CN105911028A - 基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置及实现对液体样品进行libs检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置及实现对液体样品进行LIBS检测的方法，所述装置用于对液体样品进行LIBS检测，其包括：放置待测液体样品，并使得前述液体样品能够在其内部微通道中流动并产生相应液滴流出的微流控芯片；以及置于所述微流控芯片内部，能够挤压所述微通道中流动的液体样品，并使得液体样品在受到挤压后流出所述微流控芯片的压电陶瓷驱动器；所述液体样品在受到挤压后自所述微流控芯片流出，产生液滴。本发明能够有效提高LIBS对液体样品进行检测时的应用稳定性并降低检测极限。

Description

基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置及实现对液体样品进行LIBS检测的方法

技术领域

本发明涉及LIBS检测技术，具体的说是涉及一种基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置及实现对液体样品进行LIBS检测的方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy-LIBS)是基于高功率脉冲激光与物质相互作用产生瞬态等离子体，通过分析等离子体发射光谱中原子、离子特征谱线，实现对待测物定性与定量分析的一种光谱技术。

LIBS检测具有样品形态无选择性、微损且无需样品预处理、多种不同元素同时检测分析以及能够快速或实时的对样品进行分析等特点。但激光在液体中诱导等离子体时，受到吸收散射、波动、压力、热传导等问题的影响，使LIBS对液体样品存在应用稳定性差和检测极限高等问题。

目前，LIBS对液体样品检测的解决办法主要有液体表面击穿、双脉冲激光、将液体样品转化成固态、液体样品附着在固体介质上和特殊方式将液体中的目标成分先富集等。

在液体表面进行击穿被认为是可以避免前期传播过程损耗，提高高检测灵敏度的方法。该方法对检测极限有一定的减小，但表面击穿的方法易受到溅射和辐射的波动限制。

DP-LIBS被认为是一种既能保证LIBS本身特性又能提高信号质量的一种新的方法，对提高检测灵敏度也有较大帮助。双脉冲激光在液体内部击穿，通过优化脉冲能量和延时等参数，可以降低多种金属成分的检测极限。但双脉冲系统的设备、光路及操作的复杂程度较高，双脉冲激光器成本也较高。

随后液态转化成固态的想法被提了出来。JO Cáceres等人提出将液体样品快速冷冻成冰，然后进行LIBS实验。Pace等人则利用氧化钙CaO将液体样品固化，然后进行LIBS检测。这些方法检测限有一定的提高，但其样品处理过程复杂，后一种方法还需要加入大量的附加化学成分。

将液体样品附着在固体介质上然后进行LIBS实验也是一种提高检测灵敏度 的方法之一。其直接对浸有液体样品的木条样品进行LIBS实验，或者利用滤纸作为基质吸附液体样品进行检测。这些方法在一定程度上依赖基质本身特性，但是样品预处理所需时间较长，LIBS技术实时、快速的特点有难以得到保留。

通过特殊方式将液体中的目标成分先富集起来，然后进行LIBS检测也是一种提高灵敏度的有效方法。其利用导向沉积的方法或渗析膜将液体中的金属元素富集起来，再进行LIBS检测。该方法具有较高的检测灵敏度，但往往需要数小时甚至数日的样品准备时间，对于需要快速检测现场应用领域并不适用。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置，该装置能够有效提高LIBS对液体样品进行检测时的应用稳定性并降低检测极限。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置，该装置用于对液体样品进行LIBS检测，其特征在于：

所述装置包括

放置待测液体样品，并使得前述液体样品能够在其内部微通道中流动并产生相应液滴流出的微流控芯片；

以及置于所述微流控芯片内部，能够挤压所述微通道中流动的液体样品，并使得液体样品在受到挤压后流出所述微流控芯片的压电陶瓷驱动器；所述液体样品在受到挤压后自所述微流控芯片流出即产生液滴，以便于LIBS检测激光的聚焦和激发。

进一步的，所述微流控芯片自上至下依次包括上层芯片、下层芯片以及基板；所述上层芯片上设置两个分别用于作为进流口以及液滴出口的通孔；所述下层芯片上凹刻有用于供液体样品在其内部流动的微通道，该微通道一端与所述进流口相通，另一端设置与所述液滴出口相通且孔径大于所述液滴出口孔径的液滴挤压区；所述基板位于液滴挤压区正下方位置处设置能够容纳所述压电陶瓷驱动器的凹孔。

