CN109569753B - 一种pm2.5颗粒收集及实验观测的微流控芯片通道装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PM2.5颗粒收集及实验观测的微流控芯片通道装置，该芯片可以实现各种气体及其中PM2.5颗粒的收集，实验装置与收集装置的结合有效减少了气体在收集后的储存及运输过程中泄露，满足了气体收集和实验的一体化操作要求。该装置由主体固体结构、共用入口、凹槽捕获结构、对称凹槽阵列、气体总入口、气体初步观测通道、气体总出口和下底板组成，可在雾霾天气或实验环境下通过抽气装置直接完成所需气体及其中PM2.5颗粒的收集及检测，克服了传统雾霾收集装置的复杂和难操作的缺点，其结构简单，提高了实验的精确性，增加了实验方案的灵活性。本发明有利于进行PM2.5含量的精准测量，继而减小和有效控制汽车尾气改善环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的可用于PM2.5颗粒收集及实验观测的微流控芯片通道装置。本发明属于微流控技术研究领域。
背景技术
近年来，随着社会经济的快速发展，我国环境空气污染特征发生了显著变化，由PM2.5所引起的区域性大气污染问题日趋严重，影响人体健康和生态安全，乃至社会经济的和谐发展。大气颗粒物是最重要的大气污染物之一，是大气中固体和液体颗粒物的总称。PM2.5对重金属以及气态污染物等的吸附作用明显，对污染物有明显的富集作用，同时还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病推波助澜，对人体健康产生极大危害，且其在大气中的停留时间长、输送距离远，空气质量引人关注，而汽车尾气中排放微小颗粒物PM2.5含量对环境的作用一直是人们争论的焦点。在汽车排放的尾气中，如何进行PM2.5含量的精准测量，继而减小和有效控制汽车尾气改善环境是我们关注的问题。
实验开展的前提是PM2.5气体的收集，基于PM2.5颗粒的微流控检测实验装置，增加气体收集通道，使其在充分收集气体后可直接开展实验工作，省去中间气体运输更换步骤，保证实验便捷可靠，极大的节省时间，降低实验成本。对称增设多组微凹槽结构，保证了气体收集的数量。一次性同时进行多组实验，避免了实验的偶然性，降低实验误差，提高数据的有效可靠性。
发明内容
本发明的目的是实现一种用于PM2.5颗粒收集及实验观测微流控芯片装置，该装置将各种气体及其中PM2.5固体颗粒的收集和实验一体化，其操作简单，应用范围广，具有较高的科研应用价值，其采用的技术方案如下：
一种用于实现PM2.5颗粒收集及实验观测微流控芯片装置，该装置包括主体固体结构1、共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6、气体总出口7和下底板8。
共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6和气体总出口7为主体固体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时气体流动区域；凹槽捕获结构3宽度范围设定在600微米，高度设置在100微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现PM2.5固体颗粒捕获，凹槽内用于捕获PM2.5固体颗粒的涡胞结构如图2所示；对称凹槽阵列4上至少由六个凹槽捕获结构3组成以实现对PM2.5固体颗粒的多次捕获；气体初步观测通道6长度应大于0.5厘米，以实现气体在未进入凹槽捕获结构3前的总固体颗粒含量初步检测；气体回抽管选用含氟管或聚醚秘酯管以避免PM2.5固体颗粒粘附，气体回抽装置选用5-30ml医用注射器，通过气体回抽管连接实验装置，并利用微流泵均匀回抽大气，使其气体从共用入口2进入凹槽捕获结构3。
所述主体结构1和下底板8均由聚二甲基硅氧烷制作，并通过氧离子上下键合固定，下底板8置于主体结构1底部，以支撑芯片主体结构并提供流动空间；
本发明总体工作过程如下：
