CN111148988A - 用于估计醛类过滤器的剩余寿命的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统,用于估计醛类过滤器的剩余寿命。该系统包括:醛类过滤器(14),气体的至少一部分将穿过该醛类过滤器,以从气体(12)中去除醛类(10);以及检测介质(16),气体的至少一部分将穿过该检测介质,该检测介质包括光致发光的碳基点(18);光源,用于将激发光(E)发射穿过检测介质以激发碳基点,由此这些碳基点发射冷光(L);检测器(28),用于检测冷光(L),该冷光(L)具有冷光性质;以及控制器(30),用于确定与冷光性质的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度有关的信息,并从所确定的信息来估计醛类过滤器的剩余寿命。

Description

用于估计醛类过滤器的剩余寿命的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于从气体中去除醛类的系统、用于确定包括这些系统的过滤器和空气净化器的寿命的方法。
背景技术
气态醛类是危险污染物,它经常在家里和工作场所可以被检测到。这样的气态醛类的示例包括甲醛和乙醛。
特别地,由于甲醛的毒性和挥发性,它是人类健康关注的重大问题。甲醛的主要非工业来源包括木制品(例如,硬木、胶合板、纤维板等)、燃烧、烟草烟雾、纺织品和胶水。
甲醛即使处于非常低的浓度,也对人类造成潜在的健康风险。它可能引起眼、鼻和喉咙刺激、哮喘、肺损伤、恶心,并且最重要的是,它已被认为是致癌物。
因此,从空气中去除甲醛的过滤器是有用的。
过滤器的寿命取决于累计净化量(CCM),CCM反映了过滤器吸附特定污染物的能力。例如,一些已知的市售过滤器能够吸附至少1500mg甲醛。
然而,CCM值不帮助消费者确定何时应更换过滤器。当前,存在几种确定过滤器寿命的方法。一种常用的方法是测量操作时间并将该时间与预设寿命进行比较。该方法具有局限性,因为它不考虑过滤器操作所处的特定条件,并且因此不考虑对比最大容量所吸附的污染物的量。另一种方法是估计过滤器的洁净空气输送率(CADR)。当CADR降低到初始值的一半时,空气净化器可以提醒消费者更换过滤器。尽管该技术已取得了一定的进展,但它具有低准确度。
WO2017174534A1描述了一种用于使用分散的基于碳元素的点来检测气态醛类的系统。WO2017174534A1没有涉及对过滤器寿命的估计。
US20140001376A1描述了一种用于检测有机蒸气呼吸器滤筒的使用寿命终点的系统。该文献描述了一种系统,其检测来自于受紫外线光源激发的滤筒的光以确定滤筒的使用寿命终点。该文献没有涉及使用碳点来检测过滤器寿命。
US20070141726A1描述了使用冷光材料来检测分析物。根据暴露于辐射源的持续时间的冷光变化被用来检测分析物。
US20160061747A1描述了一种用于测量过滤器的污染度的设备和方法。记录从过滤器反射的光。污染度计算单元计算由过滤器反射的光的波长从预定波长移位的程度,将激发光的强度与由过滤器反射的光的强度进行比较,并且计算过滤器的污染程度。该文献没有涉及使用碳点来检测过滤器寿命。
ZHU SHOUJUN等人:“The photoluminescence mechanism in carbon dots(graphene quantum dots,carbon nanodots,and polymer dots):current state andfuture perspective”描述了碳点的光致发光机理。该文献没有涉及使用碳点来检测过滤器寿命。
发明内容
因此,仍然需要一种用于确定甲醛过滤器的寿命的可靠系统。
本发明由权利要求限定。
根据本发明的第一方面,提供了一种用于从气体中去除醛类的系统,该系统包括:
过滤器(例如,醛类过滤器),气体的至少一部分将穿过该过滤器,以从气体中去除醛类;
检测介质,气体的至少一部分将穿过该检测介质,该检测介质包括光致发光的碳基点;以及
光源,其用于将激发光发射穿过检测介质以激发碳基点,由此这些碳基点发射冷光(luminescent light)。
