CN105890926B - 利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，其包括微流控芯片、设于微流控芯片依次排列的样品入口、预对准通道、方向分流块、分离通道、设于分离通道前端部的粒群分流块、与样品入口外侧连通的样品储存室、对预对准通道产生纠偏声场的第一超声发生器、设于方向分流块内的中央入口、对分离通道产生分离声场的第二超声发生器、与中央富集通道连通的中央出口、与侧通道连通的侧出口。加工微流控芯片形成空气流道，利用超声装置对空气流道特定区域产生声场，形成声动力对流经的空气及其悬浮颗粒物的运动路径进行干预，对空气中特定声动力性质的颗粒物进行分选富集。本发明还公开了一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法。

Description

利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮颗粒物分选富集采样技术，尤其涉及一种分选空气悬浮颗粒物的装置，以及分选空气悬浮颗粒物的方法。

背景技术

悬浮颗粒物（Suspended Partieulate Matter，SPM）是小的不连续的固体或液体物质的混合物，可以非常细小的形式存在于空气中。空气悬浮颗粒物包括烟尘、薄雾、烟气、尘埃、尘雾或飞沫，其来源有2种：一次颗粒物（Primary Particles）和二次颗粒物（Secondary Particles）。一次颗粒物为污染源中本身所含颗粒物；二次颗粒物为气态污染物在大气中经过冷凝或复杂的化学反应而生成的颗粒物。通常根据颗粒物的当量直径来表征并划分形状不规则的颗粒物。颗粒物的当量直径与其颗粒物的行为（如惯性、电子或磁场迁移力、光散射）和特性（如化学成分或元素浓度、代表性面积、容积与表面积比）有关。悬浮颗粒物粒径范围从几纳米（nm）到几百微米（μm）。根据当量直径，悬浮颗粒物可以分为细颗粒物（Fine Particulate Matter）和粗颗粒物（Coarse Particulate Matter），二者以1~2.5μm为界，分界线具体值与相对湿度有关。从流行病学的资料可获知悬浮颗粒物对人体健康影响克归纳为2大类：（1）成人的日死亡率和年死亡率增加，尤其是心肺病患者；（2）诱发心肺功能障碍,导致发病率增加，包括呼吸道系统疾病（如气喘、咳嗽）、哮喘病发作、肺炎、支气管炎和顽固性肺病（COPD）。对于前者，美国一项连续8年的研究发现日死亡率的增加与PM10、PM2.5和硫酸盐颗粒物浓度都显著相关，其中同PM2.5的相关性最强。此外，医院急诊病人和就医人数增加也都与大气颗粒物暴露量相关。若从悬浮颗粒物的粒径来看其对健康的危害，粒径大于30μm的颗粒物极少进入呼吸道，对人体危害较小；粒径10~30μm的悬浮颗粒物大部分被阻截在上呼吸道（鼻腔和咽喉部），而小于10μm的颗粒物能穿过咽喉部进入下呼吸道，特别是粒径小于5μm的颗粒物能沉积在深部肺泡内，对人体的危害巨大。

目前，基于粒径分离空气中的颗粒物的主要方法有：（1）滤膜称重法；（2）光散射法；（3）β射线法；（4）微量震荡天平法，等。但是上述方法皆为粒径范围层面上的颗粒物分离方法，分离结果较为粗糙。暂时没有针对某种特殊悬浮颗粒物分选富集的方法。

