本發(fā)明屬于水環(huán)境中微塑料顆粒分析，提供基于離心微流控?zé)o堵塞多級(jí)微塑料顆粒分級(jí)分選裝置及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、微塑料作為一種新污染物，已經(jīng)存在于環(huán)境中的各個(gè)角落，在湖泊、海洋、河流、大氣、土壤以及生物體中被廣泛檢出。mps污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，其帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題也越來(lái)越突出。這些微塑料會(huì)進(jìn)入環(huán)境中的水、土壤和大氣等介質(zhì)中，對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的影響，例如影響水質(zhì)，干擾生態(tài)系統(tǒng)的平衡，影響人類健康等。

2、目前，對(duì)微塑料的分析研究重點(diǎn)有三點(diǎn):采樣、樣品前處理和mps識(shí)別。傳統(tǒng)微塑料分離方法為膜過(guò)濾為基礎(chǔ)的過(guò)濾分離法，在有效分離微米級(jí)小顆粒的能力方面是有限的，分離時(shí)產(chǎn)生微塑料的損失率高，疊加誤差大，精準(zhǔn)度低，以及50微米以下小粒徑微塑料在分離時(shí)存在著被大量忽略的問(wèn)題。并且在對(duì)微塑料進(jìn)行消化和分離的過(guò)程中存在著易出現(xiàn)二次污染的現(xiàn)象，操作步驟繁瑣、時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)濾器易堵塞。

3、最常用的兩種化學(xué)鑒定技術(shù)是拉曼光譜和傅里葉紅外變換光譜。后一種方法是分析微塑料的可靠方法，但需要相對(duì)較大的樣品(＞10μm)的要求限制了它的應(yīng)用。另一方面，拉曼光譜具有較高的分辨率和易于制備樣品的優(yōu)點(diǎn)，可以識(shí)別尺寸接近1μm的顆粒。更重要的是，該方法也適用于液體樣品，即使在微觀尺度。將拉曼光譜與參考光譜相匹配現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是鑒別微塑料的金標(biāo)準(zhǔn)方法。

4、離心微流控技術(shù)是微流控技術(shù)中的一種，其通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)微流控芯片進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)微流控芯片中的所有介質(zhì)施加體積力，以控制流動(dòng)和體積力的差異來(lái)影響顆粒的運(yùn)動(dòng)。其不需要外接壓力泵，其控制方法較其他方法也比較簡(jiǎn)單，而且芯片內(nèi)可以布置多路微結(jié)構(gòu)，具有并行高通量、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制等顯著優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)存在的單分離室離心微流控芯片只能實(shí)現(xiàn)特定粒徑，小范圍的顆粒的粗糙劃分，并且單分離室離心微流控芯片無(wú)法實(shí)現(xiàn)在一個(gè)芯片內(nèi)一個(gè)步驟內(nèi)對(duì)大粒徑范圍的微塑料粒徑進(jìn)行分選，要提高分選范圍與分選精度只能通過(guò)增大分離室長(zhǎng)度、增大離心半徑或者增大轉(zhuǎn)速的方法，而這些方法容易使分離室產(chǎn)生足以影響分選效果的渦流，降低分選效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了基于離心微流控?zé)o堵塞多級(jí)微塑料顆粒分級(jí)分選裝置及檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣的快速采集處理表征的一體化技術(shù)，即能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水樣中微塑料顆粒的大粒徑范圍、無(wú)堵塞、誤差小、快速、精確并有效分級(jí)分選與檢測(cè)。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供一種基于離心微流控?zé)o堵塞多級(jí)微塑料顆粒分級(jí)分選裝置，包括圍繞所述離心微流控芯片上離心軸心設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)分析單元，分析單元由消化處理模塊和微塑料粒徑分選捕獲模塊組成，其中：消化處理模塊包括有樣品室、消化液室和樣品消化室，樣品室與消化室匯合連接至樣品消化室；微塑料粒徑分選捕獲模塊包括有增強(qiáng)液室、粒徑分選區(qū)、擠壓微流體通道、梯度粒徑分離區(qū)和廢液室，增強(qiáng)液室與樣品消化室匯合連接至粒徑分選區(qū)，粒徑分選區(qū)通過(guò)具有縮頸結(jié)構(gòu)的擠壓微流體通道連接梯度粒徑分離區(qū)，梯度粒徑分離區(qū)連接廢液室；粒徑分選區(qū)內(nèi)通過(guò)n個(gè)反角分離陣列設(shè)置有n+1個(gè)篩選分區(qū)，相應(yīng)的梯度粒徑分離區(qū)設(shè)置有n+1個(gè)離心力分離室，且通過(guò)n+1個(gè)擠壓微流體通道與n+1個(gè)篩選分區(qū)一一對(duì)應(yīng)連接，n為大于等于2的自然數(shù)。采用上述方案，該裝置的設(shè)計(jì)使得整個(gè)操作過(guò)程集成化、自動(dòng)化，利用離心微流控技術(shù)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，利用離心力與科氏力的耦合與微塑料分離過(guò)程中微塑料在反角陣列實(shí)現(xiàn)周向逆向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微塑料的無(wú)堵塞粒徑范圍劃分，并結(jié)合兩級(jí)分離耦合，可以有效分離不同粒徑的微塑料顆粒，尤其是對(duì)小于100微米的微塑料具有較好的分離效率，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)微塑料顆粒的消化處理、分選，芯片堵塞率小，對(duì)微塑料的回收率高，累計(jì)誤差小，極大地提高了分析效率和準(zhǔn)確性，是一種高效、便捷的解決方案，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究等多個(gè)領(lǐng)域。

