利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，其包括微流控芯片、設于微流控芯片依次排列的樣品入口、預對準通道、方向分流塊、分離通道、設于分離通道前端部的粒群分流塊、與樣品入口外側連通的樣品儲存室、對預對準通道產生糾偏聲場的第一超聲發(fā)生器、設于方向分流塊內的中央入口、對分離通道產生分離聲場的第二超聲發(fā)生器、與中央富集通道連通的中央出口、與側通道連通的側出口。加工微流控芯片形成空氣流道，利用超聲裝置對空氣流道特定區(qū)域產生聲場，形成聲動力對流經的空氣及其懸浮顆粒物的運動路徑進行干預，對空氣中特定聲動力性質的顆粒物進行分選富集。本發(fā)明還公開了一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法。
【專利說明】
利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置及其方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種懸浮顆粒物分選富集采樣技術，尤其涉及一種分選空氣懸浮顆粒物的裝置，以及分選空氣懸浮顆粒物的方法。
【背景技術】
[0002]懸浮顆粒物(Suspended Partieulate Matter，SPM)是小的不連續(xù)的固體或液體物質的混合物，可以非常細小的形式存在于空氣中?？諝鈶腋☆w粒物包括煙塵、薄霧、煙氣、塵埃、塵霧或飛沫，其來源有2種:一次顆粒物(Primary Particles)和二次顆粒物(Secondary Particles)。一次顆粒物為污染源中本身所含顆粒物;二次顆粒物為氣態(tài)污染物在大氣中經過冷凝或復雜的化學反應而生成的顆粒物。通常根據顆粒物的當量直徑來表征并劃分形狀不規(guī)則的顆粒物。顆粒物的當量直徑與其顆粒物的行為(如慣性、電子或磁場迀移力、光散射)和特性(如化學成分或元素濃度、代表性面積、容積與表面積比)有關。懸浮顆粒物粒徑范圍從幾納米(nm)到幾百微米(μπι)。根據當量直徑，懸浮顆粒物可以分為細顆粒物(Fine Particulate Matter)和粗顆粒物(Coarse Particulate Matter)，二者以I?2.5μπι為界，分界線具體值與相對濕度有關。從流行病學的資料可獲知懸浮顆粒物對人體健康影響克歸納為2大類:(I)成人的日死亡率和年死亡率增加，尤其是心肺病患者；(2)誘發(fā)心肺功能障礙，導致發(fā)病率增加，包括呼吸道系統(tǒng)疾病(如氣喘、咳嗽)、哮喘病發(fā)作、肺炎、支氣管炎和頑固性肺病(C0PD)。對于前者，美國一項連續(xù)8年的研究發(fā)現日死亡率的增加與ΡΜ10、ΡΜ2.5和硫酸鹽顆粒物濃度都顯著相關，其中同ΡΜ2.5的相關性最強。此外，醫(yī)院急診病人和就醫(yī)人數增加也都與大氣顆粒物暴露量相關。若從懸浮顆粒物的粒徑來看其對健康的危害，粒徑大于30μηι的顆粒物極少進入呼吸道，對人體危害較小;粒徑10?30μηι的懸浮顆粒物大部分被阻截在上呼吸道(鼻腔和咽喉部)，而小于1ym的顆粒物能穿過咽喉部進入下呼吸道，特別是粒徑小于5μπι的顆粒物能沉積在深部肺泡內，對人體的危害巨大。
[0003]目前，基于粒徑分離空氣中的顆粒物的主要方法有:(I)濾膜稱重法；(2)光散射法；(3)β射線法;(4)微量震蕩天平法，等。但是上述方法皆為粒徑范圍層面上的顆粒物分離方法，分離結果較為粗糙。暫時沒有針對某種特殊懸浮顆粒物分選富集的方法。
[0004]其中，(I)濾膜稱重法(重量法或者手工法)通過采樣器以恒定速率抽取一定量體積空氣，空氣中的顆粒物被節(jié)流在濾膜上，結合濾膜重量在采樣前后的變化和采樣空氣體積，計算出濃度。該方法為國家標準分析方法，它對細顆粒物的截留效率高，測量結果準確，是最直接、可靠的方法。濾膜稱重法為驗證其他測量方法的結果是否準確的參比。但是當氣流長時間不斷通過采樣濾膜時，濾膜上采集到的物質隨著氣流和溫度的變化會造成揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質的損失，同時一些極細小的顆粒還是能穿過濾膜造成結果偏低;相反，其他物質也可能被濾膜吸附，造成結果偏高；(2)光散射法由于在在實際過程中光的散射和顆粒物濃度之間的關系受到顆粒物的化學成分、形態(tài)、比重等因素的影響，因此光散射和顆粒物濃度之間的換算公式隨時隨地都在變，對于采用光散射原理的儀器需不斷用標準方法校正，因此該技術確定性不高；(3)β射線法的基本原理是利用堆積在適應濾膜上的顆粒物對碳-14釋放的β射線衰減量的變化測量大氣顆粒物質量的變化。環(huán)境空氣由采樣栗經切割器吸入采樣管，進過濾膜后排出，而顆粒物沉淀在條狀石英濾膜上，當β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時，β射線的強度發(fā)生衰減，通過對衰減量的測定計算出顆粒物的濃度。