用于测定介质中的溶解氧含量的装置、系统、传感器和方法制造方法及图纸

本文公开了一种用于测定空气和水性介质中的溶解氧含量的装置、系统、传感器和方法。溶解氧含量可以通过用光源照射包含至少一种可光氧化化合物的传感器来测定，其中光照射使可光氧化化合物能够基于光氧化改变其发光性能，从而量化介质中的溶解氧含量。溶解氧含量可以通过由包括在传感器中的交互式的导电电极产生的阻抗响应来测定。由交互式的导电电极记录的溶解氧含量可以经嵌入在传感器内的电子电路经由短距离或长距离通信传输到用户设备。路经由短距离或长距离通信传输到用户设备。路经由短距离或长距离通信传输到用户设备。

【技术实现步骤摘要】
用于测定介质中的溶解氧含量的装置、系统、传感器和方法


[0001]本申请总体涉及一种用于测量介质中的溶解氧的装置、系统、传感装置和方法。更具体地，本专利技术描述了一种传感装置，即基于通过光氧化产生的化学产物的用于测量介质中的溶解氧含量的溶解氧传感器。

技术介绍

[0002]溶解氧(下文中可互换地称为“DO”)是通常在水和空气质量监测、环境管理和监管标准、污染控制、水产养殖、废水处理/排放和环境影响评估中的重要环境参数。
[0003]已知现有的测定DO的方法之一是温克勒滴定法(Winkler titration)。该方法采用硫酸锰、氢氧化钾和碘化钾处理水性样品以形成Mn(OH)2，Mn(OH)2进一步被水性样品中的溶解氧氧化为Mn(OH)3，Mn(OH)3进而将碘化钾氧化成游离碘，基于游离碘的量与溶解氧含量的正比例关系，可以通过测量游离碘的量计算样品中溶解氧含量。温克勒滴定法受到大量的因素干扰，如亚硝酸根离子、亚铁和三价铁离子、悬浮物和有机物的存在。这种方法分别高估和低估了在缺氧和高氧条件下的溶解氧浓度。
[0004]在现有技术中，克拉克电极(US2,913,3866)通常用于测量水性溶液中的DO。这种设计包括浸没在电解质中并被可渗透膜包裹的阴极和阳极。被测水性介质中的氧会通过可渗透膜扩散并在阴极表面上被还原。测量并记录产生的电流，其与溶解氧浓度呈线性关系。然而，在这种设计中，由于阴极的氧消耗和氧通过可渗透膜的扩散，需要足够流量的水性介质才能准确测量DO。此外，穿过可渗透膜的氧扩散以及测量会受到细菌生长、油污染、有机物、污染物和水中聚合物等因素影响，导致扩散速率的降低。此外，经过一段时间后，膜和电解质溶液会劣化，因此需要更换。此外，在这种设计中，需要对传感器进行频繁的维护、校准和重新整修。
[0005]通常用于医疗和兽医实践的另一种类型的溶解氧传感器是光学传感器。典型地，在此设计中，使用基于发光的光极或光学传感器，其带有一对蓝光和红光的发光二极管(LED)和硅胶光电探测器。使用电子处理器和一对不同波长的发光二极管(LED)，透过患者身体的半透明部分(例如，指尖或耳垂)面对光电二极管，通过血液中携带氧气的血红蛋白的百分比来监测血液中的氧。根据比尔
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朗伯定律(Beer
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Lamberts law)，不同波长的光的吸收与血液的含氧量有关，测量不同波长的可透射光的量其与血液中的含氧量有关。
[0006]已知的US 9,541,539 B2公开了另一种测量超高纯流体中溶解氧的方法。该方法使用安装在流体流动路径中的光透明材料窗口，在一侧具有自有光源和参考光源，在另一侧具有发光体。发光体发出的光由封装在传感器中的光学套筒测量、传输和记录。然而，在这种方法中，流体必须是超高纯的，否则光透射和结果会高度失真，使实地测量和一些实验室测量变得不切实际。
[0007]此外，在现有技术中，通过单线态氧氧化聚芳烃(例如蒽和红烯)是众所周知的(Accounts of Chemical Research,1968,1,104
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110)，因此蒽基和红烯基衍生物(anthracenyl and rubenyl derivatives)可用作受控环境下的单线态氧捕集器。然而，使
得上述氧化反应发生，单线态氧发生器和单线态氧捕集器必须溶解在反应溶液中。该化学物质还可能与介质中的其他ROS(例如OH自由基、RO自由基等)发生反应。这阻碍了它用于开放或自然系统中的DO测量，因为具有单线态氧发生器和氧捕集器的溶液可能会受到外部水性介质中普遍存在的物理和化学因素的干扰。
[0008]尽管上述已知技术的溶解氧测量和设计简单明了，但这些现有方法/设计在实地测量中存在若干问题。首先，溶解氧的时空变化通常很大。例如，在同一地点，溶解氧可以一天之内从过饱和变为氧耗竭。即使在一个小区域内，不同地点的溶解氧也会受到水流形态的影响。
[0009]溶解氧的变化在富营养化水中尤其显着，其中含氧量(尤其是氧耗竭)是主要的环境问题。此外，尽管表层水中的溶解氧含量很高，但水体的垂直分层往往会导致底层水中的氧耗竭。由于不同的水循环模式，溶解氧的时空变化通常很大。由于上述因素，要覆盖这些显著的时间和空间变化，需要频繁或连续的溶解氧测量(例如，于24小时周期内测量不同地点的表层、中层和底层水中的溶解氧)，这做法通常不切实际或成本效益低，尤其是在偏远地区(例如离岸偏远的开放水域)。
[0010]为了克服上述问题，可以将氧传感器安装在浮标上并部署在偏远地点，并且使用遥感技术从偏远地点传输氧传感器采集的信号。然而，这种设置的高成本不适合进行大面积的测量。此外，在氧电极的可渗透膜上附着生长的微生物和水生动物(例如藤壶、盘管虫和贻贝的幼虫)会降低气体扩散，从而影响溶解氧的测量。为了缓解这些问题，通常需要定期更换或清理可渗透膜，这又给偏远地区的定期/连续溶解氧测量带来了实际问题。
[0011]此外，在大多数DO测量和监测中，缺氧(溶解氧<2.8mg O
2 L
‑1)的发生和持续时间以及最低溶解氧值是主要关注点。缺氧可能导致多种环境问题，例如水生动物死亡、生殖和生长障碍以及异常发育、厌氧活动以及产生硫化氢等有毒气体。现有大多数设备无法测定在不同环境条件下和长时间段内的氧含量，并可能导致错误的结论。
[0012]因此，本领域长期以来一直需要更精细的、可程序化的但易于使用的测定溶解氧含量的装置、系统、传感设备和方法。

