CN113181980B - 一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置及方法，装置包括ITO玻璃基底层、3D电极层、PDMS盖片层；3D电极层积淀在ITO玻璃基底层，PDMS盖片层与玻璃基底层键合；ITO玻璃基底层包括两个ITO电极，作为电源线和3D电极层之间的导线；3D电极层包括第一3D电极和第二3D电极，分别连接ITO玻璃基底层的两个ITO电极；PDMS盖片层上设置入口，第一出口、第二出口、第三出口，一级分离区域Ⅰ、一级分离区域Ⅱ，二级分离区域Ⅰ、二级分离区域Ⅱ，第一长方形通道、第二长方形通道，一级通道以及二级通道。本发明通过施加直流偏置交流电场，结合设计的芯片结构，利用微塑料颗粒流经分离区域时同时受到的电泳力和介电泳实现不同粒径和种类微塑料颗粒的分离。

Description

一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置及方法
技术领域
本发明涉及微塑料颗粒分离技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置及方法。
背景技术
介电泳(Dielectrophoresis,DEP)分离技术已经广泛应用于颗粒分选、生物细胞分选等领域。介电泳分离技术的实现需要对微流控芯片施加电场，如果颗粒的极化率高于悬浮液的极化率，会在正介电泳力的作用下向电场强度较强的地方运动。反之，如果颗粒的极化率低于悬浮液的极化率，会在负介电泳力的作用下向电场强度较弱的地方运动。由于介电泳力的幅值取决于粒径大小，因此，不同大小的颗粒会受到不同大小的介电泳力，运动轨迹也会不同，完成分离。介电泳分离技术具有无标记性、可拓展性，芯片结构设计灵活以及效率较高等优点。
海洋中的微塑料是指通过各种途径进入海洋中的直径小于5mm的塑料颗粒。海洋中的塑料来源包括陆源输入、海上作业、海上运输、海上养殖、港口等，这些塑料经过物理、化学和生物等过程裂解成更小的微塑料颗粒。微塑料的性质相对稳定，降解过程较慢，能存在数百年至几千年，对海洋生态环境造成持续性的危害。微塑料不仅自身具有毒性，还能与毒性污染物结合，这些复合物被浮游生物、鱼类、海洋哺乳动物等误食后，会在生物体内一直存在，对海洋生物造成机械性损伤，并通过食物链和食物网转移和富集，最终可能影响人类的健康。
目前，微塑料的分离方法包括密度分离法、疏水性分离法、粒径尺寸分离法等。但是密度分离法适用于处理粒径尺寸在毫米级范围的微塑料颗粒，难于处理微/纳米级微塑料颗粒。疏水性分离法存在检测过程耗时，难以回收分离后的微塑料颗粒等不足。粒径尺寸分离法只能确定纳米级微塑料颗粒的存在，不能确定它们的含量。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置及方法。本发明通过施加直流偏置交流电场，结合设计的芯片结构，利用微塑料颗粒流经分离区域时同时受到的电泳力和介电泳实现不同粒径和种类微塑料颗粒的分离。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置，包括：ITO玻璃基底层、3D电极层、PDMS盖片层；3D电极层积淀在ITO玻璃基底层，与ITO玻璃基底层的ITO电极相连；PDMS盖片层与玻璃基底层键合；
ITO玻璃基底层包括第一ITO电极和第二ITO电极；第一ITO电极和第二ITO电极作为电源线和3D电极层之间的导线；
3D电极层包括第一3D电极和第二3D电极，第一3D电极连接第一ITO电极，第二3D电极连接第二ITO电极；
PDMS盖片层上设置入口，第一出口、第二出口、第三出口，一级分离区域Ⅰ、一级分离区域Ⅱ，二级分离区域Ⅰ、二级分离区域Ⅱ，第一长方形通道、第二长方形通道，一级通道以及二级通道。
进一步地，所述入口通过一级通道连接第二出口；所述第一出口通过二级通道连接第三出口。
进一步地，所述第一长方形通道和第二长方形通道并列连接在所述一级通道和二级通道之间。
进一步地，所述第一长方形通道和第二长方形通道的大小相同。