在雾霾天气或实验环境下，将本装置置于大气环境中。通过气体回抽管连接气体总出口7和气体回抽装置，并利用微流泵均匀回抽大气。由于微流泵回抽，对称凹槽阵列4中气压降低，引起大气环境中气体通过共用入口2，再经过气体初步观测通道6进入对称凹槽阵列4。气体通过初步观测通道6时，利用高速显微系统对其中固体颗粒进行拍摄，并通过MATLAB连通区域分析算法对气体初步观测通道6中所通过PM2.5固体颗粒进行初步计算，其实验效果如图3。气体通过初步观测通道6后直接进入凹槽捕获结构3，由于凹槽内存在涡胞结构，当PM2.5固体颗粒运行到凹槽结构3前端附近时将会在凹槽捕获结构3内涡胞作用下直接进入凹槽，实现对PM2.5固体颗粒的捕获，其实验现象如图4。本装置设有6组对称凹槽阵列4，可同时满足多组实验的进行，收集完气体后可从气体总入口5通入不同实验试剂与PM2.5颗粒进行反应实验，即可满足同样工况下不同入口试剂与PM2.5的实验。
附图说明
图1是本发明芯片的三维结构示意图。
图2是凹槽内涡胞结构流线图。
图3是初步观测通道中所通过PM2.5固体颗粒效果图。
图4是凹槽内粒子捕获轨迹图。
图5是本发明芯片的平面结构示意图。
图中：
1.主体固体结构，2.共用入口，3.凹槽捕获结构，4.对称凹槽阵列，5.气体总入口，6.气体初步观测通道，7.气体总出口，8.下底板。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明的工作过程和效果进行进一步的说明。
图1为一种可用于PM2.5颗粒收集及实验观测的微流控芯片装置的结构示意图。
该通道包括主体固体结构1、共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6、气体总出口7和下底板8。
共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6、气体总出口7为主体固体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为微流控芯片工作时气体流动区域。
各个对称凹槽阵列4呈周向分布，各个对称凹槽阵列4的一端连接圆心即气体总出口7；气体总入口5和气体初步观测通道6对称布置在两条对称凹槽阵列4的端部。
凹槽捕获结构3宽度范围设定在600微米，高度设置在100微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现PM2.5固体颗粒捕获，凹槽内置有用于捕获PM2.5固体颗粒的涡胞结构。共用入口2与凹槽捕获结构3连接。
对称凹槽阵列4上至少设有六个凹槽捕获结构3以实现对PM2.5固体颗粒的多次捕获。各个凹槽捕获结构3为对称凹槽阵列4的分支结构。
气体初步观测通道6长度大于0.5厘米，以实现气体在未进入凹槽捕获结构3前的总固体颗粒含量初步检测。
气体回抽管选用含氟管或聚醚秘酯管以避免PM2.5固体颗粒粘附，气体回抽装置选用5-30ml医用注射器，通过气体回抽管连接实验装置，并利用微流泵均匀回抽大气气体从共用入口2进入凹槽捕获结构3。
所述主体结构1和下底板8通过氧离子上下键合固定，下底板8置于主体结构1底部，以支撑微流控芯片主体结构并提供流动空间。
所述主体固体结构1和下底板8由聚二甲基硅烷制成。
共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6、气体总出口7为主体固体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时气体流动区域。
实施例
一种用于实现PM2.5颗粒收集及实验观测微流控芯片装置。该通道包括主体固体结构1、共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6、气体总出口7和下底板8。共用入口2、凹槽捕获结构3、对称凹槽阵列4、气体总入口5、气体初步观测通道6和气体总出口7为主体固体结构1上凹槽或孔洞结构，且各结构为芯片工作时气体流动区域；对称凹槽阵列4上至少由六个凹槽捕获结构3组成以实现对PM2.5固体颗粒的多次捕获；气体初步观测通道6长度应大于0.5厘米，以实现气体在未进入凹槽捕获结构3前的总固体颗粒含量初步检测；凹槽捕获结构3宽度范围设定在600微米，高度设置在100微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现PM2.5固体颗粒捕获。
所述主体固体结构1和下底板8由聚二甲基硅烷制成。
所述气体总入口为设置在主体固体结构1上的上下贯通的孔洞结构。
