一种干式微小颗粒分离方法与流程

本发明涉及一种颗粒分离方法，具体地说是一种干式微小颗粒分离方法。

背景技术：

对于一种或者几种微颗粒物的分离是一项非常有意义的工作，在样品储备、颗粒的物性分析、生物化学分析以及进一步形成功能化集成芯片等方面具有巨大的应用前景。目前的分离方法分为干法和湿法。湿法分离包括微流中分离颗粒法，较为有效的物理方法通常是采用均匀电场的电泳技术、基于不均匀电场的介电泳技术、基于不均匀磁场的磁泳技术，以及基于声波的声泳技术。在这些方法中，不同尺寸的颗粒在力的作用下流向不同的通道，从而可以实现空间上的分离。

另外基于物质溶解性、吸附性等特性的一种分离方法叫做色谱法，其分离原理是根据混合物的各组分与互不相容的两相（固定相和流动相）作用的差异。其中湿法类高效液相色谱法（HPLC）以分离效能高、速度快、检测灵敏度高等特点使其应用广泛、发展迅速，但HPLC的仪器设备价格昂贵，操作严格。干法类气相色谱法用于测定能气化或能转化为气体的物质或化合物，又分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。值得一提的是干法分离中有一种方法叫做光色谱法，它是一种光学分离技术，利用来自弱聚焦光束的光辐射压力和流体给予的拖力之间的平衡，从而实现不同尺寸颗粒在不同平衡位置上的分离。同样，同为色谱法不能避免操作复杂严格的主要缺点，针对色谱柱的清理也较为复杂和耗时，并且当目标物质含量过低时分离难度骤升。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种干式微小颗粒分离方法，以解决现有的干法和湿法分离技术操作繁琐、处理时间长、分离精度低等的问题。

本发明是这样实现的：一种干式微小颗粒分离方法，包括如下步骤：

a、设置一真空室，在所述真空室内水平设置上下两个极板；使所述上极板接地线，使所述下极板连接一射频电源的功率电极，射频电源的另一电极接地线；

b、在所述下极板上设置颗粒分离器，所述颗粒分离器包括中间部位由若干内凹的棘齿依次邻接而构成的棘齿曲面槽以及两端的收集盒；

c、在所述棘齿曲面槽的上方设置颗粒池，在所述颗粒池内盛放有两种不同尺寸的微米量级的待分离颗粒；所述颗粒池与穿出所述真空室的振动杆相接；

d、在所述真空室的外部设置两个相对的半导体激光器，且每一个半导体激光器分别对应所述颗粒分离器中的一个收集盒；在每一个半导体激光器的前方分别设置一个斩波器，在每一个斩波器的前方分别设置一个扩束镜；

e、接通射频电源，通过气体放电在上极板与下极板之间产生均匀的等离子体；

f、在真空室外使所述振动杆振动，进而带动真空室内的所述颗粒池振动，使所述颗粒池内的待分离颗粒从所述颗粒池中撒出；撒出的颗粒在等离子体区域中带负电，并在下极板上方附近的棘齿曲面槽内形成稳态、分散的悬浮体系；

g、打开半导体激光器及斩波器的开关，使半导体激光器所发的激光照射到真空室内的悬浮颗粒上；

h、调节斩波器的脉冲频率，使待分离颗粒中的两种不同尺寸的颗粒分别沿棘齿曲面槽的轴心线向两个相反方向定向移动；

i、待两种不同尺寸的颗粒分别到达两个收集盒上方时，断开射频电源，颗粒自由下落进入相应的收集盒内，从而实现了两种不同尺寸颗粒的分离。

在所述步骤e中调节所述射频电源的频率为13.56MHz，功率为1~60W。

所述半导体激光器、所述斩波器以及所述扩束镜均设置在升降台上，所述升降台与步进电机相连接。

所述步进电机、所述半导体激光器和所述斩波器均与控制器相接，所述控制器一方面用来控制所述步进电机工作，以驱动升降台上下运动，进而实现调整所述半导体激光器、所述斩波器及所述扩束镜的高度；另一方面用来控制所述半导体激光器的照射时间以及所述斩波器的脉冲频率。

