CN103229049A

CN103229049A - Ph监测设备和方法

Info

Publication number: CN103229049A
Application number: CN2011800541844A
Authority: CN
Inventors: 石军; 王蔚然
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: CN103229049B

Abstract

本发明提出一种pH监测设备10，该设备包括：用于容纳溶液的室107；浸没在溶液中的聚合物(105)，其中聚合物的物理状态根据溶液的pH是否超过阈值是可变的；以及用于检测聚合物的物理状态的改变的检测器109。

Description

PH监测设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于监测溶液的pH值的方法和设备。它进一步涉及监测电解水的pH值。

背景技术

可以在许多领域中使用电解水、即碱水和酸水。例如，弱碱水可以用于饮用，因为人们认为引用弱碱水对健康有益。也提出将碱水用于清洗食物(水果和/或蔬菜)，因为碱水可以帮助从蔬菜和水果中去除杀虫剂残留物。又例如，酸水用于消毒(灭菌)。在这些各种应用中，出于安全目的或者为了更好效果，需要控制碱水或者酸水的pH(氢离子浓度)。例如，在使用碱水清洗食物时，碱水是电解的自来水并且流向水池供用户使用；由于用于长时间皮肤接触的安全pH值被建议在10.5以下，所以应当监测和控制pH值。

传统pH计量器使用两个玻璃电极：指示器电极和参考电极。在两个电极被浸没于溶液中时，建立小电流电池。形成的电势依赖于两个电极。在由两种溶液中的H+浓度所控制的离子交换中在该玻璃的离子与溶液的H+之间在膨胀膜的两个表面处的交换引起响应。这一传统pH感测技术可以被小型化成某一尺寸以测量活体中的pH值并且遥测地报告数据。

另一pH感测技术基于使用对离子灵敏的场效应晶体管(ISFET)。在ISFET中，向栅极电极涂敷对H+灵敏的缓冲涂层。

因此，在漏极电极与源极电极之间的电压降变成H+浓度的函数，栅极电极暴露于该H+浓度。基于ISFET的pH传感器可以被构建成小体积。实验室ISFET pH传感器是市场上可以买到的并且一般比传统玻璃电极pH传感器更昂贵。

传统的pH传感器和基于ISFET的pH传感器二者都需要校准和参考电极，从而使得它们的使用复杂。当前ISFET成本相对高。

WO 2008/135930描述一种用于测量分析物水平的生化感测设备。该过程包括：提供涂覆有化合物/聚合物的电极，其中化合物/聚合物具有依赖于分析物的溶解度分布，使化合物/聚合物涂覆的电极暴露于溶液，测量作为时间的函数的电极处的传导率，并且将传导率与化合物/聚合物的溶解度关联以确定溶液的pH。在这一应用中，聚合物的溶解度性质用来确定溶液的pH值。

然而有时有无需测量溶液的绝对pH值的应用，作为该应用的结果，简单和廉价溶液足以控制溶液的pH值以保证溶液的pH值未超过阈值。

发明内容

为了解决上文提到的一个或者多个问题，本发明提供一种pH监测设备，该设备包括：

-用于容纳溶液的室；

-浸没在溶液中的聚合物，其中聚合物的物理状态根据溶液的pH是否超过阈值是可变的；

-用于检测聚合物的物理状态的改变的检测器。

利用这一设备，在检测器检测到聚合物的物理状态的改变时，意味着溶液的pH值已经超过阈值。

根据所使用的聚合物的不同性质，可以用不同方式实现检测器。

有利地，在聚合物的物理状态的改变对应于溶液溶解聚合物时，检测器包括：

-用于发射光束的光源；

-用于检测光束的光学传感器；

其中聚合物定位于光源与光束之间，从而聚合物阻挡光束，并且在溶解聚合物时光学传感器可以检测光束。

有利地，在聚合物的物理状态的改变对应于溶液使聚合物膨胀时，检测器包括：

-用于发射光束的光源；

-用于检测光束的光学传感器；

其中聚合物定位于光源与光束之间，从而在使聚合物膨胀时，膨胀的聚合物阻挡光束。

-由聚合物绝缘的两个电极，并且在溶解聚合物时，两个电极可以由溶液电连接；

-与两个电极连接的电源；

-用于检测两个电极是否被电连接的电传感器。

有利地，在聚合物的物理状态的改变对应于溶液溶解聚合物并且聚合物定位于室中从而聚合物阻挡溶液的流动并且可以在溶解聚合物时检测溶液的流动时，所述检测器包括用于检测溶液的流速的流量传感器。