进一步地，所述一级分离区域Ⅰ设置在第一长方形通道与一级通道的交汇处；所述一级分离区域Ⅱ设置在第二长方形通道与一级通道的交汇处；二级分离区域Ⅰ设置在第一长方形通道与二级通道的交汇处；所述二级分离区域Ⅱ设置在第二长方形通道与二级通道的交汇处。
进一步地，所述一级分离区域Ⅰ和一级分离区域Ⅱ的孔宽相同，所述二级分离区域Ⅰ和二级分离区域Ⅱ的孔宽相同。
本发明还提供了一种基于上述微塑料颗粒分离装置的微塑料颗粒分离方法，包括如下步骤：
S1、将含有微塑料颗粒A、B、C的样品溶液放入离心管中进行离心处理，加入缓冲液搅拌摇匀，重复多次，得到微塑料颗粒悬浮液；
S2、使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口，注入微通道中，排净微通道中的空气；
S3、使用注射器抽入适量微塑料颗粒悬液，通过导管连接入口，注入微通道中，同时开启信号源，调节电压与频率，使微塑料颗粒A从第二出口流出，微塑料颗粒C从第三出口流出，微塑料颗粒B留在第一长方形通道和第二长方形通道中。
S4、关闭信号源，使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口，注入微通道中，使留在第一长方形通道和第二长方形通道的微塑料颗粒B从第一出口流出。
进一步地，所述微塑料颗粒B、C为同一种类，且B的粒径大于C的粒径，微塑料颗粒A与微塑料颗粒B、C的种类不同。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的微塑料颗粒分离装置，通过施加直流偏置交流电场，结合设计的芯片结构，利用介电泳力和电泳力操控微塑料颗粒。通过选择合适的直流电压和交流电压、频率，使不同的微塑料颗粒受到不同的介电泳力和电泳力，进而有不同的运动轨迹，实现微塑料颗粒的分离。
2、本发明提供的微塑料颗粒分离装置，可以同时分离多种微塑料颗粒，设置多个分离区域，在样品浓度较高时，也能实现较高的分离效率。
3、本发明提供的微塑料颗粒分离装置，不需要很大的电压就可以实现粒径较小的微塑料颗粒的高效分离，并且不会对微塑料颗粒造成损坏。
基于上述理由本发明可在微塑料颗粒分离等领域广泛推广。
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为本发明装置整体结构示意图。
图2为本发明ITO玻璃基底层的结构示意图。
图3为本发明3D电极层的结构示意图。
图4为PDMS盖片层的结构示意图。
图中：1、ITO玻璃基底层；2、第一ITO电极；3、第二ITO电极；4、3D电极层；5、第一3D电极；6、第二3D电极；7、PDMS盖片层；8、入口；9、第一出口；10、一级分离区域Ⅰ；11、第一长方形通道；12、二级分离区域Ⅰ；13、一级分离区域Ⅱ；14、第二长方形通道；15、二级分离区域Ⅱ；16、一级通道；17、二级通道；18、第二出口；19、第三出口。
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，本发明提供了一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置，包括：ITO玻璃基底层1、3D电极层4、PDMS盖片层7；3D电极层4积淀在ITO玻璃基底层1，与ITO玻璃基底层1的ITO电极相连；PDMS盖片层7与玻璃基底层1键合；
如图2所示，ITO玻璃基底层1包括第一ITO电极2和第二ITO电极3；第一ITO电极)和第二ITO电极3作为电源线和3D电极层4之间的导线；具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一ITO电极2和第二ITO电极3的厚度均为300nm。
如图3所示，3D电极层4包括第一3D电极5和第二3D电极6，第一3D电极5连接第一ITO电极2，第二3D电极6连接第二ITO电极3；
