CN107855276B - 颗粒物分离装置及分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颗粒物分离装置及分离方法。该颗粒物分离装置包括聚焦机构和分散容器，聚焦机构具有集束腔、进样口和喷嘴，集束腔内设有多个气流挡片，每个气流挡片均设有聚焦孔，相邻气流挡片的聚焦孔错位设置；分散容器具有气压缓冲腔，分散容器与聚焦机构连接并使气压缓冲腔与喷嘴连通，分散容器上设有抽气口，用于连接抽气装置。该颗粒物分离装置由于相邻气流挡片的聚焦孔错位设置，能够实现相同或相近粒径的颗粒物聚焦，不同粒径的颗粒物以不同的分散角度从喷嘴喷出并被收集。采用该颗粒物分离装置进行不同粒径颗粒物分离时的分离效果好，且效率高。

Description

颗粒物分离装置及分离方法

技术领域

本发明涉及分析检测设备领域，特别是涉及一种颗粒物分离装置及分离方法。

背景技术

空气中的颗粒物通过呼吸道、消化道、皮肤等途径进入人体。其中，呼吸道吸入是主要途径之一。粒径大小决定颗粒物是否可以通过呼吸道进入人体，不同粒径的颗粒物在呼吸道的沉积部位和滞留情况也不同，粒径越小的颗粒物对人体危害也越大。其中，粒径大于10μm的颗粒物不容易进入呼吸道，粒径为5～10μm的颗粒物大多沉积在呼吸道，粒径为2.5～5μm的颗粒物大多在细支气管和肺泡沉积，粒径小于2.5μm的颗粒物中有75％的颗粒物在肺泡中沉积。因此研究不同粒径的颗粒物对人体健康有着重要意义。当然，研究气体中不同粒径的颗粒物的性质及应用也是非常重要的工作，但是研究的前提条件是要如何对颗粒物进行粒径区分。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够有效对气体中不同粒径颗粒物进行分离的颗粒物分离装置及分离方法。

一种颗粒物分离装置，包括：

聚焦机构，所述聚焦机构具有集束腔以及分别与所述集束腔相连通的进样口和喷嘴，所述集束腔内从进样口所在端至喷嘴所在端依次设有多个气流挡片，每个所述气流挡片均设有用于使气体中的颗粒物集中的聚焦孔，相邻所述气流挡片的聚焦孔错位设置以使从进入所述集束腔内的气体中的颗粒物在聚焦的同时使不同粒径的颗粒物从所述喷嘴喷出时具有不同的分散角度；以及

分散容器，所述分散容器具有气压缓冲腔，所述分散容器与所述聚焦机构连接并使所述气压缓冲腔与所述喷嘴连通，所述分散容器上设有抽气口，所述抽气口用于连接抽气装置。

在其中一个实施例中，所述颗粒物分离装置还包括收集器；

所述收集器设于所述气压缓冲腔内以用于收集从所述喷嘴喷出的颗粒物。

在其中一个实施例中，所述气压缓冲腔包括一级气压缓冲腔和二级气压缓冲腔；

所述一级气压缓冲腔与所述喷嘴相连通，所述一级气压缓冲腔的器壁上设有一级抽气口，所述一级抽气口用于与一级抽气装置连接；

所述二级气压缓冲腔通过导流通道与所述一级气压缓冲腔相连通，且所述导流通道与所述喷嘴同轴设置，所述二级气压缓冲腔的器壁上设有二级抽气口，所述二级抽气口用于与二级抽气装置连接；

所述收集器设于所述二级气压缓冲腔内，且所述收集器用于收集从所述导流通道内喷出的颗粒物。

在其中一个实施例中，所述气压缓冲腔还包括位于所述一级气压缓冲腔和所述二级气压缓冲腔之间的三级气压缓冲腔；

所述导流通道包括第一导流通道和第二导流通道；

所述三级气压缓冲腔分别通过所述第一导流通道和所述第二导流通道与所述一级气压缓冲腔和所述二级气压缓冲腔相连通，且所述第一导流通道和第二导流通道同轴设置。

在其中一个实施例中，所述导流通道的孔径逐渐增大，且所述导流通道的孔径较小的一端靠近所述喷嘴设置。

在其中一个实施例中，所述颗粒物分离装置还包括移动驱动装置；

所述移动驱动装置包括移动杆和驱动装置，所述移动杆的一端与所述收集器连接，所述移动杆的另一端与所述驱动装置连接并能够由所述驱动装置驱动移动并带动所述收集器移动至所述气压缓冲腔内或移出至所述气压缓冲腔外。

