一種環境突發事件應急與預警系統及其製備方法
2023-05-10 07:39:01
專利名稱：一種環境突發事件應急與預警系統及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種環境突發事件應急與預警系統，該系統充分利用了微流控晶片易於將多個功能單元集成的特點，將微流控晶片作為分析處理核心，通過物理、化學或生物分析手段，整合微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元，形成晶片微全分析系統，對危險物進行分析和監測，基於微流控晶片快速、高效分析檢測能力和其微型化、便攜性及易於集成的特點，快速檢測環境突發事件中產生的固體、液體及氣體危險物並實時遠程傳送分析數據結果，實現環境突發事件的快速應急與預警。
背景技術：
我國社會經濟迅速發展，但是由於生產力發展水平不均衡、工業的安全生產基礎 膠薄弱、工業企業布局嚴重不合理及對環境汙染尤其是突發性環境汙染事故的估計和準備不足，環境汙染問題越來越引起人們的極大關注，特別是突發性環境事件的頻繁發生已經危害到了人們的生活而日益受到社會的重視。例如2008年，某一高速公路上運輸危險品火車起火，造成危險品洩漏，如不及時處理，將對附近區域造成惡劣環境危害事故，後果不堪設想；又如2009年，某公司生產原料儲罐發生洩漏，大量汙染物流入河流，對下遊飲用水水源安全構成威脅。對這些環境突發事件中的危險物進行應急檢測和預警，是環保部門對環境突發事件快速做出回應的關鍵，對儘量減少環境突發事件的危害有著極其重要的意義。目前環境突發事件應急與預警系統主要有以下兩種(I)現場採樣、實驗室分析、信息報送、決策應對；(2)移動車載式檢測儀器分析、信息報送、決策應對。第一響應是應急管理的基本原則，然而，目前環境危險物檢測設備檢測效率和檢測能力的不足，成了第一響應的發展瓶頸，直接導致突發事件響應速度和快速決策能力不足。目前的環境突發事件應急與預警系統檢測儀器構件複雜、體積龐大、在線分析檢測能力差、單位時間處理分析樣品能力低、系統佔地大、性價比低、應用功能單一、自動化程度低以及難以實現便攜性現場實時在線監測。環境突發事件的頻發及快速應急與預警系統的落後，使得開發新一代的可攜式、集成化、網絡化的快速應急與預警系統就顯得十分重要。因此，開發有效的對環境突發事件洩漏的危險物進行連續、快速、在線檢測的便捷式檢測應急與預警系統已成為當務之急。近年來，微流控晶片作為一種新型的分析平臺，具有微型化、自動化、集成化、便捷和快速等優點，已經在很多領域獲得了廣泛的應用，例如細胞生物學、分析化學、材料學、組織工程和微電子等領域。然而，將微流控晶片作為分析處理核心平臺的環境突發事件應急與預警系統，通過物理、化學或生物分析手段，整合微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集卡、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元，形成晶片微全分析系統，對危險物進行分析和監測，目前在應用領域尚未有實質性的突破
發明內容
本發明的目的是設計和製備一種環境突發事件應急與預警系統，其特徵在於該系統可以實時、快速、準確地分析監測各類突發事件中產生的危險物，並且具有便攜化微型化的特點。將微流控晶片作為分析處理核心，通過物理、化學或生物分析手段，整合微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元，形成晶片微全分析系統，對危險物進行分析和監測，基於微流控晶片快速、高效分析檢測能力和其微型化、便攜性及易於集成的特點，快速檢測環境突發事件中產生的固體、液體及氣體危險物並實時遠程傳送分析數據結果，實現環境突發事件的快速應急與預警。為實現上述目的，本發明採用以下的操作步驟I.用計算機輔助設計軟體(CAD)設計和繪製微流控晶片的微通道圖形。2.通過微加工技術在微流控晶片的基材表面製備CAD設計的微通道圖形。 3.將微流控晶片基材切割後得到上下兩片微流控晶片(5X5cm)，用乙醇、去離子水、乙醇依次清洗後，自然晾乾。4.將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元組裝在晶片系統內。5.將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元的輔助設備與上述各功能器件相連。6.將上下兩層晶片進行封合，組成晶片微全分析系統。7.將樣品微量採集裝置、分析檢測晶片系統和微機處理控制中心進行連接，組裝成環境突發事件應急與預警系統。本發明中，環境突發事件應急與預警系統的核心部件是微流控晶片平臺。本發明中，微流控晶片基材可以是石英、玻璃、矽材料、高分子聚合物和金屬材料。本發明中，微流控晶片上的微通道可以通過數控銑刻、雷射刻蝕、LIGA技術、模塑法、熱壓法、化學腐蝕，也可用軟刻蝕技術等微加工方法在晶片基材表面製備。本發明中，微流控晶片的微分析通道的尺寸可以是寬約200-400微米，深約20-50微米，長度約5-20毫米，微小的尺寸決定了所需要的被檢測樣品用量少。