CN108169503B - 基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统，该系统包括流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块、处理器和控制电路；所述微流控芯片包括空间气相色谱模块和微分析模块，所述的流动相源通过气相色谱泵与空间气相色谱模块的进口端连接，空间气相色谱模块的出口端连接微分析模块，微流控芯片与信息采集模块、控制电路电连接，控制电路与信息采集模块均与处理器电连接；所述微流控芯片中的核心部件为空间气相色谱模块，空间气相色谱模块内依次设有多个气相色谱柱(s1～sn)，气相色谱柱的数量不小于2。该检测系统同现行的检测技术相比具有高效、低价、便携和自动化的特点。
Description
技术领域
本发明属于苯系物分析检测技术领域，具体涉及一种基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统。
背景技术
苯系物是指苯、甲苯、乙苯、二甲基苯等化学物质的总称。苯系物无色、有芳香气味，属于挥发性有机化合物，常被用作稀释剂和溶剂，广泛存在于汽油、塑料、橡胶、合成纤维、溶剂型涂料和胶粘剂中。由于苯系物存在范围广，使得在现代室内装修和居室装饰时引起室内环境空气污染，造成在新装修后的居室内苯系物的浓度严重超标。因此，苯系物对人体与环境的危害越来越受到人们的关注。由于苯的挥发性大，暴露于空气中很容易扩散。人和动物通过呼吸或皮肤接触苯使其进入体内。有研究报告表明，引起苯中毒的部分原因是由于苯在体内生成了苯酚。
甲苯和二甲苯在汽油中的含量比苯更丰富，也广泛用作溶剂。这些化合物的室外和室内的水平，预计会比苯高。尽管甲苯和二甲苯毒性比苯低，但是暴露在大气中进行光化学反应产生的化合物，可对人体健康造成不良影响。因此，对室内和室外空气的苯、甲苯及二甲苯的浓度分析是必要的。
目前，公知的芳香族气体检测方法主要为实验室方法，但是实验室仪器一般都比较巨大，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。此外芳香族气体检测经过还需要取样，送检等过程，耗时比较长。因此，通过方法改进与创新，开发一种简单、快速、准确的芳香族挥发性气体的检测方法对指导生产具有重要的工业价值和学术意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统。该检测系统同现行的检测技术相比具有高效、低价、便携和自动化的特点。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统，其特征在于该系统包括流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块、处理器和控制电路；所述微流控芯片包括空间气相色谱模块和微分析模块，所述的流动相源通过气相色谱泵与空间气相色谱模块的进口端连接，空间气相色谱模块的出口端连接微分析模块，微流控芯片与信息采集模块、控制电路电连接，控制电路与信息采集模块均与处理器电连接；
所述微流控芯片中的核心部件为空间气相色谱模块，空间气相色谱模块内依次设有多个气相色谱柱(s1～sn)，气相色谱柱的数量不小于2，即n≥2，多个气相色谱柱的出口端和进口端依次通过相应的连接导管首尾连通，在每个气相色谱柱的进口端的连接导管上均设置有一个上阀门，所有的这些上阀门构成了上阀门组；在每个气相色谱柱的出口端的连接导管上引出一个支路，该引出的支路上均设置有一个下阀门；第一个气相色谱柱的进口端连接气相色谱泵，第n个气相色谱柱的出口端直接经一个下阀门连接微通道层的入口，所有的这些下阀门构成了下阀门组；