在其中一个实施例中，所述收集器呈多孔板结构。

在其中一个实施例中，所述聚焦机构呈柱体结构。

在其中一个实施例中，多个所述气流挡片的所述聚焦孔的孔径从进样口所在端向所述喷嘴所在端逐渐减小。

一种颗粒物分离方法，包括如下步骤：

将上述任一实施例所述的颗粒物分离装置的抽气口连接抽气装置；

开启抽气装置，将含有不同粒径颗粒物的气体样品从聚焦机构的进样口抽入集束腔内，进入所述集束腔内的气体中的颗粒物在聚焦的同时，不同粒径的所述颗粒物以不同的分散角度从喷嘴进入分散容器的气压缓冲腔内，收集不同粒径的颗粒物，即得。

上述颗粒物分离装置包括聚焦机构和分散容器，其中聚焦机构具有集束腔、进样口和喷嘴，集束腔内依次设有多个气流挡片，相邻气流挡片的聚焦孔错位设置以使从进入集束腔内的气体中的颗粒物在聚焦的同时使不同粒径的颗粒物从喷嘴喷出时具有不同的分散角度；分散容器具有气压缓冲腔，分散容器与聚焦机构连接并使气压缓冲腔与喷嘴连通以用于通过收集器收集从喷嘴喷出的不同粒径的颗粒物，分散容器上设有抽气口，抽气口用于连接抽气装置。将上述颗粒物分离装置的抽气口与抽气装置连接，在抽气的过程中，当气体进入聚焦机构的进样口后，由于相邻气流挡片的聚焦孔错位设置，整体上能够实现相同粒径的颗粒物聚焦，不同粒径的颗粒物以不同的分散角度从喷嘴喷出，通过调整收集器与喷嘴距离，可实现不同粒径的颗粒物的分离。

传统的分析设备中，例如单颗粒气溶胶质谱仪中，采用聚焦机构为空气动力学透镜，空气动力学透镜的作用是将气溶胶中的颗粒物聚焦形成单颗粒束。空气动力学透镜中相邻透镜的透镜孔同轴设置，且孔径从进气端至喷出端逐渐减小，其将气溶胶聚焦形成单颗粒束的原理是：当气溶胶经过传统的空气动力学透镜的进样孔(也可称“临界孔”)后，压力急剧下降至几百帕左右(这个压力称作空气动力学透镜的操作压力)，同时在临界孔后的空气动力学透镜的腔体内气溶胶能够形成稳定的层流以利于颗粒束的聚焦，气流携带颗粒物依次穿过各级透镜孔，气流在透镜之间的空腔中收缩、扩散，压力逐级下降，分散的颗粒物则逐渐聚集形成颗粒束，并最终通过喷嘴加速喷出。也就是在分析设备中由于激光测试的要求，利用空气动力学透镜是为了使气溶胶中不同粒径的颗粒物形成单颗粒束，为了提高空气动力学透镜的聚焦性能，就需要将各级透镜的透镜孔同轴布设，且需要严格调整各级透镜孔的孔径。由于纳米级颗粒的位置显著变化，空气动力学透镜很难使纳米级颗粒物进行集束形成颗粒束。

而上述颗粒物分离装置则从空气动力学透镜的聚焦原理出发，利用其聚焦性能的弊端，使气流挡片的聚焦性能变差，发散角度加大，使含不同粒径的混合颗粒根据粒径差异而分离开，从而收集获得不同粒径的颗粒物，以便于分别对相近粒径的颗粒物进行单独研究分析。同时，上述颗粒物分离装置还可以与质谱仪等分析仪器联用，以提高检测效率，并能够适用于纳米级颗粒物的分离。

上述颗粒物分离方法的操作过程简便，且分离效率高，并能够实现对纳米级颗粒物的分离收集。

附图说明

图1为一实施方式的颗粒物分离装置的结构示意图；

图2为采用图1中的颗粒物分离装置进行不同粒径混合的聚苯乙烯乳胶微球(PSL)进行分离的结果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请结合图1，一实施方式的颗粒物分离装置10，包括聚焦机构100、分散容器200以及收集器300。

在本实施方式中，聚焦机构100整体上呈柱形结构。聚焦机构100具有集束腔101，在集束腔101的两端分别设有与集束腔101相连通的进样口和喷嘴。集束腔101内从进样口所在端至喷嘴所在端依次设有多个气流挡片110。每个气流挡片110上均设有聚焦孔。相邻气流挡片的聚焦孔错位设置以使从进入集束腔101内的气体中的颗粒物在聚焦的同时，使不同粒径的颗粒物从喷嘴喷出时具有不同的分散角度，并以不同的分散角度进入气压缓冲腔内，使便于相同或相近粒径的颗粒物集中在收集器300的同一区域集中，不同粒径的颗粒物分散在收集器300内的不同区域。

具体地，多个气流挡片的聚焦孔的孔径从进样口所在端向喷嘴所在端逐渐减小，以逐级提高从进入集束腔101内的气体中的颗粒物的聚焦效果，并同时使不同粒径的颗粒物从所述喷嘴喷出时的分散角度加大。

