CN108318394B - 一种微流控分选测量可吸入颗粒物的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控分选测量可吸入颗粒物的方法及装置，该装置包括射流泵、气液分离装置、微流控分选芯片、测量装置、过滤器和液化剂池；该方法包括：1)射流泵将液化剂和待测空气混合，使可吸入颗粒物均匀掺杂在液体中，2)气液分离装置使气体与液体样品分离，将混合了颗粒物的液体输送给微流控分选芯片；3)微流控分选芯片对不同粒径的颗粒物进行分选；4)测量装置使用数字图像处理方法对分选后的颗粒物进行浓度测量；5)过滤器滤除液体中的颗粒物，实现对液化剂的回收利用；6)液化剂池为射流泵提供液化剂，并储存回收的液化剂。本发明能够实时准确测量空气中可吸入颗粒物粒径的浓度分布谱，装置结构简单、集成化程度高，成本低。
Description
技术领域
本发明属于空气污染物检测技术领域，涉及一种对可吸入颗粒物进行分选和测量的方法和装置。
背景技术
环境保护已成为当下社会极为关注的重大议题。近年来，中国不少地区频频出现雾霾天气。雾霾主要由大气中的二氧化硫、氮氧化合物和可吸入颗粒物所导致，其中可吸入颗粒物是形成雾霾的最主要原因。可吸入颗粒物，简称PM10，是指大气中粒径小于10微米的颗粒物。当可吸入颗粒物被人体吸入体内后，会沉积在人体的呼吸道、肺泡等位置。颗粒物的粒径越小，则进入呼吸道的深度越深。粒径小于等于2.5微米的可吸入颗粒物称为PM2.5。与PM10相比，PM2.5更容易进入支气管、肺泡，直至人体的循环系统。PM2.5在肺泡内沉淀后无法排除，会引起和加重呼吸系统和心血管系统方面的疾病。此外，可吸入颗粒物不光本身是一种污染物，它还可以成为重金属、多环芳烃等有毒有害物质的载体漂浮在空气中，对人的健康造成严重威胁。因而，对空气中可吸入颗粒物的监测和控制成为人们日益重视的环保课题。
现有的可吸入颗粒物测量方法主要分为重量法、β射线吸收法、光散射法和振荡天平法。(1)重量法首先收集空气中粒径小于10微米的颗粒物而排除粒径大于10微米的颗粒物。颗粒物被收集在预先恒重的滤膜上，根据采样前后滤膜重量的变化及采样空气体积两个数值经计算得出原始空气中颗粒物浓度。(2)β射线是一类具有很强穿透能力的带电粒子。其穿过一定厚度的吸收层时，射线强度会随着吸收层厚度的增加而逐渐减弱。(3)光散射法的基本原理是：光照在颗粒物上的反射强度与悬浮颗粒物的质量浓度成正比。(4)振荡天平法利用了锥形元件振荡微量天平原理。当滤膜上附着有颗粒物后，锥形元件的振荡频率便受到影响。可以通过测量振荡频率的变化量来计算颗粒物质量浓度。
目前这四种主流方法各自存在一定的缺陷。重量法虽然是经典方法，但其操作过程工作量大，滤膜需要烘干称重和人工换纸，自动化程度低。β射线吸收法需要专业人士对输出信号进行解析。光散射法对于小颗粒的散射信号微弱，测量稳定性不够理想。振荡天平法需要对含尘气流进行除湿处理，但除湿过程会产生由于湿度变化而导致的测量误差。此外，这几种方法所用到的仪器设备都比较复杂和昂贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提出一种基于微流控技术的高通量、高精度、低成本、自动化的可吸入颗粒物分选测量装置和方法，可将大气中可吸入颗粒物按粒径大小进行高精度分选，并利用图像分析软件对分选后的颗粒物进行计数，能够实时准确测量空气中可吸入颗粒物粒径的浓度分布谱，装置结构简单、集成化程度高，同时有效的降低了设备成本。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种微流控分选测量可吸入颗粒物的装置，包括射流泵、气液分离装置、微流控分选芯片、测量装置、过滤器和液化剂池，
