CN110253802A - 一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于检测海洋微塑料技术领域，公开了一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，包括：微流控检测芯片、嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元、激励单元，激励单元通过绝缘导线连接圆柱形电容检测单元；圆柱形电容检测单元包括两个结构相同的圆柱形电容极板，且两个圆柱形电容极板正对排布，微流控检测芯片中的微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴微通道。通过激励单元给圆柱形电容极板以高频交流电激励，当海水中的微塑料颗粒经过圆柱形电容极板时，由于水的相对介电常数大于微塑料的相对介电常数，将产生负向的电容信号脉冲，根据产生的信号脉冲的幅值大小和频率判断微塑料的尺寸及形状。解决了现有技术检测速度慢，检测精度低，检测设备复杂的问题。

Description

一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置

技术领域

本发明涉及检测水中微塑料技术领域，具体而言，尤其涉及一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置。

背景技术

塑料是海洋、河流等水域垃圾的主要组成部分，约占垃圾总量的60％～80％，在某些地区甚至达到90％～95％，并且以每年递增的趋势增长。据报道全球每年生产的塑料超过3亿吨，其中约有10％的塑料会进入海洋、河流等，但是事实上，我们所消耗的每一片塑料最终都有可能进入这些水域。微塑料是指粒径小于5㎜，并且大于0.1μm的塑料碎片、纤维或粒子。海洋等水域中微塑料污染问题已经是全球性的热点问题。根据调查研究，地中海海域中的塑料污染主要是由于旅游也等人类活动引起的，微塑料已经分散到地表，地下水以及海洋生物体内。目前，国际上对于微塑料颗粒的检测分析方法有很多。采用常用仪器分析目检法是最基础的方法之一，但是其误差较大，适合一些大尺寸的微塑料颗粒。

发明内容

根据上述提出的传统微塑料检测速度慢，检测精度低，检测设备复杂等技术问题，而提供一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置。本发明主要基于微流体芯片检测技术中颗粒计数法，设计了一种电容式微流体芯片，芯片可以实现检测样品中微塑料颗粒的精确计数和测量，通过检测数据得到所测样品的状态信息。

本发明采用的技术手段如下：

一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，包括：微流控检测芯片、嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元、激励单元，所述激励单元通过绝缘导线连接所述圆柱形电容检测单元。

进一步地，所述微流控检测芯片包括玻璃基底和设置在玻璃基底上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在芯片主体上的一端设置有样品入口、另一端设置有样品出口的微通道以及圆柱形电容检测单元。

进一步地，所述圆柱形电容检测单元包括两个结构相同的圆柱形电容极板，且两个圆柱形电容极板正对排布。

进一步地，所述微流控检测芯片中的微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴所述微通道。

进一步地，所述的微通道直径为100-300微米。

进一步地，所述的两个圆柱形电容极板之间的距离为100-300微米；所述的两个圆柱形电容极板的直径均为100-300微米。

本发明还提供了一种微流控检测芯片的制作方法，所述制作方法基于检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置中的微流控检测芯片，且包括以下步骤：

S1：将微通道模具和两个圆柱形电容极板按既定的位置固定在玻璃基底上；

S2：向玻璃基底灌注模型材料，其中两个圆柱形电容极板外接的两根漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3：将浇注好模型材料的微流控检测芯片放置在烘箱中用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4：将微通道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微通道两端打孔，形成样品入口和样品出口。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的圆柱形电容检测装置小，制作简单，成本低廉，操作方便。

2、本发明提供的圆柱形电容检测装置检测精度高，能够精确计数和测量尺寸。

3、本发明提供的圆柱形电容检测装置检测周期快，能够实现对微塑料颗粒的快速分析检测。

基于上述理由本发明可在检测水中微塑料等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明检测装置结构框图。

图2为本发明检测装置结构图。

图3为本发明圆柱形电容检测单元示意图。

图4为本发明检测装置系统框图。

图5为本发明实施例提供的两个圆柱形电容极板之间的距离为300微米时检测15-30微米微塑料颗粒信号图。

图6为本发明实施例提供的两个圆柱形电容极板之间的距离为200微米时检测15-30微米微塑料颗粒信号图。

图7为本发明实施例提供的两个圆柱形电容极板之间的距离为100微米时检测15-30微米微塑料颗粒信号图。

图中：1、微流控检测芯片；11、样品入口；12、微通道；13、样品出口；14、模型材料；15、玻璃基底；2、圆柱形电容检测单元；21、圆柱形电容极板；3、激励单元；4、微塑料颗粒；5、LCR精密表；6、计算机；7、显微镜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，包括：微流控检测芯片、嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元、激励单元，激励单元通过绝缘导线连接圆柱形电容检测单元。通过激励单元给圆柱形电容极板以高频交流电(1-2V，0.1-2MHz)激励，当海水中的微塑料颗粒经过圆柱形电容极板时，由于海水的相对介电常数大于微塑料的相对介电常数，将产生负向的电容信号脉冲，我们根据产生的信号脉冲的幅值大小和频率判断微塑料的尺寸及形状。

具体的，如图2所示，微流控检测芯片包括玻璃基底和设置在玻璃基底上的芯片主体；芯片主体包括：设置在芯片主体上的一端设置有样品入口、另一端设置有样品出口的微通道以及圆柱形电容检测单元。圆柱形电容检测单元包括两个结构相同的圆柱形电容极板，且两个圆柱形电容极板正对排布。圆柱形电容极板采用铜棒加工而成。如图3所示，微流控检测芯片中的微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴微通道。两个圆柱形电容极板一端连接LCR精密表，另一端连接显微镜。其中，微通道直径为100-300微米。两个圆柱形电容极板的直径均为100-300微米。两个圆柱形电容极板之间的距离为100-300微米。

