一种结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋微塑料颗粒分析技术领域，具体而言，尤其涉及一种结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置及方法。

背景技术

微塑料普遍被定义为直径小于5mm的塑料碎片和颗粒，它们从各种来源进入自然生态系统，包括化妆品、服装和工业过程。目前公认有两种微塑料分类：初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是指进入环境之前尺寸小于或等于5mm的任何塑料碎片或颗粒，包括衣服上的微纤维、微珠和塑料颗粒；次级微塑料是较大的塑料产品进入环境后通过自然风化过程而降解(分解)而产生的，次要微塑料的来源包括水和汽水瓶、渔网和塑料袋。

微塑料作为一种新兴污染物具有特殊性质。其粒径小、密度轻，迁移性强；另外，微塑料比表面积大，表面疏水性强，易于富集微生物、重金属和有机污染物；除此之外，微塑料还会向水体释放自身有害添加剂。这些性质影响了微塑料污染情况的复杂性，增加了相关研究的难度。

海洋是全世界微塑料垃圾的最终目的地，大量微塑料随洋流输运产生跨界污染，影响海洋生态系统和人类自身的健康安全，产生的问题在全球范围内备受关注。常见的海洋微塑料颗粒主要包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚氯乙烯等。在海洋微塑料监测中，由于海洋微塑料的物理特性以及化学组分等差异，不同类型海洋微塑料在不同环境中流动过程的时间均不相同，使海洋微塑料检测变成一大难题。目前，对海洋微塑料的分析方法主要有目视分析法、傅立叶变换红外光谱法、拉曼光谱法、热分析法、质谱法以及扫描电子显微镜-能谱仪联用法。这些方法所需样品量大，设备昂贵，操作步骤复杂，分离效率低。由此，发明一种海洋微塑料颗粒筛选与分离装置，快速且高效的完成海洋微塑料颗粒相关研究尤为重要。

微流控是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，又称其为芯片实验室或微流控芯片技术，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。具有微型化、高通量化、样本需求小、试剂消耗量小等优点。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置及方法。本发明分为两部分，分别为基于微塑料颗粒尺寸差异筛选的确定性侧向位移分选装置和基于微塑料颗粒介电特性筛选的介电泳分选装置。利用微柱排列和介电泳力实现不同尺寸的目标微塑料分离及筛选。本发明操作简单、轻巧便携以及无需对微塑料颗粒进行标记，便可实现快速、准确的分选。

本发明采用的技术手段如下：

一种结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置，包括确定性侧向位移分选装置和介电泳分选装置，其中：

确定性侧向位移分选装置，包括微柱通道，微柱通道的一端连通有第一进液口、第二进液口，微柱通道的另一端连通有小尺寸微塑料颗粒溶液入口、大尺寸微塑料颗粒溶液入口；

介电泳分选装置，包括微通道层；微通道层包括：第一微流体通道、第二微流体通道；

第一微流体通道一侧用于连接第三进液口和初筛后的小尺寸微塑料颗粒溶液入口，另一侧用于连接第一出样口和第二出样口；微通道层的一侧壁设置有第一电源正极通道口，另一侧壁设置有第一电源负极通道口；

第二微流体通道一侧用于连接第四进液口和初筛后的大尺寸微塑料颗粒溶液入口，另一侧用于连接第三出样口和第四出样口；微通道层的一侧壁设置有第二电源正极通道口，另一侧壁设置有第二电源负极通道口。

进一步地，所述微柱通道由圆形微柱阵列、三角形微柱阵列、菱形微柱阵列构成。

进一步地，所述微通道层为PDMS材料，采用光刻浇注工艺制作而成。

进一步地，所述第一电源正极通道口、第二电源正极通道口的宽度相同；所述第一电源负极通道口、第二电源负极通道口宽度相同；且第一电源正极通道口、第二电源正极通道口的宽度小于所述第一电源负极通道口以及第二电源负极通道口的宽度。