碳基点(或碳基量子点)是小的碳纳米颗粒(尺寸小于10nm)。当利用激发光照射时,碳基点被激发,并通过荧光发射冷光。本发明利用以下的发现:在与醛类接触后,碳点的光致发光性质被改变。因此,如果穿过检测介质的气体包含醛类,则由碳基点发射的冷光被改变。检测介质变化的类型取决于已穿过检测介质的醛类的量。因此,对在气体穿过检测介质前后所发射的冷光的比较允许估计已被检测介质吸附的醛类的量。通过校准,因为同一种气体已穿过过滤器和检测介质,因此可以确定已被过滤器吸附的醛类的量,这允许确定过滤器的剩余寿命。
这样的系统允许对过滤器寿命进行评估,过滤器寿命反映了过滤器的实际操作条件,并且因此反映了相对于过滤器容量所吸附的醛类的量。此外,系统是低成本、小尺寸且无毒的。
气态醛类可以是甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛和丙烯醛中的一种或多种。特别地,气态醛类是甲醛,甲醛是可以存在于家里和工作场所的已知致癌物。
检测介质可以是液体、凝胶或多孔固体。特别地,检测介质可以是多孔固体。固体检测介质可以容易被集成到装置中。过滤器和检测介质可以彼此并行定位,因此气体的一部分流过过滤器且气体的剩余部分流过检测介质。因此,已被检测介质吸附的甲醛的量与已穿过过滤器的甲醛的量成正比。
碳基点可以是石墨烯点或石墨烯量子点(GQD)、碳纳米点、或碳量子点、或聚合物点。
碳基点可以用有机极性基团进行官能化,其中有机极性基团是氨基团。已经发现,有机极性基团(其为胺)是与醛类相互作用和结合的有用基团。
激发光(E)的波长可以在250nm和500nm之间,优选地在250nm和450nm之间、在300nm和400nm之间,更优选地在350nm和380nm之间。特别优选的激发光的波长在350nm和365nm之间。冷光(L)的波长可以在400nm和600nm之间,优选地在410nm和550nm之间、在420nm和500nm之间,更优选地在430nm和450nm之间。特别优选的冷光的波长在435nm和440nm之间。将了解,激发光和/或冷光的波长不受特别限制。可以采用任何波长范围,只要将激发光与冷光充分地区分开。例如,激发光的波长可以是大约350nm,并且冷光的波长可以是大约435nm。
在系统的一个实施例中,气体可以是空气,并且系统可以是空气净化器。
系统包括:检测器,其用于检测冷光,该冷光具有冷光性质;以及控制器,其用于确定与冷光性质有关的信息并从所确定的信息来估计剩余过滤器寿命。所确定的信息可以包含关于冷光性质的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度的信息。换句话说,所确定的信息可以包含关于冷光的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度的信息,该冷光来自于由光源激发的光致发光的碳基点。
根据实施例,控制器被配置为:将红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度与这些分量的预定强度(例如,使用使一种颜色分量的强度与醛类量有关的查找表)进行比较以确定过滤器的醛类载荷,从而估计剩余过滤器寿命。
根据实施例,通过从红色分量、绿色分量和蓝色分量的强度计算过滤器的醛类载荷,来确定醛类过滤器的剩余寿命。因此,在该实施例中,所确定的信息包含关于冷光的红色分量、绿色分量和蓝色分量的信息,该冷光来自于由光源激发的光致发光的碳基点。在这样的实施例中,控制器可以被配置为:将红色分量、绿色分量和蓝色分量的强度与这些分量的预定强度(例如,使用使这三种颜色分量的强度与醛类量有关的查找表)进行比较,以确定过滤器的醛类载荷,从而估计剩余过滤器寿命。
检测器可以是图像传感器,例如RGB图像传感器。
系统可以包括外罩壳和输出窗口,该输出窗口用于提供检测介质的至少一部分的外部观察。
根据本发明的第二方面,提供了一种计算机程序,其用于控制图像处理单元,以处理根据本发明的系统的检测介质的至少一部分的被捕获图像,该系统包括外罩壳和输出窗口,其中该计算机程序适于用于:当所述程序在图像处理单元上运行时,确定与图像的色谱有关的信息并从所确定的信息来估计剩余过滤器寿命,例如醛类过滤器。所确定的信息可以包含关于图像中的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度的信息。所确定的信息还可以包含关于图像中的红色分量、绿色分量和蓝色分量的强度的信息。如上文针对本发明的第一方面描述的,可以从单一颜色分量(其为红色、蓝色或绿色)或者组合(其为红色、蓝色和绿色)来确定醛类过滤器的剩余寿命。
