气溶胶颗粒分选系统及方法与流程

1.本发明涉及气溶胶颗粒分选技术领域，具体地，涉及一种气溶胶颗粒分选系统及方法。


背景技术：

2.气溶胶，如烟、pm2.5(particulate matter2.5，空气中粒径小于等于2.5微米的颗粒)等，在对胶体里的颗粒进行分析时，往往需要复杂的流程，对气溶胶里的单颗粒不易捕捉，因此难以精确获得单个颗粒的特征，此时需要一种便捷高效对气溶胶里的同种或多种颗粒进行分选的方法，以分离捕获单个粒子，该过程称为气溶胶颗粒分选。
3.目前，使用的气溶胶颗粒分选方法，包括筛分法、沉降法、电泳法(dep，dielectrophoresis)等，但是，上述分选方法由于使用到的仪器复杂，价格昂贵，不适用于所有微纳颗粒等缺点，并不能很好的实现分选捕获，而且容易造成不必要的样品浪费，随着微纳颗粒在各个领域扮演着愈来愈重要的角色，对于气溶胶中的颗粒进行精确高效的分选成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种气溶胶颗粒分选系统及方法，以精确高效地对气溶胶颗粒进行分选，克服现有分选方法中存在的缺陷。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明的一个方面是提供一种气溶胶颗粒分选系统，包括：
7.驱动装置，用于将辅助气体和气溶胶样品以设定的速度比注入筛分装置中；
8.筛分装置，用于对气溶胶样品进行分选；
9.其中，所述筛分装置包括：
10.微流控芯片，至少具有相互交叉的两个通道，用于对注入的气溶胶样品进行分流；
11.芯片夹具，用于夹持所述微流控芯片；
12.收集腔，位于所述微流控芯片的下方，用于收集气溶胶样品内的颗粒；
13.通过驱动装置注入气溶胶样品和辅助气体，驱使所述气溶胶样品以单颗粒形式逐一通过所述微流控芯片内的第一通道，进入所述收集腔中。
14.优选地，所述驱动装置包括：第一驱动单元、第二驱动单元和温控单元，其中，所述第一驱动单元与所述温控单元连接，所述第一驱动单元通过进样管与所述微流控芯片的样品池连接，用于驱动所述气溶胶样品从所述第一通道的一端注入所述微流控芯片中，所述温控单元设置于所述微流控芯片的样品池处，用于控制所述气溶胶样品的温度，所述第二驱动单元用于驱动所述辅助气体从第一通道之外的通道注入所述微流控芯片中，其中，所述第一通道的另一端通过出样管与所述收集腔连接。
15.优选地，所述微流控芯片呈十字形，具有相互垂直的第一通道和第二通道。
16.优选地，所述驱动装置还包括第三驱动单元，所述第三驱动单元和所述第二驱动
单元驱动所述辅助气体分别从所述第二通道的两端注入所述微流控芯片中。
17.优选地，所述第一驱动单元、所述第二驱动单元和所述第三驱动单元均安装在所述芯片夹具的底端。
18.优选地，所述收集腔中内置有多个设定尺寸的微孔单元，多个微孔单元呈交错式阵列排布。
19.为了实现上述目的，本发明的另一个方面是提供一种气溶胶颗粒分选方法，包括以下步骤：
20.将微流控芯片安装在芯片夹具上，其中，所述微流控芯片至少具有相互交叉的两个通道；
21.通过驱动装置设定辅助气体和气溶胶样品注入的速度比；
22.以设定的速度比，将气溶胶样品从第一通道的一端注入微流控芯片，将辅助气体从第一通道之外的通道注入微流控芯片中，使得气溶胶样品以单颗粒形式逐一通过微流控芯片的第一通道，进入收集腔中。
23.优选地，将气溶胶样品注入微流控芯片之前，还包括：
24.通过温控单元对待注入的气溶胶样品加热，其中，所述温控单元设置于微流控芯片的样品池处。
25.优选地，还包括：通过收集腔中内置的多个设定尺寸的微孔单元对气溶胶颗粒进行分选收集。
26.优选地，将气溶胶样品和辅助气体注入微流控芯片之前，还包括：通入辅助气体对所述微流控芯片的内部进行清洗和导通。
27.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
28.本发明通过采用微流体聚焦，对气溶胶样品进行整形、加速，大幅度地提高分选效率；通过采用微孔阵列，使满足粒径大小的粒子通过，进一步的对粒子筛分，提高筛选精度。
29.本发明使用外在机械驱动与内部温控驱动，打破了驱动方式的单一性，通过使粒子内能增加，有效提高筛选率；
30.本发明采用内部温控系统，利用气体的可压缩性，气溶胶样品升温膨胀，达到对样品的稀释作用，简化操作流程。
