CN102946993A - 包括光催化剂的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于降解能够污损传感器的污染物的装置和方法。与传感器联合的光催化剂能够与光源相互作用，以防止传感器的污染和/或促进去除传感器的污染，所述污染由例如但不限于有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫等导致。
Description
背景
光催化剂已获得了相当大的注意，不仅因为它们在从水生产氢和/或氧中的潜在用途，还因为它们在废料处理和空气净化中的潜在用途。光催化剂通常由半导体或由有机金属配合物如叶绿素形成。在这两者中，一般半导体是有利的，部分原因是它们的化学稳定性、低制造成本、宽的能带隙、以及可以容易地处理它们。
半导体光催化作用是通过吸收具有足够能量的波长的光的光子而引发的，该波长对于特定的光催化剂是唯一的。光子吸收产生跨过能带隙的分离的电子和空穴。通过光学激发产生的强还原的电子和强氧化的空穴，可以与能够降解环境污染物的反应、能够分裂水而制备氢的反应等反应相联系。
概述
公开了用于降解可能污损传感器的污染物的装置和方法。在长期监测(例如，环境监测)的过程中，典型的传感器可能被以下各项中的一种或多种污染或污损：有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫等。与传感器联合的光催化剂能够与光源相互作用，来降解污染物，以防止传感器的污染和/或促进去除传感器的污染。
在一个实施方案中，公开了一种装置，其包括传感器和与传感器联合的光催化剂。将光催化剂构造为降解能够污损传感器的物质，以防止传感器的污染和/或促进去除传感器的污染。一方面，传感器可以构造为检测和/或监测温度、pH、电导率、介电常数、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。可以与装置联合的光催化剂的合适实例包括但不限于：TiO2、vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx，以及它们的组合。
在另一个实施方案中，装置包括传感器，其具有传感器部，与装置联合的光源，以及至少与所述传感器部联合的光催化剂。类似于前述实施方案，将至少与所述传感器部联合的光催化剂构造为降解能够污损所述传感器部的物质，以防止传感器部的污染和/或促进去除传感器部的污染。
一方面，光源构造为发射被选择用以激活光催化剂的光的波长。另一个方面，将光源构造为发射UV光、可见光、或它们的组合。另一方面，光源选自灯、激光器、LED、其它类型的光以及它们的组合。
在又另一个实施方案中，公开了一种方法。该方法包括如下步骤：提供传感器，将光催化剂与传感器联合，以及用光源激活光催化剂以防止传感器的污染和/或将传感器去污。一方面，光源可以是日光或人造光源。另一方面，光源可以是基本上始终启动的，或者光源可以是在选定的时间段启动的，用于防止污染和/或将传感器去污。
前述的概述仅是说明性的，而不意在以任何方式限制。除了上述说明性的方面、实施方案和特征之外，其它方面、实施方案和特征将参照以下详细描述而变得明显。
附图简述
图1示意性地描绘了根据本公开的一个实施方案的有机物质的光催化降解机制；
图2描绘了根据本公开的一个实施方案的一种包括传感器和光催化剂的装置的说明性实施方案；
图3描绘了根据本公开的一个实施方案的一种包括传感器、光催化剂和被构造为激活光催化剂的光源的装置的说明性实施方案；
图4描绘了根据本公开的一个实施方案的一种包括传感器、光催化剂和被构造为激活光催化剂的内部光源的装置的说明性实施方案。
详细描述
在下面的详细描述中参考附图，所述附图形成详细描述的一部分。在附图中，相同的标记通常表示相同的组件，除非上下文另有指示。在详细描述、附图和权利要求中描述的示例性实施方案不意在限制。可以利用其它实施方案，并且可以做出其它变化，而不脱离本文提呈的主题的精神或范围。容易理解，在本文一般地描述的以及附图中图示的本公开的各方面可以按多种不同配置来设置、替换、组合、分割和设计，所有这些都是本文明确预期的。
本文公开了用于降解可能污损、污染或降低传感器性能的有机污染物的装置和方法。可以将传感器安置在多种环境中，用于监测水质、空气质量、土壤水分含量、土壤或水中的盐含量、工业生产方法等。然而，监测环境可能包含多种能够在短期或长期内污损传感器的污染物。本文公开的装置包括与传感器联合的光催化剂，它能够与光源相互作用，降解许多类型的污染物，以防止传感器的污染和/或促进去除传感器的污染。
I.包括光催化剂的装置
在一个实施方案中，公开了一种装置。该装置包括传感器和与传感器联合的光催化剂。已知多种传感器用于监测性质，例如但不限于：水质、空气质量、土壤水分含量、土壤或水中的盐含量、温度等。因而，一方面，可以将传感器构造为检测和/或监测温度、pH、电导率、介电常数、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。也可以将传感器构造为监测/检测铵、钡、溴离子、镉、钙、氯离子、铜、氰根、氟离子、碘离子、铅、汞、硝酸根、亚硝酸根、高氯酸根、钾、钠、银、硫化物(sulphide)、硫化物(sulfide)、硫氰酸根、硫酸根、氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)等中的一种或多种。
许多传感器基于电极，被构造为用于监测选定的环境性质。例如，可商购用于基于测量传感器周围介质(即，土壤)的电导率和/或介电常数监测盐度、土壤水分等的传感器。水的介电常数很高，约为80。相反，物质如土壤典型地仅具有约为4的介电常数。因此可以理解，土壤中水含量的变化可以引起相对大的介电常数变化，这可以被传感器监测。
