一种基于微流控热泳耦合确定性侧向位移的微塑料分选装置与方法

本发明涉及水中微塑料颗粒分选，具体涉及一种基于微流控热泳耦合确定性侧向位移的微塑料分选装置与方法。

背景技术：

1、微塑料作为水域中的垃圾，因其的性质、庞大的数量和广泛的来源，产生的危害远超过普通尺寸的海洋塑料垃圾。其在水域中难以降解，容易持久性吸附有机污染物、重金属离子以及微生物，通过氧化应激、神经损伤、内分泌干扰以及免疫系统损伤等作用机制对海洋生物体产生一定的毒性效应，还会通过食物链富集，可能导致整个海洋生态系统瘫痪。

2、目前，水体中检测微塑料的技术有热解-气相色谱/质谱、傅立叶变换-红外光谱法(ft-ir)、拉曼光谱法(raman)等，其中，热解-气相色谱/质谱法检测成本高、操作复杂且耗时长，傅立叶变换-红外光谱法(ft-ir)不适用于10μm以下的微塑料检测，具有局限性，拉曼光谱法可以检测到粒径低至1μm的微塑料，但该方法对于微塑料的浓度有要求，当被检测的微塑料浓度较低时，拉曼信号较弱，传统的拉曼光谱无法适应低浓度的微塑料检测。因此，开发一种水溶液中微塑料颗粒分选与检测装置及方法，快速且高效的完成微塑料颗粒分选及检测的相关研究显得尤为重要。

3、现有技术中公开号为“cn117619731a”的一种多级微塑料颗粒分选装置，初级横向位移分选模块、缓冲模块和精分级横向位移分选模块，二者通过缓冲模块与所述精分级横向位移分选模块连通，外部液体通过样品入口与鞘液入口汇入所述初级横向位移分选模块；所述微流体通道内初分选阶段由圆形微柱阵列构成，精分选阶段由三角形微柱阵列构成；所述精分级横向位移分选模块设有隔板，所述隔板将所述精分级横向位移分选模块分隔为大粒径分选通道、小粒径分选通道，所述缓冲模块分隔为大粒径缓冲通道、小粒径缓冲通道，所述大粒径分选通道、小粒径分选通道分别连通至不同的出样口。上述装置在单个芯片中能对四种微塑料颗粒进行分选，微塑料颗粒分选效率高。

4、上述装置虽然实现了微塑料的低成本分选，但是上述该装置在使用过程中仍然存在较为明显的缺陷：由于水体中的微塑料不仅仅单以颗粒形式存在，还大量存在片状、棒状的微塑料，由于其特殊的几何结构，其难以顺利通过上述微柱阵列进行分选，其在进入微柱阵列后极易造成通道的双向堵塞，一方面影响整体的分选效率，一方面影响颗粒状微塑料的分选准确性，而针对该种特殊几何结构微塑料所导致的问题，现有微塑料分选领域并未提出有效的解决办法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于微流控热泳耦合确定性侧向位移的微塑料分选装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于微流控热泳耦合确定性侧向位移的微塑料分选装置，包括初分选模块和精分选模块，所述初分选模块与精分选模块相互连通，所述初分选模块前端设置的样品入口通道与鞘液入口通道；

4、所述初分选模块包括微纳气泡浮选区和热泳微流体侧向偏移区；

5、所述微纳气泡浮选区底部设置有微纳气泡发生板，所述微纳气泡发生板上还连接有超声振动装置，所述微纳气泡发生板上排布设置的气泡柱延伸至微纳气泡浮选区内，所述微纳气泡浮选区上方开设有初分选口，通过初分选口将片状以及棒状微塑料移出微纳气泡浮选区；

6、所述热泳微流体侧向偏移区上方贴合设置有铜电极板，通过对铜电极板进行加热从而在热泳微流体侧向偏移区内形成侧向温度梯度，最终驱动不同粒径的微塑料颗粒在进入精分选模块前发生侧向热泳耦合运动；

7、所述精分选模块内部排布设置有微柱阵列，所述精分选模块远离初分选模块一端还与出样口通道ⅰ和出样口通道ⅱ连通，所述出样口通道ⅰ、出样口通道ⅱ上一一对应开设有出样口ⅰ和出样口ⅱ，微塑料颗粒流经微柱阵列时，大于临界尺寸的微塑料颗粒在与微柱阵列发生碰撞后产生侧向位移，从而改变运动轨迹，小于临界尺寸的微塑料颗粒在与微柱阵列发生碰撞后不产生侧向位移，仍沿横向流线流动，经过微柱阵列的通道后，不同尺寸颗粒的微塑料从出样口ⅰ或出样口ⅱ排出。