有利地，在聚合物的物理状态的改变对应于溶液使聚合物膨胀并且聚合物定位于室中从而在聚合物膨胀时阻挡溶液的流动时，所述检测器包括用于检测溶液的流速的流量传感器。

使用上文描述的pH监测设备，本发明还提出一种用于处理的设备。该设备包括：

-如上文提到的pH监测设备；

-电解单元，用于电解水以获得碱水和酸水，其中碱水或者酸水对应于溶液；

-控制器，用于在已经检测到聚合物的物理状态的改变时停止水电解。

以这一方式，可以控制水电解过程，从而碱水或者酸水的pH不会超出预定义阈值。

根据本发明的一个实施例，公开一种用于使用用于处理水以获得碱水的前述设备来清洗食物的系统。获得的碱水用于清洗食物。

根据本发明的另一方面，提供一种监测溶液的pH的方法。该方法包括以下步骤：

-在溶液中浸没聚合物，其中聚合物的物理状态根据溶液的pH是否超过阈值是可变的；

-由检测器检测聚合物的物理状态的改变。

基于聚合物的性质，可以用不同方式实现检测聚合物的物理状态的改变的步骤。

有利地，在检测器包括用于发射光束的光源并且聚合物定位于光源与光束之间时；检测物理状态的改变的步骤包括由光学传感器检测光束的步骤。

有利地，在检测器包括由聚合物绝缘的两个电极，并且两个电极可以在聚合物溶解时由溶液电连接；以及与两个电极连接的电源时，检测物理状态的改变的步骤包括由电传感器检测两个电极是否被电连接的步骤。

有利地，聚合物定位于室中从而在聚合物膨胀时阻挡溶液的流动，或者聚合物定位于室中从而聚合物阻挡溶液的流动并且可以在聚合物溶解时检测溶液的流动；检测物理状态的改变的步骤包括检测溶液的流速的步骤。

本发明还提出一种处理水的方法，该方法包括以下步骤：

-电解水以获得碱水和酸水；

-根据如上文描述的pH监测方法监测碱水或者酸水的pH；

-在已经检测到聚合物的物理状态的改变时停止水电解步骤。

本发明还提出一种清洗食物的方法，该方法包括以下步骤：

-根据如权利要求14中所述的方法处理水以便获得碱水和酸水；

-通过使用电解的碱水来清洗食物。

附图说明

参照附图更加详细地并且通过示例阐述本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的一个实施例的用于监测溶液的pH的pH监测设备；

图2示出pH监测设备的另一示例；

图3示出pH监测设备的另一示例；

图4示出用于处理水的设备40的示例；

图5示出根据本发明的一个实施例的监测溶液的pH的流程图；

图6示出根据本发明的一个实施例的处理水的流程图；

图7示出将乙烷聚合成聚乙烯的示例；

图8示出HPMC(羟丙基甲基纤维素)的结构。

图中的虚线指示可选的有关步骤或者块；在一些实施例中，可以省略这些步骤或者块。

贯穿上述附图，将理解相同标号指代相同、相似或者对应特征或者功能。

具体实施方式

在本发明的背景中的聚合物是通过链接称为单体的许多分子而形成的长的重复原子链。单体可以是相同的，或者它们可以具有一个或者多个取代化学基团。单体之间的这些差异可以影响性质(比如溶解度、柔韧度或者强度)。

