基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置，所述裝置用于對液體樣品進行LIBS檢測，其包括：放置待測液體樣品，并使得前述液體樣品能夠在其內(nèi)部微通道中流動并產(chǎn)生相應液滴流出的微流控芯片；以及置于所述微流控芯片內(nèi)部，能夠擠壓所述微通道中流動的液體樣品，并使得液體樣品在受到擠壓后流出所述微流控芯片的壓電陶瓷驅(qū)動器；所述液體樣品在受到擠壓后自所述微流控芯片流出，產(chǎn)生液滴。本實用新型能夠有效提高LIBS對液體樣品進行檢測時的應用穩(wěn)定性并降低檢測極限。
【專利說明】
基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及LIBS檢測技術(shù)，具體的說是涉及一種基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置及實現(xiàn)對液體樣品進行LIBS檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導擊穿光譜(LaserInduced Breakdown Spectroscopy-LIBS)是基于高功率脈沖激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生瞬態(tài)等離子體，通過分析等離子體發(fā)射光譜中原子、離子特征譜線，實現(xiàn)對待測物定性與定量分析的一種光譜技術(shù)。
[0003]LIBS檢測具有樣品形態(tài)無選擇性、微損且無需樣品預處理、多種不同元素同時檢測分析以及能夠快速或?qū)崟r的對樣品進行分析等特點。但激光在液體中誘導等離子體時，受到吸收散射、波動、壓力、熱傳導等問題的影響，使LIBS對液體樣品存在應用穩(wěn)定性差和檢測極限高等問題。
[0004]目前，LIBS對液體樣品檢測的解決辦法主要有液體表面擊穿、雙脈沖激光、將液體樣品轉(zhuǎn)化成固態(tài)、液體樣品附著在固體介質(zhì)上和特殊方式將液體中的目標成分先富集等。
[0005]在液體表面進行擊穿被認為是可以避免前期傳播過程損耗，提高高檢測靈敏度的方法。該方法對檢測極限有一定的減小，但表面擊穿的方法易受到濺射和輻射的波動限制。
[0006]DP-LIBS被認為是一種既能保證LIBS本身特性又能提高信號質(zhì)量的一種新的方法，對提高檢測靈敏度也有較大幫助。雙脈沖激光在液體內(nèi)部擊穿，通過優(yōu)化脈沖能量和延時等參數(shù)，可以降低多種金屬成分的檢測極限。但雙脈沖系統(tǒng)的設備、光路及操作的復雜程度較高，雙脈沖激光器成本也較高。
[0007]隨后液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)的想法被提了出來。JO(Deeres等人提出將液體樣品快速冷凍成冰，然后進行LIBS實驗。Pace等人則利用氧化鈣CaO將液體樣品固化，然后進行LIBS檢測。這些方法檢測限有一定的提高，但其樣品處理過程復雜，后一種方法還需要加入大量的附加化學成分。
[0008]將液體樣品附著在固體介質(zhì)上然后進行LIBS實驗也是一種提高檢測靈敏度的方法之一。其直接對浸有液體樣品的木條樣品進行LIBS實驗，或者利用濾紙作為基質(zhì)吸附液體樣品進行檢測。這些方法在一定程度上依賴基質(zhì)本身特性，但是樣品預處理所需時間較長，LIBS技術(shù)實時、快速的特點有難以得到保留。
[0009]通過特殊方式將液體中的目標成分先富集起來，然后進行LIBS檢測也是一種提高靈敏度的有效方法。其利用導向沉積的方法或滲析膜將液體中的金屬元素富集起來，再進行LIBS檢測。該方法具有較高的檢測靈敏度，但往往需要數(shù)小時甚至數(shù)日的樣品準備時間，對于需要快速檢測現(xiàn)場應用領(lǐng)域并不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型的目的是要提供一種基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置，該裝置能夠有效提高LIBS對液體樣品進行檢測時的應用穩(wěn)定性并降低檢測極限。