其中，（1）滤膜称重法（重量法或者手工法）通过采样器以恒定速率抽取一定量体积空气，空气中的颗粒物被节流在滤膜上，结合滤膜重量在采样前后的变化和采样空气体积，计算出浓度。该方法为国家标准分析方法，它对细颗粒物的截留效率高，测量结果准确，是最直接、可靠的方法。滤膜称重法为验证其他测量方法的结果是否准确的参比。但是当气流长时间不断通过采样滤膜时，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化会造成挥发性和半挥发性物质的损失，同时一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成结果偏低；相反，其他物质也可能被滤膜吸附，造成结果偏高；（2）光散射法由于在在实际过程中光的散射和颗粒物浓度之间的关系受到颗粒物的化学成分、形态、比重等因素的影响，因此光散射和颗粒物浓度之间的换算公式随时随地都在变，对于采用光散射原理的仪器需不断用标准方法校正，因此该技术确定性不高；（3）β射线法的基本原理是利用堆积在适应滤膜上的颗粒物对碳-14释放的β射线衰减量的变化测量大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样泵经切割器吸入采样管，进过滤膜后排出，而颗粒物沉淀在条状石英滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线的强度发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。这一方法是基于2个假设，其一是仪器的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的PM2.5粒子物理特性均一（即颗粒大小一致，颗粒成分一致，颗粒在过滤膜上的分布均匀等），对β射线强度衰减率相同。而上述2点在现实条件下往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差，且这种检测方法在潮湿高温区域故障率也很高；（4）微量震荡天平法主要是利用锥形元件微量振荡天平原理。设备中的空心锥形管保持往复振荡的状态，其振荡频率将随着滤膜所收集的颗粒物的质量变化而变化。通过测量频率的变化得到颗粒物的质量，结合样品体积得到样品的浓度。该技术的优点是关系明确，缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半挥发性物质的损失，导致测量结果被认为偏低，从而出现失真。

上述4种方法除了上述所说的优缺点外，还都不能对根据空气中颗粒物尺寸、颗粒物的质量密度、可压缩性等固有声动力性质对空气中的颗粒物进行分选富集，这对PM2.5的检测和后续分析造成影响。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种用于根据空气中颗粒物尺寸、颗粒物的质量密度、可压缩性等固有声动力性质对空气中的颗粒物进行有效分选富集的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置；以及对应对空气中的颗粒物进行有效分选富集的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法。

为了克服现有技术不足，本发明采用的设备技术方案是：一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，其包括微流控芯片、设于微流控芯片的样品入口、与样品入口外侧连通的样品储存室、与样品入口内侧连通的预对准通道、设于预对准通道外侧对通道产生纠偏声场的第一超声发生器、设于预对准通道前端部将空气流体分流为左右两道侧流道的V形的方向分流块、设于方向分流块内的中央入口、由左右侧流道和中央入口汇流形成的分离通道、设于分离通道外侧对分离通道产生分离声场的第二超声发生器、设于分离通道前端部将空气流体分流为中央富集通道和左右侧通道并与方向分流块方向相反的V形的粒群分流块、与中央富集通道连通并位于粒群分流块中央位置的中央出口、与侧通道连通的侧出口。

作为本发明利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置的技术方案的一种改进，所述中央出口通过管道连接有第一注射器，所述侧出口通过管道连接有第二注射器。

作为本发明利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置的技术方案的一种改进，所述第二超声发生器包括压电晶体和输出脉冲电源控制压电晶体的脉冲发生器。

为了克服现有技术不足，本发明采用的方法技术方案是：一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法，使用上述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，将待分选气体灌注于样品储存室，通过微流控芯片的样品入口进入预对准通道，使用第一超声发生器对预对准通道的气流产生纠偏声场，在方向分流块分成两个侧流道，同时在中间位置的中央入口引入清洁空气，使两组悬浮颗粒物分别在分离通道两侧以层流形式贴壁流动，通过第二超声发生器对分离通道的气流及其悬浮颗粒物产生分离声场，控制分离声场的能量，使目标颗粒物群偏向分离通道的中央出口方向，非目标悬浮颗粒物群偏向侧出口；驱使样品空气流动完，然后取出目标颗粒物群进行用于检验。

作为本发明利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法的技术方案的一种改进，通过两个注射器分别对中央出口和侧出口同步抽吸使其产生负压形成气流。

作为本发明利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法的技术方案的一种改进，所述第二超声发生器包括压电晶体和输出脉冲电源控制压电晶体的脉冲发生器。

本发明的有益效果是：使用硅、聚合物、玻璃等光滑且易于微细加工的材料，通过微细制造技术加工微流控芯片，形成空气流道，利用超声装置对空气流道特定区域产生声场，形成声动力对流经的空气及其悬浮颗粒物的运动路径进行干预。通过预对准通道形成定向流动，通过中央入口引入清洁空气使空气流体贴壁流动，然后通过特定频率的超声波输送能量，根据颗粒物尺寸、颗粒物的质量密度、可压缩性等固有声动力性质，使用特定频率的声场的声动力干预流动空气中特定性质颗粒物的运动方向和路径，并从中央出口流出，实现针对性地对空气中特定声动力性质的颗粒物进行分选富集。