系统的外罩壳中的输出窗口允许用户看到检测介质。因此,用户可以利用图像捕获装置来捕获检测介质的图像。计算机程序可以分析该图像的色谱,并且通过将该色谱与在和甲醛接触前的色谱进行比较,来由此确定多少甲醛已穿过检测介质,并且因此确定过滤器的寿命。这样的系统允许用户实时确定过滤器寿命,而无需笨重的仪器和训练有素的操作员。
根据本发明的第三方面,提供了一种估计过滤器(例如,醛类过滤器)的剩余过滤器寿命的方法,该过滤器用以减少气体中的醛类的量,该方法包括:
利用激发光来照明检测介质,气体已穿过该检测介质,并且该检测介质包括光致发光的碳基点,该激发光用于激发碳基点,由此这些碳基点发射冷光,其中气体已穿过过滤器和检测介质达相同的时间段;
检测冷光,该冷光具有冷光性质;
确定与冷光性质有关的信息,借以所确定的信息可以包含关于冷光性质的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度的信息;以及
从所确定的信息来估计剩余过滤器寿命。
根据实施例,通过从红色分量、绿色分量和蓝色分量的强度计算醛类过滤器的醛类载荷,来执行对醛类过滤器的剩余寿命的估计。
如上文针对本发明的第一方面描述的,在一种实现方式中,可以使用查找表,该查找表将一个或所有颜色分量(红色、绿色、蓝色)的强度与存在于过滤器中的醛类的量相关联。这可以被用来估计过滤器寿命。
如所提到的,这样的确定过滤器寿命的方法不需要具有高功率需求和需要训练有素的操作员的笨重仪器。
对冷光的检测和分析可以在系统的过滤器系统(诸如,空气净化器)内进行,而无需任何用户输入。
备选地,检测冷光可以包括:捕获检测介质的表面的一部分的图像。确定与冷光性质有关的信息包括:确定与图像的色谱有关的信息。
该图像捕获可以在过滤器系统外部实施,并且可以由用户例如使用移动电话相机或其他相机来实施。
与色谱有关的信息可以包括红色分量、绿色分量和蓝色分量。
附图说明
现在将参考附图来详细描述本发明的示例,其中:
图1示出了用于从气体中去除醛类的系统的第一示例;
图2a示出了可以在系统中使用的过滤器和检测介质,并且图2b示出了用于从气体中去除醛类的系统的第二示例;
图3示出了用于从气体中去除醛类的系统的第三示例;
图4a和图4b示出了预备碳基点并对其进行官能化的过程;
图5示出了在吸附甲醛后由检测介质发射的冷光的红色分量、绿色分量和蓝色分量的变化;
图6示出了在添加不同量的甲醛溶液后由碳基点的溶液发射的冷光的变化;
图7a和图7b示出了在添加不同量的甲醛溶液后由碳基点的溶液发射的冷光的变化;
图8示出了在添加不同量的甲醛后由碳基点的溶液发射的冷光的变化;
图9示出了在添加甲醇、乙醇、丙酮和甲苯后由碳基点的溶液发射的冷光无变化;以及
图10示出了在添加乙醇后由碳基点的溶液发射的冷光无变化。
具体实施方式
本发明提供了一种用于从气体中去除醛类的系统。该系统包括:过滤器和检测介质,气体穿过该过滤器,并且该过滤器从气体中去除醛类;气体的至少一部分穿过该检测介质,并且该检测介质包括光致发光的碳基点。光源将激发光发射穿过检测介质以激发碳基点,由此这些碳基点发射冷光。光的特性给出了关于已穿过的醛类的量的信息,这继而使得能够对剩余过滤器寿命做出估计。
本发明基于使用光致发光(PL)性质的碳基点(例如,石墨烯量子点(GQD)、碳纳米点和聚合物点)来确定用于去除甲醛的过滤器的剩余寿命。
碳基点具有光致发光性质(Zhu S.等人的“The photoluminescence mechanismin carbon dots(Graphene quantum dots,carbon nanodots,and polymer dots):Current state and future perspective”,Nano Research,第8卷,第355页至381页)。
本发明基于以下发现:碳基点在与醛类接触时,碳基点的光致发光性质改变。因为改变的程度取决于已被检测介质吸附的醛类的量,因此通过分析冷光,可以确定被过滤器吸附的醛类的量,并且因此可以确定过滤器的剩余寿命。
图1示出了根据本发明的用于从气体中去除醛类10的系统的示例。包括醛类10的气体(空气)流12穿过过滤器14和分开的检测介质16,该检测介质包括碳基点18。
流量控制装置(未示出)被用于诱导流穿过过滤器14。它可以包括风扇,或者可以代替地使用加热器来产生对流热流。任何泵均可以被用于此目的。气体流可以是空气。备选地,可以采用气体混合物作为气体流,诸如工业中采用的过程气体。
