一种介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置及方法

1.本发明涉及海洋微塑料颗粒分析技术领域，具体而言，尤其涉及一种介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置及方法。


背景技术：

2.微塑料是指那些直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒，实际上，微塑料的粒径范围从几微米到几毫米，是形状多样的非均匀塑料颗粒混合体，肉眼往往难以分辨，被形象地称为"海中的pm2.5"。与"白色污染"塑料相比，海洋微塑料颗粒的危害体现在其颗粒直径微小，对于环境的危害程度更深。
3.研究表明，微塑料成为海洋环境中另一个不可忽视的威胁，已经在全球范围内被检测到，在非洲、亚洲、东南亚、印度、南非、北美和欧洲都发现了大量的微塑料颗粒，这引起了科学研究和公众健康的关注。大量海洋生物受到微塑料的不利影响，并且微塑料也对土壤生物群落(如蚯蚓)产生不利影响，可以改变土壤的生物物理性质，包括土壤的聚集性、容重和持水能力等。微塑料具有复杂的物理化学性质，这些性质改变了其流动性、生物利用度和对生物体的毒性以及与周围污染物的相互作用。此外，吸附在这些微塑料颗粒上的各种无机和有机化学物质可能比微塑料本身对生物体构成更大的威胁。
4.常见的海洋微塑料颗粒主要包括聚苯乙烯(polystyrene,ps)、聚乙烯(polyethylene,pe)、聚丙烯(polypropylene,pp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,pet)、聚氨酯(polyurethane,pur)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,pvc)等。
5.微塑料的分选与识别检测是研究微塑料不可或缺的步骤，传统的微塑料分选方法主要包括离心法、流式细胞法和色谱分析法等；微塑料的识别检测方法包括可视化技术、高光谱成像与气相色谱-质谱法等，这些方法的缺点包括操作步骤复杂、分离效率低，所需样品量大，设备昂贵等。因此，急需发明一种海洋微塑料颗粒识别检测装置，集分选与识别检测于一体，简单快速高效准确完成海洋微塑料颗粒的相关研究。
6.海洋微塑料颗粒分选装置采用微流控芯片，微流控芯片是一种以微尺度空间流体操纵为特征的科学技术，能够将生物、化学和其他实验室的基本功能集成到厘米级芯片中。由于其优点包括试所需剂量少，反应时间短，使用便携，成本低，设计灵活，功耗低，以及并行操作和与其他微型设备集成的潜力，因此利用微流控芯片对微颗粒进行研究引起了人们的极大关注，可在微流控芯片内完成微颗粒的分选、操控等系列操作。
7.海洋微塑料颗粒识别检测装置采用激光诱导击穿光谱仪，其工作原理是利用超短脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品(通常为固体)中的物质，并通过光谱仪获取被等离子体激发的原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。激光诱导击穿光谱仪作为一种新的材料识别及定量分析技术，既可以用于实验室，也可以应用于工业现场的在线检测。


技术实现要素：

8.根据上述提出的技术问题，为了更加快速高效准确的研究海洋微塑料颗粒，本发明提供一种介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置及方法。本发明将海洋微塑料颗粒的分选与识别检测集成在一套装置内，具有操作简单、结果准确并且可重复、无需复杂的样品预处理、高效快速等优点。
9.本发明采用的技术手段如下：
10.一种介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置，包括：海洋微塑料颗粒分选装置、海洋微塑料颗粒识别检测装置以及显示器；其中：
11.所述海洋微塑料颗粒分选装置，采用微流控芯片作为分选平台，借助非对称通孔产生不均匀电场，处于不均匀电场区域的海洋微塑料颗粒被极化，受到介电泳力，利用介电泳力差异实现海洋微塑料颗粒的多级分选；
12.所述海洋微塑料颗粒识别检测装置，采用激光诱导击穿光谱仪；
13.所述显示器，辅助激光诱导击穿光谱仪，用于显示被检测样品的光谱。
