14，减压阀13安装在载气瓶11的出口，空气过滤器12与减压阀13均与压力传感器14相连。工作时气路系统1可允许载气在一定的压力、流量下，稳定地控制其流入和流出，通过减压阀13和压力传感器14可有效控制载气的稳定性，进而可保证检测装置的准确性和重复性。将减压阀13安装在载气瓶11上，可将高压气体调节到较小的工作范围内，使载气以恒定的气体流量流入气路系统。

本发明检测装置可以选用氮气或空气作为系统的载气,工作时可根据用户自行设置选择其中一路载气。常用的载气有氮气、氦气、氢气等，氮气的相对分子质量相对氢气而言较大，扩散系数小，柱效比较高，因此选用高纯氮气(纯度大于99.99％)作为载气，特殊情况也可以根据样气的种类选择适合的载气。

本发明检测装置的进样系统2包括样气入口21，连接件22，定量管23，三通阀24(两进一出式)，两通阀25(一进一出式)，隔膜泵26，工作时载气经过两通阀25这一路进入气体分离系统3，样气在隔膜泵26抽动下由样气入口21经左边三通阀24上面一路(下面一路处于关闭状态)进入定量管23；样气采集并存储在定量管23内后，通过程序控制左边三通阀24更改状态使得上面一路关闭，下面一路开通，两通阀25关闭，完成自动切换气路，随后载气经过左边三通阀24下面一路进入定量管，不断将样气带入分离系统。进样系统2为自动进样器，可自动完成采样、进样等过程，简单方便。

本发明检测装置的气体分离系统3设有微流控芯片31，在微流控芯片31中存在有内径极细的微通道，在其微通道内涂覆有固定相32。载气带动样气进入微流控芯片31的微通道，根据塔板理论，样气中不同组分与固定相32间的作用力类型及其强度不同，使得各不同组分在固定相32中的保留时间不同，因而离开微流控芯片31的时间不同，可实现不同气体成分在微流控芯片31中进行分离，分离后的气体依次进入气体检测系统5。在实现不同种类气体分离的同时，提高了检测装置的效率，降低了样气的消耗量，实现了系统的多集成化。微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微，当实现批量生产后芯片成本可望大幅度降低，而有利于普及。

本发明检测装置的气体检测系统5采用光离子化检测器(PID)51，经气体分离系统3分离后的不同组分的化合物进入光离子化检测器的气室，由紫外灯进行照射电离，产生正离子和自由电子，经过运动产生电信号，再经过数据处理系统6由电路采集后形成电压信号，对不同电压信号输出，即可输出相应的色谱图或数据结果。

本发明检测装置的控制系统4采用温度控制系统，包括加热部件41和温度传感器42，其中加热部件41可根据温度传感器42探测到的实际温度来调节微流控芯片及气体检测系统的环境温度，进而将微流控芯片31及气体检测系统5的环境温度保持在所需的稳定温度，最终保证了整个检测装置的正常运行。

本发明检测装置的检测工艺过程为：检测时,先选择一种载气空气或氮气，使载气经过两通阀25进入气体分离系统3吹扫一段时间，然后在隔膜泵26的抽动下使样气由样气入口21经左边三通阀24上面一路(下面一路处于关闭状态)进入定量管23，样气采集并存储在定量管23内，定量管的样气容量为100μL-500μL；然后通过程序控制左边三通阀24更改状态使其上面一路关闭，下面一路开通，两通阀25关闭，完成自动切换气路。随后载气经过左边三通阀24下面一路进入定量管23，使样气在载气的带动下不断进入气体分离系统3。在气体分离系统中可实现不同气体成分在微流控芯片31中进行分离，分离后的气体依次进入气体检测系统及数据处理系统，进而实现其样气的定量、定性分析同时输出其色谱图，最终完成整个检测过程。

本发明检测装置利用色谱技术构造微流控芯片进行气体分离，采用光离子化检测器检测分离后的各种恶臭气体，根据不同的气体性质及种类，可选择适当离子电离能的紫外灯。在计算机控制下对检测温度、进气阀、进气压力等实现控制，并进行检测信号的采集，最后经过计算机计算分析，以色谱图或数据的形式给出被检测气体的定性定量结果。

本发明可适用于检测的恶臭气体包括氨、三甲胺、硫化氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯、二氧化硫、氯气、苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮、苯酚、乙醛等。

实施例1

本实施例利用上述检测装置，采用氮气作为载气，温度控制在50℃，载气流量为20ml/min，光离子化检测器采用电离能为10.6eV的紫外灯，能快速分离丁烷与乙醇的混合气体，通过数据库的匹配迅速确定样气种类，并定量分析出样气各组分的含量，实验结果参见图2。经过5次重复进样后，实验数据基本一致，说明本发明检测装置的复现性好、数据可靠性高。

实施例2

本实施例利用上述检测装置，采用空气作为载气，温度控制在65℃，载气流量为15ml/min，光离子化检测器采用电离能为10.6eV的紫外灯,能快速检测甲苯气体，通过数据库的迅速匹配对样气进行定性、定量分析，实验结果参见图3。经过多次进样，实验数据保持基本一致，说明本发明检测装置的复现性好、检测数据可靠。

本发明检测装置不仅实现了气体组分定量分析，同时在不破坏气体的情况下，进一步简化了检测装置结构，提高了其灵敏度。本发明采用微流控芯片技术，将分离系统集中在一块尺寸很小的特殊制造的芯片上，不仅减小分离系统的尺寸，而且减小了加热装置的尺寸，其次更方便对分离系统温度、压力等参数值的控制，分离温度较低且温度更均匀，缩短了分离时间，提高了检测效率。

本发明检测装置所涉及的元器件及相关软件可通过商购以及常规加工得到，未述及的元器件及其连接方法均是本技术领域技术人员所掌握的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于微流控芯片的恶臭气体检测装置，包括气路系统、控制系统、气体检测系统及数据处理系统，所述控制系统采用温度控制系统，气体检测系统采用光离子化检测器，其特征在于该检测装置还包括进样系统和气体分离系统，进样系统通过左、右连接件分别与气路系统、气体分离系统一侧相连，气体分离系统下部设有控制系统，气体分离系统另一侧与气体检测系统、数据处理系统依次连接；所述气体分离系统采用微通道内涂覆有固定相的微流控芯片；所述进样系统包括样气入口、连接件、定量管、三通阀、两通阀和隔膜泵，其中气路系统、两通阀一端及左边三通阀的下面一路通过左边连接件相连，样气入口与左边三通阀的上面一路相连，左边三通阀的中间一路与定量管一端相连；定量管另一端与右边三通阀中间一路相连，右边三通阀上面一路与隔膜泵相连，右边三通阀下面一路、两通阀另一端及微流控芯片通过右边连接件相连。

2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的恶臭气体检测装置，其特征在于所述气路系统包括压力传感器。

3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的恶臭气体检测装置，其特征在于所述温度控制系统包括加热部件和温度传感器，温度传感器位于加热部件的底部，可控制加热部件的加热温度。

4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的恶臭气体检测装置，其特征在于所述光离子化检测器采用10.6eV、8.3eV或11.7eV电离能的紫外灯。