其中，所述射流泵的液体入口与液化剂池连通，液体出口与气液分离装置的液体入口连通，
所述气液分离装置的液体出口与微流控分选芯片的进样口连通，
所述微流控分选芯片包括顺次连通的所述进样口、多级回字形微通道和多个出样口，所述多个出样口在多级回字形微通道出口端的分布位置分别与不同粒径的可吸入颗粒物在多级回字形微通道内所处的平衡位置对应，所述多个出样口与测量装置连通，
所述测量装置包括样品池和测量模块，样品池收集来自所述出样口的液体，测量模块用于对所述液体内的可吸入颗粒物进行测量，样品池的液体出口与过滤器连通，
所述过滤器的液体出口与液化剂池连通。
优选地，所述多级回字形微通道包括交替连接的弧形微通道和长直微通道。
优选地，所述多级回字形微通道的横截面为长方形、椭圆形或圆形。
优选地，所述样品池包括多个独立部分，所述独立部分与所述微流控分选芯片的所述多个出样口一一对应。
优选地，所述测量模块包括显微镜头、摄像头和嵌入式分析模块，所述显微镜头与样品池光学连通，所述摄像头与显微镜头光学耦合，对所述液体内的可吸入颗粒物进行图像采集，且所述摄像头与嵌入式分析模块建立通信连接，摄像头采集到的图像信息输入到嵌入式分析模块。
优选地，所述多级回字形微通道采用两级回字形结构。
优选地，所述微流控分选芯片是通过注塑工艺在聚碳酸酯材料上制备而成。
在本发明的另一优选实施例中，提供一种微流控分选测量可吸入颗粒物的方法，该方法采用以下步骤对可吸入颗粒物进行分选和测量：
步骤1.采集含有可吸入颗粒物的周围空气，将其与液化剂均匀混合，形成气液混合样品；
步骤2.排出气液混合样品中的不含可吸入颗粒物的气体，只留下含有可吸入颗粒物的液体样品；
步骤3.使用包括顺次连通的进样口、多级回字形微通道和多个出样口的微流控分选芯片，使所述液体样品内的不同粒径的可吸入颗粒物聚焦在多级回字形微通道中的不同平衡位置，并最终经由对应的出样口分选出来；
步骤4.分别收集含有经分选的可吸入颗粒物的液体样品，采集可吸入颗粒物的光学图像，使用数字图像处理方法对所采集到的光学图像进行分析，得到可吸入颗粒物数目信息。
优选地，在所述步骤4之后还进行以下步骤：滤除经过光学图像采集的液体样品中的可吸入颗粒物，将液化剂循环用于所述步骤1。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明不同于现有的可吸入颗粒物分选测量方法。本发明根据可吸入颗粒物粒径大小对可吸入颗粒物进行分选，所采用的原理是惯性力流体聚焦和迪恩涡旋，所采用的颗粒物分选单元为微流控器件。
本发明具有高通量、自动化程度高、操作简便、成本低的特点。
附图说明
图1为本发明的微流控分选测量可吸入颗粒物的装置的结构示意图。
图2为微流控分选芯片结构示意图。
图3为粒子在微通道出口处的分离示意图。
具体实施方式
本发明的颗粒分选原理概述如下：
在一长直微通道中，由流体携带的颗粒物因为剪切力FSL作用而朝向通道壁方向运动。与此同时，颗粒物又受到来自通道壁的反作用力FWL。这两个力的合力称为净升力FL。对于处在长直微通道中的直径为a的粒子，其所受到的净升力与其直径的关系为：FL∝α4。在净升力的作用下，粒子会处在距通道壁相对固定距离的平衡位置，且不同大小的粒子所处的平衡位置不同。
当微通道为弧形结构时，由于微通道的弯曲，从微通道的横截面看，中间位置流体的横向流速最高，而靠近外侧微通道侧壁的流速最低，从而产生压力和速度梯度，进而在微通道的横截面的上半部和下半部分别形成迪恩涡旋。处于迪恩涡旋中的颗粒物会受到迪恩拖曳力FD作用。粒子的运动状态由净提升力FL和迪恩拖曳力FD的相互作用所决定。净提升力FL和迪恩拖曳力FD的比值可表示为
其中，a是颗粒物直径，Dh称为水力直径，由微通道横截面的高h和宽w决定，即Dh＝2wh/(w+h)。为使颗粒物聚焦，需要满足Rf＞0.04或者a/Dh>0.07。不同粒径的颗粒物在弧形通道中会聚焦在相对于通道壁不同的距离上。