本装置的工作过程如下：通过气体回抽管连接气体总出口7和气体回抽装置，并利用微流泵均匀回抽大气。由于微流泵回抽，对称凹槽阵列4中气压降低，引起大气环境中气体通过共用入口2，再经过气体初步观测通道6进入对称凹槽阵列4。气体通过初步观测通道6时，利用高速显微系统对其中固体颗粒进行拍摄，并通过MATLAB连通区域分析算法对气体初步观测通道6中所通过PM2.5固体颗粒进行初步计算。气体通过初步观测通道6后直接进入凹槽捕获结构3，由于凹槽内存在涡胞结构，当PM2.5固体颗粒运行到凹槽结构3前端附近时将会在凹槽捕获结构3内涡胞作用下直接进入凹槽，实现对PM2.5固体颗粒的捕获。设有6组对称凹槽阵列4，可同时满足多组实验的进行，收集完气体后可从气体总入口5通入不同实验试剂与PM2.5颗粒进行反应实验，即可满足同样工况下不同入口试剂与PM2.5的实验。
注：由于微通道尺寸较小，用实际尺寸表示微流控芯片时不能有效表征微流控芯片流道部分的结构，因此附图使用的是微流道结构相对放大的芯片示意图。
Claims (3)
1.一种用于实现空气中PM2.5颗粒收集及观测的微流控芯片通道装置，其特征在于：该通道装置包括主体固体结构(1)、共用入口(2)、凹槽捕获结构(3)、对称凹槽阵列(4)、气体总入口(5)、气体初步观测通道(6)、气体总出口(7)和下底板(8)；
共用入口(2)、凹槽捕获结构(3)、对称凹槽阵列(4)、气体总入口(5)、气体初步观测通道(6)、气体总出口(7)为主体固体结构(1)上凹槽或孔洞结构，且各结构为微流控芯片工作时气体流动区域；
各个对称凹槽阵列(4)呈周向分布，各个对称凹槽阵列(4)的一端连接圆心即气体总出口(7)；气体总入口(5)和气体初步观测通道(6)对称布置在两条对称凹槽阵列(4)的端部；
凹槽捕获结构(3)宽度范围设定在600微米，高度设置在100微米，以充分利用凹槽内涡胞结构实现PM2.5固体颗粒捕获，凹槽内置有用于捕获PM2.5固体颗粒的涡胞结构；共用入口(2)与凹槽阵列(4)及凹槽捕获结构(3)连接；
对称凹槽阵列(4)上至少设有六个凹槽捕获结构(3)以实现对PM2.5固体颗粒的多次捕获，各个凹槽捕获结构(3)为对称凹槽阵列(4)的分支结构；
气体初步观测通道(6)长度大于0.5厘米，以实现气体在未进入凹槽捕获结构(3)前的总固体颗粒含量初步检测；
通过气体回抽管连接气体总出口(7)和微流泵，并利用微流泵均匀回抽大气；气体回抽管选用含氟管或聚醚醚酮树脂管以避免PM2.5固体颗粒粘附，微流泵选用5-30ml医用注射器，通过气体回抽管连接通道装置，并利用微流泵均匀回抽大气气体从共用入口(2)进入凹槽捕获结构(3)；
所述主体固体 结构(1)和下底板(8)通过氧离子上下键合固定，下底板(8)置于主体固体结构(1)底部，以支撑微流控芯片主体结构并提供流动空间。
2.根据权利要求1所述的一种用于实现空气中PM2.5颗粒收集及观测的微流控芯片通道装置，其特征在于：所述主体固体结构(1)和下底板(8)由聚二甲基硅烷制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于实现空气中PM2.5颗粒收集及观测的微流控芯片通道装置，其特征在于：本装置的工作过程如下，在雾霾天气或实验环境下，将本装置置于大气环境中；通过气体回抽管连接气体总出口(7)和微流泵，并利用微流泵均匀回抽大气；由于微流泵回抽作用，对称凹槽阵列(4)中气压降低，引起大气环境中气体通过共用入口(2)，再经过气体初步观测通道(6)进入对称凹槽阵列(4)；气体通过初步观测通道(6)时，利用高速显微系统对其中固体颗粒进行拍摄，并通过MATLAB并行分析算法对气体初步观测通道(6)中所通过PM2.5固体颗粒进行初步计算；气体通过初步观测通道(6)后直接进入凹槽捕获结构(3)，由于凹槽内存在涡胞结构，当PM2.5固体颗粒运行到凹槽捕获结构(3)前端附近时将会在凹槽捕获结构(3)内涡胞作用下直接进入凹槽，实现对PM2.5固体颗粒的捕获；本装置设有6组对称凹槽阵列(4)，可同时满足多组实验的进行，收集完气体后可从气体总入口(5)通入不同实验试剂与PM2.5颗粒进行反应实验，即可满足同样工况下不同入口试剂与PM2.5的实验。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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