基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置製造方法
2023-12-06 18:11:51
基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置，包括氣路系統、控制系統、氣體檢測系統及數據處理系統，所述控制系統採用溫度控制系統，氣體檢測系統採用光離子化檢測器，其特徵在於該檢測裝置還包括進樣系統和氣體分離系統，進樣系統通過左、右連接件分別與氣路系統、氣體分離系統一側相連，氣體分離系統下部設有控制系統，氣體分離系統另一側與氣體檢測系統、數據處理系統依次連接；所述氣體分離系統採用微通道內塗覆有固定相的微流控晶片；所述進樣系統包括樣氣入口、連接件、定量管、三通閥、兩通閥和隔膜泵。本發明能夠準確有效的控制氣路壓力、流量穩定，檢測精度高，能夠實現多組分氣體的充分分離，進而實現多組分氣體的定性定量分析。
【專利說明】基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種惡臭氣體檢測系統，尤其是涉及基於微流控晶片的惡臭氣體檢測
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術】
[0002]惡臭汙染是空氣汙染中一種特殊的汙染，它對人體的嗅覺器官產生刺激，並對人的心理廣生影響。惡臭氣體是所有有異味的氣體的總稱，關於惡臭氣體的國家標準定義為(GB14554-93):一切刺激嗅覺器官引起人們不愉快及損壞生活環境的氣體物質。高濃度惡臭汙染甚至會威脅人類生命健康，因此加強對大氣中惡臭氣體檢測關係著人民的身體健康，同時也是監測環境汙染的一項有效措施。
[0003]眾所周知，氣相法應用廣泛，其分離原理就是利用可分離的諸組分在流動相(載氣)和固定相兩相間的分配有差異(即有不同的分配係數、吸附係數或滲透係數)完成各樣品組分的 分離，當兩相做相對運動時，這些組分在兩相間的分配反覆進行，從幾千次到數百萬次，即使組分的分配係數只有微小的差異，隨著流動相的移動可以有明顯的差距，最後使這些組分得到分離。目前傳統的儀器分離系統通常使用毛細色譜柱，柱長一般在20-50m範圍之內，使得分離系統部分尺寸過大，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、難以實現在線或便攜形式等缺點，為了實現便攜化的目標，檢測裝置的進一步微型化、集成化勢在必行。
[0004]微流控分析系統通過在微米級通道與結構中實現微型化，具有高效率、低能耗、高通量、易集成等優點。隨著對微流控晶片應用研究的不斷深入，微流控晶片的應用範圍不斷擴大，目前其應用主要集中在藥物分析與篩選及疾病檢測、人類基因組計劃等生物醫藥領域，在其他領域的應用還不太成熟。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是:提供一種基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置。該檢測裝置能夠準確有效的控制氣路壓力、流量穩定，檢測精度高，能夠實現多組分氣體的充分分離，進而實現多組分氣體的定性定量分析。
[0006]本發明解決所述技術問題所採用的技術方案是，設計一種基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置包括氣路系統、控制系統、氣體檢測系統及數據處理系，所述控制系統採用溫度控制系統，氣體檢測系統採用光離子化檢測器，其特徵在於該檢測裝置還包括進樣系統和氣體分離系統，進樣系統通過左、右連接件分別與氣路系統、氣體分離系統一側相連，氣體分離系統下部設有控制系統，氣體分離系統另一側與氣體檢測系統、數據處理系統依次連接；所述氣體分離系統採用微通道內塗覆有固定相的微流控晶片；所述進樣系統包括樣氣入口、連接件、定量管、三通閥、兩通閥和隔膜泵，其中氣路系統、兩通閥一端及左邊三通閥的下面一路通過左邊連接件相連，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晶片通過右邊連接件相連。
[0007]與現有技術相比，本發明氣體分離系統採用微流控晶片，實現了不同種類氣體的分離，同時還提高了檢測裝置的效率，降低了樣氣的消耗量，從而實現了多集成化。進樣系統可自動完成採樣、進樣等過程，簡單方便。採用光離子化檢測器(PID)實現了氣體組分的定量分析，同時在不破壞氣體的情況下，簡化了系統結構，提高了檢測裝置的靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置一種實施例的整體結構組成示意圖；
[0009]圖2為本發明基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置一種實施例丁烷與乙醇混合氣體的檢測結果示意圖；