如图4所示，PDMS盖片层7上设置入口8，第一出口9、第二出口18、第三出口19，一级分离区域Ⅰ10、一级分离区域Ⅱ13，二级分离区域Ⅰ12、二级分离区域Ⅱ15，第一长方形通道11、第二长方形通道14，一级通道16以及二级通道17。具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述入口8通过一级通道16连接第二出口18；所述第一出口9通过二级通道17连接第三出口19。所述第一长方形通道11和第二长方形通道14并列连接在所述一级通道16和二级通道17之间。所述一级分离区域Ⅰ10设置在第一长方形通道11与一级通道16的交汇处；所述一级分离区域Ⅱ13设置在第二长方形通道14与一级通道16的交汇处；二级分离区域Ⅰ12设置在第一长方形通道11与二级通道17的交汇处；所述二级分离区域Ⅱ15设置在第二长方形通道14与二级通道17的交汇处。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一长方形通道11和第二长方形通道14的大小相同，本实施例中，第一长方形通道11和第二长方形通道14的长为90um，宽为50um。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述一级分离区域Ⅰ10和一级分离区域Ⅱ13的孔宽相同，本实施例中，孔宽为25um；所述二级分离区域Ⅰ12和二级分离区域Ⅱ15的孔宽相同，本实施例中，孔宽为12um；
本发明基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置的工作原理如下：
微塑料颗粒从进样口进入一级通道，当流经一级分离区域时，如果微塑料颗粒受到的介电泳力大于电泳力，微塑料颗粒会远离一级分离区域并保持在一级通道内流动至出样口，其余微塑料颗粒会经过一级分离区域进入长方形通道。当微塑料颗粒在长方形通道内流经二级分离区域时，如果微塑料颗粒受到的介电泳力大于电泳力，微塑料颗粒会留在长方形通道内；而其余的微塑料颗粒受到的介电泳力小于电泳力，会经过二级分离区域进入二级通道并流动至出样口。最后，关闭信号源，长方形通道中的微塑料颗粒在缓冲液的驱动下进入二级通道并流动至出样口。
一种基于上述微塑料颗粒分离装置的微塑料颗粒分离方法，包括如下步骤：
S1、将含有微塑料颗粒A、B、C的样品溶液放入离心管中进行离心处理，加入缓冲液搅拌摇匀，重复多次，得到微塑料颗粒悬浮液；
S2、使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口8，注入微通道中，排净微通道中的空气；
S3、使用注射器抽入适量微塑料颗粒悬液，通过导管连接入口8，注入微通道中，同时开启信号源，调节电压与频率，使微塑料颗粒A从第二出口18流出，微塑料颗粒C从第三出口19流出，微塑料颗粒B留在第一长方形通道11和第二长方形通道14中。
S4、关闭信号源，使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口(8)，注入微通道中，使留在第一长方形通道11和第二长方形通道14的微塑料颗粒B从第一出口9流出。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述微塑料颗粒B、C为同一种类，且B的粒径大于C的粒径，A与B、C的种类不同。
实施例：
将含有微塑料颗粒A、B、C的样品溶液放入离心管中进行离心处理，加入缓冲液，摇匀，重复多次，得到微塑料颗粒悬浮液。
使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口8，注入微通道中，排净微通道中的空气；
使用注射器抽入适量微塑料颗粒悬液，通过导管连接入口8，注入微通道中，同时开启信号源，通过调节直流电压与交流电压、频率，使微塑料颗粒流经一级分离区域时，受到竖直指向二级通道17的电泳力和相反方向的负介电泳力，微塑料颗粒A受到的负介电泳力大于电泳力，颗粒会远离一级分离区域并保持在一级通道16内流动至第二出口18。而微塑料颗粒B和微塑料颗粒C受到的负介电泳力小于电泳力，会经过一级分离区域进入长方形通道中。由于二级分离区域的孔宽小于一级分离区域的孔宽，因此二级分离区域的电场强度大于一级分离区域的电场强度。当微塑料颗粒B和微塑料颗粒C在长方形通道内流经二级分离区域时，因为电场强度的增大，受到的负介电泳力增大。微塑料颗粒B受到的负介电泳力大于电泳力，会留在长方形通道中；而微塑料颗粒C受到的负介电泳力仍小于电泳力，会经过二级分离区域进入二级通道并流动至第三出口19。