這一方法是基于2個假設，其一是儀器的石英采樣濾膜條帶均一，其二是采集下來的ΡΜ2.5粒子物理特性均一(即顆粒大小一致，顆粒成分一致，顆粒在過濾膜上的分布均勻等)，對β射線強度衰減率相同。而上述2點在現實條件下往往并不成立，因此測定數據一般被認為也存在偏差，且這種檢測方法在潮濕高溫區(qū)域故障率也很高；(4)微量震蕩天平法主要是利用錐形元件微量振蕩天平原理。設備中的空心錐形管保持往復振蕩的狀態(tài)，其振蕩頻率將隨著濾膜所收集的顆粒物的質量變化而變化。通過測量頻率的變化得到顆粒物的質量，結合樣品體積得到樣品的濃度。該技術的優(yōu)點是關系明確，缺點是目前的技術無法解決樣品加熱后揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質的損失，導致測量結果被認為偏低，從而出現失真。
[0005]上述4種方法除了上述所說的優(yōu)缺點外，還都不能對根據空氣中顆粒物尺寸、顆粒物的質量密度、可壓縮性等固有聲動力性質對空氣中的顆粒物進行分選富集，這對ΡΜ2.5的檢測和后續(xù)分析造成影響。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術不足，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種用于根據空氣中顆粒物尺寸、顆粒物的質量密度、可壓縮性等固有聲動力性質對空氣中的顆粒物進行有效分選富集的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置；以及對應對空氣中的顆粒物進行有效分選富集的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法。
[0007]為了克服現有技術不足，本發(fā)明采用的設備技術方案是:一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，其包括微流控芯片、設于微流控芯片的樣品入口、與樣品入口外側連通的樣品儲存室、與樣品入口內側連通的預對準通道、設于預對準通道外側對通道產生糾偏聲場的第一超聲發(fā)生器、設于預對準通道前端部將空氣流體分流為左右兩道側流道的V形的方向分流塊、設于方向分流塊內的中央入口、由左右側流道和中央入口匯流形成的分離通道、設于分離通道外側對分離通道產生分離聲場的第二超聲發(fā)生器、設于分離通道前端部將空氣流體分流為中央富集通道和左右側通道并與方向分流塊方向相反的V形的粒群分流塊、與中央富集通道連通并位于粒群分流塊中央位置的中央出口、與側通道連通的側出口。
[0008]作為本發(fā)明利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置的技術方案的一種改進，所述中央出口通過管道連接有第一注射器，所述側出口通過管道連接有第二注射器。
[0009]作為本發(fā)明利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置的技術方案的一種改進，所述第二超聲發(fā)生器包括壓電晶體和輸出脈沖電源控制壓電晶體的脈沖發(fā)生器。
[0010]為了克服現有技術不足，本發(fā)明采用的方法技術方案是:一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法，使用上述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，將待分選氣體灌注于樣品儲存室，通過微流控芯片的樣品入口進入預對準通道，使用第一超聲發(fā)生器對預對準通道的氣流產生糾偏聲場，在方向分流塊分成兩個側流道，同時在中間位置的中央入口引入清潔空氣，使兩組懸浮顆粒物分別在分離通道兩側以層流形式貼壁流動，通過第二超聲發(fā)生器對分離通道的氣流及其懸浮顆粒物產生分離聲場，控制分離聲場的能量，使目標顆粒物群偏向分離通道的中央出口方向，非目標懸浮顆粒物群偏向側出口；驅使樣品空氣流動完，然后取出目標顆粒物群進行用于檢驗。
[0011]作為本發(fā)明利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法的技術方案的一種改進，通過兩個注射器分別對中央出口和側出口同步抽吸使其產生負壓形成氣流。