4、可選的，消化處理模塊還包括有與樣品室連通的樣品入口和樣品室出氣口、及與消化液室連通的消化液入口和消化液室出氣口、及與樣品消化室連通的消化室出氣口；微塑料粒徑分選捕獲模塊還包括有與增強(qiáng)液室連通的增強(qiáng)液入口和增強(qiáng)液室出氣口、及與廢液室連通的廢液室出氣口。這樣，通過(guò)增加這些可選組件，消化處理模塊和微塑料粒徑分選捕獲模塊的操作變得更加靈活和高效。這些出入口的設(shè)置不僅能提高樣品的加載和處理效率，還能夠有效控制消化和分選過(guò)程中的氣體流動(dòng)，確保反應(yīng)條件的穩(wěn)定性。此外，用戶可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求，方便地調(diào)整消化液、增強(qiáng)液的種類和濃度，進(jìn)一步優(yōu)化微塑料的消化和分選效果。

5、可選的，n個(gè)反角分離陣列的陣間距依次縮減，即d1>d2>dn，且第一個(gè)反角分離陣列的陣間距為擬分離微塑料最大體積等效直徑dm減去5～20μm所確定，而相鄰兩個(gè)反角分離陣列之間的陣間距縮減值介于5～20μm之間，各個(gè)反角分離陣列的開(kāi)口均具有與離心微流控芯片的離心力方向呈95～130°夾角的反斜面。即各個(gè)反角分離陣列的開(kāi)口方向反斜面均與離心微流控芯片的離心力方向夾角為95°至130°，或與液體流動(dòng)方向夾角。這樣，通過(guò)陣列角度與液體流動(dòng)方向夾角大于90°的特征，利用離心力與科氏力的耦合，實(shí)現(xiàn)微塑料在陣列時(shí)能夠產(chǎn)生周向逆向運(yùn)動(dòng)，小于反角陣列間距的微塑料通過(guò)進(jìn)入下一級(jí)而大于反角陣列間距的微塑料隨水流進(jìn)入本級(jí)分選，反角的設(shè)計(jì)使陣列處不會(huì)發(fā)生堵塞情況，逐級(jí)縮減的間距設(shè)計(jì)，反角分離陣列能夠更精準(zhǔn)地對(duì)不同粒徑的微塑料進(jìn)行分選，提高了分選的效率和準(zhǔn)確性。而反角分離陣列與芯片直徑夾角的設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化流動(dòng)路徑，減少液體流動(dòng)中的死區(qū)，避免了堵塞的產(chǎn)生，確保每個(gè)反角分離陣列都能夠充分發(fā)揮其篩分作用，從而提高整體的分選效果。解決了單個(gè)分離室內(nèi)分選粒徑范圍小的問(wèn)題，想要提高分離范圍只能通過(guò)加大分離室或者提高分離轉(zhuǎn)速，而分離室過(guò)大時(shí)或者在轉(zhuǎn)速過(guò)高，芯片內(nèi)液體流速過(guò)大時(shí)，分離室內(nèi)產(chǎn)生渦流而降低分選效率。通過(guò)劃分粒徑范圍，分級(jí)分離，解決了分離室過(guò)大時(shí)或者在轉(zhuǎn)速過(guò)高，芯片內(nèi)液體流速過(guò)大時(shí)，分離室內(nèi)產(chǎn)生渦流而降低分選效率的問(wèn)題，提高了單個(gè)芯片在分選微塑料的粒徑范圍。