进一步的，所述基板由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成；所述PMMA即有机玻璃，该材料透明度优良，具有良好的绝缘性和机械强度，它的比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力却高出几倍。

进一步的，所述上层芯片、下层芯片均由PDMS材料制成。PDMS(聚二 甲基硅氧烷)材料与PMMA材料之间具有良好的粘附性，且具有良好的化学惰性；由于PDMS薄膜的弹性模量仅为0.75MPa，因此使用PDMS制作的振动膜可以适当增加振动膜的厚度，一般情况下采用数百微米厚的PDMS厚膜不但可以满足强度方面的要求，而且可以在液滴挤压区产生更大的形变量；另外PDMS材料具有良好的延伸性，封装以及粘贴压电陶瓷元件时不易损坏。

进一步的，所述压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷驱动电源及压电陶瓷元件，所述压电陶瓷驱动电源与所述压电陶瓷元件相连接，并对所述压电陶瓷元件施加驱动电源；所述压电陶瓷元件包括两片呈上下对称排列，且均为长方形片状结构的压电陶瓷晶片，各所述压电陶瓷晶片分别各自对应的沿厚度方向进行极化，并随着压电陶瓷驱动电源所施加驱动电源产生逆压电效应，使得各所述压电陶瓷晶片随着各自对应的电荷中心的位移导致变形，进而两者共同作用产生弯曲位以移形成能够具有较大位移的压电陶瓷驱动器。

优选的，各所述压电陶瓷晶片通过金属片连接为一体，且通过压电陶瓷驱动电源对位于上层的压电陶瓷晶片施加反向驱动电场，对位于下层的压电陶瓷晶片施加正向驱动电场；施加驱动电场后，由于压电陶瓷晶片的逆压电效应，使得位于下层的压电陶瓷晶片缩短，位于上层的压电陶瓷晶片伸长，进而两者共同作用产生弯曲位移以形成能够具有较大位移的压电陶瓷驱动器。

所述压电陶瓷驱动电源采用HPV系列压电陶瓷驱动电源，包括HPV-3B0150A0500，HPV-1B0150A0300D等型号。

本发明的另一目的是要提供一种使用上述液滴产生装置实现对液体样品进行LIBS检测的方法，其包括如下步骤：

1)将液体样品通入上述液滴产生装置的进流口，若进行在线检测则将待检测液体管路通入进流口；

2)待液体样品充满整个微流道以及液滴挤压区后，通过压电陶瓷驱动器的压电陶瓷驱动电源施加驱动电压；

3)待液滴挤压区中的液体样品因受到压电陶瓷元件所产生的弯曲位移的挤压产生变形，并从液滴出口以液滴形式流出后；

4)利用LIBS检测系统将激光聚焦在液滴出口直接进行LIBS检测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明结构简单，价格低廉，无需专业人员操作，不受个人经验问题的影响；2、仅需要设计合适尺寸的微芯片，即可结合LIBS检测系统，适用于各 种液体样品的在线检测；3、液体样品无需预处理，即解决了LIBS检测液体样品时受到吸收散射、波动、压力、热传导等问题的影响，进而提高了LIBS对液体样品检测的稳定性，降低检测极限高。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图；

图2是本发明所述装置的侧视图；

图3是本发明所述压电陶瓷元件电路连接示意图；

图4是使用所述装置实现对液体样品进行LIBS检测的方法的步骤流程图。

图中：1、上层芯片，2、下层芯片，3、基板，4、微流道，5、压电陶瓷元件，51、压电陶瓷晶片，52、金属片，6、液滴挤压区，7、液滴出口，8、进流口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明针对LIBS对液体样品检测困难的问题，设计了一种基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置，其通过使液体样品产生液滴，实现液体样品无需预处理的LIBS检测，适用于液体样品在线分析，特别是为航行的船舶上油液检测分析，提供一种新型的基于压电材料的逆压电效应原理的在线检测方法。