[0012]作為本發(fā)明利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法的技術方案的一種改進，所述第二超聲發(fā)生器包括壓電晶體和輸出脈沖電源控制壓電晶體的脈沖發(fā)生器。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:使用硅、聚合物、玻璃等光滑且易于微細加工的材料，通過微細制造技術加工微流控芯片，形成空氣流道，利用超聲裝置對空氣流道特定區(qū)域產生聲場，形成聲動力對流經的空氣及其懸浮顆粒物的運動路徑進行干預。通過預對準通道形成定向流動，通過中央入口引入清潔空氣使空氣流體貼壁流動，然后通過特定頻率的超聲波輸送能量，根據顆粒物尺寸、顆粒物的質量密度、可壓縮性等固有聲動力性質，使用特定頻率的聲場的聲動力干預流動空氣中特定性質顆粒物的運動方向和路徑，并從中央出口流出，實現針對性地對空氣中特定聲動力性質的顆粒物進行分選富集。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置的實施例的結構示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明實施例中氣流通道的俯視結構示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明實施例中氣流通道的正向結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面對本發(fā)明的實施方式進行具體描述。
[0018]參考圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，其包括微流控芯片11、設于微流控芯片11的樣品入口 1、與樣品入口 I外側連通的樣品儲存室13、與樣品入口 I內側連通的預對準通道2、設于預對準通道2外側對通道產生糾偏聲場的第一超聲發(fā)生器9、設于預對準通道2前端部將空氣流體分流為左右兩道側流道的V形的方向分流塊3、設于方向分流塊內的中央入口 4、由左右側流道和中央入口 4匯流形成的分離通道5、設于分離通道5外側對分離通道產生分離聲場的第二超聲發(fā)生器10、設于分離通道5前端部將空氣流體分流為中央富集通道和左右側通道并與方向分流塊3方向相反的V形的粒群分流塊6、與中央富集通道連通并位于粒群分流塊中央位置的中央出口 7、與側通道連通的側出口 8。使用硅、聚合物、玻璃等光滑且易于微細加工的材料，通過微細制造技術加工微流控芯片，形成空氣流道，利用超聲裝置對空氣流道特定區(qū)域產生聲場，形成聲動力對流經的空氣及其懸浮顆粒物的運動路徑進行干預。通過預對準通道是空氣形成定向流動，并通過第一超聲發(fā)生器產生聲場形成聲壓對空氣流及其顆粒物進行干預，在V形方向分流塊前后進行分束流動，方向分流塊中部設置中央入口引入清潔空氣使束狀空氣流體貼壁流動，然后通過第二超聲發(fā)生器形成聲場和聲壓，產生特定頻率的超聲波輸送能量，根據顆粒物尺寸、顆粒物的質量密度、可壓縮性等固有聲動力性質，使用特定頻率的聲場的聲動力干預流動空氣中特定性質顆粒物的運動方向和路徑，并從特定出口流出，實現針對性地對空氣中特定聲動力性質的顆粒物進行分選富集。中央入口 4可以連通對接注射器而提供清潔空氣注入。
[0019]更佳地，所述中央出口 7通過管道連接有第一注射器15，所述側出口 8通過管道連接有第二注射器16，通過兩個注射器同步抽吸，產生負壓，驅使樣品儲存室內的樣品空氣被吸入微流控芯片中的氣流通道，形成氣流，實現對特定特性的懸浮顆粒物進行分選富集。
[0020]更佳地，所述第二超聲發(fā)生器10包括壓電晶體14和輸出脈沖電源控制壓電晶體的脈沖發(fā)生器12，控制第二超聲發(fā)生器10產生所需頻率的超聲波，在分離通道5形成聲場產生聲壓，對流經的氣體中的顆粒物進行針對性的推動，控制器運動路徑。
[0021]相應地，本發(fā)明的一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法，使用上述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，將待分選氣體灌注于樣品儲存室，通過微流控芯片的樣品入口進入預對準通道，使用第一超聲發(fā)生器對預對準通道的氣流產生糾偏聲場，在方向分流塊分成兩個側流道，同時在中間位置的中央入口引入清潔空氣，使兩組懸浮顆粒物分別在分離通道兩側以層流形式貼壁流動，通過第二超聲發(fā)生器對分離通道的氣流及其懸浮顆粒物產生分離聲場，控制分離聲場的能量，使目標顆粒物群偏向分離通道的中央出口方向，非目標懸浮顆粒物群偏向側出口；驅使樣品空氣流動完，然后取出目標顆粒物群進行用于檢驗。使用硅、聚合物、玻璃等光滑且易于微細加工的材料，通過微細制造技術加工微流控芯片，形成空氣流道，利用超聲裝置對空氣流道特定區(qū)域產生聲場，形成聲動力對流經的空氣及其懸浮顆粒物的運動路徑進行干預。分選富集過程中，通過預對準通道是空氣形成定向流動，并通過第一超聲發(fā)生器產生聲場形成聲壓對空氣流及其顆粒物進行干預，在V形方向分流塊前后進行分束流動，方向分流塊中部設置中央入口引入清潔空氣使束狀空氣流體貼壁流動，然后通過第二超聲發(fā)生器形成聲場和聲壓，產生特定頻率的超聲波輸送能量，根據顆粒物尺寸、顆粒物的質量密度、可壓縮性等固有聲動力性質，使用特定頻率的聲場的聲動力干預流動空氣中特定性質顆粒物的運動方向和路徑，并從特定出口流出，實現針對性地使對空氣中特定聲動力性質的顆粒物進行分選富集。