附图说明

图1是本发明利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置的实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中气流通道的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例中气流通道的正向结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

参考图1、图2、图3所示，本发明一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，其包括微流控芯片11、设于微流控芯片11的样品入口1、与样品入口1外侧连通的样品储存室13、与样品入口1内侧连通的预对准通道2、设于预对准通道2外侧对通道产生纠偏声场的第一超声发生器9、设于预对准通道2前端部将空气流体分流为左右两道侧流道的V形的方向分流块3、设于方向分流块内的中央入口4、由左右侧流道和中央入口4汇流形成的分离通道5、设于分离通道5外侧对分离通道产生分离声场的第二超声发生器10、设于分离通道5前端部将空气流体分流为中央富集通道和左右侧通道并与方向分流块3方向相反的V形的粒群分流块6、与中央富集通道连通并位于粒群分流块中央位置的中央出口7、与侧通道连通的侧出口8。使用硅、聚合物、玻璃等光滑且易于微细加工的材料，通过微细制造技术加工微流控芯片，形成空气流道，利用超声装置对空气流道特定区域产生声场，形成声动力对流经的空气及其悬浮颗粒物的运动路径进行干预。通过预对准通道是空气形成定向流动，并通过第一超声发生器产生声场形成声压对空气流及其颗粒物进行干预，在V形方向分流块前后进行分束流动，方向分流块中部设置中央入口引入清洁空气使束状空气流体贴壁流动，然后通过第二超声发生器形成声场和声压，产生特定频率的超声波输送能量，根据颗粒物尺寸、颗粒物的质量密度、可压缩性等固有声动力性质，使用特定频率的声场的声动力干预流动空气中特定性质颗粒物的运动方向和路径，并从特定出口流出，实现针对性地对空气中特定声动力性质的颗粒物进行分选富集。中央入口4可以连通对接注射器而提供清洁空气注入。

更佳地，所述中央出口7通过管道连接有第一注射器15，所述侧出口8通过管道连接有第二注射器16，通过两个注射器同步抽吸，产生负压，驱使样品储存室内的样品空气被吸入微流控芯片中的气流通道，形成气流，实现对特定特性的悬浮颗粒物进行分选富集。

更佳地，所述第二超声发生器10包括压电晶体14和输出脉冲电源控制压电晶体的脉冲发生器12，控制第二超声发生器10产生所需频率的超声波，在分离通道5形成声场产生声压，对流经的气体中的颗粒物进行针对性的推动，控制器运动路径。

相应地，本发明的一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法，使用上述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，将待分选气体灌注于样品储存室，通过微流控芯片的样品入口进入预对准通道，使用第一超声发生器对预对准通道的气流产生纠偏声场，在方向分流块分成两个侧流道，同时在中间位置的中央入口引入清洁空气，使两组悬浮颗粒物分别在分离通道两侧以层流形式贴壁流动，通过第二超声发生器对分离通道的气流及其悬浮颗粒物产生分离声场，控制分离声场的能量，使目标颗粒物群偏向分离通道的中央出口方向，非目标悬浮颗粒物群偏向侧出口；驱使样品空气流动完，然后取出目标颗粒物群进行用于检验。使用硅、聚合物、玻璃等光滑且易于微细加工的材料，通过微细制造技术加工微流控芯片，形成空气流道，利用超声装置对空气流道特定区域产生声场，形成声动力对流经的空气及其悬浮颗粒物的运动路径进行干预。分选富集过程中，通过预对准通道是空气形成定向流动，并通过第一超声发生器产生声场形成声压对空气流及其颗粒物进行干预，在V形方向分流块前后进行分束流动，方向分流块中部设置中央入口引入清洁空气使束状空气流体贴壁流动，然后通过第二超声发生器形成声场和声压，产生特定频率的超声波输送能量，根据颗粒物尺寸、颗粒物的质量密度、可压缩性等固有声动力性质，使用特定频率的声场的声动力干预流动空气中特定性质颗粒物的运动方向和路径，并从特定出口流出，实现针对性地使对空气中特定声动力性质的颗粒物进行分选富集。