另一典型种类的电极是pH电极。最常用的pH电极是玻璃电极。典型的pH电极包括在其端部具有小玻璃泡的玻璃管，以及在该管中的银/氯化银电极。电极的管通常填充有氯化物的缓冲溶液，其中浸没银电极。
该电极的活性部分是玻璃泡。玻璃泡的表面被内部和外部溶液二者质子化，这典型地造成电荷差，测量该电荷差并转化为pH读数。可商购的pH电极中的大部分是通常所说的“组合电极”，其包括H+离子敏感的玻璃电极和在单独的罩中的附加的参比电极。
离子选择性电极，如构造为检测铵、钡、溴离子、镉、钙、氯离子、铜、氰根、氟离子、碘离子、铅、汞、硝酸根、亚硝酸根、高氯酸根、钾、钠、银、硫化物(sulphide)、硫化物(sulfide)、硫氰酸根、硫酸根、氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)等中的一种或多种的那些，其与pH电极类似地工作。在离子选择性电极中，典型地，用离子特效性膜代替玻璃壳。特定离子与离子选择性膜的相互作用产生电势差，其可被检测并转化为被查离子的浓度测量。离子选择性电极用于生物化学和生物物理研究中，这种情况下通常需要基于实时的对水溶液中离子浓度的测量。
还可商购多种传感器用于监测浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)。关于水监测技术和传感器的附加讨论可见于“用于检测水和废水的标准方法(StandardMethods for the Examination of Water and Wastewater)”(第20版)，Clescerl，Leonore S.(编者)，Greenberg、Arnold E.(编者)、Eaton、Andrew D.(编者)，American Public Health Association，Washington，DC.ISBN0-87553-235-7，其全部内容通过引用结合在此。
在一个实施方案中，本文公开的装置被构造为用于插入介质例如但不限于可测试介质中。可测试介质的合适实例包括固体、多孔介质、液体、气体、以及它们的组合。可测试介质的其他合适实例包括土壤、水或空气中的至少一种。在一个实施方案中，可以安装本文所述的传感器，用于对可测试介质的长期监测。例如，可以将本文公开的传感器装置构造为浸入水中用于水质的长期监测。
任何一种本文所述的传感器都可能在监测可测试介质时被大量潜在的污染物污损。可能污损传感器的潜在的污染物的合适实例包括但不限于：有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫、以及它们的组合。例如，有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质中的任何一种或它们的组合可以聚集在传感器的表面，并且降低传感器的性能。生活物质，例如但不限于细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫，同样可以停留在传感器上或在传感器表面上繁殖，并且降低传感器的性能。
可以与装置联合的光催化剂的合适实例包括但不限于：TiO2、vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx、以及它们的组合。
当光催化剂吸收具有充足能量的光的光子时，能够激发电子。所得的“空穴/电子”对是高度反应性的，并且可以与能够降解有机物质的多种反应相联系。在图1中示意性地说明了这一现象。
图1示出了被具有能量hv的光子112照射的光催化剂粒子100。当光子112被光催化剂100吸收时，电子被激发，从价带120a跨过带隙118到达导带120b。这形成了处于导带120b中的带负电的电子116和处于价带120a中的带正电的空穴114。空穴114是强氧化剂。例如，空穴114能够氧化水形成羟基自由基(·OH)122。羟基自由基能够与氧反应，形成超氧阴离子(O2 -)124。羟基自由基122和超氧阴离子124能够降解很多种有机物质126，生成H2O和CO2128。空穴114也可以直接氧化有机物质126。也已知，光催化剂大大地提高表面(例如但不限于玻璃)的亲水性，这能够允许仅通过水的作用使表面保持洁净并且没有污染物。关于这一现象的进一步讨论可见于“在玻璃上的光氧化自清洁透明二氧化钛膜(Photooxidative self-cleaning transparent titanium dioxide films on glass)”，Journal of Materials Research 10(11)19952842-2848Paz，Y.等，以及“被覆二氧化钛的玻璃的光催化活性和光致亲水性(Photocatalytic activity andphotoinduced hydrophilicity of titanium dioxide coated glass)”，Thin SolidFilms 351(1-2)1999260-263Watanabe，T.等，它们的全部内容通过引用结合在此。如此，光催化剂能够用于防止或逆转传感器被有机物质污损。
能够与本文公开的装置和方法一同使用的光催化剂的一个实例是二氧化钛(TiO2)。在本文讨论的光催化剂中，TiO2是最常见和人所共知的。TiO2是天然存在的钛的氧化物。由于其从涂料至遮光剂至食品着色的广泛应用，TiO2是值得注意的。
存在三种TiO2常见晶形——金红石、板钛矿和锐钛矿。已知TiO2的金红石和锐钛矿形式是光催化活性的，且锐钛矿形式是两者中活性更高的。TiO2的锐钛矿形式被波长约388nm或更短的紫外(UV)光激活。近年来已经发现，被氮离子掺料增敏或被金属氧化物如三氧化钨掺杂的二氧化钛(本文一般称作vis-TiO2)，也是在可见或UV光下的光催化剂。