本發明中，微流控晶片上可以高度集成成百上千微通道陣列，能在短時間內大量分析危險物種類，並能快速準確地獲取其中汙染物的種類與濃度信息，檢測效率是傳統方法的上百倍。本發明中，微流控晶片的封裝可以通過熱封合、膠黏劑封合、表面活化輔助封合、力致雙層粘性膜封合。本發明中，環境突發事件應急與預警系統的檢測機理可以是基於物理、化學或生物分析方法的各類檢測手段，取決於現場危險物的種類。本發明中，環境突發事件產生的危險物檢測過程中的微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元是集成在小型微流控晶片上的相應功能區域。本發明中，環境突發事件應急與預警系統可以在微流控晶片平臺上實現集成式、多功能化、分析檢測、網絡化四個核心技術的整合。本發明中，環境突發事件應急與預警系統可以實現危險物常規監測、應急分析和預警三大功能。本發明中，環境突發事件應急與預警系統可以檢測固體、液體、其體危險物。本發明中，環境突發事件應急與預警系統採用生物、化學及物理方法對危險物進行檢測，檢測功能單元集成於晶片上，檢測結果轉化為電信號，有電信號檢測分析裝置獲得檢測結果並傳遞給信息發送功能單元。本發明中，環境突發事件應急與預警系統在一塊晶片上可以同時實現多種固體、液體或氣體的分析和檢測。本發明中，環境突發事件應急與預警系統可以在一塊晶片上製備多個微通道，在單位時間內提高了對危險物的平行檢測能力。·
本發明中，環境突發事件應急與預警系統可以進行定性和定量地檢測出待測危險物的種類和濃度。本發明中，環境突發事件應急與預警系統中的微流控晶片可以成批量進行生產，晶片個體差異小，提高了分析檢測的重複性。本發明中，環境突發事件應急與預警系統可以進行便捷地清洗，實現同種待測危險物的多次無妨礙分析與檢測以及不同種樣品間的無妨礙分析與檢測，降低了其檢測成本。本發明提出的環境突發事件應急與預警系統，具有微型化、便攜性及易於集成，檢測時間短效率高，操作簡單、適用範圍廣、精確度高以及檢測成本低和操作自動化等特點，可以實現多種固體、液體或氣體危險物的分析與檢測。同時實時傳輸分析檢測結果，通過網絡遠程控制系統進行預警。該環境突發事件應急與預警系統為實現環境突發事件應對提供了重要理論基礎和技術突破。
將微流控晶片作為分析處理核心，通過物理、化學或生物分析手段，整合微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元，形成晶片微全分析系統圖I中a是上晶片的平面圖，b是粘性薄膜平面圖，c是下晶片的平面圖。圖I中，下晶片(a)主體由孔、微通道和單元窗口組成。微流體驅動裝置(A)，孔有進樣孔(固體Al、液體A2、氣體A3)，廢液孔(G)。微處理裝置(B)、微檢測分析裝置(C)、數據採集裝置(D)、電信號檢測分析裝置(E)和信息發送裝置及網絡遠程控制(F)。圖I中，中晶片(b)主體是雙層力致粘性薄膜，放置於上下晶片間，進行晶片的封合。圖I中，上晶片(c)主體是各個功能單元與輔助設備連接口，微流體驅動裝置(A』)，進樣孔接口(固體Al』、液體A2』、氣體A3』)，廢液孔接口(G』)。微處理裝置(B』)、微檢測分析裝置(C』)、數據採集裝置(D』)、電信號檢測分析裝置(E』 )和信息發送裝置及網絡遠程控制(F』)。微通道主要是微流體通道。圖2為本發明環境突發事件應急與預警系統的工作原理圖。
具體實施方案實施例I :
用計算機輔助設計(CAD)繪製微流控晶片的設計圖形，再用光刻-化學腐蝕法在上下兩片玻璃(5X5cm)的表面刻蝕出所需的微通道網絡。將玻璃用清潔劑、乙醇、去離子水、丙酮、乙醇清洗後，室溫晾乾。將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元組裝在晶片系統內。將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元的輔助設備與上述各功能器件相連。將上下兩層晶片進行封合，組成晶片微全分析系統。將樣品微量採集裝置、分析檢測晶片系統和微機處理控制中心進行連接，組裝成環境突發事件應急與預警系統。實施例2 用計算機輔助設計(CAD)繪製微流控晶片的設計圖形，然後雷射印表機將圖形打出作為光掩膜，再用準分子雷射刻蝕機在有機高分子基材表面(如聚甲基丙烯酸甲酯)製備所需的晶片微通道網絡。將有機高分子基材切割後，用乙醇、去離子水、乙醇清洗後，自然 晾乾，得到上下兩片有機高分子的晶片(5X5cm)。將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元組裝在晶片系統內。將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元的輔助設備與上述各功能器件相連。將上下兩層晶片進行封合，組成晶片微全分析系統。將樣品微量採集裝置、分析檢測晶片系統和微機處理控制中心進行連接，組裝成環境突發事件應急與預警系統。實施例3 用計算機輔助設計(CAD)繪製微流控晶片的設計圖形，用數控CNC微加工系統將所需的微通道網絡圖形銑刻加工於有機高分子基材表面(聚碳酸酯)。將有機高分子基材用清潔劑、去離子水、乙醇、去離子水、乙醇清洗後，自然晾乾，得到上下兩片有機高分子的晶片(5X5cm)。將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元組裝在晶片系統內。將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元的輔助設備與上述各功能器件相連。將上下兩層晶片進行封合，組成晶片微全分析系統。將樣品微量採集裝置、分析檢測晶片系統和微機處理控制中心進行連接，組裝成環境突發事件應急與預警系統。
