一种干式微小颗粒分离方法技术

本发明专利技术提供了一种干式微小颗粒分离方法。该方法通过在真空室内设置上极板、下极板、颗粒池、颗粒分离器，在真空室外设置射频电源、半导体激光器、斩波器、扩束镜；接通射频电源，可在上下极板之间产生均匀的等离子体。颗粒分离器位于下极板上，其包括中间部位棘齿曲面槽及两端的收集盒；由颗粒池撒出的颗粒可在棘齿曲面槽内处于悬浮状态；调节半导体激光器的功率及斩波器频率，使激光器正对颗粒进行照射，推动颗粒形成特定频率的振荡，使不同大小的颗粒在棘齿曲面槽内沿相反方向运动进而完成分离。本发明专利技术可以实现对极低含量的微小颗粒进行分离。本发明专利技术操作简单、方便，为实验室及工业领域的快速分离提供了一个解决方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种颗粒分离方法，具体地说是一种干式微小颗粒分离方法。
技术介绍
对于一种或者几种微颗粒物的分离是一项非常有意义的工作，在样品储备、颗粒的物性分析、生物化学分析以及进一步形成功能化集成芯片等方面具有巨大的应用前景。目前的分离方法分为干法和湿法。湿法分离包括微流中分离颗粒法，较为有效的物理方法通常是采用均匀电场的电泳技术、基于不均匀电场的介电泳技术、基于不均匀磁场的磁泳技术，以及基于声波的声泳技术。在这些方法中，不同尺寸的颗粒在力的作用下流向不同的通道，从而可以实现空间上的分离。另外基于物质溶解性、吸附性等特性的一种分离方法叫做色谱法，其分离原理是根据混合物的各组分与互不相容的两相（固定相和流动相）作用的差异。其中湿法类高效液相色谱法（HPLC）以分离效能高、速度快、检测灵敏度高等特点使其应用广泛、发展迅速，但HPLC的仪器设备价格昂贵，操作严格。干法类气相色谱法用于测定能气化或能转化为气体的物质或化合物，又分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。值得一提的是干法分离中有一种方法叫做光色谱法，它是一种光学分离技术，利用来自弱聚焦光束的光辐射压力和流体给予的拖力之间的平衡，从而实现不同尺寸颗粒在不同平衡位置上的分离。同样，同为色谱法不能避免操作复杂严格的主要缺点，针对色谱柱的清理也较为复杂和耗时，并且当目标物质含量过低时分离难度骤升。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种干式微小颗粒分离方法，以解决现有的干法和湿法分离技术操作繁琐、处理时间长、分离精度低等的问题。本专利技术是这样实现的：一种干式微小颗粒分离方法，包括如下步骤：a、设置一真空室，在所述真空室内水平设置上下两个极板；使所述上极板接地线，使所述下极板连接一射频电源的功率电极，射频电源的另一电极接地线；b、在所述下极板上设置颗粒分离器，所述颗粒分离器包括中间部位由若干内凹的棘齿依次邻接而构成的棘齿曲面槽以及两端的收集盒；c、在所述棘齿曲面槽的上方设置颗粒池，在所述颗粒池内盛放有两种不同尺寸的微米量级的待分离颗粒；所述颗粒池与穿出所述真空室的振动杆相接；d、在所述真空室的外部设置两个相对的半导体激光器，且每一个半导体激光器分别对应所述颗粒分离器中的一个收集盒；在每一个半导体激光器的前方分别设置一个斩波器，在每一个斩波器的前方分别设置一个扩束镜；e、接通射频电源，通过气体放电在上极板与下极板之间产生均匀的等离子体；f、在真空室外使所述振动杆振动，进而带动真空室内的所述颗粒池振动，使所述颗粒池内的待分离颗粒从所述颗粒池中撒出；撒出的颗粒在等离子体区域中带负电，并在下极板上方附近的棘齿曲面槽内形成稳态、分散的悬浮体系；g、打开半导体激光器及斩波器的开关，使半导体激光器所发的激光照射到真空室内的悬浮颗粒上；h、调节斩波器的脉冲频率，使待分离颗粒中的两种不同尺寸的颗粒分别沿棘齿曲面槽的轴心线向两个相反方向定向移动；i、待两种不同尺寸的颗粒分别到达两个收集盒上方时，断开射频电源，颗粒自由下落进入相应的收集盒内，从而实现了两种不同尺寸颗粒的分离。