步骤g中，半导体激光器所发激光的中心波长为532nm或650nm，半导体激光器的功率范围为0.01~2W。

所述棘齿曲面槽的曲面弯曲度为180°。

所述收集盒是通过在内凹的半圆形凹槽两侧分别设置半圆环形的矮沿而形成。

所述棘齿的齿深与齿长比例为1:2。

所述真空室由不锈钢腔体围成，且不锈钢腔体接地线；在所述不锈钢腔体的侧壁上设有两个相对的侧窗口，每一个侧窗口对应一个半导体激光器；步骤g中，所述半导体激光器所发的激光经对应的侧窗口后照射到真空室内的悬浮颗粒上。

所述颗粒池由不同目数的多层金属网压制而成；所述振动杆呈竖直设置，所述颗粒池通过水平设置的绝缘杆与所述振动杆相接。

本发明通过在真空室内设置上极板、下极板、颗粒池、颗粒分离器，在真空室外设置射频电源、半导体激光器、斩波器、扩束镜，接通射频电源，通过气体放电可在上、下极板之间产生均匀的等离子体，等离子体的组分主要包括电子、离子以及中性分子。当待分离的微小颗粒（一般为两种不同尺寸的微米量级的颗粒）自颗粒池撒出进入等离子体环境后，等离子体将会对其进行充电。由于电子扩散的比离子快，因此当入射到颗粒上的电子流与离子流达到平衡时，颗粒携带大量负电荷。当颗粒受重力落入下极板上方附近鞘层中所受重力与静电场力平衡时，颗粒将悬浮于下极板上方附近。同时由于颗粒具有高带电性，颗粒间可以很好的分散，形成分散悬浮体系。由于颗粒分离器位于下极板上且处于等离子体环境中，因此在棘齿曲面槽表面形成棘齿形的等离子体鞘层，此鞘层为不满足反演对称性的周期势（在物理学中称为棘齿势），棘齿势满足对称性破缺，能够产生定向输运。分散悬浮着的待分离的颗粒就处于棘齿形的等离子体鞘层中。不同大小的颗粒所带电量不同，所悬浮的高度不同，固有频率也不同，在激光脉冲照射下所产生的共振频率（共振频率与颗粒半径成反比，与颗粒带电量成正比）也不同，通过调节斩波器的脉冲频率，可控制使得两种不同尺寸的颗粒分别向相反方向运动，最终由两个收集盒分别收集两种不同尺寸的颗粒，实现微小颗粒的分离。

本发明在真空室内通过气体放电形成等离子体，待分离颗粒在等离子体环境中带负电，并形成稳态、分散的悬浮体系，这为实现颗粒的分离提供了基础条件。由于采用等离子体使颗粒分散并处于稳态悬浮状态，因此分离过程属于干法工艺，这种干法工艺与现有激光粒度仪的湿法工艺相比，可避免现有湿法工艺所带来的测量过程繁琐、测量时间长等的一系列问题。同时，不同大小的颗粒会分别进入棘齿曲面槽两端的收集盒，颗粒分离后，只需将颗粒分离器取出即可，是一种无污染的分离方法，避免了湿法操作后需要清洗整个装置的繁琐过程。由于真空室内的气体基本静止，因此可以克服现有干法工艺中因气体流动而对激光光路造成干扰的缺点，进而可以实现准确分离颗粒。除此之外，采用本发明还可以实现对极低含量的微小颗粒进行分离。

颗粒分离器中棘齿曲面槽的设计，使得在其表面形成棘齿形的等离子体鞘层，该鞘层具有不对称性，分散、悬浮着的颗粒被束缚在该等离子体鞘层中。打开半导体激光器以及斩波器，并调节斩波器的脉冲频率，在激光的推动下，不同尺寸的颗粒分别向两个方向运动，从而实现颗粒的分离。本发明操作简单、方便，为实验室及工业领域的快速分离提供了一个解决方案。

附图说明

图1是本发明中干式微小颗粒分离装置的结构示意图。

图2是图1中颗粒分离器的三维立体结构示意图。

图中：1、真空室，2、上极板，3、颗粒池，4、振动杆，5、侧窗口，6、待分离颗粒，7、升降台，8、半导体激光器，9、斩波器，10、扩束镜，11、下极板，12、颗粒分离器，12-1、棘齿曲面槽，12-2、收集盒，13、真空计，14、射频电源，15、控制器。