在颗粒物分选过程中，本发明创造性地采用了不同于现有可吸入颗粒物分选技术的原理。
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
如图1所示的一种微流控分选测量可吸入颗粒物的装置，包括射流泵11、气液分离装置12、微流控分选芯片13、测量装置14、过滤器15和液化剂池16。射流泵11包括射流器和工作泵。其中，工作泵利用压力将液化剂泵入射流器，使工作液体通过射流器的喷嘴高速喷出，待测空气由于负压被吸入射流器的腔内与液化剂混合。经过混合的样品被输送到气液分离装置12，多余的空气在此装置中与液体分离，只剩下液体样品输送到下一功能单元。在微流控分选芯片13的微通道中，由于不同粒径的颗粒物在弧形微通道22以及长直微通道23内所受到的惯性力和迪恩拖曳力不同，导致它们最终会被聚焦在微通道的不同位置，最终从不同的出口流出，从而达到分选效果。经过分选的颗粒物被收集到测量装置14，经过图像采集和分析，得到颗粒物的大小和浓度数值。在过滤器15内，从测量装置14流出的液体会被进一步过滤，去除杂质。被回收的液化剂被输送到液化剂池16中，实现循环使用。
如图2所示，所述微流控分选芯片13包括一个进样口21，多级回字形微通道，以及若干出样口1～N，微通道由弧形微通道22和长直微通道23两部分交替连接组成。出样口直径统一，且大于20微米。在一个优选实施例中，微通道经一个膨大结构连接至各出样口，如图2所示。但微通道与出样口的连接结构不限于此。
所述微流控分选芯片13可通过注塑工艺在聚碳酸酯材料上制备而成。
测量装置14包括样品池和测量模块。测量模块包括显微镜头、摄像头和嵌入式分析模块。样品池收集经过微流控分选芯片13分选出的颗粒物。显微镜头配合摄像头对样品池中的颗粒物进行图像采集。所采集到的图像信息输入到嵌入式分析模块，经过图像分析程序的处理获得颗粒物数目信息。因进入微流控分选芯片13的液体流速为已知量，并且数个出样口的口径是固定的，则一定时间内流入样品池每个独立部分的液体总量为已知量，因而通过计数一定时间内从每个出样口流出的颗粒物数目即可计算出液体样品中的颗粒物浓度。
在微流控分选测量可吸入颗粒物的装置的非限制性示意实施例中，采用三个出样口设计。所述三个出样口分别作为颗粒粒径小于2.5微米，颗粒粒径大于2.5微米并小于10微米，和颗粒粒径大于10微米的颗粒物的出口；并且此三个出样口均与后端测量装置14相连。进样口21位于回字形结构的中央位置，通过液体通路与气液分离装置12的出口相连。作为优选实施例，采用两级回字形结构。作为优选实施例，微通道横截面采用长方形，更具体的，长边为400微米，短边为150微米。微流控分选芯片13的末端形成由三个出样口组成的分支结构。自下而上依次编号为出样口24、出样口25及出样口26，如图3所示。这三个分支结构依次对应测量装置14中样品池的三个独立部分。申请人在这一功能单元中创造性地将微流体中粒子在惯性力和迪恩涡旋作用下聚焦和分离的现象应用于可吸入颗粒物分选和测量领域，取得了高通量、高精度的检测效果。
将三种不同直径的轻质粉尘作为模拟样品进行分选和测量，如图3所示分别为直径1微米的粉尘颗粒34，直径3微米的粉尘颗粒35，和直径12微米的粉尘颗粒36。含有这三种粉尘颗粒的空气样品被射流泵11收集，与高速流动的液化剂快速混合，此处，颗粒物被混合进液化剂。而空气则从气液分离装置12分离出来。含有颗粒物的液体混合物继续被高速喷射进入微流控分选芯片13，作为优选实施例，流速可设为1700μl/min。液体混合物在微流控分选芯片13的回字形微流体通道中高速流动，在净提升力和迪恩拖曳力的共同作用下，原本随机散布在液流中的颗粒物流过一定长度的通道后便逐渐被聚焦在一条直线上。