[0010]圖3為本發明基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置一種實施例甲苯的檢測結果示意圖；
[0011]圖1中，1.氣路系統，IL載氣瓶，12.空氣過濾器，13.減壓閥，14.壓力傳感器；
2.進樣系統，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，31.微流控晶片，32.固定相；4.控制系統，41.加熱裝置，42.溫度傳感器；5.氣體檢測系統，51.光離子化檢測器；6.數據處理系統。
【具體實施方式】
[0012]下面結合實施例及附圖進一步介紹本發明。下述實施例僅是對本發明的進一步詳細地說明及解釋，並不以此限定本申請權利要求的保護範圍。
[0013]本發明基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置(簡稱檢測裝置，參見圖1)包括氣路系統1、進樣系統2、氣體分離系統3、控制系統4、氣體檢測系統5及數據處理系6，所述控制系統4採用溫度控制系統，氣體檢測系統5採用光離子化檢測器，進樣系統2通過左、右連接件22分別與氣路系統1、氣體分離系統3 —側相連，氣體分離系統下部設有控制系統4，氣體分離系統另一側與氣體檢測系統5、數據處理系統6依次連接；所述氣體分離系統3採用微通道內塗覆有固定相32的微流控晶片31 ;所述進樣系統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1、兩通閥25—端及左邊三通閥24的下面一路通過左邊連接件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另一端及微流控晶片31通過右邊連接件22相連。
[0014]本發明檢測裝置的進一步特徵在於所述氣路系統包括壓力傳感器；所述溫度控制系統包括加熱部件和溫度傳感器，溫度傳感器位於加熱部件的底部，可控制加熱部件的加熱溫度；所述光離子化檢測器採用10.6eV、8.3eV或11.7eV電離能的紫外燈。
[0015]本發明檢測裝置氣路系統I包括載氣瓶11，空氣過濾器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，空氣過濾器12與減壓閥13均與壓力傳感器14相連。工作時氣路系統I可允許載氣在一定的壓力、流量下，穩定地控制其流入和流出，通過減壓閥13和壓力傳感器14可有效控制載氣的穩定性，進而可保證檢測裝置的準確性和重複性。將減壓閥13安裝在載氣瓶11上，可將高壓氣體調節到較小的工作範圍內，使載氣以恆定的氣體流量流入氣路系統。
[0016]本發明檢測裝置可以選用氮氣或空氣作為系統的載氣，工作時可根據用戶自行設置選擇其中一路載氣。常用的載氣有氮氣、氦氣、氫氣等，氮氣的相對分子質量相對氫氣而言較大，擴散係數小，柱效比較高，因此選用高純氮氣(純度大於99.99%)作為載氣，特殊情況也可以根據樣氣的種類選擇適合的載氣。
[0017]本發明檢測裝置的進樣系統2包括樣氣入口 21，連接件22，定量管23，三通閥24 (兩進一出式)，兩通閥25 (—進一出式)，隔膜泵26，工作時載氣經過兩通閥25這一路進入氣體分離系統3，樣氣在隔膜泵26抽動下由樣氣入口 21經左邊三通閥24上面一路(下面一路處於關閉狀態)進入定量管23 ;樣氣採集並存儲在定量管23內後，通過程序控制左邊三通閥24更改狀態使得上面一路關閉，下面一路開通，兩通閥25關閉，完成自動切換氣路，隨後載氣經過左邊三通閥24下面一路進入定量管，不斷將樣氣帶入分離系統。進樣系統2為自動進樣器，可自動完成採樣、進樣等過程，簡單方便。
[0018]本發明檢測裝置的氣體分離系統3設有微流控晶片31，在微流控晶片31中存在有內徑極細的微通道，在其微通道內塗覆有固定相32。載氣帶動樣氣進入微流控晶片31的微通道，根據塔板理論，樣氣中不同組分與固定相32間的作用力類型及其強度不同，使得各不同組分在固定相32中的保留時間不同，因而離開微流控晶片31的時間不同，可實現不同氣體成分在微流控晶片31中進行分離，分離後的氣體依次進入氣體檢測系統5。在實現不同種類氣體分離的同時，提高了檢測裝置的效率，降低了樣氣的消耗量，實現了系統的多集成化。微流控晶片的微小尺寸使材料消耗甚微，當實現批量生產後晶片成本可望大幅度降低，而有利於普及。
[0019]本發明檢測裝置的氣體檢測系統5採用光離子化檢測器(PID) 51，經氣體分離系統3分離後的不同組分的化合物進入光離子化檢測器的氣室，由紫外燈進行照射電離，產生正離子和自由電子，經過運動產生電信號，再經過數據處理系統6由電路採集後形成電壓信號，對不同電壓信號輸出，即可輸出相應的色譜圖或數據結果。