6、可選的，反角分離陣列的數(shù)量n設(shè)置為3，由陣間距依次縮減且在離心微流控芯片的徑向上排布為逐漸向外遠(yuǎn)離離心軸心的反角分離陣列ⅰ、反角分離陣列ⅱ、反角分離陣列ⅲ組成，且可根據(jù)微塑料分離粒徑需求進(jìn)行陣間距的變動(dòng)，如反角分離陣列ⅰ、反角分離陣列ⅱ、反角分離陣列ⅲ的陣間距分別為：40μm、30μm、20μm；相應(yīng)的離心力分離室的數(shù)量n+1設(shè)置為4，由微塑料粒徑分離逐級(jí)減小且在離心微流控芯片的徑向上排布為逐漸向外遠(yuǎn)離離心軸心的離心力分離室ⅰ、離心力分離室ⅱ、離心力分離室ⅲ、離心力分離室ⅳ組成。

7、可選的，n+1個(gè)離心力分離室的長(zhǎng)寬比介于0.5～0.75之間，且各自的長(zhǎng)度為擬分離微塑料最大體積等效直徑dm的60～80倍。如離心力分離室ⅰ、離心力分離室ⅱ、離心力分離室ⅲ、離心力分離室ⅳ的長(zhǎng)寬分別為：3900μm*800μm、3700μm*700μm、3600μm*600μm3450μm*600μm。這樣，通過(guò)逐級(jí)增大的離心力分離室設(shè)計(jì)，可以有效地分離不同粒徑的微塑料顆粒，確保每個(gè)分離室的效率最大化。這種布局和設(shè)計(jì)的結(jié)合，使得微塑料顆?？梢愿玫乇环蛛x和識(shí)別，提高了后續(xù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

8、可選的，n+1個(gè)離心力分離室的內(nèi)底均設(shè)置有用于微塑料粒徑逐級(jí)平鋪的鋸齒槽。該鋸齒槽設(shè)計(jì)增強(qiáng)了顆粒的滯留效果，有助于微塑料的有效分離和捕獲，降低了在分離過(guò)程中顆粒的重疊。

9、可選的，樣品室、消化液室和增強(qiáng)液室的長(zhǎng)寬比為介于1.2～1.6之間，并且各自的長(zhǎng)度為擬分離微塑料最大體積等效直徑dm的120～160倍；如長(zhǎng)>4000μm，寬>3500μm；在與樣品室、消化液室、增強(qiáng)液室、樣品消化室及廢液室連接的微通道的寬度相等，且各自的寬度為擬分離微塑料最大體積等效直徑dm的3.5～4倍，并介于100～300μm之間，如為200μm；微通道為pdms材料并采用軟光刻澆注工藝制作而成。這樣，適當(dāng)?shù)奈⑼ǖ莱叽绱_保了樣品和消化液的快速流動(dòng)，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。而使用pdms材料保證了系統(tǒng)的生物相容性，適用于涉及生物樣品的微塑料檢測(cè)。而軟光刻技術(shù)的應(yīng)用確保了微通道結(jié)構(gòu)的高精度和一致性，降低了制造過(guò)程中的變異性，提高了設(shè)備的可靠性。