当气体流为空气时,空气可以来自工作环境或家里。在穿过本发明的系统之前,可以对空气进行过滤,以去除颗粒(诸如,灰尘)。
过滤器14可以是适合于从气体中去除醛类的任何过滤器。合适的甲醛选择性过滤器的示例是如WO 97/045189A1中所描述的包括TRIS(三(羟甲基)氨基甲烷)的波纹状过滤器,该过滤器高效且高容量地过滤甲醛。另一种合适的甲醛过滤器是蜂窝结构的过滤器,其包括用贵金属进行官能化的活性炭或陶瓷颗粒。这种过滤器还展现去除甲醛的高性能。
气态醛类可以是任何醛类。特别地,醛类可以是甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛或丙烯醛,并且尤其是甲醛。甲醛存在于以下各者中:用于制造复合木制品(即,硬木、胶合板、颗粒板和中密度纤维板)的树脂;建筑材料和绝缘材料;家用产品,诸如胶、永久压榨织物、油漆和涂料、清漆和饰面以及纸制品;一些药物、化妆品和其他消费产品中使用的防腐剂,诸如洗碗液和织物柔软剂;以及化肥和农药。另外,在来自未通风燃料燃烧器具(诸如,燃气灶)的排放中以及在香烟烟雾中形成甲醛。用于去除甲醛的过滤器特别有用,因为甲醛会引起皮肤、眼睛、鼻子和喉咙的刺激,并且暴露于高水平可以引起一些类型的癌症。
检测介质16可以是多孔固体材料,包括不与激发光和冷光相互作用的透明玻璃或塑料。这样的合适的多孔材料准许激发光和/或冷光的透射率达到至少约70%或更多,诸如至少约80%或更多、至少约90%或更多、至少约95%或更多、或至少约99.5%或更多。合适的多孔材料的示例包括熔融二氧化硅、气凝胶、沸石、金属有机骨架(MOF)和硝化纤维素。
在另一个实施例中,检测介质可以是凝胶。一种可能的凝胶是气凝胶。
在另一个实施例中,检测介质可以是液体。在该实施例中,检测介质可以被支撑在容器中,该容器具有:空气入口管,该空气入口管将气体运送到检测介质中;以及空气出口管,该空气出口管定位得高于空气入口管并且将气体运送出容器。在一个实施例中,液体是水。
碳基点18是纳米级的碳基材料。以被引导穿过检测介质16的气体流与碳基点接触的方式使碳基点分散在检测介质16中。通过将碳基点18的溶液添加到检测介质来制备分散液。当检测介质是多孔固体时,然后允许检测介质例如在环境条件下进行干燥。
将波长为大约350nm的UV或蓝色激发光E照在透明检测介质上。可以采用任何合适的光源,来产生所需波长的激发光。示例涵盖白光源,诸如源自水银灯的单色仪、发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和常规的激光器。激发光源可以进一步与一个或多个过滤器组合,以获得所需的激发光波长或激发光波长范围。所述光源在本领域中是已知的,并且可以与已知的分光光度计中所采用的光源相同。在某些系统中,激发光可以执行双重功能,并且还可以被用作空气质量的指示器,例如,根据取决于气体流中醛类污染物的含量的强度或颜色变化。因此,空气净化器可以提供代表空气质量的经颜色编码的光输出,并且被用来提供该输出信息的光源中的一个或多个光源也可以被用来产生激发光E。
当醛类穿过检测介质16时,气体中的醛类可以与碳基点18结合(即,与碳基点18反应)。碳基点通常展现表面改性或官能化,这使它们呈现为对醛类具有反应性,并且这是由其制备方法造成的。多孔固体是合适的检测介质,因为它们拥有大的表面积来装载碳基点,并且这些孔隙促进了甲醛分子扩散到介质的内部分。
激发光激发碳基点,然后碳基点发射不同的、更长波长的冷光L。可以由用户或通过检测器件来分析所发射的激发光L。
所发射的冷光是碳基点与甲醛结合的程度的特性。因此,通过分析所发射的光,用户可以确定多少甲醛已被检测介质16吸附。继而,用户可以由此确定多少甲醛已被过滤器14吸附,并且基于该过滤器的已知的CCM来确定剩余过滤器寿命。
过滤器14和检测介质16可以并行地暴露于相同的流,即具有相同的流速和醛类浓度的气体流。因此,暴露于醛类的量将与检测介质或过滤器的面积成比例。因此,如果可以从对所发射的冷光的分析来确定由检测介质所经历的曝光的量,则也可以导出过滤器的曝光量。
由检测介质执行的吸附将取决于吸附效率,吸附效率将是预先已知的。根据该信息,可以将所确定的吸附量转化为与醛类的总暴露量。然后,过滤器的已知的总暴露极限使得能够估计剩余寿命。