如图1-图2所示，所述装置具体包括两部分：微芯片(液体样品流动主体部分)以及用于产生形变挤压内部液体的压电陶瓷驱动器部分；

其中，微流控芯片用于放置待测液体样品，并使得所述液体样品能够在其内部微通道中流动并产生相应液滴流出；压电陶瓷驱动器或者仅是压电陶瓷元件置于所述微流控芯片内部，能够挤压所述微通道中流动的液体样品，并使得液体样品在受到挤压后流出所述微流控芯片；所述液体样品在受到挤压后自所述微流控芯片流出即产生液滴，利用LIBS检测系统将激光聚焦在液滴出口直接进行LIBS检测。其中的，LIBS检测系统包括但不限于现有任意能进行激光诱导击穿光谱实验的系统或者仪器，如手持式LIBS激光诱导击穿光谱仪(赛普斯SCIAPSZ100)以及台式LIBS激光诱导击穿光谱仪等。

进一步的，所述微流控芯片自上至下依次包括主要用于液体样品的流入，以及液滴的流出的上层芯片、用于实现液体待测样品的流动以及使其在液滴挤 压区的汇集的下层芯片以及基板；如图1，所述上层芯片上从右至左依次设置两个分别用于作为进流口8以及液滴出口7的通孔，进流口8主要用于液体待测样品进入微芯片微通道，液滴出口7的尺寸最好设计成在满足检测需求的条件下尽量小于液滴挤压区的尺寸，以利于液滴产生和流出；所述下层芯片上凹刻有用于供液体样品在其内部流动的微通道，所述微通道尺寸大小需按照实际使用的微流控芯片规格以及使用需求具体配置；该微通道右端与所述进流口相通，左端设置与所述液滴出口相通且孔径大于所述液滴出口孔径的液滴挤压区，所述液滴挤压区采用下大上小的特殊结构的通孔，便于配合压电陶瓷元件的挤压产生液体样品的液滴；所述基板位于液滴挤压区正下方位置处设置能够容纳所述压电陶瓷元件的凹孔。

进一步的，所述基板由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成；所述PMMA即有机玻璃，该材料透明度优良，具有良好的绝缘性和机械强度，它的比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力却高出几倍。

进一步的，所述上层芯片、下层芯片均由PDMS材料制成。PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料与PMMA材料之间具有良好的粘附性，且具有良好的化学惰性；由于PDMS薄膜的弹性模量仅为0.75MPa，因此使用PDMS制作的振动膜可以适当增加振动膜的厚度，一般情况下采用数百微米厚的PDMS厚膜不但可以满足强度方面的要求，而且可以产生更大的形变量；另外PDMS材料具有良好的延伸性，封装以及粘贴压电陶瓷元件时不易损坏。

所述压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷驱动电源及压电陶瓷元件，所述压电陶瓷驱动电源与所述压电陶瓷元件相连接，并对所述压电陶瓷元件施加驱动电源；所述压电陶瓷元件采用长方形片状双晶片结构，即包括两片呈上下对称排列，且均为长方形片状结构的压电陶瓷晶片，各所述压电陶瓷晶片分别各自对应的沿厚度方向进行极化，并随着压电陶瓷驱动电源所施加驱动电源产生逆压电效应，使得各所述压电陶瓷晶片随着各自对应的电荷中心的位移导致变形，进而两者共同作用产生弯曲位以移形成能够具有较大位移的压电陶瓷驱动器。优选的，所述压电陶瓷晶片采用PZT5压电陶瓷材料制备。

优选的，如图3，各所述压电陶瓷晶片51通过金属片52串联为一体，且通过压电陶瓷驱动电源对各所述压电陶瓷晶片采用并联形式的加压方式，并对位于上层的压电陶瓷晶片施加反向驱动电场，对位于下层的压电陶瓷晶片施加正向驱动电场；施加驱动电压后，由于压电陶瓷晶片的逆压电效应，使得位于下 层的压电陶瓷晶片缩短(且中部向下弯曲变形)，位于上层的压电陶瓷晶片伸长(中部向上弯曲变形)，将两者的中部弯曲变形称为位移输出端，进而通过位移输出端的弯曲位移以形成能够具有较大位移的压电陶瓷驱动器，使液滴挤压区6中的液体受到挤压，从上方的液滴出口7中以液滴的形似流出，此时将外设的LIBS检测系统的激光聚焦在液滴出口7处，则可直接进行LIBS的检测。

