一种基于微通道内液体拉力效应的颗粒分离装置的制作方法

本实用新型涉及液体中不同尺寸固体颗粒分离技术领域，具体说是涉及一种基于微通道内液体拉力效应的颗粒分离装置。

背景技术：

实现液体中不同尺寸颗粒的分离具有十分重要的意义。以润滑油为例，润滑液体作为工业“血液”被广泛应用到动力机械设备中，实际上润滑液体中包含大量污染物，其中以固体污染物的危害最为严重。固体颗粒物的硬度较高，容易造成机械设备运动部件的磨损；同时这些固体颗粒带有动力机械设备摩擦副工作状态的丰富信息，因此通过区分不同尺寸固体颗粒物，能够为评价机械设备的工作状态以及预测该机械设备的故障状态提供有力参考。为了保证机械设备的安全运行，降低维修成本，针对运行状态进行实时检测成为机械设备状态检测必不可少的环节，对润滑油进行检测是其中非常重要的一部分。

目前常用的不同尺寸颗粒分离技术，根据工作原理的不同可分为以下几类：

1)离心法：对于离心分离方法来说，为了达到所需的分离效果，所有的流体系统必须处于运动的状态。这种要求在某些情况下是无法达到的，同时也会给检测和分析系统运行工作带来额外的困难。

2)动力学法：对于动力学分离方法来说，固定障碍物的几何形状将决定系统的分离效率。而对于那些需要改变分离参数的情况，这将会极大地限制这种方法的使用。

3)介电电泳法：对于介电电泳分离方法来说，系统需要构造非常复杂的芯片，而且很难收集分离的颗粒。

4)磁选分法：对于磁分选分离方法来说，颗粒必须是铁磁性颗粒，这对分离的颗粒范围会造成很大的限制。

5)声学法：对于声学的分离方法来说，考虑到声力与粒子半径的立方成正比，这种方法一般不适合小颗粒。

上述方法均存在着供能需求大、试剂用量多、分离时间长、分离费用高等不足之处，具有较大的局限性，不能完全满足目前颗粒分离领域低成本、快速、简便的检测要求。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是要提供一种成本低廉、结构简单、可快速地进行在线分离、领域内推广性强的针对液体中不同尺寸颗粒的分离装置，从而为液体的分析提供参考，实现液体在线检测。

为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种基于微通道内液体拉力效应的颗粒分离装置，其包括微流控芯片、控制模块和空气注入元件，其特征在于：

所述微流控芯片包括其上凹刻有N条依次首尾相接的分离通道的微流控芯片主体以及与所述微流控芯片主体相互配合以构成液体流道的基板，其中N≧2；并在第一条分离通道的起始端设置进液孔，第N条分离通道的末端设置废液孔，并使得两首尾相接的分离通道通过交界孔相接且在该交界孔所对应的后一分离通道上设置用以控制该分离通道通断的通道控制元件；

所述控制模块分别与设置在各分离通道上的各通道控制元件连接，以依据需要控制相应的通道控制元件实现各分离通道通断的控制过程；

所述空气注入元件与所述进液孔连通，以依据所设定的速度向进液孔中推入空气。

进一步的，作为本实用新型的优选：

所述空气注入元件采用微量注射泵。

进一步的，作为本实用新型的优选：

所述通道控制元件采用电磁微阀。

进一步的，作为本实用新型的优选：

各所述分离通道均为长方形通道。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1)本实用新型采用微流控芯片作为分离液体中不同尺寸颗粒的平台，相关的分离设备体积小，重量轻；相比于大型贵重的颗粒分离设备，具有操作简单，方便操作，便于携带等特点。

2)本实用新型所采用的分离原理和分离技术较为简单，微流体通道的设计简便，便于实现，具有很强的实际操作性。

3)使用本实用新型分离前不需要对分离通道和待分离颗粒进行处理和标记，分离效率高。

附图说明

图1为本实用新型分离装置的结构示意图；

图2为本实用新型微流控芯片的结构示意图；

图3和图4为实施例实验结果图。

图中：1、进液孔，2、第一交界孔，3、第二交界孔，4、废液孔，5、第一分离通道，6、第二分离通道，7、第三分离通道，8、第一电磁微阀，9、第二电磁微阀，10、微量注射泵，11、控制模块，12、微流控芯片主体，13、基板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

所谓液体拉力效应是指依靠液体对颗粒的粘性作用，使得液体运动时能带动颗粒一起动作。液体在空气的推动作用下沿流通方向移动，随着空气与液体的交界面往前移动，会有一层液膜留在通道的底部壁面上，尺寸小于该液膜厚度的颗粒就会被留下，此时通道底部对颗粒的摩擦阻力大于液体对颗粒的拉力；而其余大颗粒受到的液体拉力较大，会随着液体继续往前移动，这就能实现不同尺寸的颗粒分离。颗粒分选原则则通过控制推入空气的速度来控制空气和液体交界面的移动的速度实现，空气推动的速度越快，留下的液膜厚度越大，液膜内部所能留下的颗粒的尺寸就越大。

基于上述设计背景，本实用新型设计了一种基于微通道内液体拉力效应的颗粒分离装置，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案：

具体实施例：如图1所示，一种基于微通道内液体拉力效应的颗粒分离装置，包括：微流控芯片，所述微流控芯片包括自上而下依次设置微流控芯片主体12和基板13；所述微流控芯片主体12上凹刻有3条首尾相接的、用于分离液体中不同尺寸颗粒的分离通道；所述的3条分离通道均为长方形通道，3条分离通道上依次包括设置于第一分离通道的起始端的用于油液样品投样的进液孔1，设置于分离通道两两交界处的交界孔2和3，设置于第三分离通道末尾端的废液孔4。