[0011 ]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案:
[0012]—種基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置，該裝置用于對液體樣品進行LIBS檢測，其特征在于:
[0013]所述裝置包括
[0014]放置待測液體樣品，并使得前述液體樣品能夠在其內(nèi)部微通道中流動并產(chǎn)生相應液滴流出的微流控芯片；
[0015]以及置于所述微流控芯片內(nèi)部，能夠擠壓所述微通道中流動的液體樣品，并使得液體樣品在受到擠壓后流出所述微流控芯片的壓電陶瓷驅(qū)動器;所述液體樣品在受到擠壓后自所述微流控芯片流出即產(chǎn)生液滴，以便于LIBS檢測激光的聚焦和激發(fā)。
[0016]進一步的，所述微流控芯片自上至下依次包括上層芯片、下層芯片以及基板;所述上層芯片上設置兩個分別用于作為進流口以及液滴出口的通孔;所述下層芯片上凹刻有用于供液體樣品在其內(nèi)部流動的微通道，該微通道一端與所述進流口相通，另一端設置與所述液滴出口相通且孔徑大于所述液滴出口孔徑的液滴擠壓區(qū);所述基板位于液滴擠壓區(qū)正下方位置處設置能夠容納所述壓電陶瓷驅(qū)動器的凹孔。
[0017]進一步的，所述基板由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成;所述PMMA即有機玻璃，該材料透明度優(yōu)良，具有良好的絕緣性和機械強度，它的比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力卻高出幾倍。
[0018]進一步的，所述上層芯片、下層芯片均由PDMS材料制成。PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料與PMMA材料之間具有良好的粘附性，且具有良好的化學惰性；由于PDMS薄膜的彈性模量僅為0.75MPa，因此使用PDMS制作的振動膜可以適當增加振動膜的厚度，一般情況下采用數(shù)百微米厚的PDMS厚膜不但可以滿足強度方面的要求，而且可以在液滴擠壓區(qū)產(chǎn)生更大的形變量;另外PDMS材料具有良好的延伸性，封裝以及粘貼壓電陶瓷元件時不易損壞。
[0019]進一步的，所述壓電陶瓷驅(qū)動器包括壓電陶瓷驅(qū)動電源及壓電陶瓷元件，所述壓電陶瓷驅(qū)動電源與所述壓電陶瓷元件相連接，并對所述壓電陶瓷元件施加驅(qū)動電源;所述壓電陶瓷元件包括兩片呈上下對稱排列，且均為長方形片狀結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷晶片，各所述壓電陶瓷晶片分別各自對應的沿厚度方向進行極化，并隨著壓電陶瓷驅(qū)動電源所施加驅(qū)動電源產(chǎn)生逆壓電效應，使得各所述壓電陶瓷晶片隨著各自對應的電荷中心的位移導致變形，進而兩者共同作用產(chǎn)生彎曲位以移形成能夠具有較大位移的壓電陶瓷驅(qū)動器。
[0020]優(yōu)選的，各所述壓電陶瓷晶片通過金屬片連接為一體，且通過壓電陶瓷驅(qū)動電源對位于上層的壓電陶瓷晶片施加反向驅(qū)動電場，對位于下層的壓電陶瓷晶片施加正向驅(qū)動電場;施加驅(qū)動電場后，由于壓電陶瓷晶片的逆壓電效應，使得位于下層的壓電陶瓷晶片縮短，位于上層的壓電陶瓷晶片伸長，進而兩者共同作用產(chǎn)生彎曲位移以形成能夠具有較大位移的壓電陶瓷驅(qū)動器。