具体实施方式

本发明所提供的干式微小颗粒分离方法依赖于干式微小颗粒分离装置，如图1所示，干式微小颗粒分离装置包括真空室1，真空室1由不锈钢腔体围成，不锈钢腔体接地线；在真空室1内水平设置有上下两个极板，分别为上极板2和下极板11。本实施例中上极板2由两块ITO导电玻璃相对叠加在一起而构成，下极板11为金属平板。上极板2接地线，下极板11连接射频电源14的功率电极，射频电源14的另一电极接地线，射频电源14位于真空室1外。下极板11在与射频电源14的功率电极连接时，具体连接方式为：在下极板11的板底中心钻孔，在所钻的孔内套接绝缘套，在绝缘套内穿接金属导线，下极板11通过绝缘套内的金属导线与真空室1外的射频电源14的功率电极电连接。在射频电源14的功率电极与下极板11之间可设置用来调节功率匹配的电容。当射频电源14接通后，射频电源14的电压不断地改变极性，经过几次充放电之后，最终会使下极板11具有负偏压，通过高频放电可在上、下极板之间产生均匀的等离子体。射频电源14的频率可调为13.56MHz，电源功率可为1~60W。

在下极板11上设置有颗粒分离器12，颗粒分离器12由绝缘材料制作而成，其具体结构如图2所示。颗粒分离器的底部为平面结构，上面整体为顶部敞口的、内凹的通道结构，该通道结构具体又包括中间部位的棘齿曲面槽12-1以及两端的收集盒12-2。棘齿曲面槽12-1是由若干内凹的均匀排列的棘齿依次邻接而构成，棘齿的截面为倾斜的不对称结构，棘齿倾斜后的短边（也称棘齿的齿深，或称陡坡）与棘齿倾斜后的长边（也称棘齿的齿长，或称缓坡）的比例为1:2。每一个棘齿的两端侧均向上弯曲，并使棘齿曲面槽12-1的曲面弯曲度为180°，以便于束缚待分离颗粒。两个收集盒12-2沿棘齿曲面槽12-1的轴心线方向分别位于棘齿曲面槽12-1的左右两端，每一个收集盒12-2均是通过在内凹的半圆形凹槽左右两侧分别设置半圆环形的矮沿而形成。颗粒分离器12处于上、下极板之间的等离子体环境中后，可在棘齿曲面槽12-1的表面形成内凹的、棘齿形的等离子体鞘层，在收集盒12-2的盒底表面形成内凹的、半圆形的等离子体鞘层。

在棘齿曲面槽12-1的上方、上极板2的下方设置有颗粒池3，颗粒池3内盛放有待分离颗粒6，待分离颗粒6一般为两种不同尺寸的微米量级的颗粒。颗粒池3由不同目数的多层金属网压制而成；颗粒池3的表面最好处于水平状态，且颗粒池3的中心最好处于上、下极板的轴心线上。颗粒池3通过水平的连接杆与竖直的振动杆4相接，振动杆4穿出真空室1外。在真空室1外通过上下移动振动杆4可使颗粒池3上下移动，在真空室1外通过转动振动杆4可使颗粒池3左右移动；在真空室1外通过使振动杆4振动可使颗粒池3内的待分离颗粒6撒出颗粒池3外，振动杆4的振动可以通过人工手动操作，也可以通过电动操作，电动操作时其频率可以为1~10Hz。颗粒池3与振动杆4之间的连接杆为绝缘杆，其材料可以为聚四氟乙烯；该绝缘杆可以防止颗粒池3在等离子体区域中由于导电而损坏振动杆4。由颗粒池3撒出的待分离颗粒6在等离子体环境中会带上负电荷，并最终悬浮于下极板11上方的棘齿形等离子体鞘层中。

在真空室1的腔体上开有进气口和出气口。通过进气口可向真空室1内充入空气或氩气；在出气口处安装有用于测量真空室1内气压的真空计13。真空室1内的气压一般控制在5~200Pa之间。