进一步地，第一电源正极插入口接入直流电源正极，通过所述第一电源正极通道口与所述第一微流体通道交汇处产生高梯度不均匀电场；所述第一电源负极通道口通过第一电源负极插入口接入直流电源负极；第二电源正极插入口接入直流电源正极，通过所述第二电源正极通道口与所述第二微流体通道交汇处产生高梯度不均匀电场；所述第二电源负极通道通过第二电源负极插入口接入直流电源负极。

进一步地，所述第一电源正极插入口、第一电源负极插入口、第二电源正极插入口、第二电源负极插入口与直流电源连接，用于为微塑料颗粒的筛选与分离施加直流信号。

进一步地，所述第一进液口、第二进液口之间设置有第一夹角，便于形成鞘液流使得微塑料颗粒挤压到一侧的微通道壁上；小尺寸微塑料颗粒溶液入口、大尺寸微塑料颗粒溶液入口之间设置有第二夹角，完成尺寸差异较大的海洋微塑料颗粒的分选；第三进液口和初筛后的小尺寸微塑料颗粒溶液入口之间设置有第三夹角，用于形成鞘液流使得微塑料颗粒挤压到一侧的微通道壁上；第四进液口和初筛后的大尺寸微塑料颗粒溶液入口之间设置有第四夹角，用于形成鞘液流使得微塑料颗粒挤压到一侧的微通道壁上；第一出样口和第二出样口之间设置有第五夹角，完成尺寸差异较小的微塑料颗粒的分选；第三出样口和第四出样口之间设置有第六夹角，完成尺寸差异较小的微塑料颗粒的分选。

进一步地，所述第一夹角、第二夹角、第三夹角、第四夹角、第五夹角、第六夹角均为60°。

本发明还提供了一种基于上述结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置的微塑料颗粒筛选与分离方法，包括如下步骤：

S1、将键合后的结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置放入等离子清洗机中进行等离子清洗，提高通道的亲水性，便于液体流动；

S2、将铂电极插入第一电源正极插入口、第一电源负极插入口、第二电源正极插入口、第二电源负极插入口并用导线连接直流电源；

S3、用注射泵在第一进液口注入微塑料颗粒溶液，在第二进液口、第三进液口、第四进液口注入缓冲液；

S4、用显微镜观察微塑料颗粒分离效果，在确定性侧向位移区域，适当调节微塑料颗粒溶液流速，提高一级分离效率；在介电泳分选区域，适当调整电压，提高二级分离效率。

进一步地，所述确定性侧向位移分离区域为一级筛选区域；所述介电泳分选区域为二级筛选区域。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置，对实验人员没有过多的要求，只需掌握正确的实验方法即可；

2、本发明提供的结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置，无需样品预处理，成本低廉、设计灵活，反应时间短并且可与其他功能进行集成；

3、本发明提供的结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置，以确定性侧向位移分离作为介电泳分选的预富集阶段实现一级分离，并利用介电泳实现二级分离，无需对微塑料颗粒进行标记，方便快捷。

基于上述理由本发明可在微塑料分选等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明装置中微柱通道整体放大图。

图3为本发明装置中微柱通道前端的圆形微柱阵列放大图。

图4为本发明装置中微柱通道中部的三角形微柱阵列放大图。

图5为本发明装置中微柱通道后端的菱形微柱阵列放大图。

图6为本发明装置中介电泳分选区域电源正极通道口与电源负极通道口的放大图。

图中：1、第一进液口；2、第二进液口；3、微柱通道；4、小尺寸微塑料颗粒溶液入口；5、大尺寸微塑料颗粒溶液入口；6、第三进液口；7、第四进液口；8、第一出样口；9、第二出样口；10、第三出样口；11、第四出样口；12、第一电源正极插入口；13、第一电源负极插入口；14、第二电源正极插入口；15、第二电源负极插入口；16、第一电源正极通道口；17、第一电源负极通道口；18、第二电源正极通道口；19、第二电源负极通道口；20、第一微流体通道；21、第二微流体通道；22、第一夹角；23、第二夹角；24、第三夹角；25、第四夹角；26、第五夹角；27、第六夹角；28、微通道层；29、第一电源正极通道；30、第一电源负极通道；31、第二电源正极通道；32、第二电源负极通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置，包括确定性侧向位移分选装置和介电泳分选装置，其中：