当TiO2吸收光时，它产生能够与有机物质反应并降解有机物质的反应性物种。因此，二氧化钛由于其杀菌、除臭和防污性能被添加至涂料、水泥、窗材、瓷砖或其它产品中，并被用作水解催化剂。关于TiO2、其光催化性质及其制备方法的附加讨论可见于例如美国专利号6,576,589以及“一种基于染料敏化的胶态TiO2膜的低成本高效太阳能电池(A low-cost，high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films)”，Nature 353(6346)1991737-740，O’Regan，B.等，它们的全部内容通过引用结合在此。
可以与本文讨论的装置和方法一起使用的其它光催化剂包括但不限于：vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx、以及它们的组合。与TiO2不同，这些光催化剂中的许多可以被各种波长(即，波长为约380nm至约800nm)的可见光激活，这在可用的天然UV光很少的情况下可以是有利的。此外，与设计为产生UV的源相比，产生可见光的人造光源一般不太特殊并且一般消耗能量较少。
例如，TiO2-xNx是一种光催化剂，其中一些在TiO2中的氧被氮原子置换。TiO2-xNx被波长小于约500nm的光激活，这保证了广阔的应用范围，因为它覆盖了日光辐射能量的主峰(即，在460nm附近)。此外，存在覆盖此范围的出色的人造光源，包括近年来发展的发光氮化镓铟二极管，其具有在390至420nm附近的峰发射波长。关于TiO2-xNx的附加讨论可见于美国专利公开号2010/0044630和“可见光可调的TiO2-xNx光催化剂的高效形成及其在纳米尺度的转化(Highly Efficient Formation of Visible LightTunable TiO2-xNx Photocatalysts and Their Transformation at the Nanoscale)”，James L.Gole和John D.Stout、Clemens Burda、Yongbing Lou和XiaoboChen，The Journal of Physical Chemistry B 2004108(4)，1230-1240，它们的全部内容通过引用结合在此。
可见光TiO2(vis-TiO2)可以被波长为约500nm至约600nm的光激活，取决于催化剂是如何制备的。关于vis-TiO2的附加讨论可见于“通过RF磁控管溅射沉积法制备可见光响应TiO2薄膜光催化剂及其光催化反应性(Preparation of Visible Light-responsive TiO2 Thin Film Photocatalysts byan RF Magnetron Sputtering Deposition Method and Their PhotocatalyticReactivity)”，Masaaki Kitano、Masato Takeuchi、Masaya Matsuoka、JohnM.Thomas和Masakazu Anpo，Chemistry Letters第34卷，第4号(2005)，以及，“在通过RF磁控管溅射沉积法制备的可见光响应TiO2薄膜上的光催化水分裂(Photocatalytic Water Splitting on Visible Light-responsive TiO2Thin Films Prepared by a RF Magnetron Sputtering Deposition Method)”，M.Matsuoka、M.Kitano、M.Takeuchi、M.Anpo和J.M.Thomas，Topics inCatalysis，第35卷，第3-4号，2005年7月，第305-310页，它们的全部内容通过引用结合在此。
除了SnO2使TiO2的激发态稳定并且该混合物质比单独的TiO2更具催化活性之外，SnO2/TiO2的吸收特性类似于TiO2的吸收特性。关于SnO2/TiO2的附加讨论可见于“通过球磨制备组合的SnO2/TiO2光催化剂(The preparation of coupled SnO2/TiO2photocatalyst by ball milling)”，ChenShifu、Chen Lei、Gao Shen、Cao Gengyu，Materials Chemistry and Physics，第98卷，第1期，2006年7月1日，第116-120页，它的全部内容通过引用结合在此。
SnO2/Al2O3的吸收特性类似于TiO2的吸收特性。在混合材料比任何单独组分更具光化学活性方面，SnO2/Al2O3的行为也类似于SnO2/TiO2的行为。关于SnO2/Al2O3的附加讨论可见于“UV照射的二氧化锡/氧化铝体系的光催化活性在水性4-硝基苯酚中的增强(Enhancement of photocatalyticactivity in UV-illuminated tin dioxode/aluminum oxide system in aqueous4-nitrophenol)”，Chao-Yin Kuo，Reaction Kinetics and Catalysis Letters，第92卷，第2号/2007年12月，第337-343页，它的全部内容通过引用结合在此。