所述微分析模块内从入口端依次设置有微通道层、微通道控制层和微分析层，上述每个气相色谱柱出口端的支路均连接在微通道层的入口上，微通道层的出口经微通道控制层连接微分析层，所述微分析层由多个微分析室(a1～am)构成，微分析室的数量不小于2，即m≥2，每个微分析室中通过聚合填料键合固定有固定相；每个微分析室均通过信息采集模块与处理器相连接；所述处理器与上阀门组和下阀门组均通过控制电路进行电连接，同时处理器通过控制电路与微通道控制层电连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统，该系统结构合理，分辨率高，通过将空间气相色谱柱与微流控芯片的微分析室检测进行了有机结合，既保持了高效空间排阻色谱法灵敏度高的优点，又利用微流控芯片分析技术有效简化和微型化了检测仪器，本系统中的流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块及控制电路可以放置在一个400mm×400mm×200mm的箱体中，便于携带；因此，本发明可作为一种便携式的分析技术平台，对芳香族挥发性气体进行现场检测，为建立芳香族挥发性气体的快速、灵敏、准确检测技术及装备奠定基础。
基于空间气相色谱柱的色谱柱微分析室实现了不同种类气体的分离，同时还提高了检测系统的效率，降低了样气的消耗量，从而实现了多集成化。由紫外LED和荧光光敏器件阵列组成的信号采集模块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，提高了检测系统的灵敏度。
附图说明
图1为基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统的结构示意图。
图2为基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统的实物结构连接图。
图3为本发明的微流控芯片的空间气相色谱模块3的结构图及其局部放大图。
图中标号：1、流动相源，2、气相色谱泵，3、空间气相色谱模块，4、气相色谱柱，5、上阀门组，6、下阀门组，7、微流控芯片，8、微分析模块，9、微通道层，10、微通道控制层，11、微分析层，12、微分析室，13、信息采集模块，14、处理器，15、控制电路。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合附图以及实施例对上述技术方案进行详细的说明：
本发明基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统(简称系统，参见图1和图2)，其中包括流动相源1、气相色谱泵2、微流控芯片7、信息采集模块13、处理器14和控制电路15；所述微流控芯片7包括空间气相色谱模块3和微分析模块8，所述的流动相源1通过气相色谱泵2与空间气相色谱模块3的进口端连接，空间气相色谱模块3的出口端连接微分析模块8，微流控芯片与信息采集模块、控制电路电连接，控制电路与信息采集模块均与处理器14电连接；
所述微流控芯片中的核心部件为空间气相色谱模块，空间气相色谱模块3内依次设有多个气相色谱柱(s1～sn)，如图3所示，气相色谱柱的数量不小于2，即n≥2，多个气相色谱柱的出口端和进口端依次通过相应的连接导管首尾连通，在每个气相色谱柱的进口端的连接导管上均设置有一个上阀门，所有的这些上阀门构成了上阀门组5；在每个气相色谱柱的出口端的连接导管上引出一个支路，该引出的支路上均设置有一个下阀门；第一个气相色谱柱s1的进口端连接气相色谱泵2，第n个气相色谱柱sn的出口端直接经一个下阀门连接微通道层9的入口，所有的这些下阀门构成了下阀门组6；
第一个气相色谱柱s1的出口端一方面连接第二个气相色谱柱s2的进口端，另一方面第一个气相色谱柱s1的出口端通过三通阀引出支路连接微通道层9的入口，在该引出支路上均设置有下阀门，s2～sn-1的连接依此类推；
所述微分析模块8内从入口端依次设置有微通道层9、微通道控制层10和微分析层11，上述每个气相色谱柱出口端的支路均连接在微通道层9的入口上，微通道层9的出口经微通道控制层10连接微分析层11，所述微分析层11由多个微分析室(a1～am)构成，微分析室的数量不小于2，即m≥2，每个微分析室中通过聚合填料键合固定有液担比为5/100的角鲨烷或PEG，该物质能够和样品混合物中的物质发生特异性变化，进而能够对芳香族挥发性气体进行分离；每个微分析室均通过信息采集模块13与处理器14相连接；所述处理器与上阀门组5和下阀门组6均通过控制电路15进行电连接，同时处理器通过控制电路15与微通道控制层10电连接。
本发明的进一步特征在于所述的气相色谱柱中的固定相为凝胶，且由第一个气相色谱柱s1至第n个气相色谱柱sn(n≥2)中凝胶的孔径依次减小，可以有效地将分子量相近的成分进行进一步的划分，从而提高分离精度。