更佳地，通过两个注射器分别对中央出口和侧出口同步抽吸使其产生负压形成气流，通过两个注射器同步抽吸，产生负压，驱使样品储存室内的样品空气被吸入微流控芯片中的气流通道，实现对特定特性的悬浮颗粒物进行分选富集。

更佳地，所述第二超声发生器10包括压电晶体14和输出脉冲电源控制压电晶体的脉冲发生器12，控制第二超声发生器10产生所需频率的超声波，在分离通道5形成声场产生声压，对流经的气体中的颗粒物进行针对性的推动，控制器运动路径。

举例：分离聚苯乙烯微粒群。

聚苯乙烯微粒群由粒径为5μm和7μm的两种组成微粒混合洁净空气而成，目标产物为粒径为5μm的颗粒物。系统设计中，预对准通道2（第一通道）的宽度w1=300μm，高度h=150μm，相应的超声波频率f1=5MHz。该种尺寸和频率下的超声振动产生三个声压节点。其中两个在预对准通道2宽度方向上（沿y方向），另一个声压节点在与预对准通道2宽度方向垂直的方向上(沿z方向)。该声场使颗粒在流过预对准通道2中偏移。在预对准通道2尾部，颗粒群逐渐汇聚为两道流束，并被升至距离预对准通道2底部h/2高度处（由图3可以看出）。最后，颗粒群在中央入口4两侧被一分为二后，进入分离通道5，并以层流形式贴壁流动。

在分离通道5中，通道宽度w2=375μm，相应的超声波频率f2=2MHz，高度同预对准通道2。该种尺寸和频率下的超声振动在分离通道5中央处产生一个声压节点。该声压力使经过预对准的颗粒群以某一速率对准中央节点。该速率取决于三个参数：颗粒尺寸，颗粒的质量密度和颗粒的可压塑性。

最终，在中央出口7得含粒径为5μm的颗粒物气体，侧出口8得含粒径为7μm的颗粒物气体。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，其特征在于：包括微流控芯片、设于微流控芯片的样品入口、与样品入口外侧连通的样品储存室、与样品入口内侧连通的预对准通道、设于预对准通道外侧对通道产生纠偏声场的第一超声发生器、设于预对准通道前端部将空气流体分流为左右两道侧流道的V形的方向分流块、设于方向分流块内的中央入口、由左右侧流道和中央入口汇流形成的分离通道、设于分离通道外侧对分离通道产生分离声场的第二超声发生器、设于分离通道前端部将空气流体分流为中央富集通道和左右侧通道并与方向分流块方向相反的V形的粒群分流块、与中央富集通道连通并位于粒群分流块中央位置的中央出口、与侧通道连通的侧出口。

2.根据权利要求1所述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，其特征在于：所述中央出口通过管道连接有第一注射器，所述侧出口通过管道连接有第二注射器。

3.根据权利要求1所述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，其特征在于：所述第二超声发生器包括压电晶体和输出脉冲电源控制压电晶体的脉冲发生器。

4.一种利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法，其特征在于：使用权利要求1所述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的装置，将待分选气体灌注于样品储存室，通过微流控芯片的样品入口进入预对准通道，使用第一超声发生器对预对准通道的气流产生纠偏声场，在方向分流块分成两个侧流道，同时在中间位置的中央入口引入清洁空气，使两组悬浮颗粒物分别在分离通道两侧以层流形式贴壁流动，通过第二超声发生器对分离通道的气流及其悬浮颗粒物产生分离声场，控制分离声场的能量，使目标颗粒物群偏向分离通道的中央出口方向，非目标悬浮颗粒物群偏向侧出口；驱使样品空气流动完，然后取出目标颗粒物群。

5.根据权利要求4所述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法，其特征在于：通过两个注射器分别对中央出口和侧出口同步抽吸使其产生负压形成气流。

6.根据权利要求4所述的利用声动力分选富集空气悬浮颗粒物的方法，其特征在于：所述第二超声发生器包括压电晶体和输出脉冲电源控制压电晶体的脉冲发生器。