可以使用包括已知浓度的醛类的气体来对系统进行校准,因此碳基点的特定发光可以与过滤器的特定载荷相关,并且因此与该过滤器的剩余寿命相关。备选地,可以基于理论分析来获得曝光量、检测介质吸附水平和过滤器吸附水平之间的关系。特别地,可以由过滤器制造商提供过滤器载荷和寿命之间的关系,并且可以由制造商或通过实验来提供检测介质载荷和光致发光性质之间的关系。
图2a示出了供在根据本发明的系统中使用的过滤器14和检测介质16的示例。在该示例中,检测介质16和过滤器14是并行的。即,气体的一部分穿过检测介质16,并且气体的一部分穿过过滤器14。过滤器14的表面积大于检测介质16的表面积,并且因此大部分的气体穿过过滤器14。相同的气体穿过过滤器14和检测介质16达相同的时间段,并且因此可以通过分析由碳基点18发射的冷光,来计算被过滤器吸附的醛类的量。
图2b示出了由图2a所示的相同的过滤器14和检测介质16的横截面。还使用与图1中针对相同部件使用的附图标记相同的附图标记,来示出系统的其他部件,并且不重复描述。该系统还包括外罩壳20,该外罩壳可以由任何合适的材料(例如,塑料)形成。外罩壳20包括输出窗口22,该输出窗口向用户提供检测介质16的外部观察。输出窗口22可以是任何适当的间隙,在这种情况下,允许看到检测介质16。因此,由碳基点发射的冷光L对于用户是可见的。因此,方便地,用户可以通过利用图像捕获装置(例如,独立式相机或智能电话)拍摄冷光L的图像来分析冷光L。
然后,计算机程序可以被用来控制图像处理单元,以处理该图像并确定与图像的色谱有关的信息,并且然后基于该信息来估计剩余过滤器寿命。特别地,信息可以涉及图像的红色分量、绿色分量和蓝色分量。方便地,图像捕获装置和图像处理单元可以是用户的智能电话,并且计算机程序可以是智能电话上的应用程序。与专业的光检测器相比,这种分析方法提供了一种低成本且便携式的解决方案。
图3示出了用于从气体中去除醛类的系统的第三示例。在该示例中,系统包括用于检测冷光L的内部检测器28。检测器28检测具有冷光性质的冷光L,并且控制器30确定与冷光性质有关的信息并从所确定的信息来估计剩余过滤器寿命。控制器30控制检测器信号的处理,并且还控制流量控制装置和光源(未示出)的操作。
可以由计算机程序或控制器借助于显示器来显示剩余过滤器寿命。显示器可以指示剩余寿命(以月为单位),或者可以通过与特定寿命(以月为单位)相对应的颜色来指示。另外,当甲醛水平发生异常或突然改变时,警报可以通知用户,并且可以对甲醛水平的趋势进行评估,以建议用户检查其家具的质量、使用空气净化器或打开窗户等。
在一个实施例中,气体是空气,并且系统是空气净化器。空气净化器是从室内空气中去除污染物的装置。这些装置通常以对过敏症患者和哮喘患者有益为卖点,并且可以减少或消除二手烟草烟雾。商业等级的空气净化器被制造为小型独立式单元抑或可以附贴到通风和空调单元的较大型单元。检测介质可以形成过滤器的一部分(例如,其是拉伸片抑或折叠片)。备选地,检测介质可以形成空气净化器上的空气质量指示器的一部分。
碳基点可以选自GQD、碳纳米点和聚合物点。碳基点可以展现的平均最大尺寸为100nm或更小,优选地为50nm或更小、20nm或更小,并且更优选地为10nm或更小(诸如,5nm或更小)。最大尺寸标示碳基点沿一个空间方向的最大尺寸。这意味着,碳基点的其他(两个)空间方向展现与平均最大直径相同或甚至更小的直径。碳基点的大小通常不借助于任何方法来确定,而是通过制备方法来控制。可以通过对聚合物溶液中的石墨烧瓶进行激光照射来合成特定尺寸的碳基点。通过调谐激光脉冲宽度,可以实现对碳基点的尺寸控制。
可以根据以下各者来制备和官能化碳基点:Liu R.等人的“An Aqueous Route toMulticolor Photoluminescent Carbon Dots Using Silica Spheres as Carriers”,Angew.Chem.Int.,2009版,第48卷,第4598页至4601页;Chen X.等人的“Purification,organophilicity and transparent fluorescent bulk material fabrication derivedfrom hydrophilic carbon dots”,RSC Adv.,2015年,第5卷,第14492页至14496页;以及Wang Y.等人的“Carbon quantum dots:synthesis,properties and applications”,J.Mater.Chem.C,2014,第2卷,第6921页至6969页,以上各者的内容通过引用整体地并入本文中。