TiON可以被波长为约400nm至约800的可见光激活，使其是真正的可见光光催化剂。关于TiON的附加讨论可见于“通过碳敏化的氮掺杂的氧化钛强化的大肠杆菌的可见光诱发光催化消毒(EnhancedVisible-Light-Induced Photocatalytic Disinfection of E.coli byCarbon-Sensitized Nitrogen-Doped Titanium Oxide)”，Qi Li、Rongcai Xie、Yin Wai Li、Eric A.Mintz和Jian Ku Shang，Environmental Science &Technology 200741(14)，5050-5056，它的全部内容通过引用结合在此。
同样地，TiON/PdO可以被波长为约400nm至约800的可见光激活，使其是真正的可见光光催化剂。关于TiON/PdO的附加讨论可见于“通过氧化钯和氮掺杂的氧化钛的复合光催化剂的细菌的可见光诱发光催化失活(Visible-light-induced photocatalytic inactivation of bacteria by compositephotocatalysts of palladium oxide and nitrogen-doped titanium oxide)”，Pinggui Wu、Rongcai Xie、James A.Imlay、Jian Ku Shang，Applied CatalysisB：Environmental，第88卷，第3-4期，2009年5月20日，第576-581页，以及伊利诺伊大学乌巴纳-尚佩恩分校(University of Illinois atUrbana-Champaign)(2010年1月20日)的“新型可见光光催化剂杀灭细菌，即使在光关闭之后(New visible light photocatalyst kills bacteria，evenafter light turned off)”，ScienceDaily(在ScienceDaily网站在线发表)，它们的全部内容通过引用结合在此。
TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3可以被波长为约400nm至约800nm的光激活。关于TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3的附加讨论可见于JP2009-61426；“在室内照明下使用氧化钨的可见光响应的光催化剂的发展，在可见光下各种挥发性有机化合物的完全氧化分解(Development of a Visible Light Responsive Photocatalyst using TungstenOxide under Indoor Lighting，Complete oxidative decomposition of variousvolatile organic compounds under visible light)”(在National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology (AIST)网站在线发表)；以及“通过简单方法成功合成氧化钨纳米管，期望用作用于室内用途的可见光驱动的光催化剂(Successful Synthesis of Tungsten Oxide Nanotubes by aSimple Method，Expected to be used as a visible-light-driven photocatalyst forindoor applications)”(在AIST网站在线发表)，它们的全部内容通过引用结合在此。
NaTaO3可以被波长为约250nm至约300nm的光激活。关于NaTaO3的附加讨论可见于“向NaTaO3光催化剂掺杂镧系元素对于有效率的水分裂的效果(Effect of lanthanide-doping into NaTaO 3photocatalysts for efficientwater splitting)”，Akihiko Kudo、Hideki Kato，Chemical Physics Letters，第331卷，第5-6期，2000年12月8日，第373-377页，“通过喷雾热解制备NaTaO3以及对于从水中制备氢的表观催化活性的评价(Preparation ofNaTaO3by Spray Pyrolysis and Evaluation of Apparent Photocatalytic Activityfor Hydrogen Production from Water)”，Hyun Woo Kang、Eun-Jung Kim和Seung Bin Park，International Journal of Photoenergy，第2008卷(2008)，文章ID 519643，8页，它们的全部内容通过引用结合在此。
在一个实施方案中，向其施加光催化剂的传感器表面可以由玻璃材料例如但不限于硼硅玻璃、钠玻璃或石英，金属材料例如但不限于不锈钢、铝、铜和各种金属合金，以及塑料材料例如但不限于聚碳酸酯、聚苯乙烯、尼龙和聚乙烯形成。可以通过任何本领域已知的常规技术将光催化剂施加于传感器表面或设置于传感器上方的外壳上。常规技术包括但不限于：化学气相沉积、喷涂、溅射和溶胶-凝胶法。关于这些沉积技术的进一步讨论可见于“石英上TiO2CVD膜的谱学和光催化特征(Spectral andPhotocatalytic Characteristics of TiO2 CVD Films on Quartz)”，Mills等，Photochem.Photobiol.Sci.