31.本发明通过调整辅助气体与气溶胶样品气体的速度比，实现不同的颗粒聚焦宽度，适用粒径尺寸范围广。
附图说明
32.图1是本发明所述气溶胶颗粒分选系统的构成示意图；
33.图2是本发明中气溶胶样品和辅助气体注入微流控芯片的示意图；
34.图3是本发明中辅助气体与气溶胶样品速度比和聚焦宽度的关系图；
35.图4是本发明所述气溶胶颗粒分选方法的流程示意图。
具体实施方式
36.下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的
实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
37.图1是本发明所述气溶胶颗粒分选系统的构成示意图，如图1所示，所述气溶胶颗粒分选系统，包括：驱动装置和筛分装置，驱动装置用于将辅助气体和气溶胶样品以设定的速度比注入筛分装置中，辅助气体为不含杂质的洁净气体，且不与气溶胶样品中的颗粒发生化学反应，例如，纯净的稀有气体、氮气等；筛分装置用于对气溶胶样品进行分选；其中，所述筛分装置包括：微流控芯片2，至少具有相互交叉的两个通道，用于对注入的气溶胶样品进行分流、整形；芯片夹具3，用于夹持所述微流控芯片2；收集腔4，位于所述微流控芯片2的下方，用于收集气溶胶样品内的颗粒；如图2所示，通过驱动装置以设定的速度比注入辅助气体和气溶胶样品，驱使所述气溶胶样品以单颗粒形式逐一通过所述微流控芯片2内的第一通道21，进入所述收集腔4中。由于辅助气体与气溶胶样品气体不发生化学反应，将辅助气体与气溶胶样品气体均注入微流控芯片2中时，辅助气体将对气溶胶样品气体产生挤压作用，使得气溶胶样品的聚焦宽度(即气溶胶样品气体在第一通道21内的宽度)为待收集颗粒粒径的1～2倍时，从而使得气溶胶中的颗粒逐个、有序的经过微流控芯片2内的第一通道21，进入收集腔4中，实现气溶胶颗粒的分选。
38.本发明中使用微流控芯片2进行气溶胶颗粒的分选，具有样品用量少、结构简单、用时短等优势，可以很好的满足高效分选粒子的要求，尤其是，对于绝缘颗粒，可以将不具备特殊性质的颗粒分选出来；并且由于驱动装置对气溶胶样品和辅助气体的可控性，容易实现不同粒径大小的气溶胶颗粒分选，1nm至106nm大小粒径的粒子均可进行筛选捕获；当气溶胶中颗粒粒径大小种类多，利用微流控芯片2的易塑性，可以实现对多种尺寸颗粒的分选。
39.在一个实施例中，所述驱动装置包括：第一驱动单元12、第二驱动单元13和温控单元11，其中，所述第一驱动单元12与所述温控单元11连接，所述第一驱动单元12通过进样管与所述微流控芯片2的样品池连接，用于驱动所述气溶胶样品从所述第一通道21的一端注入所述微流控芯片2中，所述温控单元11设置于所述微流控芯片2的样品池处，用于控制所述气溶胶样品的温度，为气溶胶样品提供内能，所述第二驱动单元13用于驱动所述辅助气体从第一通道21之外的通道注入所述微流控芯片2中，其中，所述第一通道21的另一端通过出样管与所述收集腔4连接。温控单元11设置于微流控芯片2的内部，具体地，设置在微流控芯片2的样品池处，温控单元11可以是小型的集成智能控制器，将气溶胶样品的温度控制在45℃左右，气溶胶样品在微流控芯片2的入口处经过加热，由于气体的可压缩性，气溶胶样品会发生膨胀，从而完成对样品气体的稀释，由于进样口体积和加热温度均有限，一般能够实现1～2倍的稀释。同时加热的热能为气溶胶样品颗粒注入微流控芯片2提供动力，使得气溶胶颗粒粒子具有动能，与外在的第一驱动单元12可以共同驱使气溶胶样品注入微流控芯片2中，打破了驱动方式的单一性，通过使粒子内能增加，有效地提高分选效率。并且，温控单元11设置于微流控芯片2的样品池处，通过升温膨胀达到稀释样品的作用，简化了操作流程。
40.如图2所示，所述微流控芯片2呈十字形，具有相互垂直的第一通道21和第二通道22。其中，第一通道21为气溶胶样品的主流通通道，第一通道21的一端通过进样管与样品池连接，另一端通过出样管与收集腔4连接；第二通道22与第一通道21垂直，第二通道22的两
端均用于注入辅助气体，从第二通道22的两端注入的辅助气体，向第一通道21的方向流动，并对第一通道21内的气溶胶样品产生挤压作用，使得气溶胶样品进入微流控芯片2后，由原来的入口宽度逐渐变窄，通过设定速度比，使得气溶胶颗粒以单颗粒形式，逐一、有序地经过第一通道21进入收集腔4中。