区别聚合物与其它大分子的关键特征是在它们的链中原子单元(单体)的重复。这出现于其中许多单体分子相互链接的聚合期间。

图7示出将乙烷聚合成聚乙烯的示例。形成聚乙烯涉及到数以千计的乙烷分子键合在一起以形成重复-CH2-单元的链。-CH2-单元是聚乙烯的单体单元。

在本发明中，需要对pH灵敏的聚合物，该聚合物具有如下特性：在聚合物被浸没于溶液中时，在溶液的pH超过阈值时可以改变该对pH灵敏的聚合物的物理状态。聚合物的物理状态的改变对应于在碱溶液的pH高于阈值时或者在酸溶液的pH低于阈值时聚合物被溶液溶解。聚合物的物理状态的改变还可以对应于在碱溶液的pH高于阈值时或者在酸溶液的pH低于阈值时溶液使聚合物膨胀。就这一点而言，也可以将聚合物的物理状态的改变理解为聚合物的尺度的改变。在溶解聚合物时，尺度变得越来越小直至聚合物最终完全溶解于溶液中。在使聚合物膨胀时，尺度变得越来越大。

对pH灵敏的聚合物是如下材料，这些材料通过变化它们的尺度来对周围介质的pH的改变做出响应。这样的材料根据它们的环境的pH或者膨胀或者萎缩。它们由于聚合物链中某些官能团的存在而表现这一行为。

这样的对pH灵敏的聚合物的示例是具有将在碱性pH中膨胀的酸性基团(-COOH，-SO3H)的聚合物(例如聚丙烯酸)。另一种聚合物是具有将在酸性pH中膨胀的碱性基团(-NH2)的聚合物(例如纤维素)。对于两个示例，响应机制相同，仅刺激物不同。这些材料广泛用于受控送药系统和仿生学中。图8是HPMC(羟丙基甲基纤维素)的结构，该HPMC的碱性树脂是纤维素。

由于在某一pH被离子化并且获取电荷(+/-)的可离子化官能团(比如-COOH)的存在而触发对溶液的pH值灵敏的聚合物的性质。聚合物链现在具有许多带相同电荷的引起排斥的基团并且因此材料在尺度上扩张。相反情况在pH改变并且官能团失去它们的电荷时发生，因此排斥消失并且材料往回萎缩。

在结合于此用于参考的″Synthesis of pH-sensitive modifiedcellulose ether halfesters and their use in pH detecting systems based onfiber optics″，Journal of Controlled Release，1995，(35)155-163中描述了将在pH值超过11时明显改变它的物理状态的聚合物的示例。这一文章描述了在两个步骤中制备的对pH灵敏的改性聚丙烯酰胺水凝胶。在这一论文中考察水凝胶的表面形态和膨胀行为。

在结合于此用于参考的题为″A pH-sensitive ModifiedPolyacrylamide Hydrogel″的文章中描述了在不同pH值表现膨胀行为的聚合物的另一示例。该论文发表于Chinese Chemical Letters Vol.17，No.3，pp 399-402，2006。该文章表明三种干燥凝胶的均衡膨胀率在1-7.0的pH范围中不变；然而，在7.0以上的pH值，均衡膨胀率(Qeq)明显增加。这一现象可以归结于聚合物侧链上-COOH基团的存在。

在上述两个示例中使用的材料可以用于实施本发明；例如在第一示例中使用的材料可以用于监测溶液的pH是否超过11，并且在第二示例中使用的材料可以用于监测溶液的pH是否超过7。

通过控制聚合过程，可以设计用于在本发明中使用的聚合物，从而除非超过阈值pH值则它基本上不改变它的物理状态。可以在现有技术中(例如在上述两个示例中)发现并且在本发明中将不具体描述如何制成这样的对pH灵敏的聚合物。

出于说明的目的，这里参照示例性实施例更详细地描述根据本发明的设备、系统和方法。然而，公开的设备、系统和方法具有如对于本领域技术人员将容易清楚的广泛适用性。

图1至图3示出用于监测溶液的pH的pH监测设备的示例性实施例。所提供的pH监测设备包括：用于容纳溶液的室；浸没于溶液中的聚合物，其中聚合物的物理状态根据溶液的pH是否超过阈值是可变的；以及用于检测聚合物的物理状态的改变的检测器。在本发明的背景中，室可以是容纳溶液样本的容器，室也可以是溶液流过的导管或者任何其它适当的机构。