在真空室1的腔体上开有两个相对的侧窗口5，两个侧窗口5的连线正好处于颗粒分离器12的轴心线上，从而使得每一个侧窗口5对应一个收集盒。在真空室1外与每一个侧窗口5对应的部位分别设置一个半导体激光器8，半导体激光器8的功率范围为0.01~2W，半导体激光器8所发激光的中心波长为532nm或650nm。在每一个半导体激光器8的前方（即朝向侧窗口的一方）均设有一个斩波器9，在每一个斩波器9的前方均设有一个扩束镜10。侧窗口5外部的半导体激光器8、斩波器9和扩束镜10三者构成一个光动力系统。光动力系统设置在升降台7上，升降台7与步进电机相连接。本实施例中步进电机的最小步长可达微米量级，因此可精确地对微米量级的颗粒进行扫描从而更好地观察颗粒。步进电机、半导体激光器8和斩波器9均与控制器15（例如为计算机）相接，控制器15一方面控制步进电机的脉冲数和频率，以驱动升降台7上下运动，进而实现调整半导体激光器8、斩波器9及扩束镜10的高度，使得半导体激光器8所发激光可照射到真空室1内的棘齿凹面槽内。控制器15另一方面还控制半导体激光器8的照射时间以及斩波器9的脉冲频率。通过设置应保证两个半导体激光器8所发的激光处于同一直线上，且两个半导体激光器8所发激光的光强相等。

斩波器9位于半导体激光器8的前方，其作用是调节半导体激光器8所发激光的脉冲频率；扩束镜10用于对半导体激光器8所发激光进行扩束，以使激光可照射棘齿曲面槽内所有悬浮着的待分离颗粒。在激光的照射下，加之棘齿曲面槽在等离子体环境中所形成的棘齿形等离子体鞘层的作用，通过调节斩波器9的脉冲频率（即实现对激光脉冲频率的调整），选择合适的斩波器频率，可使待分离颗粒6中的不同尺寸的两种颗粒分别沿棘齿曲面槽轴心线向相反方向运动，以达到分离目的。由于不同尺寸颗粒的固有频率不同，而棘齿曲面槽内各棘齿具有不对称性，即：棘齿两侧的坡度不同；对于大尺寸颗粒，其固有频率低周期长，位置较低，相对通过缓坡更为容易，所以大尺寸颗粒向缓坡一侧定向移动；对于小尺寸颗粒，其固有频率较高周期短，位置较高，相对通过陡坡更为容易，所以小尺寸颗粒向陡坡一侧定向移动。且尺寸小的颗粒运动的相对快些，尺寸大的颗粒运动的相对慢些。当颗粒运动到收集盒上方的等离子体鞘层内时，由于失去了棘齿形等离子体鞘层的作用，因此颗粒将不再运动。待大尺寸颗粒和小尺寸颗粒分别进入两个收集盒上方的等离子体鞘层内后，关闭射频电源，使上、下极板之间不再产生等离子体，即：使得收集盒上方的等离子体鞘层消失，此时大尺寸颗粒和小尺寸颗粒会自由下落，进而由两个收集盒分别对两种不同尺寸的颗粒进行收集。

下面以一具体例子介绍本发明中两种不同尺寸的微米量级的颗粒分离的过程。

a、设置一真空室1，真空室1由不锈钢腔体围成，不锈钢腔体接地线；调节真空室1内气压达到10Pa。在真空室1内水平设置上下两个极板；使上极板2接地线，使下极板11连接一射频电源14的功率电极，射频电源14的另一电极接地线。下极板11长度为100mm。

b、在下极板11上设置颗粒分离器12，颗粒分离器12的长度均为100mm。颗粒分离器12由绝缘材料制作而成，其具体结构如图2所示。本实施例中颗粒分离器12为玻璃材质，其底部为平面结构，上面整体为顶部敞口的、内凹的通道结构，该通道结构具体又包括中间部位的棘齿曲面槽12-1以及两端的收集盒12-2。棘齿曲面槽的曲面弯曲度为180度，棘齿曲面槽中的棘齿个数为18个，每一个棘齿的齿深为3mm，齿长为6mm。收集盒12-2是通过在内凹的半圆形凹槽左右两侧分别设置半圆环形的矮沿而形成。