本发明的进一步特征在于该系统还包括箱体，流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块与控制电路均位于箱体内部，便于携带。样气经流动相源、气相色谱泵进入微流控芯片，信息采集模块对微流控芯片中的特异性反应的现象特征进行信息提取，处理器经过对信息采集模块采集到的数据进行处理，最终可以实现对芳香族挥发性气体的快速检测。
所述箱体的尺寸为400mm×400mm×200mm。
在实际应用中，所述的上阀门组5和下阀门组6中的阀门均为联动的微型电磁阀门，处理器14中的程序指导控制电路15可以实现对上、下阀门组中各个阀门的开闭状态进行控制；可以根据检测物质的需要，选择经过气相色谱柱的数量，如所检测气相内的成分相对简单，分子量相对均匀，则可以只选择1个或2个气相色谱柱，此时将所经过的气相色谱柱中的上阀门和下阀门打开，后面的气相色谱柱的上、下阀门关闭，以此提高筛选速度；如果所检测的气相成分相对复杂，需要对内部成分进行比较细致的划分，则选择多个气相色谱柱，以此提高分离的精度。
微通道的直径为1-3μm。所述的微通道层9与微通道控制层10相导通，微通道层中通道的直径为1-3μm，微通道控制层含有气压微控制阀门，控制微通道层中的通道与微分析室相关孔道的开关。微通道控制层的气压微型阀门通过气压或电子元件控制，微通道控制层10的控制状态由处理器14通过控制电路15进行控制。
所述的微分析层11中的微分析室通过并联设置，第一个微分析室a1、第二个微分析室a2、…、第m个微分析室am(m≥2)所在的支路的导通由微通道控制层控制，微分析室的个数可由实际情况确定，如样品数及其中各成分的性质差别，并且可以根据上述差别选择不同的微分析室进行分析，如分子量较大的通过微通道控制层的控制使其进入第一个微分析室a1进行分析，分子量较小的通过微通道控制层的控制使其进入第二个微分析室a2内进行分析，以此提高分析的精度。
多个微分析室通过串联或并联的方式连接，每个微分析室为纳升体积的反应色谱柱。
本发明检测系统的工作过程是：
本发明基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统中的信息采集模块13的核心部件为PID气体检测器，该PID气体检测器采用紫外LED和荧光光敏器件阵列构成的光离子化检测器进行光离子化检测，芳香族挥发性气体经多个气相色谱柱后进入多个微分析室将气体进行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LED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，再经过处理器中的数据处理系统，将电信号转化为电压信号，对不同电压信号进行输出，来分析样品所含成分的浓度，即可在处理器的显示屏上输出相应的色谱图或数据结果。
本发明的处理器中加载有LABVIEW控制程序和ImagePro数据分析程序。本发明的核心部件为能够对芳香族挥发性气体进行快速检测的微流控芯片；微流控芯片以光学透明材料为基材，所述光学透明材料可以为石英、玻璃等无机材料，也可以为硬质高分子聚合物；模具材料为硅片。微流控芯片的反应色谱柱微分析室为整体柱或聚合填料灌柱，聚合填料为硅胶填料或其它有机聚合物。色谱柱微分析室的个数可由实际情况确定，如样品数及其中各成分的性质差别，在本发明的具体实施中制备了一个单样品的微流控芯片，可根据实际情况将该单通道以不同方式并联、串联。
实施例1
本实施例基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统包括流动相源1、气相色谱泵2、微流控芯片7、信息采集模块13、处理器14和控制电路15；所述微流控芯片7包括空间气相色谱模块3和微分析模块8，所述的流动相源1通过气相色谱泵2与空间气相色谱模块3的进口端连接，空间气相色谱模块3的出口端连接微分析模块8，微流控芯片与信息采集模块、控制电路电连接，控制电路与信息采集模块均与处理器14电连接；
所述微流控芯片中的核心部件为空间气相色谱模块，空间气相色谱模块3内依次设有多个气相色谱柱(s1～s4)，气相色谱柱的数量为4，即n＝4，多个气相色谱柱的出口端和进口端依次通过相应的连接导管首尾连通，在每个气相色谱柱的进口端的连接导管上均设置有一个上阀门，所有的这些上阀门构成了上阀门组5；在每个气相色谱柱的出口端的连接导管上引出一个支路，该引出的支路上均设置有一个下阀门；第一个气相色谱柱s1的进口端连接气相色谱泵2，第4个气相色谱柱s4的出口端直接经一个下阀门连接微通道层9的入口，所有的这些下阀门构成了下阀门组6；