8、其中，所述微纳气泡浮选区的后端还安装有倾斜设置的微纳过滤网，倾斜设置的微纳过滤网的上端远离热泳微流体侧向偏移区、下端靠近热泳微流体侧向偏移区设置，所述微纳气泡发生板及气泡柱延伸至微纳过滤网底部一侧；

9、所述初分选模块的前中后段均设置有缓冲减震通道，其中前后段缓冲减震通道相离侧的样品入口通道、鞘液入口通道以及精分选模块固定式设置，中段的缓冲减震通道将微纳气泡浮选区和热泳微流体侧向偏移区间隔开，所述初分选模块在超声振动装置的振动过程中同步振动。

10、优选的，所述初分选模块、精分选模块的主体结构及样品入口通道、鞘液入口通道、出样口通道ⅰ、出样口通道ⅱ均由聚二甲基硅氧烷材料组成，并采用软光刻浇注工艺制成。

11、优选的，所述初分选模块中样品入口通道与鞘液入口通道之间的夹角为60°。

12、优选的，所述微柱阵列的微柱由圆形微柱阵列、三角形微柱阵列、矩形微柱阵列或其多者的组合构成。

13、优选的，所述微柱阵列采用圆形微柱阵列，所述圆形微柱阵列的圆形微柱直径为60μm，间距为30μm，每排圆形微柱的连线与精分选模块中心轴线的夹角为2.86°，临界尺寸为10μm。

14、优选的，所述出样口通道ⅰ和出样口通道ⅱ在精分选模块末端形成的夹角为60°。

15、优选的，所述微柱阵列延伸至出样口通道ⅰ的入口端，且在入口端设置有三行微柱阵列。

16、优选的，所述精分选模块由若干周期阵列错位排布组成，所述微柱阵列的排布在后一个周期阵列中相对于前一个周期阵列整体向下迁移一行。

17、一种基于微流控热泳耦合确定性侧向位移的微塑料分选方法，采用上述的基于微流控热泳耦合确定性侧向位移的微塑料分选装置，包括以下步骤：

18、s1：先将键合好的装置进行亲水性处理，再向初分选模块和精分选模块内注入吐温酒精溶液，使其完全浸润内部通道；

19、s2：配制待分离微塑料颗粒样品溶液和鞘液；

20、s3：使用注射泵将样品溶液注入样品入口通道中，将鞘液注入到鞘液入口通道内；

21、s4：样品溶液和鞘液在初分选模块的前端汇合并流入初分选模块中；

22、s5：溶液经过初分选模块的微纳气泡浮选区时，通过微纳气泡发生板产生的微纳气泡进行初级分选，此时颗粒状、片状及棒状微塑料表面均附着有微纳气泡，由于颗粒状微塑料表面的附着面积小，而另外两种形态的微塑料表面附着面积大，表面附着越多的微纳气泡，其产生的浮力越大，通故该种特性进行片状及棒状微塑料的初级分选，上浮的微塑料通过初分选口进行收集，颗粒状微塑料随着溶液的流动继续向后端移动；

23、s6：初级分选后的颗粒状微塑料随后进入热泳微流体侧向偏移区，使用铜电极板对微塑料溶液进行加热，使得溶液内部至少有两个温度阶梯变化，溶液中的微塑料颗粒沿着温度梯度进行移动，此时微塑料溶液中不同粒径的微塑料产生横向的位移差，最终在进入精分选模块前完成横向偏移；

24、s7：横向偏移后的微塑料颗粒进入精分选模块后，大于临界尺寸的微塑料颗粒在通过微柱阵列时发生碰撞并产生侧向位移，改变运动轨迹，小于临界尺寸的微塑料颗粒在与微柱阵列发生碰撞后不产生侧向位移，仍沿原流线流动，经过精分选模块的分选后，不同尺寸颗粒的微塑料颗粒运动至不同出口，并最终完成分选。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、本发明不仅能够对不同粒径的微塑料颗粒进行分选，还能够对不同形态的微塑料颗粒进行分选，分选后的颗粒态微塑料进入微柱阵列时能够大大降低堵塞的风险，同时还能排除异形微塑料在微柱阵列内对颗粒状微塑料的阻挡，保证了微塑料颗粒分选效率的同时提高了微塑料颗粒的分选精准性。