[0020]本發明檢測裝置的控制系統4採用溫度控制系統，包括加熱部件41和溫度傳感器42，其中加熱部件41可根據溫度傳感器42探測到的實際溫度來調節微流控晶片及氣體檢測系統的環境溫度，進而將微流控晶片31及氣體檢測系統5的環境溫度保持在所需的穩定溫度，最終保證了整個檢測裝置的正常運行。
[0021]本發明檢測裝置的檢測工藝過程為:檢測時，先選擇一種載氣空氣或氮氣，使載氣經過兩通閥25進入氣體分離系統3吹掃一段時間，然後在隔膜泵26的抽動下使樣氣由樣氣入口 21經左邊三通閥24上面一路(下面一路處於關閉狀態)進入定量管23，樣氣採集並存儲在定量管23內，定量管的樣氣容量為100 μ L-500 μ L ;然後通過程序控制左邊三通閥24更改狀態使其上面一路關閉，下面一路開通，兩通閥25關閉，完成自動切換氣路。隨後載氣經過左邊三通閥24下面一路進入定量管23，使樣氣在載氣的帶動下不斷進入氣體分離系統3。在氣體分離系統中可實現不同氣體成分在微流控晶片31中進行分離，分離後的氣體依次進入氣體檢測系統及數據處理系統，進而實現其樣氣的定量、定性分析同時輸出其色譜圖，最終完成整個檢測過程。[0022]本發明檢測裝置利用色譜技術構造微流控晶片進行氣體分離，採用光離子化檢測器檢測分離後的各種惡臭氣體，根據不同的氣體性質及種類，可選擇適當離子電離能的紫外燈。在計算機控制下對檢測溫度、進氣閥、進氣壓力等實現控制，並進行檢測信號的採集，最後經過計算機計算分析，以色譜圖或數據的形式給出被檢測氣體的定性定量結果。
[0023]本發明可適用於檢測的惡臭氣體包括氨、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]實施例1
[0025]本實施例利用上述檢測裝置，採用氮氣作為載氣，溫度控制在50°C，載氣流量為20ml/min，光離子化檢測器採用電離能為10.6eV的紫外燈，能快速分離丁烷與乙醇的混合氣體，通過資料庫的匹配迅速確定樣氣種類，並定量分析出樣氣各組分的含量，實驗結果參見圖2。經過5次重複進樣後，實驗數據基本一致，說明本發明檢測裝置的復現性好、數據可
靠性高。
[0026]實施例2
[0027]本實施例利用上述檢測裝置，採用空氣作為載氣，溫度控制在65°C，載氣流量為15ml/min，光離子化檢測器採用電離能為10.6eV的紫外燈，能快速檢測甲苯氣體，通過資料庫的迅速匹配對樣氣進行定性、定量分析，實驗結果參見圖3。經過多次進樣，實驗數據保持基本一致，說明本發明檢測裝置的復現性好、檢測數據可靠。
[0028]本發明檢測裝置不僅實現了氣體組分定量分析，同時在不破壞氣體的情況下，進一步簡化了檢測裝置結構，提高了其靈敏度。本發明採用微流控晶片技術，將分離系統集中在一塊尺寸很小的特殊製造的晶片上，不僅減小分離系統的尺寸，而且減小了加熱裝置的尺寸，其次更方便對分離系統溫度、壓力等參數值的控制，分離溫度較低且溫度更均勻，縮短了分離時間，提高了檢測效率。
[0029]本發明檢測裝置所涉及的元器件及相關軟體可通過商購以及常規加工得到，未述及的元器件及其連接方法均是本【技術領域】技術人員所掌握的公知技術。
【權利要求】
1.一種基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置，包括氣路系統、控制系統、氣體檢測系統及數據處理系統，所述控制系統採用溫度控制系統，氣體檢測系統採用光離子化檢測器，其特徵在於該檢測裝置還包括進樣系統和氣體分離系統，進樣系統通過左、右連接件分別與氣路系統、氣體分離系統一側相連，氣體分離系統下部設有控制系統，氣體分離系統另一側與氣體檢測系統、數據處理系統依次連接；所述氣體分離系統採用微通道內塗覆有固定相的微流控晶片；所述進樣系統包括樣氣入口、連接件、定量管、三通閥、兩通閥和隔膜泵，其中氣路系統、兩通閥一端及左邊三通閥的下面一路通過左邊連接件相連，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晶片通過右邊連接件相連。
2.根據權利要求1所述的基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置，其特徵在於所述氣路系統包括壓力傳感器。
3.根據權利要求1所述的基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置，其特徵在於所述溫度控制系統包括加熱部件和溫度傳感器，溫度傳感器位於加熱部件的底部，可控制加熱部件的加熱溫度。
4.根據權利要求1所述的基於微流控晶片的惡臭氣體檢測裝置，其特徵在於所述光離子化檢測器採用10.6eV、8.3eV或11.7eV電離能的紫外燈。
【文檔編號】G01N30/88GK103940939SQ201410167748
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】張思祥, 張旭, 周圍, 楊新穎, 侯曉瑋, 李海, 古立鎖, 張文強, 高涵 申請人:河北工業大學