在图1A中，提供其中聚合物105定位于室107的底部上的pH监测设备10。溶液将在溶液的pH超过(达到)阈值时明显溶解聚合物。检测器109包括用于发射光束的光源101和用于检测光束的光学传感器103。聚合物定位于光源与光束之间，从而聚合物阻挡光束，并且定位光源和光学传感器使得光学传感器可以在聚合物被溶解时检测光束。光源和光学传感器可以使用发射红外信号的光学耦合器件。作为结果，在光学传感器检测到光束时，它指示已经检测到聚合物的物理状态的改变(即聚合物被溶解)，并且这一指示意味着溶液的pH值超过阈值。

备选地，溶液可以使对pH灵敏的聚合物在溶液的pH超过阈值时明显膨胀。在这一示例中，定位聚合物、光源和光学传感器使得光束可以在聚合物已经膨胀之前被光学传感器检测并且在聚合物膨胀时不能被检测。例如，聚合物105可以被制成小于光学传感器103并且未完全覆盖光学传感器，因此光学传感器可以检测光束。在聚合物已经膨胀之后，它完全覆盖光学传感器，由此阻挡光束。作为结果，在光学传感器不能检测光束时，它指示已经检测到聚合物的物理状态的改变(即聚合物已经膨胀)。

在图1A中，光源101定位于室的顶部，并且光学传感器定位于室的底部。备选地，光源和检测器在相同侧上但是相互成角度布置。如图1B中所示，提供另一示例设备11，其中光源101和光学传感器103均定位于室的顶部，并且在聚合物的底部有可以反射光源的镜状表面，而聚合物不能反射光源。室107的底部是镜状表面并且覆盖有聚合物。在溶解聚合物时，光束在被室的底表面反射之后由光学传感器检测。类似地，光源101和光学传感器103也可以均定位于室的底部。以这一方式，检测聚合物的物理状态的改变。

图2示出用于监测溶液的pH的pH监测设备21的另一实施例。溶液将在溶液的pH超过阈值时明显溶解聚合物。在图2中，检测器209包括由聚合物205绝缘的两个电极201。可以例如通过在两个电极中的至少一个电极的表面上涂覆聚合物来实施绝缘，因为聚合物是不导电的。两个电极暴露于室207中的溶液。检测器209还包括与两个电极连接的电源211和用于检测两个电极是否被电连接的电传感器。电传感器可以例如是安培计、电压计或者欧姆计。在溶解聚合物时，两个电极可以由溶液电连接，因为溶液是导电的。作为结果，电传感器检测到电压或者电流或者电阻的改变这样的事实指示聚合物被溶解(即，聚合物的物理状态已经改变)。

图3示出pH监测设备31的另一实施例。在这一示例中，室307是溶液可以流过的导管。如果聚合物在溶液的pH超过阈值时是可溶解的，则聚合物305可以定位于导管中以阻挡流动。检测器309包括用于检测溶液的流速的流量传感器303。作为结果，大量增加溶液的流速这样的事实指示聚合物被溶解。

备选地，如果可以使聚合物在溶液的pH超过阈值时膨胀，则大量减少溶液的流速这样的事实指示聚合物已经膨胀(即，聚合物的物理状态改变)。

利用聚合物的物理状态的改变的指示，pH传感器器件可以检测到溶液的pH值达到阈值。

可以在各种产品中使用这一pH监测设备。图4示出用于处理水的设备40的示例。设备40包括原先容纳一些自来水的水池409和用于电解自来水以获得碱水和酸水的电解单元403。向水池送回生成的碱水，并且经由导管415向其它地方发送生成的酸水。作为结果，不断增加水池中的水的碱性。设备40包括如上文描述的pH监测设备401。在这一示例中，pH监测设备401用于监测水池中的碱水的pH值。生成的碱水或者酸水对应于上文提到的溶液。在这一示例中，监测设备也可以用于监测酸水的酸性。

如图4中所示，向pH监测设备供应来自水池的水。它将监测水池中的水的pH值。设计聚合物使得在碱水的pH值超过阈值(例如11)时，聚合物的物理状态将明显改变。

设备40还包括用于在已经检测到聚合物的物理状态的改变时停止电解水的控制器407。在pH值在阈值以下时，电解模块将继续工作。在pH监测设备指示达到pH阈值时，控制器407将停止水的电解。控制器例如包括开关。在pH监测设备401已经检测到碱水的pH值超过阈值时，这一设备将触发控制器信号以打开开关以便停止电解单元403的操作。