14.进一步地，所述海洋微塑料颗粒分选装置采用两级分选微流控芯片，芯片内设置一级分选区与二级分选区；一级分选区和二级分选区内利用非对称通孔产生不均匀电场。
15.进一步地，所述一级分选区设置有一级微流体通道、一组非对称通孔、一级3d微电极层；其中：
16.一级微流体通道的一侧分别连通有一级分选样品入口和一级鞘液入口，一级微流体通道的另一侧分别连通有一级出口ⅰ和一级出口ⅱ；所述一级微流体通道的一侧壁分别设置有第一通孔，对应第一通孔的另一侧壁设置有第二通孔，第一通孔和第二通孔构成一组非对称通孔；
17.一级3d微电极层包括分别设置在一级微流体通道两侧的一级3d微电极ⅰ和一级3d微电极ⅱ。
18.进一步地，所述二级分选区设置有二级微流体通道ⅰ、二级微流体通道ⅱ、两组非对称通孔、二级3d微电极层ⅰ以及二级3d微电极层ⅱ；其中：
19.二级微流体通道ⅰ的一侧分别连通有二级样品入口ⅰ和二级鞘液入口ⅰ，二级样品入口ⅰ连通一级出口ⅰ；二级微流体通道ⅰ的另一侧分别连通有二级出口ⅰ和二级出口ⅱ；二级微流体通道ⅰ的一侧壁分别设置有第三通孔、第四通孔，对应第三通孔的另一侧壁设置有第五通孔，对应第四通孔的另一侧壁设置有第六通孔；第三通孔和第五通孔构成一组非对称通孔；第四通孔和第六通孔构成另一组非对称通孔；
20.二级微流体通道ⅱ的一侧分别连通有二级样品入口ⅱ和二级鞘液入口ⅱ，二级样品入口ⅱ连通一级出口ⅱ；二级微流体通道ⅰ的另一侧分别连通有二级出口ⅲ和二级出口ⅳ；二级微流体通道ⅰ的一侧壁分别设置有第七通孔、第八通孔，对应第七通孔的另一侧壁设置有第九通孔，对应第八通孔的另一侧壁设置有第十通孔；第七通孔和第九通孔构成一组非对称通孔；第八通孔和第十通孔构成另一组非对称通孔；
21.二级3d微电极层ⅰ包括分别设置在二级微流体通道ⅰ两侧的两对二级3d微电极，即二级3d微电极ⅰ、二级3d微电极ⅱ、二级3d微电极ⅲ和二级3d微电极ⅳ；
22.二级3d微电极层ⅱ包括分别设置在二级微流体通道ⅱ两侧的两对二级3d微电极，即二级3d微电极
ⅴ
、二级3d微电极ⅵ、二级3d微电极ⅶ和二级3d微电极ⅶ。
23.进一步地，所述一级3d微电极ⅰ、一级3d微电极ⅱ、二级3d微电极ⅰ、二级3d微电极ⅱ、二级3d微电极ⅲ、二级3d微电极ⅳ、二级3d微电极
ⅴ
、二级3d微电极ⅵ、二级3d微电极ⅶ和二级3d微电极ⅶ均采用铜电极。
24.进一步地，所述非对称通孔中，大孔直径为520um，小孔直径为10um。
25.本发明还提供了一种基于上述介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置的海洋微塑料颗粒识别检测方法，包括如下步骤：
26.s1、将海洋微塑料颗粒分选装置放入等离子清洗机进行清洗，完成清洗后连通电压源进行通电，加入种类不同、尺寸不同的海洋微塑料颗粒，在显微镜下观察实验现象与实验结果；
27.s2、取出分选开的海洋微塑料颗粒进行干燥；
28.s3、将干燥后的海洋微塑料颗粒放入激光诱导击穿光谱仪，同时打开显示器，借助激光诱导击穿光谱仪配套软件完成海洋微塑料颗粒的识别检测。
29.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
30.1、本发明提供的介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置，将海洋微塑料颗粒的分选与识别检测集成于一体，同时完成两项工作，海洋微塑料颗粒研究效率显著提升。
31.2、本发明提供的介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置，其海洋微塑料颗粒分选装置采用微流控芯片，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。
32.3、本发明提供的介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置，其海洋微塑料颗粒识别检测装置采用激光诱导击穿光谱仪，快速直接分析，可以检测几乎所有元素、同时分析多种元素、基体形态多样性，定性分析微塑料颗粒，结果准确并且可重复。
33.基于上述理由本发明可在海洋微塑料颗粒研究等领域广泛推广。
附图说明
34.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。
35.图1为本发明海洋微塑料颗粒识别检测装置示意图。