，2002，1，865-868；“通过溶胶-凝胶法的纳米尺寸化TiO2光催化剂粉末：水解度对粉末性质的影响(Nanosized TiO2Photocatalyst Powder via Sol-Gel Method：Effect of Hydrolysis Degree onPowder Properties)”，Hafizah等，International Journal of Photoenergy，第2009卷，论文ID 962783，8页；“通过RF磁控管溅射沉积法制备可见光响应TiO2薄膜光催化剂及其光催化反应性(Preparation of VisibleLight-responsive TiO2 Thin Film Photocatalysts by an RF MagnetronSputtering Deposition Method and Their Photocatalytic Reactivity)”，Kitano等，Chemistry Letters(2005)第34卷，第616-617页；以及“通过喷雾热解制备NaTaO3以及对于从水中制备氢的表观光催化活性的评价(Preparation of NaTaO3by Spray Pyrolysis and Evaluation of ApparentPhotocatalytic Activity for Hydrogen Production from Water)”，Kang等，International Journal of Photoenergy，第2008卷，论文ID 519643，8页，它们的全部内容通过引用结合在此。
在某些情况下，已知光催化剂与它们所附着的基板反应，例如，允许光催化剂降解沉降在表面上的有机物质的反应性物种(例如，羟基自由基)也可以降解表面，如果表面(例如，塑料)包括易受该反应性物种攻击的影响的材料的话。在一个实施方案中，易受影响的基板的光催化剂诱发的降解可以通过包括一个使光催化剂不直接接触基板的保护层来防止。例如，可以使用磷灰石作为保护层。在另一个实施方案中，可以将光催化剂包封在保护层中。关于这些技术的进一步讨论可见于JP2008-088436和美国专利号6,217,999，它们的全部内容通过引用结合在此。
现在参照图2，显示了包括传感器和光催化剂的装置200的示例性实施方案。装置200包括传感器部220和在该传感器部220上的光催化剂层250。如图2所示，装置200可以任选地包括罩壳230，其被构造为容纳各种与传感器部220联合的电子组件。在另一个实施方案(未示出)中，传感器部220可以被构造为包括全部操作该装置所需的各种电子组件。在图2中也示出，装置200可以任选地包括电连接240，其被构造为向装置200提供电能和/或向装置200和从装置200传送数据。在另外的实施方案(未示出)中，装置200可以通过电池或太阳能电池供电。此外，不管电源如何，可以将装置200构造为无线地接收和发射数据。
如上文非常详细地讨论的，可以将传感器部220构造为检测和/或监测温度、pH、一种或多种选定的离子(例如，钠、硝酸根、亚硝酸根等)、电导率、介电常数、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。
如上文非常详细地讨论的，在装置200上的光催化剂层250能够与光相互作用，来防止传感器部220的污染或将传感器部220去污。这示意性地通过入射光子260说明。正如已经参照图1详细说明的，光子260能够与光催化剂250相互作用而产生能够降解多种有机污染物的反应性物种，否则所述有机污染物可能污损传感器部220。只要施加光催化剂层250使得它没有阻碍传感器部220，就不预期光催化剂层250会干扰装置200的功能。不过，在某些情况下，降解产物可能干扰某些测量。例如，CO2可能干扰pH测量。在这样的情况下，可能必须在测量过程中使去污系统停止工作(例如，通过遮挡光源260)。在光源260是日光的情况下，测量可以在夜间进行。
基本上任何适合的光源都可以是光子260的来源。例如，在装置200被环境光照射的环境中，光子260的来源可以是日光和/或人造光源，例如但不限于如来自荧光或白炽照明的室内光。日光基本上包括激发任何本文所讨论的光催化剂所需的所有波长，而大多数人造照明限于可见光谱(即，约400nm至约800nm)。不过，可以提供人造光源用于激发基本上任何本文所讨论的光催化剂。
在传感器不暴露在环境光的环境中，如地下、在深水中、在基本上不透明的介质中(例如，带有大百比悬浮固体的水)、以及在封闭环境中(例如，在管道内)，装置可以包括其自身光源。在图3和4中说明了这一点。
图3说明了另一个装置300的实施方案。装置300包括传感器部320、罩壳330、和在传感器部320上的光催化剂层350。也如图3中所示，装置300可以任选地包括电连接340，其可以构造为向装置300提供电能和/或向装置300和从装置300传送数据。在另外的实施方案(未示出)中，装置300可以通过电池或太阳能电池供电。此外，不管电源如何，装置300还可以构造为无线地接收和发射数据。
如图3中所示，装置300另外包括光源335，它可以构造为发射能够激发光催化剂350的光子360。在此说明性的实施方案中，光源335包括任选的一层光催化剂350a。在一些实施方案中，光催化剂350a可以被包括在光源335上，以防止与能够污损传感器部320相同的有机污染物使光源335变暗。在此说明性的实施方案中，光源被置于罩壳中。然而，人们将理解，光源335可以与装置300的基本上任何部分联合。此外，光源335可以是可从装置300上拆卸的，和/或光源335可以构造为如通过锁扣(snap)到罩壳330上而另外安装(retrofit)在装置300上。
可以包括在光源335中的灯的合适实例包括但不限于：灯(例如，白炽灯、荧光灯、气体放电灯等)、激光器、LED、以及它们的组合。光源335可以构造为发射基本上任何波长的光。例如，可以将光源335选择或构造为发射在约150nm至约800nm范围内的一种或多种波长。在更具体的实例中，可以将光源335选择或构造为发射在约330nm至约420nm、约350nm至约400nm、约380nm至约500nm或约390nm至约420nm范围内的一种或多种波长。