在所述步骤e中调节所述射频电源的频率为13.56MHz，功率为1~60W。所述半导体激光器、所述斩波器以及所述扩束镜均设置在升降台上，所述升降台与步进电机相连接。所述步进电机、所述半导体激光器和所述斩波器均与控制器相接，所述控制器一方面用来控制所述步进电机工作，以驱动升降台上下运动，进而实现调整所述半导体激光器、所述斩波器及所述扩束镜的高度；另一方面用来控制所述半导体激光器的照射时间以及所述斩波器的脉冲频率。步骤g中，半导体激光器所发激光的中心波长为532nm或650nm，半导体激光器的功率范围为0.01~2W。所述棘齿曲面槽的曲面弯曲度为180°。所述收集盒是通过在内凹的半圆形凹槽两侧分别设置半圆环形的矮沿而形成。所述棘齿的齿深与齿长比例为1:2。所述真空室由不锈钢腔体围成，且不锈钢腔体接地线；在所述不锈钢腔体的侧壁上设有两个相对的侧窗口，每一个侧窗口对应一个半导体激光器；步骤g中，所述半导体激光器所发的激光经对应的侧窗口后照射到真空室内的悬浮颗粒上。所述颗粒池由不同目数的多层金属网压制而成；所述振动杆呈竖直设置，所述颗粒池通过水平设置的绝缘杆与所述振动杆相接。本专利技术通过在真空室内设置上极板、下极板、颗粒池、颗粒分离器，在真空室外设置射频电源、半导体激光器、斩波器、扩束镜，接通射频电源，通过气体放电可在上、下极板之间产生均匀的等离子体，等离子体的组分主要包括电子、离子以及中性分子。当待分离的微小颗粒（一般为两种不同尺寸的微米量级的颗粒）自颗粒池撒出进入等离子体环境后，等离子体将会对其进行充电。由于电子扩散的比离子快，因此当入射到颗粒上的电子流与离子流达到平衡时，颗粒携带大量负电荷。当颗粒受重力落入下极板上方附近鞘层中所受重力与静电场力平衡时，颗粒将悬浮于下极板上方附近。同时由于颗粒具有高带电性，颗粒间可以很好的分散，形成分散悬浮体系。由于颗粒分离器位于下极板上且处于等离子体环境中，因此在棘齿曲面槽表面形成棘齿形的等离子体鞘层，此鞘层为不满足反演对称性的周期势（在物理学中称为棘齿势），棘齿势满足对称性破缺，能够产生定向输运。分散悬浮着的待分离的颗粒就处于棘齿形的等离子体鞘层中。不同大小的颗粒所带电量不同，所悬浮的高度不同，固有频率也不同，在激光脉冲照射下所产生的共振频率（共振频率与颗粒半径成反比，与颗粒带电量成正比）也不同，通过调节斩波器的脉冲频率，可控制使得两种不同尺寸的颗粒分别向相反方向运动，最终由两个收集盒分别收集两种不同尺寸的颗粒，实现微小颗粒的分离。本专利技术在真空室内通过气体放电形成等离子体，待分离颗粒在等离子体环境中带负电，并形成稳态、分散的悬浮体系，这为实现颗粒的分离提供了基础条件。由于采用等离子体使颗粒分散并处于稳态悬浮状态，因此分离过程属于干法工艺，这种干法工艺与现有激光粒度仪的湿法工艺相比，可避免现有湿法工艺所带来的测量过程繁琐、测量时间长等的一系列问题。同时，不同大小的颗粒会分别进入棘齿曲面槽两端的收集盒，颗粒分离后，只需将颗粒分离器取出即可，是一种无污染的分离方法，避免了湿法操作后需要清洗整个装置的繁琐过程。由于真空室内的气体基本静止，因此可以克服现有干法工艺中因气体流动而对激光光路造成干扰的缺点，进而可以实现准确分离颗粒。除此之外，采用本专利技术还可以实现对极低含量的微小颗粒进行分离。颗粒分离器中棘齿曲面槽的设计，使得在其表面形成棘齿形的等离子体鞘层，该鞘层具有不对称性，分散、悬浮着的颗粒被束缚在该等离子体鞘层中。打开半导体激光器以及斩波器，并调节斩波器的脉冲频率，在激光的推动下，不同尺寸的颗粒分别向两个方向运动，从而实现颗粒的分离。本专利技术操作简单、方便，为实验室及工业领域的快速分离提供了一个解决方案。附图说明图1是本专利技术中干式微小颗粒分离装置的结构示意图。图2是图1中颗粒分离器的三维立体结构示意图。