CN113125396A - 传感器刷新系统 - Google Patents

Abstract

一种传感器系统，包括传感器和光源。该传感器具有被配置成结合到化学物种的受体。间隔物结合到受体，并且荧光团结合到间隔物。光源被配置成照射传感器以使化学物种从受体分离。光源可以是红外光、微波或无线电波。该传感器系统任选地包括光电检测器，该光电检测器被配置成当光源照射传感器时通过测量荧光来确定化学物种的量。

Description

传感器刷新系统

技术领域

本公开涉及传感器系统，例如，被配置成通过在例如光源或超声波振动能量的影响下使化学物种从传感器系统的传感器分离来刷新传感器的传感器系统。

背景技术

检测水中重金属离子的存在对提高水质至关重要。基于荧光的检测方法已经被用于水中的离子感测（例如金属离子），其中离子附着到传感器以生成抑或淬灭荧光。荧光的测量可以随后确定水中离子的浓度。

刷新传感器允许重复使用传感器。离子和传感器之间的结合强度通常确定传感器返回到未结合状态的刷新时间。刷新时间取决于离子和传感器之间的结合强度而变化。

发明内容

根据一个实施例，公开了一种包括传感器和光源的传感器系统。传感器可具有被配置成结合到化学物种的受体。间隔物结合到受体，并且荧光团结合到间隔物。荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8-萘酰亚胺、N,N,N’,N’-四甲基联苯胺、卟啉或芘。光源被配置成照射传感器以使化学物种从传感器分离。光源可以是红外光、微波或无线电波。该传感器系统任选地包括光电检测器，该光电检测器被配置成当光源照射传感器时通过测量荧光来确定化学物种的量。化学物种可以是离子，包括但不限于Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、As³⁺、As⁵⁺、S^2-、和F^-。传感器系统可进一步包括被配置成在光源被致动之前至少部分干燥受体的单元。

根据另一个实施例，公开了一种包括传感器和光源的传感器系统。该传感器具有被配置成结合到化学物种的表面，并且该表面具有被配置成在结合到化学物种时经历电子性质变化的材料。该材料是金属氧化物或有机半导体。光源被配置成照射传感器以使化学物种从传感器分离。光源可以是红外光、微波或无线电波。化学物种可以是气体类型，包括但不限于H₂S、NO、NO₂、CO、CO₂、O₃、SO₂和SO₃或苯并噻吩及其衍生物。

根据另一个实施例，公开了一种包括传感器和超声波源的传感器系统。该传感器附接到感测组件的感测表面，该感测组件包括至少一个电活性聚合物（EAP）膜、与该至少一个EAP膜接触的第一电极和与该至少一个EAP膜接触的第二电极。超声波源被配置成施加从感测组件生成的超声波振动能量，以使化学物种从传感器分离。传感器被插入到嵌有感测组件的感测表面的膜中，并且膜是厚度小于一厘米的纤维素聚合物基质。该传感器具有被配置成结合到化学物种的受体、结合到受体的间隔物和结合到间隔物的荧光团。荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8-萘酰亚胺、N,N,N’,N’-四甲基联苯胺、卟啉或芘。替代地，传感器具有被配置成结合到化学物种的表面，该表面具有被配置成在结合到化学物种时经历电子性质变化的材料。该材料是金属氧化物或有机半导体。感测组件以这样的方式堆叠，使得所述至少一个电活性聚合物膜响应于由从第一和第二电极生成的电场的刺激而变形，由此产生超声波振动能量，该超声波振动能量从所述至少一个电活性聚合物膜传输到感测表面，以用于使化学物种从传感器分离。该传感器系统包括与第一和第二电极电连通的电路，该电路向第一电极和第二电极中的至少一者提供电信号，以用于生成导致所述至少一个电活性聚合物膜变形的电场。传感器系统还包括定位在感测组件的感测表面与第一和第二电极中的一者之间的聚合物支撑层。所述至少一个EAP膜的厚度在10 μm和100μm之间。所述化学物种可以是离子（包括但不限于Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、As³⁺、As⁵⁺、S^2-和F^-）、气体类型，包括但不限于H₂S、NO、NO₂、CO、CO₂、O₃、SO₂和SO₃或苯并噻吩及其衍生物。