41.第二驱动单元13可以同时驱动辅助气体从第二通道22的两端进入微流控芯片2，可选地，所述驱动装置还包括第三驱动单元14，所述第三驱动单元14和所述第二驱动单元13驱动所述辅助气体分别从所述第二通道22的两端注入所述微流控芯片2中。
42.在一个可选的实施例中，所述第一驱动单元12、所述第二驱动单元13和所述第三驱动单元14均安装在所述芯片夹具3的底端，例如，可通过夹具底座嵌入结构安装为一体，简化装置构造。
43.需要说明的是，第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14为外部的机械驱动气体装置，精度在0.01ul/s，可以是注射泵、气泵等。通过驱动装置设定辅助气体和气溶胶样品的速度比时，可通过设定第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14的参数实现，例如，注射泵的设定参数包括流速大小、时长、注射器尺寸等，气泵的设定参数包括：气压、时长等。图3是本发明中辅助气体与气溶胶样品速度比和聚焦宽度的关系图，如图3所示，以气溶胶样品密度为1.03g/cm3为例，速度比(鞘样速度比)与聚焦宽度为一一对应的关系，通过设定速度比，可以调整聚焦宽度的大小，使得聚焦宽度为待筛选颗粒粒径的1～2倍，只能容纳一个颗粒，使得单个颗粒可以逐一通过聚焦区后(聚焦区为经过辅助气体挤压后形成的气溶胶样品流通区域)，进入收集腔4中。其中，聚焦宽度指的是气溶胶样品在第一通道21中的流经宽度，具体地是，在气溶胶样品和辅助气体在微流控芯片2的十字交叉处交汇后，经辅助气体挤压后，形成的气溶胶样品的通道宽度。
44.本发明中，可通过以下方式确定气溶胶颗粒是以单颗粒形式逐一通过第一通道21进入收集腔4中，具体地，包括：由于粒子群和单个颗粒的信号特征是不同的，因此，可通过集成的光学探测系统显示相应的颗粒信号实现；或者，通过集成的光学显微镜直接观察得到。而当聚焦宽度为待筛选颗粒粒径的1～2倍时，即可保证气溶胶样品是以单颗粒形式逐一有序地通过的。
45.在一个实施例中，所述收集腔4中内置有多个设定尺寸的微孔单元41，多个微孔单元41呈交错式阵列排布，只有满足设定尺寸大小的粒子才能通过，进入到收集腔4，实现进一步精确筛选，完成气溶胶颗粒的分选捕获过程。其中，微孔单元41为圆孔网状或圆柱柱状的微孔结构，对气溶胶样品颗粒起到进一步地筛选、收集作用。
46.图4是本发明所述气溶胶颗粒分选方法的流程示意图，如图4所示，本发明所述气溶胶颗粒分选方法，包括以下步骤：
47.步骤s1，将微流控芯片2安装在芯片夹具3上，其中，所述微流控芯片2至少具有相互交叉的两个通道，关于芯片夹具3的具体结构，本发明中不做具体限定，微流控芯片2的通道中，其中的第一通道21作为气溶胶样品的主流经通道，其他通道作为辅助气体的通道；
48.步骤s2，通过驱动装置设定辅助气体和气溶胶样品注入的速度比，其中，速度比的设定以使得气溶胶样品在第一通道21中的流经宽度为待筛选颗粒粒径的1～2倍为准；
49.步骤s3，以设定的速度比，将气溶胶样品从第一通道21的一端注入微流控芯片2，将辅助气体从第一通道21之外的通道注入微流控芯片2中，使得气溶胶样品以单颗粒形式
逐一通过微流控芯片2的第一通道21，进入收集腔4中。
50.需要说明的是，不同的速度比对应不同的聚焦宽度，从而可以实现对不同粒径大小的颗粒筛选，样品范围广。在对同一气溶胶样品中的多种不同尺寸的颗粒进行筛选时，可以按照待筛选颗粒粒径从小到大的顺序，依次设定不同的速度比，使得粒径较小的颗粒先通过第一通道21中的聚焦区，其次是粒径较大的一些颗粒，从而依次筛选出不同粒径大小的气溶胶颗粒。
51.在一个实施例中，驱动装置包括：第一驱动单元12和第二驱动单元13，其中，通过驱动装置设定辅助气体和气溶胶样品注入的速度比，包括：通过第一驱动单元12设置所述气溶胶样品从所述第一通道21的一端注入所述微流控芯片2的速度，通过第二驱动单元13设定辅助气体从第一通道21之外的通道注入所述微流控芯片2中的速度，其中，所述第一通道21的另一端通过出样管与所述收集腔4连接。
