基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置，包括氣路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)采用溫度控制系統(tǒng)，氣體檢測(cè)系統(tǒng)采用光離子化檢測(cè)器，其特征在于該檢測(cè)裝置還包括進(jìn)樣系統(tǒng)和氣體分離系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)通過(guò)左、右連接件分別與氣路系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)一側(cè)相連，氣體分離系統(tǒng)下部設(shè)有控制系統(tǒng)，氣體分離系統(tǒng)另一側(cè)與氣體檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)依次連接；所述氣體分離系統(tǒng)采用微通道內(nèi)涂覆有固定相的微流控芯片；所述進(jìn)樣系統(tǒng)包括樣氣入口、連接件、定量管、三通閥、兩通閥和隔膜泵。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確有效的控制氣路壓力、流量穩(wěn)定，檢測(cè)精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)多組分氣體的充分分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多組分氣體的定性定量分析。
【專利說(shuō)明】基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種惡臭氣體檢測(cè)系統(tǒng)，尤其是涉及基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]惡臭污染是空氣污染中一種特殊的污染，它對(duì)人體的嗅覺(jué)器官產(chǎn)生刺激，并對(duì)人的心理廣生影響。惡臭氣體是所有有異味的氣體的總稱，關(guān)于惡臭氣體的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義為(GB14554-93):一切刺激嗅覺(jué)器官引起人們不愉快及損壞生活環(huán)境的氣體物質(zhì)。高濃度惡臭污染甚至?xí){人類生命健康，因此加強(qiáng)對(duì)大氣中惡臭氣體檢測(cè)關(guān)系著人民的身體健康，同時(shí)也是監(jiān)測(cè)環(huán)境污染的一項(xiàng)有效措施。
[0003]眾所周知，氣相法應(yīng)用廣泛，其分離原理就是利用可分離的諸組分在流動(dòng)相(載氣)和固定相兩相間的分配有差異(即有不同的分配系數(shù)、吸附系數(shù)或滲透系數(shù))完成各樣品組分的 分離，當(dāng)兩相做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些組分在兩相間的分配反復(fù)進(jìn)行，從幾千次到數(shù)百萬(wàn)次，即使組分的分配系數(shù)只有微小的差異，隨著流動(dòng)相的移動(dòng)可以有明顯的差距，最后使這些組分得到分離。目前傳統(tǒng)的儀器分離系統(tǒng)通常使用毛細(xì)色譜柱，柱長(zhǎng)一般在20-50m范圍之內(nèi)，使得分離系統(tǒng)部分尺寸過(guò)大，為保證所需溫度，加熱裝置尺寸也很大，最終儀器尺寸偏大，具有功耗高、難以實(shí)現(xiàn)在線或便攜形式等缺點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)便攜化的目標(biāo)，檢測(cè)裝置的進(jìn)一步微型化、集成化勢(shì)在必行。
[0004]微流控分析系統(tǒng)通過(guò)在微米級(jí)通道與結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)微型化，具有高效率、低能耗、高通量、易集成等優(yōu)點(diǎn)。隨著對(duì)微流控芯片應(yīng)用研究的不斷深入，微流控芯片的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前其應(yīng)用主要集中在藥物分析與篩選及疾病檢測(cè)、人類基因組計(jì)劃等生物醫(yī)藥領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用還不太成熟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確有效的控制氣路壓力、流量穩(wěn)定，檢測(cè)精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)多組分氣體的充分分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多組分氣體的定性定量分析。