36.图2为本发明海洋微塑料颗粒分选装置(两级分选微流控芯片)平面图。
37.图中：1、海洋微塑料颗粒分选装置；11、一级分选区；1101、一级分选样品入口；1102、鞘液入口ⅰ；1103、一级微流体通道；1104、一级3d微电极ⅰ；1105、一级3d微电极ⅱ；1106、第一通孔；1107、第二通孔；1111、一级出口ⅰ；1112、一级出口ⅱ；12、二级分选区；1201、二级样品入口ⅰ；1202、鞘液入口ⅱ；1203、二级微流体通道ⅰ、1204、二级3d微电极ⅰ；1205、二级3d微电极ⅱ、1206、二级3d微电极ⅲ；1207、二级3d微电极ⅳ；1208、二级微流体通道ⅱ；1209、二级3d微电极
ⅴ
；1210、二级3d微电极ⅵ；1211、二级出口ⅰ；1212、二级出口ⅱ；1213、二级出口ⅲ；1214、二级出口ⅳ；1215、二级3d微电极ⅶ；1216、二级3d微电极ⅶ；1217、
第七通孔、1218、第八通孔；1219、第九通孔；1220、第十通孔；1221、二级样品入口ⅱ；1222、鞘液入口ⅲ；1223、第三通孔；1224、第四通孔；1225、第五通孔；1226、第六通孔；2、海洋微塑料颗粒识别检测装置；3、显示器。
具体实施方式
38.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。
39.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。
40.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。
41.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。
42.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。
43.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。
44.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。
45.如图1所示，本发明提供了一种介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置，包括：海洋微塑料颗粒分选装置、海洋微塑料颗粒识别检测装置以及显示器；其中：
46.所述海洋微塑料颗粒分选装置，采用微流控芯片作为分选平台，借助非对称通孔产生不均匀电场，处于不均匀电场区域的海洋微塑料颗粒被极化，受到介电泳力(dielectrophoresis,dep)，利用介电泳力差异实现海洋微塑料颗粒的多级分选；在本实施例中，海洋微塑料颗粒分选装置，采用微流控芯片作为分选平台，利用介电泳现象将尺寸不同的海洋微塑料颗粒分选至不同出口。介电泳是指颗粒在不均匀电场中被极化而产生运动的现象，与微颗粒的尺寸和介电特性相关。具有无标记操作、能够诱导无接触正或负作用力等优点。在不均匀电场中，半径为r的粒子受到介电泳力表示如下：
[0047][0048]
所述海洋微塑料颗粒识别检测装置，采用激光诱导击穿光谱仪(laser-induced breakdown spectroscopy,libs)；其工作原理是利用超短脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品(通常为固体)中的物质，并通过光谱仪获取被等离子体激发的原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。几乎不需要样品制备，可直接快速进行分析，并且可以检测几乎所有的固态样品，可以实现海洋微塑料颗粒的定性分析。
[0049]
所述显示器，辅助激光诱导击穿光谱仪，显示被识别样品的光谱，利用配套软件实现海洋微塑料颗粒的识别检测。
[0050]
本发明中的微流控芯片借助非对称通孔产生不均匀电场，处于不均匀电场区域时海洋微塑料颗粒被极化，受到介电泳力，因为介电泳力的大小与颗粒尺寸成正比，所以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多级分选。
[0051]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述海洋微塑料颗粒分选装置采用两级分选微流控芯片，芯片内设置一级分选区与二级分选区；玻璃基底层包括作为电源线和3d微电极层之间导线的ito电极；一级分选区和二级分选区内利用非对称通孔产生不均匀电场。