52.当微流控芯片2呈十字形时，具有相互垂直的第一通道21和第二通道22。其中，第一通道21为气溶胶样品的主流通通道，第一通道21的一端通过进样管与样品池连接，另一端通过出样管与收集腔4连接；第二通道22与第一通道21垂直，第二通道22的两端均用于注入辅助气体，从第二通道22的两端注入的辅助气体，向第一通道21的方向流动，并对第一通道21内的气溶胶样品产生挤压作用。第二驱动单元13可以同时驱动辅助气体从第二通道22的两端进入微流控芯片2，可选地，所述驱动装置还包括第三驱动单元14，通过所述第三驱动单元14和所述第二驱动单元13驱动所述辅助气体分别从所述第二通道22的两端注入所述微流控芯片2中。
53.需要说明的是，第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14为外部的机械驱动气体装置，精度在0.01ul/s，可以是注射泵、气泵等。通过驱动装置设定辅助气体和气溶胶样品的速度比时，可通过设定第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14的参数实现，例如，注射泵的设定参数包括流速大小、时长、注射器尺寸等，气泵的设定参数包括：气压、时长等。
54.在一个实施例中，所述驱动装置还包括温控单元11，将气溶胶样品注入微流控芯片2之前，所述分选方法还包括：通过温控单元11对待注入的气溶胶样品加热，其中，所述温控单元11设置于微流控芯片2的样品池处。温控单元11设置于微流控芯片2的内部，具体地，设置在微流控芯片2的样品池处，温控单元11可以是小型的集成智能控制器，将气溶胶样品的温度控制在45℃左右，气溶胶样品在微流控芯片2的入口处经过加热，由于气体的可压缩性，气溶胶样品会发生膨胀，从而完成对样品气体的稀释，由于进样口体积和加热温度均有限，一般能够实现1～2倍的稀释。同时加热的热能为气溶胶样品颗粒注入微流控芯片2提供动力，使得气溶胶颗粒粒子具有动能，与外在的第一驱动单元12可以共同驱使气溶胶样品注入微流控芯片2中，打破了驱动方式的单一性，通过使粒子内能增加，有效地提高分选效率。并且，温控单元11设置于微流控芯片2的样品池处，通过升温膨胀达到稀释样品的作用，简化了操作流程。
55.在一个实施例中，所述分选方法还包括：通过收集腔4中内置的多个设定尺寸的微孔单元41对气溶胶颗粒进行分选收集。其中，多个微孔单元41呈交错式阵列排布，只有满足设定尺寸大小的粒子才能通过，进入到收集腔4，实现进一步精确筛选，完成气溶胶颗粒的分选捕获过程。其中，微孔单元41为圆孔状或圆柱状的微孔结构，对气溶胶样品颗粒起到进
一步地筛选作用。
56.在一个实施例中，将气溶胶样品和辅助气体注入微流控芯片2之前，还包括：通入辅助气体对所述微流控芯片2的内部进行清洗和导通。
57.下面以微流控芯片2为十字形微流控芯片2为例，对气溶胶颗粒分选流程进行详细说明。
58.首先，将微流控芯片2安装在芯片夹具3上，并将第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14安装在芯片夹具3的底座上，可通过夹具底座嵌入结构安装一体，并将温控单元11安装在微流控芯片2的样品池处；
59.然后，根据待筛选的颗粒粒径，设置第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14的参数，从而设定辅助气体和气溶胶样品注入微流控芯片2的速度比，控制气溶胶样品在第一通道21内的聚焦宽度，使得聚焦宽度为待筛选的颗粒粒径的1～2倍。
60.然后，通入洁净的辅助气体进行微流控芯片2内部结构的清洗和导通。
61.然后，开启温控单元11，通入气溶胶样品，控制气溶胶样品的温度在45℃左右，使得气溶胶样品升温膨胀；
62.最后，开启第一驱动单元12、第二驱动单元13和第三驱动单元14，驱使气溶胶样品从第一通道21的一端注入微流控芯片2中，辅助气体分别从第二通道22的两端注入微流控芯片2中，通过辅助气体的挤压作用，在第一通道21内形成一定聚焦宽度的气溶胶样品流通区，使得满足粒径大小的颗粒经过聚焦区后，进入收集腔4中，完成气溶胶颗粒的分选。
63.本发明的气溶胶颗粒分选系统和分选方法，适用于气溶胶颗粒分选及其相关领域，通过对辅助气体和气溶胶样品的速度比设置来实现控制聚焦宽度按，可针对包含一种或多种颗粒的气溶胶的粒子分选要求，样品范围广，同时由于微流体的聚焦作用，会使得气溶胶样品迅速通过微流控芯片2，最后进入微孔单元41中进行进一步地筛选，大幅度的提高分选效率、提高分选精度、降低设备复杂性、简化操作流程。
64.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。