以这样的方式，可以控制电解过程，并且碱水不会超过预定义值。

本发明还提供一种用于清洗食物的系统。该系统包括用于处理水以便生成具有某一程度的碱性的碱水的设备40和用于使用生成的碱水来清洗食物的设备。水池中的碱水也可以由用户直接用于通过手来洗食物。在这一手洗模型中，pH监测对于保护用户的皮肤免受高碱性水损伤而言是很重要的。

根据本发明的另一方面，提供一种监测溶液的pH的方法。图5示出根据本发明的一个实施例的用于监测溶液的pH的流程图。该方法包括：在溶液中浸没聚合物的步骤51，其中聚合物的物理状态根据溶液的pH是否超过阈值是可变的。在步骤53中，检测器检测聚合物的物理状态的改变。物理状态的改变对应于聚合物明显膨胀或者聚合物明显溶解。

在检测器包括用于发射光束的光源并且聚合物定位于光源与光束之间时，检测物理状态的改变的步骤53包括由光学传感器检测光束的步骤。如上文提到的那样，在溶液可以溶解聚合物时，将定位聚合物以便阻挡光束，作为阻挡光束的结果，光学传感器不能检测光束；并且在溶解聚合物之后，光学传感器可以检测光束。备选地，在溶液可以使聚合物膨胀时，将定位聚合物以便不阻挡光束，并且在聚合物已经膨胀之后，光学传感器不能检测光束。

在检测器包括由聚合物绝缘的两个电极并且溶液在溶解聚合物时可以电连接两个电极；以及与两个电极连接的电源时，检测物理状态的改变的步骤53包括由电传感器检测两个电极是否被电连接的步骤。

在聚合物定位于室中使得在聚合物膨胀时阻挡溶液的流动或者聚合物定位于室中使得聚合物阻挡溶液的流动并且可以在聚合物溶解时检测溶液的流动时，检测物理状态的改变的步骤53包括检测溶液的流速的步骤。

图6示出根据本发明的一个实施例的处理水的流程图。如图6中所示，在步骤61中，将电解单元用于电解水以获得碱水和酸水。并且在步骤63中，根据上文提到的步骤51和步骤53监测碱水或者酸水的pH。并且在步骤65中，在监测步骤63指示碱水的pH达到阈值(即，已经检测到聚合物的物理状态的改变)时停止水电解。

本发明还提供一种清洗食物的方法。该方法包括：根据如上文描述的方法的处理水以便获得碱水和酸水的步骤；以及通过使用碱水来清洗食物的步骤。

有借助硬件或者软件或者硬件与软件的组合的项来实施功能的许多方式。就这一点而言，附图也是非常具有说明性的，每幅图仅代表本发明的一个可能的实施例。例如，上文提到的控制器407、检测器109、检测器209、检测器309可以由存储有不同指令代码的一个或者多个存储器(即，一个或者多个微处理器)、多个印刷电路板和一些硬件来实施。

应当注意，给出上文描述的实施例用于描述而不是限制本发明，并且将理解可以如本领域技术人员将容易理解的那样采取修改和变化而未脱离本发明的精神实质和范围。这样的修改和变化视为在本发明和所附权利要求的范围内。本发明的保护范围由所附权利要求限定。此外，权利要求中的标号不应解释为对权利要求的限制。动词“包括”及其变形的使用未排除除了在权利要求中声明的单元或者步骤之外的单元或者步骤的存在。在单元或者步骤之前的不定冠词“一(a)”或“一(an)”未排除多个这样的单元或者步骤的存在。