[0021]所述壓電陶瓷驅(qū)動電源采用HPV系列壓電陶瓷驅(qū)動電源，包括HPV-3B0150A0500，HPV-1B0150A0300D 等型號。
[0022]本實用新型提供了一種使用上述液滴產(chǎn)生裝置實現(xiàn)對液體樣品進行LIBS檢測的方法，其包括如下步驟:
[0023]I)將液體樣品通入上述液滴產(chǎn)生裝置的進流口，若進行在線檢測則將待檢測液體管路通入進流口；
[0024]2)待液體樣品充滿整個微流道以及液滴擠壓區(qū)后，通過壓電陶瓷驅(qū)動器的壓電陶瓷驅(qū)動電源施加驅(qū)動電壓；
[0025]3)待液滴擠壓區(qū)中的液體樣品因受到壓電陶瓷元件所產(chǎn)生的彎曲位移的擠壓產(chǎn)生變形，并從液滴出口以液滴形式流出后；
[0026]4)利用LIBS檢測系統(tǒng)將激光聚焦在液滴出口直接進行LIBS檢測。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0028]1、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，無需專業(yè)人員操作，不受個人經(jīng)驗問題的影響；2、僅需要設計合適尺寸的微芯片，即可結(jié)合LIBS檢測系統(tǒng)，適用于各種液體樣品的在線檢測;3、液體樣品無需預處理，即解決了 LIBS檢測液體樣品時受到吸收散射、波動、壓力、熱傳導等問題的影響，進而提高了LIBS對液體樣品檢測的穩(wěn)定性，降低檢測極限高。
【附圖說明】
[0029]圖1是本實用新型所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本實用新型所述裝置的側(cè)視圖；
[0031]圖3是本實用新型所述壓電陶瓷元件電路連接示意圖。
[0032]圖中:1、上層芯片，2、下層芯片，3、基板，4、微流道，5、壓電陶瓷元件，51、壓電陶瓷晶片，52、金屬片，6、液滴擠壓區(qū)，7、液滴出口，8、進流口。
【具體實施方式】
[0033]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。
[0034]本實用新型針對LIBS對液體樣品檢測困難的問題，設計了一種基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置，其通過使液體樣品產(chǎn)生液滴，實現(xiàn)液體樣品無需預處理的LIBS檢測，適用于液體樣品在線分析，特別是為航行的船舶上油液檢測分析，提供一種新型的基于壓電材料的逆壓電效應原理的在線檢測方法。
[0035]如圖1-圖2所示，所述裝置具體包括兩部分:微芯片(液體樣品流動主體部分)以及用于產(chǎn)生形變擠壓內(nèi)部液體的壓電陶瓷驅(qū)動器部分；
[0036]其中，微流控芯片用于放置待測液體樣品，并使得所述液體樣品能夠在其內(nèi)部微通道中流動并產(chǎn)生相應液滴流出;壓電陶瓷驅(qū)動器或者僅是壓電陶瓷元件置于所述微流控芯片內(nèi)部，能夠擠壓所述微通道中流動的液體樣品，并使得液體樣品在受到擠壓后流出所述微流控芯片;所述液體樣品在受到擠壓后自所述微流控芯片流出即產(chǎn)生液滴，利用LIBS檢測系統(tǒng)將激光聚焦在液滴出口直接進行LIBS檢測。LIBS檢測系統(tǒng)包括但不限于現(xiàn)有任意能進行激光誘導擊穿光譜實驗的系統(tǒng)或者儀器，如手持式LIBS激光誘導擊穿光譜儀(賽普斯SCIAPSZ100)以及臺式LIBS激光誘導擊穿光譜儀等。