根据又另一实施例，公开了一种感测组件。感测组件包括其上附接有传感器的感测表面、第一电极、第二电极、定位在感测表面和第一电极之间的聚合物支撑层、以及至少一个电活性聚合物（EAP）膜，电活性聚合物（EAP）膜定位在第一电极和第二电极之间并且被配置成响应于由从第一电极和第二电极生成的电场的刺激而变形。该至少一个电活性聚合物膜的厚度在10 μm和100 μm之间。该传感器具有被配置成结合到化学物种的受体、结合到该受体的间隔物和结合到该间隔物的荧光团。荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8-萘酰亚胺、N,N,N’,N’-四甲基联苯胺、卟啉或芘。替代地，传感器具有被配置成结合到化学物种的表面，该表面具有被配置成在结合到化学物种时经历电子性质变化的材料。其他系统的非限制性示例包括测量血液成分的传感器、测量电池成分的传感器、用于热加热系统的热水箱和/或用于汽车或航空应用的燃料箱。

附图说明

图1描绘了被配置成用于传感器系统中的装置架构的示意性透视图。

图2描绘了被配置成用于传感器系统中的受体/间隔物/荧光团型传感器的一般结构架构的示意图。

图3描绘了图1中描述的装置架构的示意图，并且该装置架构被配置用于传感器系统中。

图4描绘了被配置成用于传感器系统中的感测组件的横截面图。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种形式和替代形式。这些图不一定是按比例的；一些特征可以被放大或缩小以示出部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的那样，参考任何一个附图图示和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中图示的特征相结合，以产生没有明确图示或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于应用或实施方式是期望的。

本发明不限于下面描述的特定实施例和方法，因为特定的部件和/或条件当然可以变化。此外，本文使用的术语仅用于描述本发明的实施例的目的，并不旨在以任何方式进行限制。

如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文清楚地另外指示。例如，对单数形式的部件的指代旨在包括多个部件。

结合一个或多个实施方案，将一组或一类材料描述为适合于给定目的意味着该组或该类材料的任何两种或更多种成员的混合物是合适的。化学术语中的成分描述是指添加到描述中指定的任何组合时的成分，并且不一定排除一旦混合时混合物成分之间的化学相互作用。

除非明确指示，否则本说明书中指示尺寸或材料性质的所有数值应理解为在描述本公开的最宽范围时由单词“大约”修饰。

首字母缩略词或其他缩写词的第一个定义适用于同一缩写词在本文中的所有后续使用，并比照适用于最初定义的缩写词的正常语法变型。除非有相反的明确陈述，否则对某一性质的测量是通过与以前或以后对同一性质所引用的相同技术来确定的。

详细参考发明人已知的组合物、实施例和实施例的方法。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式和替代形式实施。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。

术语“基本上”或“大约”可在本文中用于描述公开或要求保护的实施例。术语“基本上”或“大约”可修饰在本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在这种情况下，“基本上”或“大约”可表示其修饰的值或相对特性在值或相对特性的±0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%之内。

监测饮用水质量对保护人类健康很重要。诸如铅（Pb）的重金属是饮用水中常见的污染物。其他重金属，包括砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）和镉（Cd），也可存在于饮用水中。基于荧光的分析物检测技术已经用于检测流体（例如液体或气体）介质中的重金属。该技术采用的一类传感器是受体/间隔物/荧光团型传感器。分析物（诸如，离子）经由传感器的受体结合到传感器，其随后引起抑或淬灭荧光。荧光的测量可以随后确定流体介质中分析物的浓度。

需要将结合的分析物从传感器分离，使得传感器可被重复使用。分析物和传感器之间的结合强度通常决定传感器返回未结合状态的刷新时间。已经开发的一种刷新传感器的技术是通过将传感器浸入蒸馏水中。然而，因为不同的分析物以不同的结合强度结合到传感器，所以使用这种技术时传感器的刷新时间可不同。例如，如果分析物（例如，Ca²⁺）与传感器弱结合，则可能花费三十（30）秒才能将分析物释放到蒸馏水中。但是，如果分析物与传感器强结合，则分析物可能花费四十（40）分钟才能从传感器分离。因此，存在针对宽范围的分析物更及时地刷新传感器的需求。

本公开的各方面涉及使用诸如光源或超声波振动能量的影响，用于使分析物从传感器分离。在一个实施例中，本公开的各方面使用红外光、微波、和/或无线电波作为光源来引起分析物从传感器的光离解。在另一个实施例中，本公开的各方面包括在传感器系统的感测组件中制造至少一个电活性聚合物（EAP）膜，其中所述至少一个EAP膜在电场的影响下变形，由此生成用于使分析物从传感器分离的超声波振动能量。