所述压电陶瓷驱动电源采用HPV系列压电陶瓷驱动电源，包括HPV-3B0150A0500，HPV-1B0150A0300D等型号。

本发明还提供了一种使用上述液滴产生装置实现对液体样品进行LIBS检测的方法，如图4，其包括如下步骤：

1)将液体样品通入上述液滴产生装置的进流口，若进行在线检测则将待检测液体管路通入进流口；

2)待液体样品充满整个微流道以及液滴挤压区后，通过压电陶瓷驱动器的压电陶瓷驱动电源施加驱动电压；

3)待液滴挤压区中的液体样品因受到压电陶瓷元件所产生的弯曲位移的挤压产生变形，并从液滴出口以液滴形式流出后；

4)利用LIBS检测系统将激光聚焦在液滴出口直接进行LIBS检测。

本发明通过解决液体样品产生液滴困难的问题，实现液体样品无需预处理的LIBS检测技术，其适用于液体样品在线分析，特别是航行的船舶提供油液检测分析技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微流控芯片和压电陶瓷元件的液滴产生装置，该装置用于对液体样品进行LIBS检测，其特征在于：

所述装置包括

放置待测液体样品，并使得前述液体样品能够在其内部微通道中流动并产生相应液滴流出的微流控芯片；

以及置于所述微流控芯片内部，能够挤压所述微通道中流动的液体样品，并使得液体样品在受到挤压后流出所述微流控芯片的压电陶瓷驱动器；所述液体样品在受到挤压后自所述微流控芯片流出，产生液滴。

2.根据权利要求1所述的液滴产生装置，其特征在于：

所述微流控芯片自上至下依次包括上层芯片、下层芯片以及基板；所述上层芯片上设置两个分别用于作为进流口以及液滴出口的通孔；所述下层芯片上凹刻有用于供液体样品在其内部流动的微通道，该微通道一端与所述进流口相通，另一端设置与所述液滴出口相通且孔径大于所述液滴出口孔径的液滴挤压区；所述基板位于液滴挤压区正下方位置处设置能够容纳所述压电陶瓷驱动器的凹孔。

3.根据权利要求2所述的液滴产生装置，其特征在于：

所述基板由PMMA材料制成；所述上层芯片、下层芯片均由PDMS材料制成。

4.根据权利要求1所述的液滴产生装置，其特征在于：

所述压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷驱动电源及压电陶瓷元件，所述压电陶瓷驱动电源与所述压电陶瓷元件相连接，并对所述压电陶瓷元件施加驱动电源；所述压电陶瓷元件包括两片呈上下对称排列，且均为长方形片状结构的压电陶瓷晶片，各所述压电陶瓷晶片分别各自对应的沿厚度方向进行极化，并随着压电陶瓷驱动电源所施加驱动电源产生逆压电效应。

5.根据权利要求4所述的液滴产生装置，其特征在于：

各所述压电陶瓷晶片通过金属片连接为一体，且通过压电陶瓷驱动电源对位于上层的压电陶瓷晶片施加反向驱动电场，对位于下层的压电陶瓷晶片施加正向驱动电场。

6.根据权利要求4所述的液滴产生装置，其特征在于：

所述压电陶瓷驱动电源采用HPV系列压电陶瓷驱动电源。

7.一种使用如权利要求1所述装置实现对液体样品进行LIBS检测的方法其特征在于：包括如下步骤：

1)将液体样品通入上述液滴产生装置的进流口，若进行在线检测则将待检测液体管路通入进流口；

2)待液体样品充满整个微流道以及液滴挤压区后，通过压电陶瓷驱动器的压电陶瓷驱动电源施加驱动电压；

3)待液滴挤压区中的液体样品因受到压电陶瓷元件所产生的弯曲位移的挤压产生变形，并从液滴出口以液滴形式流出后；

4)利用LIBS检测系统将激光聚焦在液滴出口直接进行LIBS检测。