确定性侧向位移分选装置，包括微柱通道3，如图2所示，微柱通道3的一端连通有第一进液口1、第二进液口2，微柱通道3的另一端连通有小尺寸微塑料颗粒溶液入口4、大尺寸微塑料颗粒溶液入口5；本实施例中，微柱通道宽120μm，第一进液口1宽30μm，第二进液口2宽80μm。

介电泳分选装置，包括微通道层28；微通道层包括：第一微流体通道20、第二微流体通道21；

第一微流体通道20一侧用于连接第三进液口6和初筛后的小尺寸微塑料颗粒溶液入口4，另一侧用于连接第一出样口8和第二出样口9；微通道层28的一侧壁设置有第一电源正极通道口16，另一侧壁设置有第一电源负极通道口17；

第二微流体通道21一侧用于连接第四进液口7和初筛后的大尺寸微塑料颗粒溶液入口5，另一侧用于连接第三出样口10和第四出样口11；微通道层28的一侧壁设置有第二电源正极通道口18，另一侧壁设置有第二电源负极通道口19。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3-5所示，所述微柱通道3由圆形微柱阵列、三角形微柱阵列、菱形微柱阵列构成。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一电源正极通道口16、第二电源正极通道口18的宽度相同；所述第一电源负极通道口17、第二电源负极通道口19宽度相同；且第一电源正极通道口16、第二电源正极通道口18的宽度小于所述第一电源负极通道口17以及第二电源负极通道口19的宽度。第一电源正极通道29、第一电源负极通道30、第二电源正极通道31、第二电源负极通道32宽度相同。本实施例中，小孔宽度为5μm、长度为10μm，电源正极通道宽100μm，电源负极通道宽100μm。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图6所示，第一电源正极插入口12接入直流电源正极，通过所述第一电源正极通道口16与所述第一微流体通道20交汇处产生高梯度不均匀电场；所述第一电源负极通道口17通过第一电源负极插入口13接入直流电源负极；第二电源正极插入口14接入直流电源正极，通过所述第二电源正极通道口18与所述第二微流体通道21交汇处产生高梯度不均匀电场；所述第二电源负极通道19通过第二电源负极插入口15接入直流电源负极。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一电源正极插入口12、第一电源负极插入口13、第二电源正极插入口14、第二电源负极插入口15与直流电源连接，用于为微塑料颗粒的筛选与分离施加直流信号。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一进液口1、第二进液口2之间设置有第一夹角22，便于形成鞘液流使得微塑料颗粒挤压到一侧的微通道壁上；小尺寸微塑料颗粒溶液入口4、大尺寸微塑料颗粒溶液入口5之间设置有第二夹角23，完成尺寸差异较大的海洋微塑料颗粒的分选；例如微米级海洋微塑料颗粒与纳米级海洋微塑料颗粒的分选；第三进液口6和初筛后的小尺寸微塑料颗粒溶液入口4之间设置有第三夹角24，用于形成鞘液流使得微塑料颗粒挤压到一侧的微通道壁上；第四进液口7和初筛后的大尺寸微塑料颗粒溶液入口5之间设置有第四夹角25，用于形成鞘液流使得微塑料颗粒挤压到一侧的微通道壁上；第一出样口8和第二出样口9之间设置有第五夹角26，完成尺寸差异较小的微塑料颗粒的分选；例如纳米级海洋微塑料颗粒的分选；第三出样口10和第四出样口11之间设置有第六夹角27，完成尺寸差异较小的微塑料颗粒的分选，例如微米级海洋微塑料颗粒的分选。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一夹角22、第二夹角23、第三夹角24、第四夹角25、第五夹角26、第六夹角27均为60°。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置的芯片基底为硅片，其制作过程包括如下步骤：