图1描绘了传感器系统10的装置架构的示意性透视图。图3描绘了传感器系统10的装置架构的示意图。如图1和3所示，传感器系统10包括传感器12、感测组件14、第一光源16、第二光源18、电子屏幕20、入口22和出口24。传感器12可以是受体/间隔物/荧光团型传感器或气体传感器。当流体（例如，液体或气体）介质经由入口22进入传感器系统10时，流体介质中的分析物结合到传感器12。分析物可以是离子（包括但不限于Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Pb²⁺、Zn^2+、As^{3 +}、As⁵⁺、S^2-和F^-）或气体，包括但不限于H₂S、NO、NO₂、CO、CO₂、O₃、SO₂和SO₃或苯并噻吩及其衍生物。传感器系统10任选地包括光电检测器26，例如，光敏电阻器。光电检测器26被配置成测量荧光，该荧光可用于确定流体介质中分析物的浓度。电子屏幕20显示关于分析物的信息，诸如流体介质中分析物的浓度。在一个实施例中，电子屏幕20上的显示的信息可被传输到被配置成监测或记录关于分析物的信息的远程装置。例如，显示的信息可无线地或通过电缆从传感器系统10传输到远程装置。

图2描绘了被配置成用于传感器系统中的受体/间隔物/荧光团型传感器的一般结构架构的示意图。传感器12经由锚定件56附接到感测组件14的感测表面。替代地，传感器12被插入到嵌有感测组件14的感测表面的膜中。在一个或多个实施例中，传感器12的受体化学物质被固定在聚合物薄膜中。聚合物薄膜可以是具有一定厚度的聚合物基质。该聚合物基质可由纤维素聚合物或水凝胶形成。该聚合物基质的厚度可以是以下值中的任一者或在以下值的任何两者的范围内：0.1 cm、0.5 cm、1 cm、1.5 cm和2 cm。传感器12还包括结合到分析物的受体50。间隔物52结合到受体50，并且荧光团54结合到间隔物52。间隔物52可由甲胺和乙胺形成。荧光团可以是蒽、苯、咔唑、二苯基呋喃、萘、1,8-萘二甲酰亚胺、N,N,N’,N’-四甲基联苯胺、卟啉、或芘。

在另一个实施例中，传感器12可以是气体传感器。气体传感器的表面可包含被配置成当结合到流体介质中的分析物时改变电子性质（包括但不限于电导率、电容或氧化还原电流）的材料。该材料可以是金属氧化物。基于金属氧化物的表面可被配置成由于在分析物结合时发生的还原或氧化反应而产生电流。金属氧化物受体的非限制性示例包括氧化锡（SnO₂）、氧化钨（WO₃）、氧化铟（In₂O₃）、氧化锌（ZnO）、其组合，并且任选地包括掺杂剂。该材料还可以是有机半导体，诸如并五苯、酞菁、噻吩、红荧烯，并且任选地包括掺杂剂。

对于任一类型的传感器12，通过第一光源16连续照射感测组件14允许传感器12选择性地结合到一种分析物而不是另一种分析物。例如，在包含分析物A（例如，Pb²⁺）和分析物B（例如，Mg²⁺）的液体介质中，在分析物A与传感器12之间的结合强度大于分析物B与传感器12之间的结合强度的情况下，通过第一光源16对感测组件14的连续照射（例如，1至10分钟）允许分析物A而不是分析物B保持结合到传感器12。分析物A与传感器12的这种选择性结合可允许对分析物A在液体介质中的浓度的精确测量。

在另一个实施例中，将第一光源16调谐到分析物和传感器12之间的键振动或键旋转的谐振也可允许传感器12选择性地结合到一种分析物而不是另一种分析物。例如，在包含分析物A（例如，Pb²⁺）和分析物B（例如，Mg²⁺）的液体介质中选择地将第一光源16调谐到分析物B与传感器12之间的键的谐振可削弱所述键，使得分析物B将在第一光源16的影响下与传感器12分离，而分析物A可保持结合到传感器12。