10、可選的，微通道包括用于樣品室與消化液室匯合后與樣品消化室連接并呈蜿蜒曲折狀的混合微流體通道，及用于梯度粒徑分離區(qū)與廢液室連接并呈u形的虹吸微流體通道，相應(yīng)的虹吸微流體通道設(shè)置為n+1個(gè)并與n+1個(gè)離心力分離室一一對(duì)應(yīng)連接。這樣，蜿蜒曲折的混合微流體通道和u形的虹吸微流體通道共同優(yōu)化了樣品的處理過(guò)程，提高了分析的效率和準(zhǔn)確性。虹吸微流體通道的對(duì)應(yīng)數(shù)量設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)需求，適用于多種類型的微塑料分析。

11、可選的，微塑料顆粒分選與檢測(cè)裝置還包括用于檢測(cè)所述梯度粒徑分離區(qū)中各個(gè)離心力分離室內(nèi)不同粒徑和成分微塑料的便攜式拉曼光譜儀。結(jié)合拉曼光譜等技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)分選出的微塑料顆粒進(jìn)行快速檢測(cè)和表征，提高了實(shí)驗(yàn)的效率。該裝置將微塑料的分選與檢測(cè)過(guò)程整合在一起，簡(jiǎn)化了操作流程，提高了整體分析流程的效率。

12、本發(fā)明還提供一種采用上述的基于離心微流控芯片的無(wú)堵塞多級(jí)微塑料顆粒分級(jí)分選裝置的檢測(cè)方法，包括如下步驟：

13、s1：配置待分離微塑料顆粒樣品溶液，消化試劑，sers增強(qiáng)試劑；

14、s2：使用注射器將設(shè)定量的待分離微塑料顆粒樣品溶液充滿樣品室，并將設(shè)定量的消化試劑注入消化液室，及將設(shè)定量的增強(qiáng)試劑注入增強(qiáng)液室；

15、s3：使用膠帶對(duì)廢液室出氣口進(jìn)行封口，并將離心微流控芯片實(shí)施離心，待分離微塑料顆粒樣品溶液與消化試劑混合后，進(jìn)入消化液室并完成充分的微塑料消化處理，再打開(kāi)廢液室出氣口；

16、s4：將離心微流控芯片再次進(jìn)行離心，消化液室中消化完的樣品流再與增強(qiáng)液室中的增強(qiáng)試劑混合形成混合液；

17、s5：在離心力下的混合液進(jìn)入粒徑分選區(qū)，并通過(guò)n個(gè)反角分離陣列-進(jìn)行混合液中不同粒徑微塑料尺寸的篩分，以完成微塑料粒徑初篩分離，接著由粒徑分選區(qū)內(nèi)形成的n+1個(gè)篩選分區(qū)所一一對(duì)應(yīng)的擠壓微流體通道分別流入梯度粒徑分離區(qū)中的n+1個(gè)離心力分離室，以對(duì)初篩分離后的微塑料顆粒在多力耦合作用下于各自離心力分離室內(nèi)按照粒徑密度的不同再次被逐級(jí)平鋪分離；各離心力分離室中所形成的廢液分別通過(guò)相對(duì)應(yīng)的虹吸微流體通道進(jìn)入廢液室；

18、s6：由便攜式拉曼光譜儀聚焦于梯度粒徑分離區(qū)中的各個(gè)離心力分離室內(nèi)的微塑料，以獲得不同微塑料粒徑的拉曼特征光譜，完成檢測(cè)。

19、簡(jiǎn)單而言就是，微塑料在消化室被消化去除表面雜質(zhì)后，粒徑分選區(qū)在離心力和科氏力的耦合下能夠產(chǎn)生周向逆向運(yùn)動(dòng)從而通過(guò)反角陣列，能夠根據(jù)微塑料的粒徑對(duì)微塑料的顆粒大小實(shí)現(xiàn)無(wú)堵塞篩選分離，并在梯度粒徑分離區(qū)內(nèi)對(duì)微塑料于離心微流體中受到離心力fc、科氏力fco和歐拉力fe等體積力和拖拽力、浮力等液體與微塑料顆粒間的相互作用力所構(gòu)成的多力耦合，使得微塑料顆粒會(huì)在拖曳力、離心力、浮力等合力作用下沉降到各自的離心力分離室內(nèi)的最外側(cè)，且不同密度的微塑料顆粒通過(guò)運(yùn)動(dòng)最終在空間上分布在不同的區(qū)域或者位置；而剩余的廢液以及雜質(zhì)被水流經(jīng)過(guò)虹吸微流體通道帶入廢液腔；最后，由便攜式拉曼光譜儀檢測(cè)梯度粒徑分離區(qū)中各離心力分離室所沉降的微塑料，并通過(guò)銀納米溶膠帶來(lái)的sers增強(qiáng)，通過(guò)便攜式拉曼光譜儀得到對(duì)應(yīng)的拉曼光譜，實(shí)現(xiàn)不同粒徑和成分微塑料的快速分選與檢測(cè)。