现在参照图4，说明包括内部光源435的装置400的说明性实施方案。装置400可以是具有传感器部420的如上所述对于离子选择性的标准pH电极，包括容纳在外管/体428中的内部电极422。装置400包括外管/体428，其包覆有光催化剂450。外管428包括电极部分420、内部电极422、内部电极溶液426、以及能够使内部电极感受到外管428外部环境的接口424(例如，玻璃料)。例如，接口424可以允许内部溶液426部分地或完全地与电极外部的溶液平衡。如所示，来自光源的光(例如，光子460)在外管内部反射，以向传感器部分420提供充足的光，以激发光催化剂450用于污染物分解。
外管428可以由能够将来自光源的光460从管428内部传播至光催化剂450的任何合适材料制成。能够制备外管的材料的合适实例包括但不限于：玻璃、塑料等。
在一个实施方案中，外管428可以被集成在装置400中。在另一个实施方案中，外管428可以另外安装在装置400上。
II.将传感器去污的方法
在一个实施方案中，公开了一种用于将传感器去污的方法。该方法包括以下步骤：提供传感器，将光催化剂与传感器联合，和用光源激活光催化剂以防止传感器的污染和/或将传感器去污。一方面，光源可以是日光或人造光源。另一方面，光源可以是基本上始终启动的，或者光源可以是在选定的时间段启动的，以防止污染和/或将传感器去污。在又另一个方面，光可以具有窄谱的波长或宽谱的波长。
在一个实施方案中，提供的传感器构造用于感测或检测水质、空气质量、土壤水分含量、土壤或水中的盐含量、温度等中的一种或多种。同样，一方面，传感器可以构造为检测和/或监测温度、pH、电导率、介电常数、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。传感器也可以构造为监测/检测铵、钡、溴离子、镉、钙、氯离子、铜、氰根、氟离子、碘离子、铅、汞、硝酸根、亚硝酸根、高氯酸根、钾、钠、银、硫化物(sulphide)、硫化物(sulfide)、硫氰酸根、硫酸根、氧化还原电位(ORP)、溶解氧(DO)等中的一种或多种。
本文所述传感器中的任何一种均可能在监测可测试介质时被多种潜在污染物污损。能够污损传感器的潜在污染物的合适实例包括但不限于：有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫、以及它们的组合。例如，有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质中的任何一种或它们的组合可以聚集在传感器的表面，并且降低传感器的性能。生活物质，例如但不限于细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫，同样可以停留在传感器上或在传感器表面上繁殖，并且降低传感器的性能。
可以与装置联合的光催化剂的合适实例包括但不限于：TiO2、vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx、以及它们的组合。
在一个实施方案中，该方法还可以包括提供光源，其被构造为发射能够激活光催化剂的光的波长。在一个实施方案中，提供的光源发射可见光、UV光或它们的组合。在一个实施方案中，提供的光源可以包括天然光源(例如，日光)或人造光源，其选自灯、激光器、LED以及它们的组合。
在一个实施方案中，将光催化剂与传感器联合包括喷涂、化学气相沉积、溶胶凝胶法、和化学气相沉积、溅射涂装等中的一种或多种。
本公开内容不受在本申请中描述的具体实施例的限制。如本领域技术人员显而易见的，可以做出许多修改和变化，而不脱离本发明的精神和范围。除了在本文中阐述的那些以外，本领域技术人员根据前面的描述会明白在本公开内容范围内的功能上等效的方法和装备。这样的修改和变化意图落入所附权利要求的范围内。本公开内容仅根据所附权利要求以及这样的权利要求所具有的全部范围的等同替换进行限制。应当理解，本公开内容不限于具体的方法、试剂、化合物组合物或生物系统，它们当然可以变化。还应当理解，在本文中使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不意在限制。
关于本文中基本上任何的复数和/或单数术语的使用，在适合上下文和/或用途的情况下，本领域技术人员可以从复数转换成单数和/或从单数转换成复数。为了清楚，可能在本文中清楚地提出各种单数/复数变换。
本领域技术人员会理解，一般而言，在本文中并且特别是在所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语，通常作为“开放式”术语(例如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当解释为“至少具有”，术语“包含”应当解释为“包含但不限于”等)。本领域技术人员还会理解，如果意指引入的权利要求复述物(recitation)的具体数目，则将在权利要求中明确地复述这个意思，并且在没有这种复述物的情况下，不存在这种意思。例如，作为理解的帮助，所附权利要求可以包含引出性短语“至少一个”和“一个或多个”的用法，以引出权利要求复述物。然而，这样的短语的使用不应解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引出的权利要求复述物，将含有这样引出的权利要求复述物的任何特定权利要求限制到只含有一个这样的复述物的实施方案，即使当同一权利要求包括引出性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词例如“一个”或“一种”时(例如，“一个”和/或“一种”应当解释为指“至少一个(种)”或“一个(种)或多个(种)”)；对于用于引出权利要求复述物的定冠词的使用，同样成立。