图中：1、真空室，2、上极板，3、颗粒池，4、振动杆，5、侧窗口，6、待分离颗粒，7、升降台，8、半导体激光器，9、斩波器，10、扩束镜，11、下极板，12、颗粒分离器，12-1、棘齿曲面槽，12-2、收集盒，13、真空计，14、射频电源，15、控制器。具体实施方式本专利技术所提供的干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种干式微小颗粒分离方法，其特征是，包括如下步骤：a、设置一真空室，在所述真空室内水平设置上下两个极板；使所述上极板接地线，使所述下极板连接一射频电源的功率电极，射频电源的另一电极接地线；b、在所述下极板上设置颗粒分离器，所述颗粒分离器包括中间部位由若干内凹的棘齿依次邻接而构成的棘齿曲面槽以及两端的收集盒；c、在所述棘齿曲面槽的上方设置颗粒池，在所述颗粒池内盛放有两种不同尺寸的微米量级的待分离颗粒；所述颗粒池与穿出所述真空室的振动杆相接；d、在所述真空室的外部设置两个相对的半导体激光器，且每一个半导体激光器分别对应所述颗粒分离器中的一个收集盒；在每一个半导体激光器的前方分别设置一个斩波器，在每一个斩波器的前方分别设置一个扩束镜；e、接通射频电源，通过气体放电在上极板与下极板之间产生均匀的等离子体；f、在真空室外使所述振动杆振动，进而带动真空室内的所述颗粒池振动，使所述颗粒池内的待分离颗粒从所述颗粒池中撒出；撒出的颗粒在等离子体区域中带负电，并在下极板上方附近的棘齿曲面槽内形成稳态、分散的悬浮体系；g、打开半导体激光器及斩波器的开关，使半导体激光器所发的激光照射到真空室内的悬浮颗粒上；h、调节斩波器的脉冲频率，使待分离颗粒中的两种不同尺寸的颗粒分别沿棘齿曲面槽的轴心线向两个相反方向定向移动；i、待两种不同尺寸的颗粒分别到达两个收集盒上方时，断开射频电源，颗粒自由下落进入相应的收集盒内，从而实现了两种不同尺寸颗粒的分离。...

【技术特征摘要】
1.一种干式微小颗粒分离方法，其特征是，包括如下步骤：a、设置一真空室，在所述真空室内水平设置上下两个极板；使所述上极板接地线，使所述下极板连接一射频电源的功率电极，射频电源的另一电极接地线；b、在所述下极板上设置颗粒分离器，所述颗粒分离器包括中间部位由若干内凹的棘齿依次邻接而构成的棘齿曲面槽以及两端的收集盒；c、在所述棘齿曲面槽的上方设置颗粒池，在所述颗粒池内盛放有两种不同尺寸的微米量级的待分离颗粒；所述颗粒池与穿出所述真空室的振动杆相接；d、在所述真空室的外部设置两个相对的半导体激光器，且每一个半导体激光器分别对应所述颗粒分离器中的一个收集盒；在每一个半导体激光器的前方分别设置一个斩波器，在每一个斩波器的前方分别设置一个扩束镜；e、接通射频电源，通过气体放电在上极板与下极板之间产生均匀的等离子体；f、在真空室外使所述振动杆振动，进而带动真空室内的所述颗粒池振动，使所述颗粒池内的待分离颗粒从所述颗粒池中撒出；撒出的颗粒在等离子体区域中带负电，并在下极板上方附近的棘齿曲面槽内形成稳态、分散的悬浮体系；g、打开半导体激光器及斩波器的开关，使半导体激光器所发的激光照射到真空室内的悬浮颗粒上；h、调节斩波器的脉冲频率，使待分离颗粒中的两种不同尺寸的颗粒分别沿棘齿曲面槽的轴心线向两个相反方向定向移动；i、待两种不同尺寸的颗粒分别到达两个收集盒上方时，断开射频电源，颗粒自由下落进入相应的收集盒内，从而实现了两种不同尺寸颗粒的分离。2.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离方法，其特征是，在所述步骤e中调节所述射频电源的频率为13.56MHz，功率为1~...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺亚峰，冯帆，闫佳，刘富成，范伟丽，董丽芳，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北;13