所述的第一电磁微阀8和第二电磁微阀9分别位于第一分离通道5和第二分离通道6间的交界孔2后一定距离位置、第二分离通道6和第三分离通道7间的交界孔3后一定距离位置；第一分离通道5进行颗粒分离时，使得第一电磁微阀8关闭；第一分离通道5颗粒分离结束后，使得第一电磁微阀8打开，第二电磁微阀9关闭；第二分离通道6颗粒分离结束后，使得第二电磁微阀9打开。

所述控制模块11，与安放在各通道内的通道控制元件即电磁微阀相连接，用于控制上述第一电磁微阀8和第二电磁微阀9的张开与闭合，从而实现分离通道的开路与断路，为下一阶段分离剩余液体中的颗粒做准备；

所述微量注射泵10，与所述第一分离通道的进液孔相通，以特定的速度向进液孔中推入空气，从而使空气推着通道中的液体流动，随着空气和液体交界面的移动，在空气推过的区域会留下一层液膜，通过控制空气的速度来控制空气和液体交界面的移动的速度，从而控制与通道底面附着的液膜的厚度，而尺寸小于该液膜厚度的颗粒会被留下，大尺寸的颗粒会随着交界面的移动而向前移动，这样就实现了不同尺寸颗粒的分离。

下面将以润滑油内不同尺寸固体颗粒为例进行分离，

润滑油中不同尺寸颗粒的分离装置如图1所示，其主要由微流控芯片，电磁微阀和外加的微量注射泵10，控制模块11组成。如图2所示，微流控芯片由微流控芯片主体12和基板13的构成，其中微流控芯片主体12由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料制成，基板13由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成，即有机玻璃。PDMS材料与PMMA材料之间具有良好的粘附性，且具有良好的化学惰性；且从图2可以看出，微流控芯片主体上有3条分离通道，以完成自液体中3种不同尺寸颗粒的分离过程；同时微流控芯片主体12上按照颗粒分离的顺序依次设置有进液孔1，第一分离通道5，第一交界孔2，第一电磁微阀8，第二分离通道6，第二交界孔3，第二电磁微阀9，第三分离通道7，废液孔4；对应的实验结果实例图如图3、图4所示。

基于上述颗粒分离装置进行颗粒分离的方法，包括如下步骤：

1)首先按照颗粒分离步骤需要调节控制模块11控制各个电磁微阀的开闭，即使得第一分离通道5在工作时，第一电磁微阀8处于关闭状态同时第二电磁微阀9处于关闭状态，当第一分离通道5分离结束时，第一电磁微阀8开启，同时第二电磁微阀9处于关闭状态，液体流到第二分离通道6进行分离操作，当第二分离通道6操作完成时，第二电磁微阀9开启，液体流到第三分离通道7进行分离操作。

2)用移液器往进液孔1处滴加适量的油液样品，此时液体样品会流满整个第一分离通道5，液体中的颗粒会附着在通道的底部壁面上。其次，调节微量注射泵10，使其保持恒定的速度往进液孔1中推入空气，此时进入第一分离通道5的空气会推着液体向前移动，随着空气与液体的交界面往前移动，会有一层液膜留在通道的底部壁面上，而尺寸小于该液膜厚度的颗粒就会被留下，大颗粒会随着液体继续往前移动，这就能实现不同尺寸的颗粒分离；最后第一分离通道5中的液体都汇聚到第一交界孔2中，这样第一分离阶段就结束了，分离出的颗粒会留在第一分离通道中。且需要说明的是空气推动的速度越快，留下的液膜厚度越大，液膜内部所能留下的颗粒的尺寸就越大。

3)此时控制第一电磁微阀8动作，使得第一交界孔2中的液体流到第二分离通道6中；再次调节微量注射泵10，加大注入空气的速度，操作原理与第一分离通道5相同，这样第二分离通道6会得到比第一分离通道5大一些的颗粒。

4)同理，第三分离通道7又能得到比第二分离通道6大一些的颗粒。当然也可以多设计几条分离通道，以实现更多不同尺寸的颗粒分离。

需要注意的是，当液体对颗粒的拉力大于等于通道对颗粒的摩擦力时，颗粒将会随着液体一起向前流动，而不会滞留在壁面上。

其对应的公式为：

F_DR≥μF_AD

F_DR是液体对颗粒的拉力，μ是摩擦系数，F_AD是底面与颗粒之间的黏性力

其中：

F_DR＝6πηυr

η是液体的动力粘度，υ是液体运动的速度，r是颗粒的半径

F_AD＝-F_vdw-F_BG

F_vdw是范德华力，F_BG是重力和浮力的合力

A是哈梅克常数，A＝0.4×10‐21J，a是颗粒的半径，d是颗粒与通道壁面的距离，λ＝1×10^‐7，s＝11.116。

ρ_p是颗粒的密度，ρ_oil是液体的密度，λ是伦敦特征波长，s是公式的修正系数。

因此，空气推的速度不能太大，否则当液体对颗粒的粘性拉力和大于颗粒与壁面之间的摩擦力时，会导致颗粒都随液体流动，从而不能进行很好的分离。

本实用新型实施例所提供一颗粒分离装置，是基于微流控技术、控制技术以及液体和颗粒之间的拉力效应原理提出的，其所用到的技术和原理都比较简单，从而使得所述分离装置具有设备简单，方便携带，试剂用量少，检测效率高等优点。因此可以说本实用新型为液体中不同尺寸颗粒的分离提供了一种新的方法。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。