[0006]本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置包括氣路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系，所述控制系統(tǒng)采用溫度控制系統(tǒng)，氣體檢測(cè)系統(tǒng)采用光離子化檢測(cè)器，其特征在于該檢測(cè)裝置還包括進(jìn)樣系統(tǒng)和氣體分離系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)通過(guò)左、右連接件分別與氣路系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)一側(cè)相連，氣體分離系統(tǒng)下部設(shè)有控制系統(tǒng)，氣體分離系統(tǒng)另一側(cè)與氣體檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)依次連接；所述氣體分離系統(tǒng)采用微通道內(nèi)涂覆有固定相的微流控芯片；所述進(jìn)樣系統(tǒng)包括樣氣入口、連接件、定量管、三通閥、兩通閥和隔膜泵，其中氣路系統(tǒng)、兩通閥一端及左邊三通閥的下面一路通過(guò)左邊連接件相連，樣氣入口與左邊三通閥的上面一路相連，左邊三通閥的中間一路與定量管一端相連；定量管另一端與右邊三通閥中間一路相連，右邊三通閥上面一路與隔膜泵相連，右邊三通閥下面一路、兩通閥另一端及微流控芯片通過(guò)右邊連接件相連。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明氣體分離系統(tǒng)采用微流控芯片，實(shí)現(xiàn)了不同種類氣體的分離，同時(shí)還提高了檢測(cè)裝置的效率，降低了樣氣的消耗量，從而實(shí)現(xiàn)了多集成化。進(jìn)樣系統(tǒng)可自動(dòng)完成采樣、進(jìn)樣等過(guò)程，簡(jiǎn)單方便。采用光離子化檢測(cè)器(PID)實(shí)現(xiàn)了氣體組分的定量分析，同時(shí)在不破壞氣體的情況下，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了檢測(cè)裝置的靈敏度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)組成示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置一種實(shí)施例丁烷與乙醇混合氣體的檢測(cè)結(jié)果示意圖；
[0010]圖3為本發(fā)明基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置一種實(shí)施例甲苯的檢測(cè)結(jié)果示意圖；
[0011]圖1中，1.氣路系統(tǒng)，IL載氣瓶，12.空氣過(guò)濾器，13.減壓閥，14.壓力傳感器；
2.進(jìn)樣系統(tǒng)，21.樣氣入口，22.連接件，23.定量管，24.三通閥，25.兩通閥，26.隔膜泵；
3.氣體分離系統(tǒng)，31.微流控芯片，32.固定相；4.控制系統(tǒng)，41.加熱裝置，42.溫度傳感器；5.氣體檢測(cè)系統(tǒng)，51.光離子化檢測(cè)器；6.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖進(jìn)一步介紹本發(fā)明。下述實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明及解釋，并不以此限定本申請(qǐng)權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0013]本發(fā)明基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置(簡(jiǎn)稱檢測(cè)裝置，參見(jiàn)圖1)包括氣路系統(tǒng)1、進(jìn)樣系統(tǒng)2、氣體分離系統(tǒng)3、控制系統(tǒng)4、氣體檢測(cè)系統(tǒng)5及數(shù)據(jù)處理系6，所述控制系統(tǒng)4采用溫度控制系統(tǒng)，氣體檢測(cè)系統(tǒng)5采用光離子化檢測(cè)器，進(jìn)樣系統(tǒng)2通過(guò)左、右連接件22分別與氣路系統(tǒng)1、氣體分離系統(tǒng)3 —側(cè)相連，氣體分離系統(tǒng)下部設(shè)有控制系統(tǒng)4，氣體分離系統(tǒng)另一側(cè)與氣體檢測(cè)系統(tǒng)5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6依次連接；所述氣體分離系統(tǒng)3采用微通道內(nèi)涂覆有固定相32的微流控芯片31 ;所述進(jìn)樣系統(tǒng)2包括樣氣入口 21、連接件22、定量管23、三通閥24、兩通閥和25隔膜泵26，其中氣路系統(tǒng)1、兩通閥25—端及左邊三通閥24的下面一路通過(guò)左邊連接件22相連，樣氣入口 21與左邊三通閥24的上面一路相連，左邊三通閥的中間一路與定量管23—端相連；定量管另一端與右邊三通閥24中間一路相連，右邊三通閥24上面一路與隔膜泵26相連，右邊三通閥24下面一路、兩通閥25另一端及微流控芯片31通過(guò)右邊連接件22相連。
[0014]本發(fā)明檢測(cè)裝置的進(jìn)一步特征在于所述氣路系統(tǒng)包括壓力傳感器；所述溫度控制系統(tǒng)包括加熱部件和溫度傳感器，溫度傳感器位于加熱部件的底部，可控制加熱部件的加熱溫度；所述光離子化檢測(cè)器采用10.6eV、8.3eV或11.7eV電離能的紫外燈。
[0015]本發(fā)明檢測(cè)裝置氣路系統(tǒng)I包括載氣瓶11，空氣過(guò)濾器12，減壓閥13和壓力傳感器14，減壓閥13安裝在載氣瓶11的出口，空氣過(guò)濾器12與減壓閥13均與壓力傳感器14相連。工作時(shí)氣路系統(tǒng)I可允許載氣在一定的壓力、流量下，穩(wěn)定地控制其流入和流出，通過(guò)減壓閥13和壓力傳感器14可有效控制載氣的穩(wěn)定性，進(jìn)而可保證檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。將減壓閥13安裝在載氣瓶11上，可將高壓氣體調(diào)節(jié)到較小的工作范圍內(nèi)，使載氣以恒定的氣體流量流入氣路系統(tǒng)。
[0016]本發(fā)明檢測(cè)裝置可以選用氮?dú)饣蚩諝庾鳛橄到y(tǒng)的載氣，工作時(shí)可根據(jù)用戶自行設(shè)置選擇其中一路載氣。常用的載氣有氮?dú)?、氦氣、氫氣等，氮?dú)獾南鄬?duì)分子質(zhì)量相對(duì)氫氣而言較大，擴(kuò)散系數(shù)小，柱效比較高，因此選用高純氮?dú)?純度大于99.99%)作為載氣，特殊情況也可以根據(jù)樣氣的種類選擇適合的載氣。