在本实施方式中，分散容器200具有气压缓冲腔，分散容器200与聚焦机构100连接并使气压缓冲腔与喷嘴连通。分散容器200上设有抽气口，抽气口用于连接抽气装置，以将裹挟有不同粒径颗粒物的气体从聚焦机构100的进样口抽入集束腔101内和气压缓冲腔内。

进一步地，在本实施方式中，气压缓冲腔包括一级气压缓冲腔201和二级气压缓冲腔202。一级气压缓冲腔201与喷嘴相连通，一级气压缓冲腔201的器壁上设有一级抽气口210，一级抽气口210用于与一级抽气装置连接以抽走从喷嘴喷出的部分气流。二级气压缓冲腔202通过导流通道与一级气压缓冲腔201相连通，且导流通道与喷嘴同轴设置，二级气压缓冲腔202的器壁上设有二级抽气口220。二级抽气口220用于与二级抽气装置连接以使二级气压缓冲腔202内的气压进一步降低，促进气流从聚焦机构100的进气口持续进入以获得足够量的颗粒物样品。

更进一步地，气压缓冲腔还包括位于一级气压缓冲腔201和二级气压缓冲腔202之间的三级气压缓冲腔203。导流通道包括第一导流通道和第二导流通道。三级气压缓冲腔203分别通过第一导流通道和第二导流通道与一级气压缓冲腔201和二级气压缓冲腔202相连通，且第一导流通道和第二导流通道同轴设置，以进一步减缓气压缓冲腔的气压变化，并拉长颗粒物的行进路线，提高聚焦及分离效果。

优选地，导流通道的孔径逐渐增大、例如可以呈锥形，且导流通道的径向尺寸较小的一端靠近喷嘴设置，以使从喷嘴喷出并进入锥形通道的颗粒物沿分散角度呈直线运动，以拉长颗粒物的行进距离，将不同粒径的颗粒物分开收集。导流通道可以为直接采用设置在气压缓冲腔内的分离锥230的锥形通道。优选地，分离锥230的外轮廓呈流线型，进一步防止抽气流的流向对颗粒物的运行路线的影响。

收集器300设于气压缓冲腔内以用于收集从喷嘴喷出的具有不同分散角度的颗粒物。在本实施方式中，优选地，收集器300设于二级气压缓冲腔202内，用于收集从导流通道内喷出的颗粒物。优选地，收集器300呈多孔板结构，例如可以为多孔靶板等，便于后续制样和检测。

进一步地，在本实施方式中，颗粒物分离装置10还包括移动驱动装置。移动驱动装置包括移动杆和驱动装置310，移动杆的一端与收集器300连接，移动杆的另一端与驱动装置310连接并能够由驱动装置310驱动移动并带动收集器300移动至气压缓冲腔内或移出至气压缓冲腔外。其中，驱动装置310可以为电机等。

本实施方式的颗粒物分离装置10由于集束腔101内相邻气流挡片的聚焦孔错位设置能够使不同粒径的颗粒物通过聚焦机构100后，相同粒径的颗粒物聚焦，不同粒径的颗粒物以不同的分散角度从喷嘴喷出，通过调整收集器300与喷嘴距离，可实现不同粒径的颗粒物的分离。本实施方式的颗粒物分离装置10采用空气动力学透镜的聚焦性能的弊端，逆向使聚焦机构100的聚焦性能变差，发散角度加大，从而使含不同粒径的混合颗粒根据粒径差异而分离开，从而收集获得不同粒径的颗粒物，以便于分别对相近粒径的颗粒物进行单独研究分析。同时，本实施方式的颗粒物分离装置10还可以与质谱仪等分析仪器联用，以提高检测效率。

一种颗粒物分离方法，包括如下步骤：

S1，将本实施方式的颗粒物分离装置10的一级抽气口210和二级抽气口220连接抽气装置。

S2，开启抽气装置，将含有不同粒径颗粒物的气体样品从聚焦机构100的进样口抽入集束腔101内，进入集束腔101内的气体中的颗粒物在聚焦的同时，不同粒径的颗粒物以不同的分散角度从喷嘴依次进入分散容器200的一级气压缓冲腔201、分离锥230的锥形通道以及二级气压缓冲腔202内，通过收集器300收集不同粒径的颗粒物，即得。