清洗：使用丙酮和去离子水将硅片冲洗干净，用氮气吹干去除表面杂质；

涂光刻胶：将硅片放在旋涂机的正中心位置，然后在硅片中心倒入适量的光刻胶，最后根据芯片所需高度设置旋转速度和时间，使光刻胶均匀的布满硅片表面。

前烘：将旋涂好光刻胶的硅片放置在加热器上加热，加热完成后冷却，使光刻胶加热成形。

曝光：冷却处理完成后将硅片放在曝光机下，将掩膜底片放在硅片上，设置曝光时间。

后烘：将曝光后的硅片放在加热器上加热，加热完成后冷却，提高光刻胶的胶体韧性，让其不易破损。

显影：后烘完成后将硅片置于显影液中浸泡，此时未曝光区域的光刻胶将被显影液清洗掉，保留曝光区域的图案。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述微通道层28为PDMS材料，采用光刻浇注工艺制作而成，其制作过程包括如下步骤：

抽真空：将液态PDMS与固化剂以10：1的比例倒入一个干净的玻璃杯中，用搅拌棒搅拌均匀，然后放入真空箱中静置，将玻璃杯中的空气脱去，防止PDMS固化后有气泡产生。

浇注固化：抽真空完成后将PDMS倒在装置分离芯片的基底上，然后放入烤箱静置，等待PDMS固化。

清洗：将固化后的PDMS芯片按照图形尺寸修剪，打孔器对准芯片的入口和出口进行打孔处理，然后将芯片和玻璃载玻片同时置于等离子清洗机中清洗。

键合：将载玻片和PDMS芯片献皇后从等离子清洗机中取出，两者迅速键合。

本发明还提供了一种基于上述结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置的微塑料颗粒筛选与分离方法，包括如下步骤：

S1、将键合后的结合确定性侧向位移和介电泳的微塑料颗粒筛选与分离装置放入等离子清洗机中进行等离子清洗，提高通道的亲水性，便于液体流动；

S2、将铂电极插入第一电源正极插入口12、第一电源负极插入口13、第二电源正极插入口14、第二电源负极插入口15并用导线连接直流电源；

S3、用注射泵在第一进液口1注入微塑料颗粒溶液，在第二进液口2、第三进液口6、第四进液口7注入缓冲液；

S4、用显微镜观察微塑料颗粒分离效果，在确定性侧向位移区域，适当调节微塑料颗粒溶液流速，提高一级分离效率；在介电泳分选区域，适当调整电压，提高二级分离效率。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述确定性侧向位移分离区域为一级筛选区域；所述介电泳分选区域为二级筛选区域。

微塑料颗粒的尺寸不同，存在微米级海洋微塑料颗粒和纳米级海洋微塑料颗粒，只进行一次分选效率低，由此设计两级分选结构。一级分选基于确定性侧向位移分离原理，设计圆形微柱阵列、三角形微柱阵列、菱形微柱阵列结合的微柱阵列结构，对微塑料样品溶液进行初筛，实现对不同尺寸大小的微塑料颗粒的一级分离。尺寸大于微柱临界直径的微塑料颗粒经过微柱时会发生碰撞迁移至相邻的流线中，流出大尺寸微塑料颗粒溶液入口5。尺寸小于微柱临界直径的微塑料颗粒穿过微柱间隙继续沿着主流体流动方向流动，流出小尺寸微塑料颗粒溶液入口4，实现一级分离。

介电泳力的大小与颗粒尺寸成正比，利用介电泳力差异可以实现尺寸不同的海洋微塑料颗粒的分选。二级分选时设置电源正极通道口，通过与微流体通道交汇处产生高梯度不均匀电场来进行分离，实现尺寸差异较小的海洋微塑料颗粒的分选。初筛后的小尺寸微塑料颗粒入口4流出的微塑料颗粒在第一微流体通道20中所受介电泳力不同，较大尺寸微塑料粒子流出第一出样口8，较小尺寸微塑料粒子流出第二出样口9；初筛后的大尺寸微塑料颗粒入口5流出的微塑料颗粒在第二微流体通道21中所受介电泳力不同，较小尺寸微塑料粒子流出第三出样口10，较大尺寸微塑料粒子流出第四出样口11，实现二级分离。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。