关闭信号源，使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口8，注入微通道中，使长方形通道中的微塑料颗粒B从第一出口9流出。
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 (5)

1.一种基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置，其特征在于，包括：ITO玻璃基底层（1）、3D电极层（4）、PDMS盖片层（7）；3D电极层（4）积淀在ITO玻璃基底层（1），与ITO玻璃基底层（1）的ITO电极相连；PDMS盖片层（7）与ITO玻璃基底层（1）键合；
ITO玻璃基底层（1）包括第一ITO电极（2）和第二ITO电极（3）；第一ITO电极（2）和第二ITO电极（3）分别作为电源线和3D电极层（4）之间的导线；
3D电极层（4）包括第一3D电极（5）和第二3D电极（6），第一3D电极（5）连接第一ITO电极（2），第二3D电极（6）连接第二ITO电极（3）；
PDMS盖片层（7）上设置入口（8），第一出口（9）、第二出口（18）、第三出口（19），一级分离区域Ⅰ（10）、一级分离区域Ⅱ（13），二级分离区域Ⅰ（12）、二级分离区域Ⅱ（15），第一长方形通道（11）、第二长方形通道（14），一级通道（16）以及二级通道（17）；
入口（8）通过一级通道（16）连接第二出口（18）；第一出口（9）通过二级通道（17）连接第三出口（19）；
第一长方形通道（11）和第二长方形通道（14）并列连接在所述一级通道（16）和二级通道（17）之间；
一级分离区域Ⅰ（10）设置在第一长方形通道（11）与一级通道（16）的交汇处；一级分离区域Ⅱ（13）设置在第二长方形通道（14）与一级通道（16）的交汇处；二级分离区域Ⅰ（12）设置在第一长方形通道（11）与二级通道（17）的交汇处；二级分离区域Ⅱ（15）设置在第二长方形通道（14）与二级通道（17）的交汇处；二级分离区域Ⅰ（12）、二级分离区域Ⅱ（15）的孔宽小于一级分离区域Ⅰ（10）、一级分离区域Ⅱ（13）的孔宽。
2.根据权利要求1所述的基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置，其特征在于，所述第一长方形通道（11）和第二长方形通道（14）的大小相同。
3.根据权利要求1所述的基于直流偏置交流电场的微塑料颗粒分离装置，其特征在于，所述一级分离区域Ⅰ（10）和一级分离区域Ⅱ（13）的孔宽相同，所述二级分离区域Ⅰ（12）和二级分离区域Ⅱ（15）的孔宽相同。
4.一种基于权利要求1-3任意一项所述微塑料颗粒分离装置的微塑料颗粒分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将含有微塑料颗粒A、B、C的样品溶液放入离心管中进行离心处理，加入缓冲液搅拌摇匀，重复多次，得到微塑料颗粒悬浮液；
S2、使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口（8），注入微通道中，排净微通道中的空气；
S3、使用注射器抽入适量微塑料颗粒悬浮液，通过导管连接入口（8），注入微通道中，同时开启信号源，调节电压与频率，使微塑料颗粒A从第二出口（18）流出 ，微塑料颗粒C从第三出口（19）流出，微塑料颗粒B留在第一长方形通道（11）和第二长方形通道（14）中；
S4、关闭信号源，使用注射器抽入适量实验缓冲液，通过导管连接入口（8），注入微通道中，使留在第一长方形通道（11）和第二长方形通道（14）的微塑料颗粒B从第一出口（9）流出。
5.根据权利要求4所述的微塑料颗粒分离方法，所述微塑料颗粒B、C为同一种类，且B的粒径大于C的粒径，A与B、C的种类不同。
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