该颗粒物分离方法能够对快速实现不同粒径混合颗粒物中相同或相近粒径的颗粒物的聚焦，不同粒径颗粒物的分散。

下面结合具体实施例对本发明的颗粒物分离装置10及其分离方法做进一步地说明。

实施例1

本实施例提供一种利用图1中的颗粒物分离装置10对不同粒径混合的聚苯乙烯乳胶微球(PSL)的进行分离的方法，包括如下步骤：

首先将平均粒径分别510nm、960nm、2000nm和3000nm的聚苯乙烯乳胶微球混合，利用单分散的气溶胶发生器产生PSL混合微球颗粒气溶胶，经干燥管干燥后连接到颗粒物分离装置10中的聚焦机构100的进样口，开启抽气装置，PSL混合微球颗粒气溶胶依次通过聚焦机构100、分散容器200的一级气压缓冲腔201、分离锥230的锥形通道以及二级气压缓冲腔202内，被靶板收集，然后利用显微镜分别对沉积在靶板上的聚苯乙烯乳胶微球进行观察，结果见图2。

由图2可以看出，标记为a的区域内沉积的聚苯乙烯乳胶微球的粒径为510nn，标记为b的区域内沉积的聚苯乙烯乳胶微球的粒径为960nn，标记为c的区域内沉积的聚苯乙烯乳胶微球的粒径为2000nn，标记为d的区域内沉积的聚苯乙烯乳胶微球的粒径为300nn，显然不同粒径的聚苯乙烯乳胶微球被明显分开。

另外，还可通过标准的聚苯乙烯乳胶微球标定不同粒径颗粒的位置范围，进而用于推测待测不同粒径混合颗粒物样品中的颗粒物的粒径组成。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种颗粒物分离方法，其特征在于，包括如下步骤：

将颗粒物分离装置的抽气口连接抽气装置；

开启抽气装置，将含有不同粒径颗粒物的气体样品从聚焦机构的进样口抽入集束腔内，进入所述集束腔内的气体中的颗粒物在聚焦的同时，不同粒径的颗粒物以不同的分散角度从喷嘴进入分散容器的气压缓冲腔内，收集不同粒径的颗粒物，即得；

所述颗粒物分离装置包括：

聚焦机构，所述聚焦机构具有集束腔以及分别与所述集束腔相连通的进样口和喷嘴，所述集束腔内从进样口所在端至喷嘴所在端依次设有多个气流挡片，每个所述气流挡片均设有用于使气体中的颗粒物集中的聚焦孔，相邻所述气流挡片的聚焦孔错位设置以使进入所述集束腔内的气体中的颗粒物在聚焦的同时使不同粒径的颗粒物从喷嘴喷出时具有不同的分散角度；以及

分散容器，所述分散容器具有气压缓冲腔，所述分散容器与所述聚焦机构连接并使所述气压缓冲腔与所述喷嘴连通，所述分散容器上设有抽气口，所述抽气口用于连接抽气装置；

收集器，所述收集器设于所述气压缓冲腔内以用于收集从所述喷嘴喷出的颗粒物。

2.根据权利要求1所述的颗粒物分离方法，其特征在于，所述气压缓冲腔包括一级气压缓冲腔和二级气压缓冲腔；

所述一级气压缓冲腔与所述喷嘴相连通，所述一级气压缓冲腔的器壁上设有一级抽气口，所述一级抽气口用于与一级抽气装置连接；

所述二级气压缓冲腔通过导流通道与所述一级气压缓冲腔相连通，且所述导流通道与所述喷嘴同轴设置，所述二级气压缓冲腔的器壁上设有二级抽气口，所述二级抽气口用于与二级抽气装置连接；

所述收集器设于所述二级气压缓冲腔内，且所述收集器用于收集从所述导流通道内喷出的颗粒物。

3.根据权利要求2所述的颗粒物分离方法，其特征在于，所述气压缓冲腔还包括位于所述一级气压缓冲腔和所述二级气压缓冲腔之间的三级气压缓冲腔；

所述导流通道包括第一导流通道和第二导流通道；

所述三级气压缓冲腔分别通过所述第一导流通道和所述第二导流通道与所述一级气压缓冲腔和所述二级气压缓冲腔相连通，且所述第一导流通道和第二导流通道同轴设置。

4.根据权利要求2所述的颗粒物分离方法，其特征在于，所述导流通道的孔径逐渐增大，且所述导流通道的孔径较小的一端靠近所述喷嘴设置。

5.根据权利要求1所述的颗粒物分离方法，其特征在于，所述颗粒物分离装置还包括移动驱动装置；

所述移动驱动装置包括移动杆和驱动装置，所述移动杆的一端与所述收集器连接，所述移动杆的另一端与所述驱动装置连接并能够由所述驱动装置驱动移动并带动所述收集器移动至所述气压缓冲腔内或移出至所述气压缓冲腔外。

6.根据权利要求1所述的颗粒物分离方法，其特征在于，所述收集器呈多孔板结构。

7.根据权利要求1至6任一项所述的颗粒物分离方法，其特征在于，所述聚焦机构呈柱体结构。

8.根据权利要求1至6任一项所述的颗粒物分离方法，其特征在于，多个所述气流挡片的所述聚焦孔的孔径从进样口所在端向所述喷嘴所在端逐渐减小。