[0017]本發(fā)明檢測(cè)裝置的進(jìn)樣系統(tǒng)2包括樣氣入口 21，連接件22，定量管23，三通閥24 (兩進(jìn)一出式)，兩通閥25 (—進(jìn)一出式)，隔膜泵26，工作時(shí)載氣經(jīng)過(guò)兩通閥25這一路進(jìn)入氣體分離系統(tǒng)3，樣氣在隔膜泵26抽動(dòng)下由樣氣入口 21經(jīng)左邊三通閥24上面一路(下面一路處于關(guān)閉狀態(tài))進(jìn)入定量管23 ;樣氣采集并存儲(chǔ)在定量管23內(nèi)后，通過(guò)程序控制左邊三通閥24更改狀態(tài)使得上面一路關(guān)閉，下面一路開(kāi)通，兩通閥25關(guān)閉，完成自動(dòng)切換氣路，隨后載氣經(jīng)過(guò)左邊三通閥24下面一路進(jìn)入定量管，不斷將樣氣帶入分離系統(tǒng)。進(jìn)樣系統(tǒng)2為自動(dòng)進(jìn)樣器，可自動(dòng)完成采樣、進(jìn)樣等過(guò)程，簡(jiǎn)單方便。
[0018]本發(fā)明檢測(cè)裝置的氣體分離系統(tǒng)3設(shè)有微流控芯片31，在微流控芯片31中存在有內(nèi)徑極細(xì)的微通道，在其微通道內(nèi)涂覆有固定相32。載氣帶動(dòng)樣氣進(jìn)入微流控芯片31的微通道，根據(jù)塔板理論，樣氣中不同組分與固定相32間的作用力類型及其強(qiáng)度不同，使得各不同組分在固定相32中的保留時(shí)間不同，因而離開(kāi)微流控芯片31的時(shí)間不同，可實(shí)現(xiàn)不同氣體成分在微流控芯片31中進(jìn)行分離，分離后的氣體依次進(jìn)入氣體檢測(cè)系統(tǒng)5。在實(shí)現(xiàn)不同種類氣體分離的同時(shí)，提高了檢測(cè)裝置的效率，降低了樣氣的消耗量，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多集成化。微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微，當(dāng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)后芯片成本可望大幅度降低，而有利于普及。
[0019]本發(fā)明檢測(cè)裝置的氣體檢測(cè)系統(tǒng)5采用光離子化檢測(cè)器(PID) 51，經(jīng)氣體分離系統(tǒng)3分離后的不同組分的化合物進(jìn)入光離子化檢測(cè)器的氣室，由紫外燈進(jìn)行照射電離，產(chǎn)生正離子和自由電子，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6由電路采集后形成電壓信號(hào)，對(duì)不同電壓信號(hào)輸出，即可輸出相應(yīng)的色譜圖或數(shù)據(jù)結(jié)果。
[0020]本發(fā)明檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)4采用溫度控制系統(tǒng)，包括加熱部件41和溫度傳感器42，其中加熱部件41可根據(jù)溫度傳感器42探測(cè)到的實(shí)際溫度來(lái)調(diào)節(jié)微流控芯片及氣體檢測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境溫度，進(jìn)而將微流控芯片31及氣體檢測(cè)系統(tǒng)5的環(huán)境溫度保持在所需的穩(wěn)定溫度，最終保證了整個(gè)檢測(cè)裝置的正常運(yùn)行。
[0021]本發(fā)明檢測(cè)裝置的檢測(cè)工藝過(guò)程為:檢測(cè)時(shí)，先選擇一種載氣空氣或氮?dú)猓馆d氣經(jīng)過(guò)兩通閥25進(jìn)入氣體分離系統(tǒng)3吹掃一段時(shí)間，然后在隔膜泵26的抽動(dòng)下使樣氣由樣氣入口 21經(jīng)左邊三通閥24上面一路(下面一路處于關(guān)閉狀態(tài))進(jìn)入定量管23，樣氣采集并存儲(chǔ)在定量管23內(nèi)，定量管的樣氣容量為100 μ L-500 μ L ;然后通過(guò)程序控制左邊三通閥24更改狀態(tài)使其上面一路關(guān)閉，下面一路開(kāi)通，兩通閥25關(guān)閉，完成自動(dòng)切換氣路。隨后載氣經(jīng)過(guò)左邊三通閥24下面一路進(jìn)入定量管23，使樣氣在載氣的帶動(dòng)下不斷進(jìn)入氣體分離系統(tǒng)3。在氣體分離系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)不同氣體成分在微流控芯片31中進(jìn)行分離，分離后的氣體依次進(jìn)入氣體檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其樣氣的定量、定性分析同時(shí)輸出其色譜圖，最終完成整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。[0022]本發(fā)明檢測(cè)裝置利用色譜技術(shù)構(gòu)造微流控芯片進(jìn)行氣體分離，采用光離子化檢測(cè)器檢測(cè)分離后的各種惡臭氣體，根據(jù)不同的氣體性質(zhì)及種類，可選擇適當(dāng)離子電離能的紫外燈。在計(jì)算機(jī)控制下對(duì)檢測(cè)溫度、進(jìn)氣閥、進(jìn)氣壓力等實(shí)現(xiàn)控制，并進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的采集，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算分析，以色譜圖或數(shù)據(jù)的形式給出被檢測(cè)氣體的定性定量結(jié)果。