例如,在以下各者中公开了具有官能化表面的石墨烯点、碳点和聚合物点的制备:Tetsuka H.等人的“Optically tunable amino-functionalized graphene quantumdots”,Advanced Materials,2012年,第24卷,第5333页至5338页;以及Zhu S.等人的“Thephotoluminescence mechanism in carbon dots(graphene quantum dots,carbonnanodots,and polymer dots):Current state and future perspective”,NanoResearch,2015年第8卷,第355页至381页,以上各者的内容通过引用整体地并入本文中。可以通过众所周知的方法来确定碳基点的形态、元素和结构表征,所述方法诸如为:扫描电子显微镜(SEM)(包括低真空SEM和低温SEM;透射电子显微镜(TEM))、原子力显微镜(AFM)、光子关联能谱(PCS)、X射线光电子能谱和X射线衍射(XRD)。可以容易测试碳基点的光致发光性质。将了解,GQD、碳纳米点和聚合物点仅是碳基点的示例,并且也可以采用上文所提到的尺寸范围的其他碳基物质。
GQD优选地被用于结合气态醛类。GQD通常是晶体状的,其直径低于10nm且厚度为几个石墨烯层。GQD主要由碳组成,并且具有光致发光性质。据报道,具有末端伯氨基团的GQD具有适当的光致发光性质,并且特别地与以羧酸和环氧基团封端的GQD相比,具有高的量子产率。因此,GQD提供高的光致发光强度,并且因此具有高的灵敏度。因此,当醛类与GQD的氨基团反应时,将预期光致发光强度降低。
图4a示出了展现有机极性基团26的碳基点24的合成。0.4g柠檬酸钠二水合物、3.0g NH4HCO3和20mL高纯水被密封到100mL的带涂层的不锈钢高压釜中,并且在180℃的水热反应条件下反应4小时。通过渗析16小时,获得0.6mg/mL的经有机极性基团官能化的碳纳米点。该过程的进一步细节可以从Chen X.等人的“Purification,organophilicity and transparent fluorescent bulk material fabrication derivedfrom hydrophilic carbon dots”(RSC Adv.,2015年第5卷,第14492页至14496页)获得,其内容通过引用整体地并入本文中。碳基点24具有有机极性基团26,该有机极性基团诸如-COOH基团、-CH2OH基团或-CH=NH基团,这些基团可以被用来将点附接到多孔检测介质。此外,可以使特定的有机极性基团26经受选择性反应以对其进行改性。例如,亚胺残基可以容易被转化为氨基官能团。
图4b以-NH2基团为例示出了碳基点的表面官能化。在不进行特定的表面官能化的情况下,碳基点的表面可以拥有很少且不同种类的表面基团,诸如-COOH、-OH或-NH2。为了对碳基点进行官能化,可以使用合适的方法来产生具有期望的官能团(诸如,-NH2基团)的碳基点。用于碳基点的表面官能化方法在本领域中是已知的。
如上文所概述的,冷光L的性质被用来确定以醛类对检测介质的载荷量,并且继而确定过滤器的载荷。特别地,冷光的颜色改变。可以以任何合适的方式来分析该颜色。最简单的是分析红绿色分量和蓝色分量,因为典型的图像传感器包括红绿感测子像素和蓝色感测子像素。
进行实验以示出效果。在这些实验中,将甲醛以液体形式添加到过滤器,以模拟检测介质随时间推移的载荷情况。
图5示出了将检测介质中的甲醛结合到从检测介质接收到的冷光的图像的红色(R)分量、绿色(G)分量和蓝色(B)分量的效果。它示出了三种不同颜色分量在检测介质的不同载荷水平下的光强度(以任意单位为单位)。
制备尺寸为约10nm的GQD的1mg/mL水溶液,并将100μl该溶液添加到直径为4cm、面积为6.3cm2且孔隙尺寸为400nm的硝酸纤维素。将介质在环境条件下干燥一小时。然后,添加不同量的甲醛。然后,用相机拍摄检测介质在由激发光照明后的照片,接着进行图像处理以提取图像的R分量、G分量和B分量。可以推断出甲醛量与R分量、G分量和B分量的强度(或相对强度)之间的关系。这种关系可以被用来定量地确定过滤器的寿命。