Claims

1.一种pH监测设备(10，11，21，31，401)，包括：

-用于容纳溶液的室(107，207，307)；

-浸没在所述溶液中的聚合物(105，205，305)，其中所述聚合物的物理状态根据所述溶液的所述pH是否超过阈值是可变的；

-用于检测所述聚合物的所述物理状态的改变的检测器(109，209，309)。

2.根据权利要求1所述的pH监测设备，其中所述聚合物的所述物理状态的所述改变对应于所述溶液溶解所述聚合物，所述检测器包括：

-用于发射光束的光源(101)；

-用于检测所述光束的光学传感器(103)；

其中所述聚合物定位于所述光源与所述光束之间，从而所述聚合物阻挡所述光束，并且在溶解所述聚合物时所述光学传感器能够检测所述光束。

3.根据权利要求1所述的pH监测设备，其中所述聚合物的所述物理状态的所述改变对应于所述溶液使所述聚合物膨胀，所述检测器包括：

-用于发射光束的光源(101)；

-用于检测所述光束的光学传感器(103)；

其中所述聚合物定位于所述光源与所述光束之间，从而在使所述聚合物膨胀之前所述光束不被阻挡，并且在所述聚合物膨胀时所述膨胀的聚合物阻挡所述光束。

4.根据权利要求1所述的pH监测设备，其中所述聚合物的所述物理状态的所述改变对应于所述溶液溶解所述聚合物，所述检测器包括：

-由所述聚合物绝缘的两个电极(201)，并且在溶解所述聚合物时，所述两个电极能够由所述溶液电连接；

-与所述两个电极连接的电源(211)；

-用于检测所述两个电极是否被电连接的电传感器(203)。

5.根据权利要求1所述的pH监测设备，其中所述聚合物的所述物理状态的所述改变对应于所述溶液溶解所述聚合物，并且所述聚合物定位于所述室中，从而所述聚合物阻挡所述溶液的流动，并且能够在溶解所述聚合物时检测所述溶液的所述流动，所述检测器包括：

-用于检测所述溶液的流速的流量传感器(303)。

6.根据权利要求1所述的pH监测设备，其中所述聚合物的所述物理状态的所述改变对应于所述溶液使所述聚合物膨胀，并且所述聚合物定位于所述室中，从而在所述聚合物膨胀时阻挡所述溶液的流动，所述检测器包括：

-用于检测所述溶液的流速的流量传感器(303)。

7.一种用于处理水的设备(40)，包括：

-根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的pH监测设备(10，11，21，31，401)；

-电解单元(403)，用于电解水以获得碱水和酸水，其中所述碱水或者所述酸水对应于所述溶液；

-控制器(407)，用于在已经检测到所述聚合物的所述物理状态的所述改变时停止水电解。

8.一种用于清洗食物的系统，所述系统包括：

-根据权利要求7所述的用于处理水的设备(40)；

-用于使用所述碱水来清洗食物的设备。

9.一种监测溶液的pH的方法，包括以下步骤：

-在所述溶液中浸没(51)聚合物，其中所述聚合物的物理状态根据所述溶液的所述pH是否超过阈值是可变的；

-由检测器检测(53)所述聚合物的所述物理状态的改变。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述聚合物的所述物理状态的所述改变对应于以下各项中的任一项：

-所述聚合物膨胀；

-所述聚合物溶解。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述检测器包括用于发射光束的光源，并且所述聚合物定位于所述光源与所述光束之间；所述检测所述物理状态的所述改变的步骤包括由光学传感器检测所述光束的步骤。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述检测器包括由所述聚合物绝缘的两个电极，并且所述两个电极在所述聚合物溶解时能够由所述溶液电连接；以及与所述两个电极连接的电源，所述检测所述物理状态的所述改变的步骤包括由电传感器检测所述两个电极是否被电连接的步骤。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述聚合物定位于室中，从而在所述聚合物膨胀时阻挡所述溶液的流动，或者所述聚合物定位于所述室中，从而所述聚合物阻挡所述溶液的所述流动，并且能够在所述聚合物溶解时检测所述溶液的所述流动；所述检测所述物理状态的所述改变的步骤包括检测所述溶液的流速的步骤。

14.一种处理水的方法，包括以下步骤：

-电解(61)水以获得碱水和酸水；

-根据如权利要求9至13中的任一权利要求中所述的方法监测(63)所述碱水或者所述酸水的所述pH；

-在已经检测到所述聚合物的所述物理状态的所述改变时停止(65)所述电解水的步骤。

15.一种清洗食物的方法，包括以下步骤：

-根据如权利要求14中所述的方法处理水以便获得所述碱水和所述酸水；

-通过使用所述碱水来清洗食物。