20、本發(fā)明的有益效果是：

21、1.前處理表征一體化：本方案采用sers技術(shù)與離心微流控結(jié)合的方法，將微塑料的消化處理，不同成分分離和表征步驟結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中微塑料的快速處理表征一體化技術(shù)。同時(shí)，還使用便攜式拉曼光譜儀對(duì)分離的微塑料進(jìn)行表征，無(wú)需對(duì)微塑料顆粒進(jìn)行標(biāo)記，減少了繁瑣的處理步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的微塑料快檢。

22、2.無(wú)堵塞微塑料粒徑范圍劃分：不同傳統(tǒng)陣列對(duì)顆粒進(jìn)行篩分，本芯片通過(guò)角度與水流方向角度大于90°(95°-130°)的反角陣列，在離心力和科氏力的作用下實(shí)現(xiàn)微塑料在隨著液體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生周向逆向運(yùn)動(dòng)從而通過(guò)反角陣列，實(shí)現(xiàn)微塑料的無(wú)堵塞粒徑范圍的劃分。

23、3.提高芯片分選粒徑范圍：區(qū)別與單分離室的芯片，只能對(duì)微塑料特定范圍粒徑進(jìn)行分選，想要提高單分離室芯片粒徑分選范圍只能通過(guò)加大分離室長(zhǎng)度或者提高分離時(shí)的轉(zhuǎn)速，而這會(huì)導(dǎo)致分離室產(chǎn)生渦流，從而降低分離效率。多級(jí)微塑料利用粒徑分級(jí)室對(duì)微塑料粒徑范圍進(jìn)行了劃分，不同粒徑范圍的微塑料進(jìn)入不同離心半徑的分離室內(nèi)進(jìn)行粒徑分離。不同粒徑范圍的微塑料在不同的離心半徑能夠產(chǎn)生精細(xì)的分離，又保證了分離室內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生足以影響分離效果的渦流，解決了單個(gè)芯片無(wú)法對(duì)更大粒徑范圍微塑料顆粒進(jìn)行分選的缺陷。

24、4.快速分選：使用離心微流控技術(shù)，無(wú)需外部連接泵，利用微塑料顆粒在微流體通道內(nèi)受到的離心力，科氏力，歐拉力等體積力和拖拽力、浮力等合力，并根據(jù)微塑料種類的不同導(dǎo)致的密度差異在短時(shí)間內(nèi)完成不同粒徑及不同成分的微塑料分離。區(qū)別于傳統(tǒng)篩分過(guò)濾方法，過(guò)濾效果受濾膜材質(zhì)影響較大，孔徑或網(wǎng)格大小對(duì)分離微塑料的尺寸有限制，分選時(shí)微塑料的損失率高，誤差大以及不能分離不同種類微塑料的缺點(diǎn)，本裝置通過(guò)該兩級(jí)分離耦合聯(lián)動(dòng)能夠快速有效地分離不同尺寸不同種類的微塑料顆粒。

25、總的來(lái)說(shuō)，本技術(shù)方案通過(guò)sers技術(shù)和離心微流控技術(shù)結(jié)合的方法，對(duì)環(huán)境中微塑料進(jìn)行快速的前處理，篩分，分離和檢測(cè)進(jìn)行了結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中微塑料的快速處理表征一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的微塑料現(xiàn)場(chǎng)快檢，在微塑料顆粒的分選和檢測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

26、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。