[0023]本發(fā)明可適用于檢測(cè)的惡臭氣體包括氨、三甲胺、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳、苯乙烯、二氧化硫、氯氣、苯、甲苯、二甲苯、甲醛、丙酮、苯酚、乙醛等。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例利用上述檢測(cè)裝置，采用氮?dú)庾鳛檩d氣，溫度控制在50°C，載氣流量為20ml/min，光離子化檢測(cè)器采用電離能為10.6eV的紫外燈，能快速分離丁烷與乙醇的混合氣體，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的匹配迅速確定樣氣種類，并定量分析出樣氣各組分的含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)5次重復(fù)進(jìn)樣后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明本發(fā)明檢測(cè)裝置的復(fù)現(xiàn)性好、數(shù)據(jù)可
靠性高。
[0026]實(shí)施例2
[0027]本實(shí)施例利用上述檢測(cè)裝置，采用空氣作為載氣，溫度控制在65°C，載氣流量為15ml/min，光離子化檢測(cè)器采用電離能為10.6eV的紫外燈，能快速檢測(cè)甲苯氣體，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的迅速匹配對(duì)樣氣進(jìn)行定性、定量分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖3。經(jīng)過(guò)多次進(jìn)樣，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持基本一致，說(shuō)明本發(fā)明檢測(cè)裝置的復(fù)現(xiàn)性好、檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。
[0028]本發(fā)明檢測(cè)裝置不僅實(shí)現(xiàn)了氣體組分定量分析，同時(shí)在不破壞氣體的情況下，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)，提高了其靈敏度。本發(fā)明采用微流控芯片技術(shù)，將分離系統(tǒng)集中在一塊尺寸很小的特殊制造的芯片上，不僅減小分離系統(tǒng)的尺寸，而且減小了加熱裝置的尺寸，其次更方便對(duì)分離系統(tǒng)溫度、壓力等參數(shù)值的控制，分離溫度較低且溫度更均勻，縮短了分離時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。
[0029]本發(fā)明檢測(cè)裝置所涉及的元器件及相關(guān)軟件可通過(guò)商購(gòu)以及常規(guī)加工得到，未述及的元器件及其連接方法均是本【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員所掌握的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置，包括氣路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)采用溫度控制系統(tǒng)，氣體檢測(cè)系統(tǒng)采用光離子化檢測(cè)器，其特征在于該檢測(cè)裝置還包括進(jìn)樣系統(tǒng)和氣體分離系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)通過(guò)左、右連接件分別與氣路系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)一側(cè)相連，氣體分離系統(tǒng)下部設(shè)有控制系統(tǒng)，氣體分離系統(tǒng)另一側(cè)與氣體檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)依次連接；所述氣體分離系統(tǒng)采用微通道內(nèi)涂覆有固定相的微流控芯片；所述進(jìn)樣系統(tǒng)包括樣氣入口、連接件、定量管、三通閥、兩通閥和隔膜泵，其中氣路系統(tǒng)、兩通閥一端及左邊三通閥的下面一路通過(guò)左邊連接件相連，樣氣入口與左邊三通閥的上面一路相連，左邊三通閥的中間一路與定量管一端相連；定量管另一端與右邊三通閥中間一路相連，右邊三通閥上面一路與隔膜泵相連，右邊三通閥下面一路、兩通閥另一端及微流控芯片通過(guò)右邊連接件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述氣路系統(tǒng)包括壓力傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述溫度控制系統(tǒng)包括加熱部件和溫度傳感器，溫度傳感器位于加熱部件的底部，可控制加熱部件的加熱溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微流控芯片的惡臭氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述光離子化檢測(cè)器采用10.6eV、8.3eV或11.7eV電離能的紫外燈。
【文檔編號(hào)】G01N30/88GK103940939SQ201410167748
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】張思祥, 張旭, 周圍, 楊新穎, 侯曉瑋, 李海, 古立鎖, 張文強(qiáng), 高涵 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)