另外，即使明确地阐述引出的权利要求复述物的具体数目，本领域技术人员会认识到，这样的复述物应当解释为至少是指阐述的数目(例如，没有其它修饰词的“两个复述物”的裸复述物是指至少两个复述物或两个以上复述物)。此外，在其中使用与“A、B和C中的至少一个等”类似的惯例的那些情况下，一般而言，以本领域的技术人员会理解所述惯例的含义，意指这样的构造(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于：具有单独的A的系统、具有单独的B的系统、具有单独的C的系统、具有A和B一起的系统、具有A和C一起的系统、具有B和C一起的系统，和/或具有A、B和C一起的系统等)。本领域技术人员将进一步理解，呈现两个以上备选术语的基本上任何的分离性词语和/或短语(在说明书、权利要求或附图中)，应当理解为涵盖包括所述术语之一、所述术语中的任一个或所有术语的可能性。例如，短语“A或B”应当理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
另外，在以马库什(Markush)组的方式描述本公开内容的特征或方面的情况下，本领域技术人员会认识到，本公开内容由此也依据马库什组的任何单个成员或多个成员的亚组描述。
本领域技术人员会理解，为了任何和所有的目的，诸如依据提供书面描述，在本文中公开的所有范围也包括它们的任何和所有的可能子范围和子范围的组合。任何列出的范围可以容易地视作足以描述和实现将同一范围分成至少相等的两份、三份、四份、五份、十份等。作为一个非限制性实例，在本文中讨论的每个范围可以容易地分成较低的三分之一、中间的三分之一、较高的三分之一等。如本领域技术人员还理解的，诸如“至多”、“至少”、“大于”、“小于”等的所有表述包括叙述的数字，并且指随后可以分解成如上讨论的子范围的范围。最后，如本领域技术人员理解的，一个范围包括各个单个的成员。因而，例如，具有1-3个成员(cell)的组是指具有1、2或3个成员的组。类似地，具有1-5个成员的组是指具有1、2、3、4或5个成员的组等。
如本文所使用的，术语“基本上”用于表示大的范围或程度。术语“基本上”经常与另一个术语关联使用，以描述该术语的范围或程度，例如但不限于：角度、形状和存在状态。例如，术语“基本上垂直的”可以用于指示某些在角度测量中的误差。这就是说，“基本上垂直的”角度可以是90°，但是如45°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130或135°的角度也被认为是“基本上垂直的”。类似地，“基本上”可以用于与形状术语关联使用，如“基本上是圆柱形的”指示归类于可以具有圆形剖面或卵形剖面的物体。类似地，描述存在状态的术语如术语“基本上关闭的”可以用于指示几乎关闭的或通常是关闭着的某物，但它不需要100％关闭或总是关闭。
尽管在本文中已经公开了不同的方面和实施方案，但是其它的方面和实施方案对本领域技术人员是显而易见的。在本文中公开的各个方面和实施方案是用于举例说明的目的而不意在限制，其中真实的范围和精神由所附权利要求指示。
Claims (61)
1.一种装置，所述装置包括：
传感器；和
光催化剂，其与所述传感器联合。
2.权利要求1所述的装置，其中将所述传感器构造为检测温度、pH、电导率、介电常数、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。
3.权利要求1所述的装置，其中将所述光催化剂构造为防止所述传感器的污染和/或促进去除所述传感器的污染和/或降解有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫和它们的组合中的一种或多种。
4.权利要求1所述的装置，其中所述光催化剂选自以下各项组成的组：TiO2、vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx和它们的组合。
5.权利要求4所述的装置，其中所述光催化剂包括保护层。
6.权利要求5所述的装置，其中所述保护层包括磷灰石。
7.权利要求5所述的装置，其中所述光催化剂被包封在保护层中。
8.权利要求1所述的装置，所述装置还包括光源。
9.权利要求8所述的装置，其中所述光源是日光。
10.权利要求8所述的装置，其中所述光源是人造光源。
11.权利要求10所述的装置，其中所述人造光源选自由以下各项组成的组：灯、激光器、LED和它们的组合。
12.权利要求10所述的装置，其中所述人造光源被封装在所述装置中。
13.权利要求12所述的装置，其中所述人造光源被外罩封装在所述装置中。
14.权利要求13所述的装置，其中所述外罩由玻璃或塑料材料制成。
15.权利要求8所述的装置，其中将所述光源构造为发射UV光、可见光或它们的组合。
16.权利要求15所述的装置，其中将所述光源构造为发射波长在约150nm至约800nm范围内的光。
17.权利要求15所述的装置，其中将所述光源构造为发射波长在约330nm至约420nm范围内的光。
18.权利要求15所述的装置，其中将所述光源构造为发射波长在约350nm至约400nm范围内的光。
19.权利要求15所述的装置，其中将所述光源构造为发射波长在约380nm至约500nm范围内的光。
20.权利要求15所述的装置，其中将所述光源构造为发射波长在约390nm至约420nm范围内的光。
21.权利要求1所述的装置，其中将所述传感器构造为用于插入介质中。
22.权利要求21所述的装置，其中所述介质是可测试介质。