[0037]進一步的，所述微流控芯片自上至下依次包括主要用于液體樣品的流入，以及液滴的流出的上層芯片、用于實現(xiàn)液體待測樣品的流動以及使其在液滴擠壓區(qū)的匯集的下層芯片以及基板;如圖1，所述上層芯片上從右至左依次設置兩個分別用于作為進流口8以及液滴出口 7的通孔，進流口 8主要用于液體待測樣品進入微芯片微通道，液滴出口 7的尺寸最好設計成在滿足檢測需求的條件下盡量小于液滴擠壓區(qū)的尺寸，以利于液滴產(chǎn)生和流出；所述下層芯片上凹刻有用于供液體樣品在其內(nèi)部流動的微通道，所述微通道尺寸大小需按照實際使用的微流控芯片規(guī)格以及使用需求具體配置;該微通道右端與所述進流口相通，左端設置與所述液滴出口相通且孔徑大于所述液滴出口孔徑的液滴擠壓區(qū)，所述液滴擠壓區(qū)采用下大上小的特殊結(jié)構(gòu)的通孔，便于配合壓電陶瓷元件的擠壓產(chǎn)生液體樣品的液滴；所述基板位于液滴擠壓區(qū)正下方位置處設置能夠容納所述壓電陶瓷元件的凹孔。
[0038]進一步的，所述基板由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成;所述PMMA即有機玻璃，該材料透明度優(yōu)良，具有良好的絕緣性和機械強度，它的比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力卻高出幾倍。
[0039]進一步的，所述上層芯片、下層芯片均由PDMS材料制成。PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料與PMMA材料之間具有良好的粘附性，且具有良好的化學惰性；由于PDMS薄膜的彈性模量僅為0.75MPa，因此使用PDMS制作的振動膜可以適當增加振動膜的厚度，一般情況下采用數(shù)百微米厚的PDMS厚膜不但可以滿足強度方面的要求，而且可以產(chǎn)生更大的形變量；另外PDMS材料具有良好的延伸性，封裝以及粘貼壓電陶瓷元件時不易損壞。
[0040]所述壓電陶瓷驅(qū)動器包括壓電陶瓷驅(qū)動電源及壓電陶瓷元件，所述壓電陶瓷驅(qū)動電源與所述壓電陶瓷元件相連接，并對所述壓電陶瓷元件施加驅(qū)動電源;所述壓電陶瓷元件采用長方形片狀雙晶片結(jié)構(gòu)，即包括兩片呈上下對稱排列，且均為長方形片狀結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷晶片，各所述壓電陶瓷晶片分別各自對應的沿厚度方向進行極化，并隨著壓電陶瓷驅(qū)動電源所施加驅(qū)動電源產(chǎn)生逆壓電效應，使得各所述壓電陶瓷晶片隨著各自對應的電荷中心的位移導致變形，進而兩者共同作用產(chǎn)生彎曲位以移形成能夠具有較大位移的壓電陶瓷驅(qū)動器。優(yōu)選的，所述壓電陶瓷晶片采用PZT5壓電陶瓷材料制備。
[0041]優(yōu)選的，如圖3，各所述壓電陶瓷晶片51通過金屬片52串聯(lián)為一體，且通過壓電陶瓷驅(qū)動電源對各所述壓電陶瓷晶片采用并聯(lián)形式的加壓方式，并對位于上層的壓電陶瓷晶片施加反向驅(qū)動電場，對位于下層的壓電陶瓷晶片施加正向驅(qū)動電場;施加驅(qū)動電壓后，由于壓電陶瓷晶片的逆壓電效應，使得位于下層的壓電陶瓷晶片縮短(且中部向下彎曲變形)，位于上層的壓電陶瓷晶片伸長(中部向上彎曲變形)，將兩者的中部彎曲變形稱為位移輸出端，進而通過位移輸出端的彎曲位移以形成能夠具有較大位移的壓電陶瓷驅(qū)動器，使液滴擠壓區(qū)6中的液體受到擠壓，從上方的液滴出口 7中以液滴的形似流出，此時將外設的LIBS檢測系統(tǒng)的激光聚焦在液滴出口 7處，則可直接進行LIBS的檢測。
[0042]所述壓電陶瓷驅(qū)動電源采用HPV系列壓電陶瓷驅(qū)動電源，包括HPV-3B0150A0500，HPV-1B0150A0300D 等型號。
[0043]本實用新型還提供了一種使用上述液滴產(chǎn)生裝置實現(xiàn)對液體樣品進行LIBS檢測的方法，其包括如下步驟:
[0044]I)將液體樣品通入上述液滴產(chǎn)生裝置的進流口，若進行在線檢測則將待檢測液體管路通入進流口；