图3描绘了图1中描述的装置架构的示意图，并且该装置架构被配置用于传感器系统10中。传感器系统10的第一光源16在流体（例如，液体或气体）介质正流经传感器系统10时将光（例如，可见光，如第一箭头28所示）引导到感测组件14上。在一个实施例中，当传感器12是图2所示的受体/间隔物/荧光团型传感器时，流体介质中的分析物与传感器12的结合可生成荧光，如第三箭头32所示，随后可以由光电检测器26测量该荧光以确定分析物的浓度。在另一个实施例中，当传感器12是气体传感器时，流体介质中的分析物与传感器12的结合可引起气体传感器的表面的电子性质的变化，包括但不限于电导率、电容或氧化还原电流。对这些变化的测量可指示流体介质中分析物的浓度。

在图1和3中，第一光源16可被配置成生成具有第一波长的第一光信号。第一波长可基于当流体介质中的分析物结合到传感器12时生成荧光所需的能量来选择。第二光源18可被配置成生成具有第二波长的第二光信号。可基于辅助流体介质中的分析物从传感器12分离所需的频率来选择第二波长。

在一个实施例中，该第二波长可不同于该第一波长。例如，第二波长可在从1 µm至1 mm的范围内，并且第一波长可在从380 nm至700 nm的范围内。在另一个实施例中，第一和第二波长可以在类似的范围内。在又另一实施例中，第一光源16和第二光源18可组合为单个光源，其中，在第一时间范围（例如，＜1分钟）期间照射感测组件14可由于分析物与传感器12的结合而生成荧光，并且在更长时间段（例如，5至10分钟）内照射感测组件14可允许传感器12将结合的分析物释放到流体介质中。

图2所示的受体/间隔物/荧光团型传感器12的荧光团54的结构也对第一光源16的选择具有影响。例如，如果荧光团54是1,8-萘二甲酰亚胺，则由第一光源16生成的第一波长可以是大约450 nm，并且由于分析物与传感器12的结合而产生的荧光可以是大约550 nm。

为了在分析物检测事件之后刷新传感器12，传感器系统10可被配置成中断来自第一光源16的光的方向，并开始来自第二光源18的光的方向。第二光源18可以是红外光、微波和/或无线电波。因此，由第二光源18到感测组件14上的照射引起分析物从传感器12的光离解，由此将传感器12复位到未结合状态。第二光源18可被配置成被调谐为分析物与受体50之间的键振动或键旋转的谐振，从而允许分析物从传感器12的高效分离。传感器系统10可被配置成在开启第二光源18之前至少部分地干燥受体。

在一个实施例中，由于在近红外范围内（例如，当使用第二光源18时）对水的吸收显著高于在可见光范围内（例如，当使用第一光源16时）对水的吸收，所以第二光源18对感测组件14的照射可加热水，这可因此加速感测组件14的老化或劣化。因此，为了防止老化或劣化，在开始来自第二光源18的用于刷新传感器12的光的方向之前，感测组件14可被完全或部分地干燥。

图4描绘了根据实施例的传感器系统10的感测组件14的横截面图。感测组件14包括感测表面60、第一电极64、第二电极68、定位在感测表面60和第一电极64之间的聚合物支撑层62以及定位在第一电极64和第二电极68之间的至少一个电活性聚合物（EAP）膜66。

所述至少一个EAP膜66可由EAP材料形成，该EAP材料被配置成在电场的影响下经历其尺寸或形状的变化。EAP材料可以是疏水性的，以允许所述至少一个EAP膜66在水性环境中工作。在一个或多个实施例中，感测组件14还可包括与第一和第二电极64和68电连通的电路（未示出）。该电路可被配置成向第一和第二电极64和68中的至少一者提供电信号，以生成导致所述至少一个EAP膜66变形的电场。所述至少一个EAP膜66的变形产生超声波振动能量，其从所述至少一个EAP膜66传输到感测表面60。超声波振动能量然后使结合的分析物从传感器12释放，由此刷新传感器12。

感测组件14可使用丝网印刷技术制造，该技术允许所述至少一个EAP膜66与第一和第二电极64和68接触。在一个或多个实施例中，第一电极64和第二电极68中的每一者的厚度可以在100 nm与1 µm之间。在一个或多个实施例中，所述至少一个EAP膜66的厚度在10µm和100 µm之间。所述至少一个EAP膜66的厚度和结晶结构也可被调谐成提供振动的谐振频率，其允许分析物与传感器12的高效分离。在一个实施例中，第一电极64和第二电极68是疏水电极。

虽然本文公开的传感器系统可用作水质传感器系统的一部分，但是公开的传感器系统也可用作其他系统的部分。其他系统的非限制性示例包括测量血液成分的传感器、测量电池成分的传感器、用于热加热系统的热水箱和/或用于汽车或航空航天应用的燃料箱。