技术实现思路

[0013]本
技术实现思路
旨在介绍与用于测定溶解氧含量的溶解氧传感器、装置和方法相关的概念，以下将进一步详细描述这些概念。此处描述的本
技术实现思路
不旨在确定所要求保护的主题的必要特征，也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
[0014]在一个实施方式中，公开了一种用于测定浸没介质中的溶解氧含量的溶解氧传感器。溶解氧传感器可以包括至少一种可光氧化化合物。
[0015]在一些实施例中，所述可光氧化化合物可以通过滴铸法、旋涂法或共价结合法的溶液法沉积在载体表面上形成膜。所述载体表面可以选自玻璃、塑料和聚合物中的一种。
[0016]在一些实施例中，所述可光氧化化合物可以基于光氧化改变其发光性能。
[0017]在一些实施例中，所述可光氧化化合物为选自9,10
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二甲基蒽和9
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羧甲基
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10
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甲基蒽中的至少一种的蒽衍生物。
[0018]在一些实施例中，所述溶解氧传感器还可以包括一个或更多个以微米(microns)的距离分开并蚀刻在载体表面上的交互式的(interdigitated)导电电极。
[0019]在一些实施例中，所述溶解氧传感器可以涂覆有例如聚酰胺绝缘膜的粘附膜。
[0020]在一些实施例中，所述交互式的导电电极被配置为用于生成并存储阻抗响应的记录。
[0021]在一些实施例中，所述阻抗响应可以与浸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测定介质中的溶解氧含量的溶解氧传感器，所述溶解氧传感器包含至少一种可光氧化化合物。2.根据权利要求1所述的溶解氧传感器，其中，所述的可光氧化化合物通过滴铸法、旋涂法或共价结合法沉积在载体表面上。3.根据权利要求2所述的溶解氧传感器，其中，将所述可光氧化化合物沉积在所述载体表面上形成膜，并且其中所述载体表面选自玻璃、塑料和聚合物中的一种。4.根据权利要求3所述的溶解氧传感器，其中，所述可光氧化化合物基于光氧化改变其发光性能。5.根据权利要求4所述的溶解氧传感器，其中，所述可光氧化化合物为选自9,10
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二甲基蒽和9
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羧甲基
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10
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甲基蒽中的至少一种的蒽衍生物。6.根据权利要求2所述的溶解氧传感器，还包括一个或更多个以微米距离分开并蚀刻在载体表面上的交互式的导电电极。7.根据权利要求6所述的溶解氧传感器，其中，所述溶解氧传感器涂覆有粘附膜。8.根据权利要求7所述的溶解氧传感器，其中，所述粘附膜为聚酰胺绝缘膜。9.根据权利要求6所述的溶解氧传感器，其中，所述交互式的导电电极被配置为用于生成并存储阻抗响应的记录。10.根据权利要求9所述的溶解氧传感器，其中，所述阻抗响应与浸没溶解氧传感器的介质中的溶解氧含量一致。11.根据权利要求10所述的溶解氧传感器，其中，所述交互式的导电电极能够将从所述阻抗响应中得到的溶解氧含量数据传输到用户设备。12.根据权利要求11所述的溶解氧传感器，其中，所述溶解氧含量数据经由包含处理器、阻抗分析仪和无线传输设备的电子设备传输至所述用户设备。13.根据权利要求11所述的溶解氧传感器，其中，所述交互式的导电电极被配置为用于存...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡绍燊，高志钊，华礼生，招文瑛，
申请(专利权)人：香港城市大学胡绍燊华礼生招文瑛，
类型：发明
国别省市：