23.权利要求22所述的装置，其中所述可测试介质包括固体、多孔介质、液体或气体中的至少一种。
24.权利要求22所述的装置，其中所述可测试介质包括土壤、水或空气中的至少一种。
25.权利要求22所述的装置，其中所述可测试介质是水。
26.权利要求25所述的装置，其中将所述传感器构造为将要浸入水中用于水质的长期监测。
27.权利要求26所述的装置，其中将所述光催化剂构造为防止传感器被有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫和它们的组合中的一种或多种所污染。
28.一种装置，所述装置包括：
传感器，其具有传感器部；
光源，其与所述装置联合；和
光催化剂，其至少与所述传感器部联合，其中将所述光催化剂构造为与由所述光源发射的光相互作用，以防止所述传感器部的污染和/或促进去除所述传感器部的污染。
29.权利要求28所述的装置，其中将所述传感器部构造为检测温度、pH、电导率、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。
30.权利要求28所述的装置，其中将所述光催化剂构造为防止传感器的污染和/或促进去除传感器的污染和/或降解有机化合物、挥发性有机化合物(VOC)、有机金属化合物、烟灰、有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫和它们的组合中的一种或多种。
31.权利要求28所述的装置，其中所述光催化剂选自以下各项组成的组：TiO2、vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx和它们的组合。
32.权利要求28所述的装置，其中将所述传感器部构造为将要浸入水中用于水质的长期监测。
33.权利要求32所述的装置，其中将所述光催化剂构造为防止所述传感器部的污染和/或促进去除所述传感器的污染，所述污染由有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫和它们的组合中的一种或多种导致。
34.权利要求28所述的装置，其中将所述光源构造为发射选定的用于激活所述光催化剂的光的波长。
35.权利要求34所述的装置，其中所述选定的用于激活所述光催化剂的光的波长在约150nm至约800nm的范围内。
36.权利要求34所述的装置，其中所述选定的用于激活所述光催化剂的光的波长在约330nm至约420nm的范围内。
37.权利要求34所述的装置，其中所述选定的用于激活所述光催化剂的光的波长在约350nm至约400nm的范围内。
38.权利要求34所述的装置，其中所述选定的用于激活所述光催化剂的光的波长在约380nm至约500nm的范围内。
39.权利要求34所述的装置，其中所述选定的用于激活所述光催化剂的光的波长在约390nm至约420nm的范围内。
40.权利要求28所述的装置，其中将所述光源构造为发射UV光、可见光或它们的组合。
41.权利要求40所述的装置，其中所述光源选自由以下各项组成的组：灯、激光器、LED和它们的组合。
42.权利要求28所述的装置，其中所述传感器部与外壳部联合，所述外壳部至少部分地封装所述传感器部。
43.权利要求42所述的装置，其中所述外壳部对于UV光、可见光或它们的组合是至少部分透明的。
44.权利要求42所述的装置，其中所述外壳部由玻璃或塑料材料制成。
45.权利要求42所述的装置，其中所述外壳部集成在所述装置中。
46.权利要求42所述的装置，其中将所述外壳部构造为将另外安装在所述传感器部上。
47.一种方法，所述方法包括：
提供传感器；
将光催化剂与所述传感器联合；和
用光源激活所述光催化剂，以防止所述传感器的污染和/或去除所述传感器的污染。
48.权利要求47所述的方法，将所述传感器构造为检测温度、pH、电导率、盐度、浊度、总悬浮固体物(TSS)、总溶解固体物(TDS)、生物需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)中的一种或多种。
49.权利要求47所述的方法，所述光催化剂选自由以下各项组成的组：TiO2、vis-TiO2、SnO2/TiO2、SnO2/Al2O3、TiON、TiON/PdO、TiO2/WO3、Pd-WO3、CuO-WO3、Pt-WO3、NaTaO3、TiO2-xNx和它们的组合。
50.权利要求47所述的方法，所述方法还包括提供光源，所述光源构造为发射能够激活所述光催化剂的光的波长。
51.权利要求50所述的方法，所述光源构造为发射UV光、可见光或它们的组合。
52.权利要求47所述的方法，所述传感器与外壳联合，所述外壳至少部分地封装所述传感器。
53.权利要求52所述的方法，所述外壳对于UV光、可见光或它们的组合是至少部分透明的。
54.权利要求52所述的方法，所述外壳由玻璃或塑料材料构成。
55.权利要求52所述的方法，所述光源被封装在所述外壳内。
56.权利要求47所述的方法，所述光源选自由以下各项组成的组：灯、激光器、LED和它们的组合。
57.权利要求47所述的方法，所述光源是日光。
58.权利要求47所述的方法，其中将光催化剂与传感器联合包括喷涂、化学气相沉积、溶胶凝胶法、和化学气相沉积、和溅射涂装中的一种或多种。
59.权利要求47所述的方法，其中将所述传感器部构造为用于检测一种或多种水质性质。
60.权利要求59所述的方法，其中将所述传感器构造为将要浸入水中用于水质的长期监测。
61.权利要求60所述的方法，其中将所述光催化剂构造为防止所述传感器部被有机物质、细菌、藻类、水生生物卵、浮游生物幼虫和它们的组合中的一种或多种污染。
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