因不同大小的颗粒物受到的作用力大小不同，导致不同粒径的颗粒物形成不同的聚焦直线。由微通道内端通道壁向外端通道壁，颗粒物的尺寸依次减小，即12微米的颗粒物36形成的聚焦直线最靠近微通道内端通道壁，1微米的颗粒物34形成的聚焦直线最靠近微通道外端通道壁，而3微米颗粒物35靠近微通道中间位置。在出口处，1微米颗粒物34从出样口26流出，3微米颗粒物35从出样口25流出，12微米颗粒物36从出样口24流出。这三种尺寸的颗粒物最终分别流入颗粒物测量装置14的样品池的三个不同部分。摄像头采集一定时间段内样品池中收集的颗粒物的图像信息，嵌入式分析模块利用内嵌的图像信息分析程序对采集到的颗粒物图像信息进行处理，即可得到不同颗粒物在悬浮液中的浓度信息。
虽然以上所述实施例仅描述了本发明的具体实施方式范例，但应注意，本发明的保护范围是由所附权利要求书所限定的。本发明的实施例不限于此应用，并且本发明所描述的技术也可用于其他领域。
Claims (5)
1.一种微流控分选测量可吸入颗粒物的装置，其特征在于：包括射流泵、气液分离装置、微流控分选芯片、测量装置、过滤器和液化剂池，
其中，所述射流泵的液体入口与液化剂池连通，液体出口与气液分离装置的液体入口连通，所述气液分离装置的液体出口与微流控分选芯片的进样口连通，所述微流控分选芯片包括顺次连通的所述进样口、多级回字形微通道和多个出样口，所述多个出样口在多级回字形微通道出口端的分布位置分别与不同粒径的可吸入颗粒物在多级回字形微通道内所处的平衡位置对应，所述多个出样口与测量装置连通，所述测量装置包括样品池和测量模块，样品池收集来自所述出样口的液体，测量模块用于对所述液体内的可吸入颗粒物进行测量，样品池的液体出口与过滤器连通，所述过滤器的液体出口与液化剂池连通；
所述测量模块包括显微镜头、摄像头和嵌入式分析模块，所述显微镜头与样品池光学连通，所述摄像头与显微镜头光学耦合，对所述液体内的可吸入颗粒物进行图像采集，且所述摄像头与嵌入式分析模块建立通信连接，摄像头采集到的图像输入到嵌入式分析模块；
所述多级回字形微通道采用两级回字形结构；
所述微流控分选芯片是通过注塑工艺在聚碳酸酯材料上制备而成；
所述多级回字形微通道包括交替连接的弧形微通道和长直微通道。
2.根据权利要求1所述的微流控分选测量可吸入颗粒物的装置，其特征在于：所述多级回字形微通道的横截面为长方形、椭圆形或圆形。
3.根据权利要求1所述的微流控分选测量可吸入颗粒物的装置，其特征在于：所述样品池包括多个独立部分，所述独立部分与所述微流控分选芯片的所述多个出样口一一对应。
4.一种微流控分选测量可吸入颗粒物的方法，其基于权利要求1-3任意一项所述的微流控分选测量可吸入颗粒物的装置，其特征在于，采用以下步骤对可吸入颗粒物进行分选和测量：
步骤1.采集含有可吸入颗粒物的周围空气，将其与液化剂均匀混合，形成气液混合样品；
步骤2.排出气液混合样品中的不含可吸入颗粒物的气体，只留下含有可吸入颗粒物的液体样品；
步骤3.使用包括顺次连通的进样口、多级回字形微通道和多个出样口的微流控分选芯片，使所述液体样品内的不同粒径的可吸入颗粒物聚焦在多级回字形微通道中的不同平衡位置，并最终经由对应的出样口分选出来；
步骤4.分别收集含有经分选的可吸入颗粒物的液体样品，采集可吸入颗粒物的光学图像，使用数字图像处理方法对所采集到的光学图像进行分析，得到可吸入颗粒物数目信息。
5.根据权利要求4所述的微流控分选测量可吸入颗粒物的方法，其特征在于：在所述步骤4之后还进行以下步骤：滤除经过光学图像采集的液体样品中的可吸入颗粒物，将液化剂循环用于所述步骤1。
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