虽然上文描述了多个示例性实施例，但这些实施例并不旨在描述权利要求书所涵盖的所有可能的形式。在本说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，可以组合不同实施例的特征以形成本发明的可能未明确描述或图示的另外的实施例。虽然不同实施例可能已被描述为关于一个或更多期望的特性提供优点或优于其他实施例或现有技术实施例，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以折衷以实现所希望的整体系统属性，这取决于具体的应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、组装容易性等。这样，就任何实施例相对于一个或一个以上特性描述为比其他实施例或现有技术实施方式较不令人期望来说，这些实施例不在本公开的范围外且可能对于应用是期望的。

Claims (20)

1.一种传感器系统，包括：

传感器，其具有被配置成结合到化学物种的受体或表面；和

光源，其被配置成照射所述传感器以使所述化学物种从所述传感器分离。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述光源是红外光、微波或无线电波。

3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述传感器具有受体，并且进一步包括结合到所述受体的间隔物和结合到所述间隔物的荧光团，以及光电检测器，所述光电检测器被配置成当所述光源照射所述传感器时通过测量荧光来确定所述化学物种的量。

4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述传感器具有表面，所述表面具有被配置成在结合到化学物种时经历电子性质改变的材料。

5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述传感器具有所述受体，并且进一步包括被配置成在所述光源被致动之前至少部分地干燥所述受体的单元。

6.一种传感器，包括

传感器，其被配置成结合到化学物种，所述传感器附接到感测组件的感测表面，所述感测组件包括至少一个电活性聚合物膜、与所述至少一个电活性聚合物膜接触的第一电极和与所述至少一个电活性聚合物膜接触的第二电极；和

超声波源，其被配置成施加从所述感测组件生成的超声波振动能量，以使化学物种从所述传感器分离。

7.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述传感器被插入到嵌有所述感测组件的所述感测表面的膜中。

8.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，所述膜是具有小于一厘米厚度的纤维素聚合物基质。

9.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述传感器具有被配置成结合到化学物种的受体、结合到所述受体的间隔物以及结合到所述间隔物的荧光团。

10.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述传感器具有被配置成结合到化学物种的表面，所述表面具有被配置成在结合到化学物种时经历电子性质改变的材料。

11.根据权利要求10所述的传感器系统，其中，所述材料是金属氧化物或有机半导体。

12.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述感测组件以使得所述至少一个电活性聚合物膜响应于由从所述第一电极和所述第二电极生成的电场的刺激而变形的方式堆叠，由此产生超声波振动能量，所述超声波振动能量从所述至少一个电活性聚合物膜传输到所述感测表面，以用于使所述化学物种从所述传感器分离。

13.根据权利要求12所述的传感器系统，所述传感器系统进一步包括与所述第一电极和所述第二电极电连通的电路，所述电路向所述第一电极和所述第二电极中的所述至少一者提供电信号，以用于生成导致所述至少一个电活性聚合物膜变形的电场。

14.根据权利要求6所述的传感器系统，还包括聚合物支撑层，所述聚合物支撑层定位在所述感测组件的所述感测表面与所述第一电极和所述第二电极中的一者之间。

15.根据权利要求6所述的传感器系统，其中，所述至少一个电活性聚合物膜的厚度在10 µm与100 µm之间。

16.一种感测组件，包括

感测表面，其具有附接到所述感测表面的传感器，

第一电极，

第二电极，

定位在所述感测表面和所述第一电极之间的聚合物支撑层；和

至少一个电活性聚合物膜，其定位在所述第一和第二电极之间，并被配置成响应于由从所述第一和第二电极生成的电场的刺激而变形。

17.根据权利要求16所述的感测组件，其中，所述至少一个电活性聚合物膜的厚度在10µm与100 µm之间。

18.根据权利要求16所述的感测组件，其中，所述传感器具有被配置成结合到化学物种的受体、结合到所述受体的间隔物和结合到所述间隔物的荧光团。

19.根据权利要求16所述的感测组件，其中，所述传感器具有被配置成结合到化学物种的表面，所述表面具有被配置成用于在结合到所述化学物种时经历电子性质变化的材料。

20.根据权利要求19所述的感测组件，其中，所述感测组件被配置成测量血液的一种或多种成分、测量电池的一种或多种成分、在热加热系统中实施、和/或在燃料箱中实施。

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