具体的，如图4所示，检测海水中的微塑料颗粒时，微塑料颗粒先通过样品入口驱动进入检测装置，经由微通道流过圆柱形电容极板，最后再由微通道到样品出口处，圆柱形电容极板与LCR精密表相连，LCR精密表提供激励电压和频率，最后在计算机读取数据，同时电容极板与显微镜连接，随时观察微通道内部塑料颗粒的情况。

具体的，本发明还提供了一种微流控检测芯片的制作方法，所述制作方法基于检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置中的微流控检测芯片，且包括以下步骤：

S1：将微通道模具和两个圆柱形电容极板按既定的位置固定在玻璃基底上；

S2：向玻璃基底灌注模型材料，其中两个圆柱形电容极板外接的两根漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3：将浇注好模型材料的微流控检测芯片放置在烘箱中用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4：将微通道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微通道两端打孔，形成样品入口和样品出口。

实施例1

本实施例采用将两个圆柱形电容极板之间的距离设置为300微米的圆柱形电容检测装置，激励单元通过绝缘导线连接嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元。微流控检测芯片中的检测微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴微通道。检测海水中的微塑料颗粒时，微塑料颗粒先通过样品入口驱动进入检测装置，经由微通道流过圆柱形电容极板，最后再由微通道到样品出口处，圆柱形电容极板与LCR精密表相连，LCR精密表提供激励电压和频率，最后在计算机读取数据，同时电容极板与显微镜连接，随时观察微通道内部塑料颗粒的情况。如图5所示，当两个圆柱形电容极板之间的距离设置为300微米时检测15-30微米微塑料颗粒的信号图。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例中采用将两个圆柱形电容极板之间的距离设置为200微米的圆柱形电容检测装置，激励单元通过绝缘导线连接嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元。微流控检测芯片中的检测微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴微通道。检测海水中的微塑料颗粒时，微塑料颗粒先通过样品入口驱动进入检测装置，经由微通道流过圆柱形电容极板，最后再由微通道到样品出口处，圆柱形电容极板与LCR精密表相连，LCR精密表提供激励电压和频率，最后在计算机读取数据，同时电容极板与显微镜连接，随时观察微通道内部塑料颗粒的情况。如图6所示，当两个圆柱形电容极板之间的距离设置为200微米时检测15-30微米微塑料颗粒的信号图。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例中采用将两个圆柱形电容极板之间的距离设置为200微米的圆柱形电容检测装置，激励单元通过绝缘导线连接嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元。微流控检测芯片中的检测微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴微通道。检测海水中的微塑料颗粒时，微塑料颗粒先通过样品入口驱动进入检测装置，经由微通道流过圆柱形电容极板，最后再由微通道到样品出口处，圆柱形电容极板与LCR精密表相连，LCR精密表提供激励电压和频率，最后在计算机读取数据，同时电容极板与显微镜连接，随时观察微通道内部塑料颗粒的情况。如图7所示，当两个圆柱形电容极板之间的距离设置为100微米时检测15-30微米微塑料颗粒的信号图。

表1为两个圆柱形电容极板之间距离的不同对应的微塑料颗粒检测信号值，表1中显示，当两个圆柱形电容极板之间距离为300微米时，其检测信号值为2.136×10^-11。当两个圆柱形电容极板之间距离为200微米时，其检测信号值为4.335×10^-11。当两个圆柱形电容极板之间距离为100微米时，其检测信号值为7.168×10^-11。

表1

微通道直径(微米)	信号值	对应图
			300	2.136×10<sup>-11</sup>	图5
200	4.335×10<sup>-11</sup>	图6
			100	7.168×10<sup>-11</sup>	图7

由此可知，将两个圆柱形电容极板嵌入到微流控芯片中，利用微塑料颗粒与海水的介电常数的差别进行检测。可以实现检测样品中微塑料颗粒的精确计数和测量，通过检测数据得到所测样品的状态信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，包括：微流控检测芯片、嵌入微流控检测芯片中的圆柱形电容检测单元、激励单元，所述激励单元通过绝缘导线连接所述圆柱形电容检测单元。

2.根据权利要求1所述的检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，所述微流控检测芯片包括玻璃基底和设置在玻璃基底上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在芯片主体上的一端设置有样品入口、另一端设置有样品出口的微通道以及圆柱形电容检测单元。

3.根据权利要求1或2所述的检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，所述圆柱形电容检测单元包括两个结构相同的圆柱形电容极板，且两个圆柱形电容极板正对排布。

4.根据权利要求1或2所述的检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，所述微流控检测芯片中的微通道从两个圆柱形电容极板中间穿过，且紧贴所述微通道。

5.根据权利要求2所述的检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，所述的微通道直径为100-300微米。

6.根据权利要求3所述的检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，所述的两个圆柱形电容极板之间的距离为100-300微米；所述的两个圆柱形电容极板的直径均为100-300微米。

7.根据权利要求3所述的检测海洋微塑料的圆柱形电容检测装置，其特征在于，所述的两个圆柱形电容极板一端连接LCR精密表，另一端连接显微镜。

8.一种微流控检测芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法基于权利要求1所述的微流控检测芯片，且包括以下步骤：

S1：将微通道模具和两个圆柱形电容极板按既定的位置固定在玻璃基底上；

S2：向玻璃基底灌注模型材料，其中两个圆柱形电容极板外接的两根漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3：将浇注好模型材料的微流控检测芯片放置在烘箱中用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4：将微通道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微通道两端打孔，形成样品入口和样品出口。