[0052]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述一级分选区设置有一级微流体通道、一组非对称通孔、一级3d微电极层；其中：
[0053]
一级微流体通道的一侧分别连通有一级分选样品入口和一级鞘液入口，一级微流体通道的另一侧分别连通有一级出口ⅰ和一级出口ⅱ；所述一级微流体通道的一侧壁分别设置有第一通孔，对应第一通孔的另一侧壁设置有第二通孔，第一通孔和第二通孔构成一组非对称通孔；
[0054]
一级3d微电极层包括分别设置在一级微流体通道两侧的一级3d微电极ⅰ和一级3d微电极ⅱ。
[0055]
一级分选时设置一组非对称通孔，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，完成分选后的海洋微塑料颗粒流入不同出口，继续完成二级分选。
[0056]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述二级分选区设置有二级微流体通道ⅰ、二级微流体通道ⅱ、两组非对称通孔、二级3d微电极层ⅰ以及二级3d微电极层ⅱ；其中：
[0057]
二级微流体通道ⅰ的一侧分别连通有二级样品入口ⅰ和二级鞘液入口ⅰ，二级样品入口ⅰ连通一级出口ⅰ；二级微流体通道ⅰ的另一侧分别连通有二级出口ⅰ和二级出口ⅱ；二级微流体通道ⅰ的一侧壁分别设置有第三通孔、第四通孔，对应第三通孔的另一侧壁设置有第五通孔，对应第四通孔的另一侧壁设置有第六通孔；第三通孔和第五通孔构成一组非对称通孔；第四通孔和第六通孔构成另一组非对称通孔；
[0058]
二级微流体通道ⅱ的一侧分别连通有二级样品入口ⅱ和二级鞘液入口ⅱ，二级样品入口ⅱ连通一级出口ⅱ；二级微流体通道ⅰ的另一侧分别连通有二级出口ⅲ和二级出口ⅳ；二级微流体通道ⅰ的一侧壁分别设置有第七通孔、第八通孔，对应第七通孔的另一侧壁设置有第九通孔，对应第八通孔的另一侧壁设置有第十通孔；第七通孔和第九通孔构成一组非对称通孔；第八通孔和第十通孔构成另一组非对称通孔；
[0059]
二级3d微电极层ⅰ包括分别设置在二级微流体通道ⅰ两侧的两对二级3d微电极，即二级3d微电极ⅰ、二级3d微电极ⅱ、二级3d微电极ⅲ和二级3d微电极ⅳ；
[0060]
二级3d微电极层ⅱ包括分别设置在二级微流体通道ⅱ两侧的两对二级3d微电极，即二级3d微电极
ⅴ
、二级3d微电极ⅵ、二级3d微电极ⅶ和二级3d微电极ⅶ。
[0061]
二级分选时设置两组非对称通孔，扩大了不均匀电场区域，延长了受力时间，完成尺寸差异较小的海洋微塑料颗粒的分选，例如均为微米级海洋微塑料颗粒的分选或均为纳米级海洋微塑料颗粒的分选。
[0062]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述一级3d微电极ⅰ、一级3d微电极ⅱ、二级3d微电极ⅰ、二级3d微电极ⅱ、二级3d微电极ⅲ、二级3d微电极ⅳ、二级3d微电极
ⅴ
、二级3d微电极ⅵ、二级3d微电极ⅶ和二级3d微电极ⅶ均采用铜电极。
[0063]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述非对称通孔中，大孔直径为520um，小孔直径为10um。
[0064]
本发明还提供了一种基于上述介电泳与激光诱导击穿光谱联合的海洋微塑料颗粒识别检测装置的海洋微塑料颗粒识别检测方法，其中，海洋微塑料颗粒识别检测装置在室温(25℃)工作，包括如下步骤：
[0065]
s1、将海洋微塑料颗粒分选装置放入等离子清洗机进行清洗，完成清洗后连通电压源进行通电，加入种类不同、尺寸不同的海洋微塑料颗粒，在显微镜下观察实验现象与实验结果；
[0066]
s2、取出分选开的海洋微塑料颗粒进行干燥；
[0067]
s3、将干燥后的海洋微塑料颗粒放入激光诱导击穿光谱仪，同时打开显示器，借助激光诱导击穿光谱仪配套软件完成海洋微塑料颗粒的识别检测。
[0068]
在本实施例中，分选样品无需过多预处理，识别检测样品只需干燥处理即可。海洋微塑料颗粒分选与识别检测过程简单、迅速，对实验人员无过多要求，只需掌握正确方法即可，并且试验结果准确且可重复。
[0069]
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。