气相色谱柱s1的出口端通过连接导管与气相色谱柱s2的入口端相连通，各个气相色谱柱入口端的连接导管上分别设有一个上阀门，出口端的连接导管通过微型三通阀连接成为一个相互连通的三通导管，三通导管的第三端与微通道层9相连接，在连接微通道层的导管上均设有一个下阀门；所述的微分析模块8中从入口端依次设置有微通道层9、微通道控制层10和微分析层11，所述的微分析层11由四个微分析室组成，每个微分析室中通过聚合填料键合固定有液担比为5/100的角鲨烷，对每个微分析室的反应进行信息采集的信息采集模块13与处理器14相连接；所述处理器与上阀门组5和下阀门组6均通过控制电路15进行电连接，同时处理器通过控制电路15与微通道控制层10电连接。
本实施例系统还包括箱体，流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块与控制电路均位于箱体内部，所述箱体的尺寸为400mm×400mm×200mm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统，其特征在于该系统包括流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块、处理器、箱体和控制电路；所述微流控芯片包括空间气相色谱模块和微分析模块，所述的流动相源通过气相色谱泵与空间气相色谱模块的进口端连接，空间气相色谱模块的出口端连接微分析模块，微流控芯片与信息采集模块、控制电路电连接，控制电路与信息采集模块均与处理器电连接；
所述微流控芯片中的核心部件为空间气相色谱模块，空间气相色谱模块内依次设有多个气相色谱柱(s1～sn)，气相色谱柱的数量不小于2，即n≥2，多个气相色谱柱的出口端和进口端依次通过相应的连接导管首尾连通，在每个气相色谱柱的进口端的连接导管上均设置有一个上阀门，所有的这些上阀门构成了上阀门组；在每个气相色谱柱的出口端的连接导管上引出一个支路，该引出的支路上均设置有一个下阀门；第一个气相色谱柱的进口端连接气相色谱泵，第n个气相色谱柱的出口端直接经一个下阀门连接微通道层的入口，所有的这些下阀门构成了下阀门组；
所述微分析模块内从入口端依次设置有微通道层、微通道控制层和微分析层，上述每个气相色谱柱出口端的支路均连接在微通道层的入口上，微通道层的出口经微通道控制层连接微分析层，所述微分析层由多个微分析室(a1～am)构成，微分析室的数量不小于2，即m≥2，每个微分析室中通过聚合填料键合固定有固定相；每个微分析室均通过信息采集模块与处理器相连接；所述处理器与上阀门组和下阀门组均通过控制电路进行电连接，同时处理器通过控制电路与微通道控制层电连接；
所述的气相色谱柱中的固定相为凝胶，且由第一个气相色谱柱至第n个气相色谱柱中凝胶的孔径依次减小；
所述固定相为液担比为5/100的角鲨烷或PEG；
所述箱体的尺寸为400mm×400mm×200mm；
所述微通道层中的通道的直径为1-3μm；
芳香族挥发性气体经多个气相色谱柱后进入多个微分析室将气体进行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LED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，再经过处理器中的数据处理系统，将电信号转化为电压信号，对不同电压信号进行输出，来分析样品所含成分的浓度，即可在处理器的显示屏上输出相应的色谱图或数据结果。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统，其特征在于，流动相源、气相色谱泵、微流控芯片、信息采集模块与控制电路均位于箱体内部。
3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的芳香族挥发性气体快速检测系统，其特征在于多个微分析室通过串联或并联的方式连接，每个微分析室为纳升体积的反应色谱柱。
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