權利要求
1.一種環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於將微流控晶片作為分析處理核心，基於微流控晶片快速、高效分析檢測能力和其微型化、便攜性及易於集成的特點，通過物理、化學或生物分析手段，整合微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元，形成晶片微全分析系統，快速檢測環境突發事件中產生的固體、液體及氣體危險物並實時遠程傳送分析數據結果，實現環境突發事件的快速應急與預警。
2.按權利要求I所述的一種環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵步驟依次如下 (1)用計算機輔助設計軟體(CAD)設計和繪製微流控晶片的微通道圖形； (2)通過微加工技術在微流控晶片基材表面製備CAD設計的微通道圖形； (3)將微流控晶片基材切割後得到上下兩片微流控晶片(5X5cm)，用乙醇、去離子水、乙醇依次清洗後，自然晾乾； (4)將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元組裝在晶片系統內； (5)將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元的輔助設備與上述各功能器件相連； (6)將上下兩層晶片進行封合，組成晶片微全分析系統； (7)將樣品微量採集裝置、分析檢測晶片系統和微機處理控制中心進行連接，組裝成環境突發事件應急與預警系統。
3.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於這種環境突發事件應急與預警系統是基於微流控晶片的，微流控晶片可以成批量生產、多次重複使用、靈活設計與組裝。
4.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於這種環境突發事件應急與預警系統的檢測機理是基於物理、化學或生物的分析手段。
5.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於將微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元組裝在晶片系統內。
6.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於這種環境突發事件應急與預警系統可以實現集成式、多功能化、分析檢測、網絡化四個核心技術在微流控晶片平臺上的整合。
7.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於這種環境突發事件應急與預警系統可以實現危險物常規監測、應急分析和預警三大功能。
8.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於這種環境突發事件應急與預警系統可以實現現場實時在線監測功能。
9.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於這種環境突發事件應急與預警系統可以檢測固體、液體、其體危險物。
10.按權利要求I或2所述的環境突發事件應急與預警系統及其製備方法，其特徵在於該系統可以克服傳統環境突發事件應急與預警系統構件複雜、在線分析檢測能力差、單位時間處理分析樣品能力低、系統佔地大、性價比低、應用功能單一等缺點，能夠便攜地移動，並在環境突發事件現場實施快速檢測及預警，在環境突發事件應急與預警領域具有廣闊的應 用前景。
全文摘要
一種環境突發事件應急與預警系統及其製備方法。該環境突發事件應急與預警系統的核心部件是微流控晶片平臺，整合微流體驅動、微處理裝置、微檢測分析裝置、數據採集裝置、電信號檢測分析裝置、信息發送裝置及網絡遠程控制等功能單元，形成晶片微全分析系統，基於微流控晶片快速、高效分析檢測能力和其微型化、便攜性及易於集成的特點，通過物理、化學或生物分析手段，快速檢測環境突發事件中產生的固體、液體及氣體危險物並實時遠程傳送分析數據結果，實現環境突發事件的快速應急與預警。
文檔編號G01N35/00GK102955038SQ20111023559
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月17日 優先權日2011年8月17日
發明者聶富強 申請人:上海汶昌晶片科技有限公司