[0045]2)待液體樣品充滿整個微流道以及液滴擠壓區(qū)后，通過壓電陶瓷驅(qū)動器的壓電陶瓷驅(qū)動電源施加驅(qū)動電壓；
[0046]3)待液滴擠壓區(qū)中的液體樣品因受到壓電陶瓷元件所產(chǎn)生的彎曲位移的擠壓產(chǎn)生變形，并從液滴出口以液滴形式流出后；
[0047]4)利用LIBS檢測系統(tǒng)將激光聚焦在液滴出口直接進行LIBS檢測。
[0048]本實用新型通過解決液體樣品產(chǎn)生液滴困難的問題，實現(xiàn)液體樣品無需預處理的LIBS檢測技術(shù)，其適用于液體樣品在線分析，特別是航行的船舶提供油液檢測分析技術(shù)。
[0049]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其實用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于微流控芯片和壓電陶瓷元件的液滴產(chǎn)生裝置，該裝置用于對液體樣品進行LIBS檢測，其特征在于: 所述裝置包括 放置待測液體樣品，并使得前述液體樣品能夠在其內(nèi)部微通道中流動并產(chǎn)生相應液滴流出的微流控芯片； 以及置于所述微流控芯片內(nèi)部，能夠擠壓所述微通道中流動的液體樣品，并使得液體樣品在受到擠壓后流出所述微流控芯片的壓電陶瓷驅(qū)動器;所述液體樣品在受到擠壓后自所述微流控芯片流出，產(chǎn)生液滴。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液滴產(chǎn)生裝置，其特征在于: 所述微流控芯片自上至下依次包括上層芯片、下層芯片以及基板;所述上層芯片上設置兩個分別用于作為進流口以及液滴出口的通孔;所述下層芯片上凹刻有用于供液體樣品在其內(nèi)部流動的微通道，該微通道一端與所述進流口相通，另一端設置與所述液滴出口相通且孔徑大于所述液滴出口孔徑的液滴擠壓區(qū)；所述基板位于液滴擠壓區(qū)正下方位置處設置能夠容納所述壓電陶瓷驅(qū)動器的凹孔。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液滴產(chǎn)生裝置，其特征在于: 所述基板由PMMA材料制成;所述上層芯片、下層芯片均由PDMS材料制成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液滴產(chǎn)生裝置，其特征在于: 所述壓電陶瓷驅(qū)動器包括壓電陶瓷驅(qū)動電源及壓電陶瓷元件，所述壓電陶瓷驅(qū)動電源與所述壓電陶瓷元件相連接，并對所述壓電陶瓷元件施加驅(qū)動電源;所述壓電陶瓷元件包括兩片呈上下對稱排列，且均為長方形片狀結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷晶片，各所述壓電陶瓷晶片分別各自對應的沿厚度方向進行極化，并隨著壓電陶瓷驅(qū)動電源所施加驅(qū)動電源產(chǎn)生逆壓電效應。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液滴產(chǎn)生裝置，其特征在于: 各所述壓電陶瓷晶片通過金屬片連接為一體，且通過壓電陶瓷驅(qū)動電源對位于上層的壓電陶瓷晶片施加反向驅(qū)動電場，對位于下層的壓電陶瓷晶片施加正向驅(qū)動電場。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液滴產(chǎn)生裝置，其特征在于: 所述壓電陶瓷驅(qū)動電源采用HPV系列壓電陶瓷驅(qū)動電源。
【文檔編號】G01N21/63GK205580993SQ201620330947
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月19日
【發(fā)明人】季強, 沈毅剛, 王俊生, 苑海超, 潘博, 潘新祥
【申請人】大連海事大學