例如,过滤器的一个示例(NanoProtect Pro S3过滤器)的总面积为3.6m2,并且可以吸附1500mg甲醛,这与约41.6μg/cm2的吸附密度相对应。因此,约6.3cm2的检测介质必须示出变化的光致发光性质,直到吸附约260μg(41μg/cm2*6.3cm2)的甲醛。如图5中所示,R分量、G分量和B分量随着甲醛的添加而降低。绝对而言,B分量降低得最明显。相对而言,R分量降低得最明显,但具有较低的强度水平。因此,红色分量、绿色分量或蓝色分量中每一个的强度可以被用来确定甲醛量。这提供了使用仅能够检测红色分量、绿色分量或蓝色分量的便宜检测器的可能性。所有三种颜色分量的强度均保持降低,直到甲醛载荷量高达约260μg。因此,红色分量、绿色分量和蓝色分量的强度可以被用来确定甲醛量。这三个分量的组合强度信息导致更准确地确定甲醛量。因此,这样的检测介质适合于确定过滤器的寿命。
可以采取任何措施来确保图像仅是冷光L。对于内部图像传感器,可以通过将部件布置在壳体内的遮光区域中以使得仅冷光L可以到达图像传感器,来简单地实现这一点。对于诸如移动电话之类的外部图像传感器,可以提供接口,贴靠该接口来应用移动电话,并且该接口阻挡所有环境光。然而,备选方案是执行校准步骤,借以用户在激发光E未被激活时拍摄检测介质的图像,并且然后在激发光被激活的情况下拍摄图像。以这种方式,可以消除不是由光致发光引起的光的颜色贡献。
对颜色分量的分析可以基于绝对值或相对值。例如,在图5中所示的三个图像中,蓝色强度与红色强度的比率从6.4变化到9.3至13.9,并且绿色与红色的比率从3.6变化到5.0至7.3。因此,在红色分量中看到了最大的相对变化,但是由于红色含量低,这可能难以准确地测量到。由于信号大,可以更准确地测量蓝色分量,要不然可以使用颜色分量之间的比率。当然,这些可能性的任何组合是可能的。
图6示出了冷光的强度变化,该强度变化依赖于被添加到根据图4制备的碳点溶液中的稀释的甲醛溶液的不同浓度。使用Hitach F-4600光谱仪(工作电压为700V,前狭缝:2.5nm,后狭缝:2.5nm,激发波长为350nm,以及发射波长为435nm)执行冷光测试。添加不同量的甲醛:0μL(80)、0.025μL(82)、0.05μL(84)、0.075μL(86)、0.1μL(88)、0.2μL(90)、0.3μL(92)、0.4μL(94)
和0.5μL(96),每一种均溶解在重蒸馏的高纯水中达到了1mL的体积。可以看出,甲醛浓度的增加导致冷光强度的降低。
图7a示出了碳基点的冷光强度取决于所添加的甲醛的量。
图7b示出了图7a的一部分的放大图。可以看出,约0.05μL至约0.1μL的甲醛量展现了与冷光强度的基本线性关系,从而使所述浓度范围呈现为特别适合于甲醛的定量确定。
图8示出了在使用350nm激发光进行照明后,用氨基团进行官能化的GQD(NH2-GQD)对不同的0μg甲醛(98)、20μg甲醛(104)和40μg甲醛(106)的响应。可以看出,1.5mL NH2-GQD溶液中的20μg和40μg甲醛分别诱导强度约32%和35%的强度降低,这表明NH2-GQD适合于定量甲醛检测。
图9示出了NH2-GQD对甲醛具有选择性。在与几种常见的室内空气污染物接触后,所发射的光示出很小的变化,这些室内空气污染物即甲醇(1.66重量%)、乙醇(1.66重量%)、甲苯(1.66重量%)和丙酮(1.66重量%)。
图10示出了不同量的乙醇对NH2-GQD的光致发光性质没有影响。
以上的示例基于对冷光的色谱的分析。红色分量、绿色分量和蓝色分量感测的示例仅是一个示例,其特别适合于移动电话图像传感器。可以使用使得能够确定色点的任何一组颜色分量。以上的结果还表明,仅整体强度可能是足够的,例如,甚至允许使用简单的单色光强度传感器(只要可以避免或补偿环境光)。备选地,单色传感器可以被用于受醛类载荷影响的颜色。
检测介质吸收醛类,并且因此其本身执行过滤功能。然而,此过滤功能不是检测介质的主要目的。例如,可以使检测介质暴露于小于被提供给醛类过滤器的气体流面积的10%或甚至小于5%的气体流面积。醛类过滤器是不同类型的,并且特别地不利用碳基点。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求,本领域技术人员在实践所要求保护的发明时,可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中,词语“包括”不排除其他要素或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记均不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于估计醛类过滤器的剩余寿命的系统,所述系统包括:
醛类过滤器(14),气体的至少一部分将穿过所述醛类过滤器,以从气体中去除醛类(12);
检测介质(16),气体的至少一部分将穿过所述检测介质,所述检测介质包括光致发光的碳基点(18);
光源,用于将激发光(E)发射穿过所述检测介质,以激发所述碳基点,由此所述碳基点发射冷光(L);
检测器(28),用于检测所述冷光(L),所述冷光(L)具有冷光性质;以及
控制器(30),用于确定与所述冷光性质的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度有关的信息,并从所确定的信息来估计所述醛类过滤器的剩余寿命。
2.根据权利要求1所述的系统,其中所述气态醛类是甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛和丙烯醛中的一种或多种。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中所述检测介质是液体、凝胶或多孔固体。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中所述过滤器和所述检测介质彼此并行定位。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中所述碳基点是石墨烯点、碳纳米点或聚合物点。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中所述碳基点用有机极性基团进行官能化,其中所述有机极性基团是氨基团。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中所述激发光的波长在250nm和500nm之间,并且所述冷光的波长在400nm和600nm之间。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中通过从所述红色分量、所述绿色分量和所述蓝色分量的所述强度计算所述过滤器的醛类载荷,来确定所述醛类过滤器的所述剩余寿命。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其包括外罩壳(20)和输出窗口(22),所述输出窗口用于提供所述检测介质的至少一部分的外部观察。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中所述气体是空气,并且所述系统是空气净化器。
11.一种用于控制图像处理单元的计算机程序,以处理根据前述权利要求中的任一项所述的系统的所述检测介质的至少一部分的被捕获图像,其中所述计算机程序适于用于确定与所述图像的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度有关的信息,并从所确定的信息来估计醛类过滤器的剩余寿命。
12.根据权利要求11所述的计算机程序,其中通过从所述红色分量、所述绿色分量和所述蓝色分量的所述强度计算所述醛类过滤器的醛类载荷,来确定所述醛类过滤器的所述剩余寿命。
13.一种估计醛类过滤器的剩余过滤器寿命的方法,所述醛类过滤器用于减少气体中的醛类的量,所述方法包括:
利用激发光来照明包括光致发光的碳基点的检测介质,所述气体已穿过所述检测介质,所述激发光用于激发所述碳基点,由此所述碳基点发射冷光,其中所述气体已穿过所述过滤器和所述检测介质达相同的时间段;
检测所述冷光(L),所述冷光(L)具有冷光性质;
确定与所述冷光性质的红色分量、绿色分量或蓝色分量的强度有关的信息;以及
从所确定的所述信息估计所述醛类过滤器的剩余寿命。
14.根据权利要求13所述的方法,其中通过从所述红色分量、所述绿色分量和所述蓝色分量的所述强度计算所述醛类过滤器的醛类载荷,来执行对所述醛类过滤器的所述剩余寿命的估计。
15.根据权利要求13至14所述的方法,其中:
检测所述冷光包括:捕获所述检测介质的表面的一部分的图像。
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