c、在棘齿曲面槽的上方设置颗粒池3，在颗粒池3内盛放有两种不同尺寸的微米量级的待分离颗粒6；本实施例中待分离颗粒6中包含两种不同尺寸的颗粒，其中一种颗粒尺寸为23μm，另一种颗粒尺寸为10μm（除此之外，发明人还对23μm和3μm的两种尺寸的颗粒进行过分离）。颗粒池3由不同目数的多层金属网压制而成；颗粒池3通过水平设置的绝缘杆与竖直的振动杆4相接，振动杆4穿出真空室1外。

d、在真空室1的外部设置两个相对的半导体激光器8，且每一个半导体激光器8分别对应颗粒分离器12中的一个收集盒；在每一个半导体激光器8的前方分别设置一个斩波器9，在每一个斩波器9的前方分别设置一个扩束镜10。

在真空室1的腔体上开有两个相对的侧窗口5（侧窗口5由石英玻璃制成），两个侧窗口5的连线正好处于颗粒分离器12的轴心线上，从而使得每一个侧窗口5对应一个收集盒。通过设置使得两个半导体激光器8的连线与颗粒分离器12的轴心线重合。半导体激光器8、斩波器9和扩束镜10设置在升降台7上，升降台7与步进电机相连接。步进电机、半导体激光器8和斩波器9均与控制器15相接，控制器15一方面用来控制步进电机工作，以驱动升降台7上下运动，进而实现调整半导体激光器8、斩波器9及扩束镜10的高度；另一方面用来控制半导体激光器8的照射时间以及斩波器9的脉冲频率。

e、接通射频电源14，设置射频电源14的频率为13.56MHz，功率为20W，使下极板11具有负偏压，通过高频放电在上、下极板之间产生均匀的等离子体。

f、在真空室1外电动操作振动杆4以使颗粒池3处于上、下极板的中心位置处。使振动杆4振动，进而带动真空室1内的颗粒池3振动，使颗粒池3内的待分离颗粒6从颗粒池3中撒出；撒完颗粒后转动振动杆4将颗粒池3移离等离子体区域。

撒出的待分离颗粒6进入等离子体区域中，等离子体中带负电的电子和带正电的离子会积累到待分离颗粒6上，由于电子的运动速度远大于离子的运动速度，因此当积累到待分离颗粒6上的电子流和离子流达到平衡时颗粒一般会带上一定量的负电荷。颗粒在等离子体区域中会由于重力的作用而向下运动；当待分离颗粒6下落到棘齿曲面槽附近时，由于下极板11具有负电位，因此颗粒将受到向上的静电场作用力。当颗粒受到的重力与静电场力达到平衡时，颗粒将悬浮并被束缚在曲面棘齿状玻璃槽内。同时，由于颗粒都携带负电荷，它们之间将相互排斥，从而分散开，形成一个良好的分散悬浮体系。

g、打开半导体激光器8和斩波器9，设置半导体激光器8的功率为50mW，半导体激光器8所发激光的中心波长为532nm。保证两个半导体激光器8所发的激光处于同一直线上，且两个半导体激光器8所发激光的光强相等。半导体激光器8所发的激光经扩束镜10扩束后形成激光束。通过调节扩束镜10的水平位置，使激光经扩束镜10后所形成的激光束可覆盖棘齿曲面槽的宽度范围。控制步进电机的脉冲数及频率，调节升降台7的高度，使水平面激光束可照射到真空室1内棘齿曲面槽内的悬浮颗粒。

h、调节斩波器9的脉冲频率，使待分离颗粒中的两种不同尺寸的颗粒分别沿棘齿曲面槽的轴心线向两个相反方向定向移动，以达到对不同尺寸的粒子进行分离的目的。

i、待两种不同尺寸的颗粒分别到达两个收集盒上方时，断开射频电源14，颗粒自由下落进入相应的收集盒内，从而实现了对两种不同尺寸颗粒的分离。

采用本发明分离两种不同尺寸的颗粒时操作简单、快速，无污染，很好的实现了对不同尺寸微米量级微小颗粒的分离。