[0022]更佳地，通過兩個注射器分別對中央出口和側出口同步抽吸使其產生負壓形成氣流，通過兩個注射器同步抽吸，產生負壓，驅使樣品儲存室內的樣品空氣被吸入微流控芯片中的氣流通道，實現對特定特性的懸浮顆粒物進行分選富集。
[0023]更佳地，所述第二超聲發(fā)生器10包括壓電晶體14和輸出脈沖電源控制壓電晶體的脈沖發(fā)生器12，控制第二超聲發(fā)生器10產生所需頻率的超聲波，在分離通道5形成聲場產生聲壓，對流經的氣體中的顆粒物進行針對性的推動，控制器運動路徑。
[0024]舉例:分離聚苯乙烯微粒群。
[0025]聚苯乙烯微粒群由粒徑為5μπι和7μπι的兩種組成微?；旌蠞崈艨諝舛?，目標產物為粒徑為5μπι的顆粒物。系統(tǒng)設計中，預對準通道2(第一通道)的寬度wl=300ym，高度h=150ym，相應的超聲波頻率Π=5ΜΗζ。該種尺寸和頻率下的超聲振動產生三個聲壓節(jié)點。其中兩個在預對準通道2寬度方向上(沿y方向)，另一個聲壓節(jié)點在與預對準通道2寬度方向垂直的方向上(沿z方向)。該聲場使顆粒在流過預對準通道2中偏移。在預對準通道2尾部，顆粒群逐漸匯聚為兩道流束，并被升至距離預對準通道2底部h/2高度處(由圖3可以看出)。最后，顆粒群在中央入口 4兩側被一分為二后，進入分離通道5，并以層流形式貼壁流動。
[0026]在分離通道5中，通道寬度w2=375ym，相應的超聲波頻率f2=2MHz，高度同預對準通道2。該種尺寸和頻率下的超聲振動在分離通道5中央處產生一個聲壓節(jié)點。該聲壓力使經過預對準的顆粒群以某一速率對準中央節(jié)點。該速率取決于三個參數:顆粒尺寸，顆粒的質量密度和顆粒的可壓塑性。
[0027]最終，在中央出口7得含粒徑為5μπι的顆粒物氣體，側出口 8得含粒徑為7μπι的顆粒物氣體。
[0028]以上所揭露的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權利范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【主權項】
1.一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，其特征在于:包括微流控芯片、設于微流控芯片的樣品入口、與樣品入口外側連通的樣品儲存室、與樣品入口內側連通的預對準通道、設于預對準通道外側對通道產生糾偏聲場的第一超聲發(fā)生器、設于預對準通道前端部將空氣流體分流為左右兩道側流道的V形的方向分流塊、設于方向分流塊內的中央入口、由左右側流道和中央入口匯流形成的分離通道、設于分離通道外側對分離通道產生分離聲場的第二超聲發(fā)生器、設于分離通道前端部將空氣流體分流為中央富集通道和左右側通道并與方向分流塊方向相反的V形的粒群分流塊、與中央富集通道連通并位于粒群分流塊中央位置的中央出口、與側通道連通的側出口。2.根據權利要求1所述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，其特征在于:所述中央出口通過管道連接有第一注射器，所述側出口通過管道連接有第二注射器。3.根據權利要求1所述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，其特征在于:所述第二超聲發(fā)生器包括壓電晶體和輸出脈沖電源控制壓電晶體的脈沖發(fā)生器。4.一種利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法，其特征在于:使用權利要求1所述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的裝置，將待分選氣體灌注于樣品儲存室，通過微流控芯片的樣品入口進入預對準通道，使用第一超聲發(fā)生器對預對準通道的氣流產生糾偏聲場，在方向分流塊分成兩個側流道，同時在中間位置的中央入口引入清潔空氣，使兩組懸浮顆粒物分別在分離通道兩側以層流形式貼壁流動，通過第二超聲發(fā)生器對分離通道的氣流及其懸浮顆粒物產生分離聲場，控制分離聲場的能量，使目標顆粒物群偏向分離通道的中央出口方向，非目標懸浮顆粒物群偏向側出口；驅使樣品空氣流動完，然后取出目標顆粒物群進行用于檢驗。5.根據權利要求4所述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法，其特征在于:通過兩個注射器分別對中央出口和側出口同步抽吸使其產生負壓形成氣流。6.根據權利要求4所述的利用聲動力分選富集空氣懸浮顆粒物的方法，其特征在于:所述第二超聲發(fā)生器包括壓電晶體和輸出脈沖電源控制壓電晶體的脈沖發(fā)生器。
【文檔編號】G01N1/18GK105890926SQ201610198253
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】李志生, 文青梅, 張瑞麟
【申請人】李志生